Процесс азотирования и азотирование сталей — IspatGuru

Азотирование стали: описание и особенности процедуры

Азотирование

Азотирование упрочняет внешнюю поверхность металла путем диффузии в нее азота под действием тепла. Это процесс термической обработки, но температуры, необходимые для азотирования, ниже, чем при других методах термической обработки, и процесс в печи занимает гораздо больше времени.

Азотирование подходит для поверхностного упрочнения сплавов из средне- и высокоуглеродистой стали. Он также эффективен при работе с ферритными нержавеющими сталями, такими как 420, и сталями с дисперсионным твердением, такими как 17-4. Помимо поверхностного упрочнения, азотирование улучшает ряд других свойств сплава, в том числе износостойкость и коррозионную стойкость. Азотирование является предпочтительным методом упрочнения многих компонентов, используемых в автомобилестроении, огнестрельном оружии, производстве штампов и инструментах.

Компания Thermo-Fusion, расположенная в районе залива Сан-Франциско, имеет сертификаты ISO 9001:2015 и AS9100D. Мы предоставляем азотирование и другие металлургические услуги уже более 50 лет.

Материалы, используемые в азотировании

В процессе азотирования образуются выделения нитрида сплава на поверхностном слое металла путем введения свободного азота в металл. Алюминий, хром, молибден, титан, вольфрам и ванадий легко соединяются с азотом при высоких температурах с образованием нитридов соответствующих металлов. Низкоуглеродистые сплавы стали, содержащие эти металлы, как правило, являются хорошими кандидатами для азотирования. Основные стальные сплавы, используемые для азотирования, включают:

  • -САЭ 4130
  • -САЭ 4140
  • -САЭ 4150
  • -САЭ 4340
  • -АИСИ 8640
  • -17-4 (он же SAE 630)
  • -15-5
  • -400 серия из нержавеющей стали
  • – Нитралой 135®

Thermo-Fusion предлагает азотирование всех вышеперечисленных стальных сплавов.

Азотирование приложений

Азотирование — это процесс закалки, который предпочитают металлурги, потому что это относительно низкотемпературный метод, снижающий риск деформации детали. Азотирование широко используется для поверхностного упрочнения таких компонентов, как:

  • -Подшипники
  • -Гильзы цилиндров
  • -Умирает
  • -Подающие винты
  • -Шестерни
  • -Диски с отверстиями
  • -Поршневые кольца
  • -Валы
  • -сплайны
  • -Распылительные форсунки
  • -Клапаны

Преимущества азотирования

Температуры, используемые при азотировании, недостаточно высоки, чтобы деформировать металлические детали. Кроме того, азотирование позволяет медленно охлаждать компоненты, что также позволяет избежать деформации. Азотирование увеличивает удельный объем стали на поверхности сплава, обеспечивая следующие преимущества:

  • – Обеспечивает высокую твердость 700-1000 HV (60+ HRC) при рабочих температурах ниже 1000 °F.
  • -Сниженный коэффициент трения, улучшающий как усталостную долговечность, так и время до отказа при контактной усталости качения.
  • – Повышенная стойкость к истиранию и износу
  • – Повышает противозадирные, противосварочные и противозадирные свойства
  • – Более высокая коррозионная стойкость
Читайте также:
Настроить межкомнатные стеклянные двери | Стеклянный доктор

Компания Thermo-Fusion выполняет мелкие и крупные работы по азотированию, а также проекты по развитию. Мы также предлагаем ряд других металлургических услуг, в том числе:

  • -Отжиг
  • – Пайка (водород, горелка, вакуум, воздух)
  • -Науглероживание
  • -Криогенная обработка
  • -Закалка (корпусная, сквозная, вакуумная, пламенная)
  • -Термическая обработка
  • – Индукционный отжиг и закалка
  • -Снятие стресса

Наша команда Thermo-Fusion имеет большой опыт в разработке и производственных процессах. Мы поддерживаем самые высокие стандарты качества и превосходим ожидания наших клиентов в отношении своевременной доставки и оперативного обслуживания. Мы гордимся тем, что являемся членом многих отраслевых ассоциаций, в том числе Института обработки металлов (MTI), Общества инженеров-технологов (SME) и Американского общества сварщиков (AWS).

Свяжитесь с нами сегодня, чтобы узнать больше о Thermo-Fusion и наших возможностях.

Азотирование стали: описание и особенности процедуры

Процесс азотирования и азотирование сталей

Согласно DIN EN 10052:1994-01 азотирование определяется как термохимическая обработка заготовки с целью обогащения поверхностного слоя азотом. Углеродное азотирование включает обогащение поверхностного слоя азотом и углеродом.

Процесс азотирования, впервые разработанный в начале 1900-х годов, продолжает играть важную роль во многих промышленных применениях. Он часто используется в производстве самолетов, подшипников, автомобильных компонентов, текстильного оборудования и систем генерации турбин. Это остается самым простым из методов цементации.

Основой процесса азотирования является то, что он не требует фазового перехода от феррита к аустениту, а также не требует дальнейшего перехода от аустенита к мартенситу. Другими словами, сталь остается в фазе феррита (или цементита, в зависимости от состава сплава) в течение всей процедуры. Это означает, что молекулярная структура феррита (ОЦК) не меняет своей конфигурации и не перерастает в гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку, характерную для аустенита, как это происходит в более традиционных методах, таких как науглероживание. Кроме того, поскольку происходит только свободное охлаждение, а не быстрое охлаждение или закалка, последующего превращения аустенита в мартенсит не происходит. Опять же, нет изменения размера молекул и, что более важно, нет изменения размеров, только небольшой рост из-за объемного изменения поверхности стали, вызванного диффузией азота. То, что может (и делает) вызвать искажение, – это индуцированные поверхностные напряжения, высвобождаемые теплом процесса, вызывающие движение в форме скручивания и изгиба.

Читайте также:
Стиральная машина выбивает автоматический выключатель: что делать, сработало УЗО

Целью азотирования является обогащение поверхностного слоя заготовки азотом для повышения твердости поверхности. В процессе азотирования используется низкая растворимость азота в ферритной кристаллической структуре, что способствует осаждению нитридов железа или нитридов сплавов. При содержании азота в несколько процентов на поверхности образуется нитридный слой, в основном когезионный (связующий слой). Этот слой соединен с диффузионной зоной, в которой осажденные нитриды равномерно распределяются в матрице стали, что приводит к упрочнению, особенно для легированных сталей. Поскольку азот снижает температуру гамма/альфа-превращения железа до 590°С, температуры азотирования обычно ниже этой температуры. Нижним пределом температуры азотирования принято считать 350°С, так как ниже этой температуры диффузия азота не происходит со скоростью, которая может быть использована технологически или экономически.

По мере снижения температуры время азотирования, необходимое для достижения заданной глубины твердости, увеличивается. Глубина твердости азотирования может достигать 500 мкм при максимальных уровнях твердости > 1000 HV. Поскольку нагрев и охлаждение происходят медленно, а базовая структура не претерпевает никаких трансформаций или изменений в объеме, существует лишь небольшой риск деформации.

Металлургические соображения

Азотирование — это ферритный термохимический метод диффузии образующегося азота на поверхность стали и чугуна. Этот процесс диффузии основан на растворимости азота в железе, как показано на диаграмме равновесия железо-азот (рис. 1).

Диаграмма равновесия железа и азота

Рис. 1 Диаграмма равновесия железа и азота

? фаза, которая не показана на диаграмме равновесия железо-азот на рис. 1, существует от 11 % до 11.35 % N при температурах ниже приблизительно 500°С.

Предел растворимости азота в железе зависит от температуры, и при 450°С сплав на основе железа поглощает от 5.7 % до 6.1 % азота. Помимо этого, поверхностное фазовое образование на легированных сталях, как правило, представляет собой преимущественно эпсилон (?) фазу. На это большое влияние оказывает содержание углерода в стали. Чем больше содержание углерода, тем выше вероятность образования ?-фазы. По мере дальнейшего повышения температуры до температуры первичной гамма-фазы (??) при 490°С предел растворимости начинает уменьшаться при температуре приблизительно 680°С. Диаграмма равновесия показывает, что контроль диффузии азота имеет решающее значение для успех процесса.

Читайте также:
Как удалить воск свечи: удалить воск свечи с одежды, стен, стекла

Существует три основных процесса азотирования. Этими процессами являются газовое азотирование, азотирование в соляной ванне и плазменное азотирование.

Газовое азотирование

При газовом азотировании донором является газ, богатый азотом, обычно аммиак (NH3). Иногда его называют аммиачным азотированием. Когда аммиак вступает в контакт с нагретой заготовкой, он распадается на азот и водород. Затем азот диффундирует на поверхность стали, создавая нитридный слой. Этот процесс существует уже почти столетие, хотя только в последние несколько десятилетий были предприняты целенаправленные усилия по исследованию связанных с ним термодинамики и кинетики. Недавние разработки привели к процессу, которым можно точно управлять. Толщина и фазовый состав получаемых слоев азотирования могут быть выбраны, а процесс оптимизирован для конкретных требуемых свойств.

Для успешного проведения процесса азотирования необходимо контролировать ряд параметров рабочего процесса. Большинство этих параметров можно контролировать с помощью относительно простых приборов и методов. Эти параметры процесса газового азотирования включают (i) температуру печи, (ii) управление процессом, (iii) время, (iv) расход газа, (v) контроль активности газа и (vi) техническое обслуживание технологической камеры и т. д. Все эти факторы помогают для уменьшения коробления в процессе, за исключением индуцированных остаточных напряжений. Важными факторами контроля газового азотирования являются следующие.

  • Общая площадь азотируемой поверхности
  • Технологическое давление внутри герметичной технологической камеры
  • Напорная система подачи газа в герметичную технологическую камеру
  • Система отвода газов из герметичной технологической камеры
  • Контроль процедуры предварительной термообработки перед азотированием, включая снятие напряжений, предварительную закалку и отпуск
  • Качество и целостность предварительной очистки поверхности стали перед азотированием
  • Стабильный химический состав стали для максимальной «азотируемости»

Преимуществами процесса газового азотирования являются (i) точный контроль химического потенциала азота в азотирующей атмосфере за счет контроля расхода газа азота и кислорода, (ii) всесторонний эффект азотирования, (iii) возможность больших размеров партии, (iv) при современном компьютерном управлении атмосферой результаты азотирования строго контролируются, и (v) относительно низкая стоимость оборудования. Недостатками процесса газового азотирования являются (i) кинетика реакции сильно зависит от состояния поверхности, (ii) активация поверхности иногда необходима для обработки сталей с высоким содержанием хрома, и (iii) аммиак используется в качестве азотирующей среды, которая хотя и не токсична, но может быть вредным при вдыхании в больших количествах. Также необходимо соблюдать осторожность при нагревании в присутствии кислорода, чтобы снизить риск взрыва.

Читайте также:
Диван турецкая раскладушка без подлокотников

Азотирование в солевых ваннах

В процессе соляной ванны используется принцип разложения цианида до цианата и высвобождения азота из соли для диффузии на поверхность стали. Обычно используемые соли также отдают углерод поверхности заготовки, превращая соляную ванну в процесс нитроцементации. Используемая температура типична для всех процессов нитроцементации и составляет 550–570 °C. Преимущество солевого азотирования заключается в том, что оно обеспечивает более высокую диффузию за тот же период времени по сравнению с любым другим методом. Другими преимуществами азотирования солей являются быстрое время обработки, обычно около 4 часов, и простота в эксплуатации. Недостатки способа заключаются в том, что используемые соли очень токсичны, и возможен только один процесс с конкретным типом соли, поскольку азотный потенциал задается солью.

Плазменное азотирование

Он также известен как ионное азотирование, ионно-плазменное азотирование или азотирование тлеющим разрядом. При плазменном азотировании реакционная способность азотирующих сред обусловлена ​​не температурой, а ионизированным состоянием газа. В этом методе интенсивные электрические поля используются для генерации ионизированных молекул газа вокруг азотируемой поверхности. Такой высокоактивный газ с ионизированными молекулами называется плазмой. Газ, используемый для плазменного азотирования, обычно представляет собой чистый азот, так как не требуется самопроизвольного разложения.

Значение процесса плазменного азотирования заключается в том, что он не зависит от разложения или крекинга газа для высвобождения азота, образующегося на поверхности стали. Процесс основан на ионизации одного молекулярного газа, которым является азот, и высвобождении ионов азота. Процесс обеспечивает более короткое время цикла благодаря подготовке поверхности стали и ионизации газа. Азотирование теперь не ограничивается сталями, для которых требуются специальные нитридообразующие элементы. Сегодня плазменное азотирование проводят практически для всех сталей и чугунов.

Обычно стали целесообразно обрабатывать плазменным азотированием. Этот процесс позволяет точно контролировать азотированную микроструктуру, позволяя проводить азотирование с образованием слоя соединения или без него. Повышаются не только эксплуатационные характеристики стальных деталей, но и срок службы, а также предел деформации и усталостная прочность обрабатываемых сталей.

Деталь, подвергнутая плазменному азотированию, обычно готова к использованию. Он не требует механической обработки, полировки или каких-либо других операций после азотирования. Таким образом, этот процесс удобен для пользователя, экономит энергию, поскольку работает быстрее всего и практически не вызывает искажений.

Читайте также:
Давайте сравним 6 уникальных типов шиферных крыш | Черепица Брава

Поскольку ионы азота становятся доступными при ионизации, в отличие от газовой или солевой ванны, эффективность плазменного азотирования не зависит от температуры. Таким образом, плазменное азотирование можно проводить в широком диапазоне температур от 260°С до более чем 600°С. Например, при умеренных температурах (например, 420°С) нержавеющие стали можно азотировать без образования осадков нитрида хрома и, следовательно, с сохранением их свойств коррозионной стойкости.

В процессах плазменного азотирования газообразный азот обычно является газом-носителем азота. Также используются другие газы, такие как водород или аргон. Действительно, эти газы используются перед процессом азотирования при нагреве деталей для очистки азотируемых поверхностей. Эта процедура очистки эффективно удаляет оксидный слой с поверхностей и может удалить тонкие слои растворителей, которые могут остаться. Это также способствует термической стабильности плазменной установки, поскольку тепло, добавляемое плазмой, уже присутствует во время прогрева, и, следовательно, как только достигается температура процесса, фактическое азотирование начинается с незначительными изменениями нагрева. В процессе азотирования также добавляется газообразный водород, чтобы очистить поверхность от оксидов.

Микроструктуры

Микроструктура азотированного железа показана на рис. 2. Понятно, что составной слой состоит из подслоев ? фаза и ?? фаза. ? фаза близка к поверхности и ?? фаза находится вблизи диффузионной зоны.

Слоистая структура азотированного железа

Рис. 2 (а) Структура составного слоя азотированного железа (б) Схематическая последовательность фаз при азотировании железа

Схема типичной азотированной структуры представлена ​​на рис. 3.

Азотированная структура корпуса

Рис. 3. Схема типичной азотированной конструкции корпуса.

Азотирование стали

Примеры легко азотируемых сталей включают серии SAE 4100, 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 и 9800, британские авиационные марки стали BS 4S 106, BS 3S 132, 905M39 (EN41B), нержавеющие стали, некоторые инструментальные стали ( H13 и P20, например) и некоторые виды чугуна.

Предпочтительным материалом обычно является азотированная сталь, легированная сталь с нитридообразующими элементами. Стали для азотирования представляют собой хромомолибденовые стали и содержат алюминий, который после азотирования обеспечивает гораздо более высокую поверхностную твердость.

Из нитридообразующих элементов алюминия, хрома, ванадия и молибдена элементы хром и алюминий особенно влияют на поверхностную твердость. Однако 1 % алюминия приводит к более высокому увеличению твердости, чем 3 % хрома, и это не зависит от содержания углерода в стали, поскольку алюминий не образует карбидов и поэтому полностью доступен для образования нитридов.

Читайте также:
Клей для паркета – типы, применение, характеристики

Низкое содержание молибдена и ванадия улучшает отпускную стойкость и снижает чувствительность к отпускной хрупкости.

Более высокая поверхностная твердость, обусловленная дополнительными легирующими элементами, приводит к меньшей склонности к прилипанию к партнеру по износу и к повышенной стойкости к истиранию. Однако повышенная твердость поверхности также приводит к более высокому риску растрескивания при механическом воздействии.

Алюминий имеет сильное сродство к азоту, образуя очень твердые нитриды алюминия, которые достаточно стабильны при содержании алюминия до 1.0 %. При содержании выше 1.0 % алюминий не оказывает влияния на результирующую твердость при азотировании.

Поскольку деформируемость азотированной детали зависит не только от тонкого твердого нитридного слоя, но и от химического состава и структуры основного материала, для всех азотированных сталей справедливо следующее: чем более однородна и мелкозерниста структура, тем лучше результат азотирования.

Однако, как правило, отпущенное начальное состояние (QT) предпочтительнее мягкого отожженного состояния (A).

Азот переносится из окружающей среды на следующих этапах.

  • Адсорбция атомов азота на поверхности детали
  • Поглощение (атомов азота) поверхностью компонента
  • Диффузия атомов азота по границам зерен и внутри зерен

Нитриды образуются вокруг затравочных точек на поверхности детали (границы зерен и узлы, в которых сходятся несколько зерен). По мере увеличения концентрации азота и времени азотирования нитриды прорастают глубже и расширяются в стороны в зернах до тех пор, пока не образуется замкнутый слой. Наряду с нитридообразующими элементами сплава нитриды формируются и субмикроскопически диспергируются в матрице.

Почти неизбежно, что этот слой имеет определенную степень пористости. Это связано с рекомбинацией в молекулярный азот в энергетически выгодных местах, таких как границы зерен в соединительном слое. Соединительный слой может быть хрупким с тенденцией к скалыванию, поэтому в некоторых случаях его удаляют шлифованием. Прилегающая диффузионная зона влияет на прочностные характеристики (сопротивление усталости) и повышает сопротивление износу при качении и истиранию.

Состав нитридных слоев можно значительно изменить, адаптируя условия азотирования и систематически выбирая материалы. Переход от твердости диффузионной зоны к твердости ядра основного материала происходит плавно, что, в отличие от поверхностных слоев, снижает риск выкрашивания при механическом воздействии. Нитридные слои также обладают термостойкостью до прибл. 550 градусов С.

Читайте также:
5 преимуществ бесшовных водосточных желобов - Werner Roofing - Grand Haven

Глубина твердости азотирования является характеристической величиной толщины нитридного слоя. Он описывает расстояние по вертикали от поверхности до точки, в которой твердость все еще на 50 HV выше, чем твердость сердцевины.

С повышением температуры отпуска увеличивается количество карбидов Cr и Mo. Это уменьшает осаждение нитридов и приводит к меньшему увеличению твердости. Температура азотирования должна быть ниже температуры отпуска, чтобы не допустить снижения твердости сердцевины.

Марки стали, содержащие алюминий, образуют больше оксидов алюминия, которые ухудшают микроскопический, оксидный уровень чистоты и препятствуют диффузии азота на поверхность детали, если на поверхности детали происходит осаждение.

Чем выше содержание легирующих элементов в основном материале (азотируемой стали), тем выше может быть достигнута поверхностная твердость. Сжимающие остаточные напряжения в азотированном поверхностном слое также увеличиваются, что приводит к повышению усталостной прочности. Это, однако, также снижает глубину твердости азотирования, которая может быть достигнута, поскольку легирующие элементы ухудшают диффузию азота внутрь компонента.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: