Описание технологии азотирования стали

Суть технологии

Азотирование является распространённой разновидностью операций химико-термической обработки многих (но не всех!) марок сталей. Оно представляет собой процесс термообработки, при котором азот проникает в поверхность металла с целью создания поверхности с покрытием повышенной твёрдости. В результате происходит поверхностное упрочнение, после которого при просмотре микросреза поверхности под металлографическим микроскопом отчётливо просматривается тонкий белый слой повышенной микротвёрдости. Белым слой называют потому, что он не протравливается обычными реагентами, позволяющими устанавливать и исследовать микроструктуру стали. В большинстве случаев после белого слоя располагается переходной подслой, имеющий более низкую твёрдость, а после него микроструктура плавно переходит к той, что характерна для основного металла.

Количественным показателем, характеризующим качество и эффективность процесса, является микротвёрдость, которая оценивается при помощи металлографического микроскопа, использующего метод Виккерса. Микротвёрдость по Виккерсу HV представляет собой результат, полученный при внедрении в сталь алмазного индентора. Рабочая часть индентора – четырёхгранная пирамида с углом при вершине 180⁰. Такой же угол образуют касательные, проведенные к оттиску. Усреднённый результат эксперимента получают сравнением длины двух диагоналей. Твёрдость по Виккерсу формально считается микротвёрдостью материала, и измеряется в МПа.

Метод азотирования преимущественно используется для обработки стали, но может эффективно применяться также для упрочнения титана, алюминия и молибдена.

Процесс азотирования заключается в диффузии азота, направление потока которой направлено внутрь поверхностных слоёв стали. Она начинается при относительно низких температурах (500…530 ⁰С), поэтому последующая закалка изделия не требуется. Процесс азотирования не влияет на свойства основной микроструктуры при условии, что конечная температура отпуска продукта будет выше, чем температура азотирования.

Нитридные поверхности обладают высокой износостойкостью и противозадирными свойствами. Повышается усталостная долговечность и коррозионная стойкость детали. Дополнительным преимуществом азотирования является то, что твёрдость поверхности, из-за наличия стойких нитридов, весьма устойчива к воздействию высоких эксплуатационных температур.

Процесс применяют для химико-термической обработки:

• зубчатых передач;
• коленчатых и распределительные валов;
• толкателей кулачков;
• клапанов;
• винтов экструзионных установок;
• инструментов для литья под давлением;
• рабочих деталей тяжелонагруженной штамповой оснастки;
• инжекторов, предназначенных для формования пластмасс.

Во многих случаях, одновременно с насыщением поверхности азотом осуществляют диффузию карбонитридов, боронитридов и прочих твёрдых соединений металлов/неметаллов с азотом. Такие операции относятся к комбинированным.

Как проводится азотирование

Азотирование стали осуществляется с технической точки зрения довольно просто, поскольку не требует фазы перехода с феррита на аустенит, при этом не требуется также и дальнейшее превращение аустенита в мартенсит. Другими словами, сталь остается в исходной ферритной фазе (или цементитной, в зависимости от состава сплава) на протяжении всей процедуры. Это означает, что молекулярная структура феррита (объёмно-центрированная кубическая, или ОЦК, решётка) не меняет своей конфигурации и не перерастает в гранецентрированную кубическую (ГЦК) решётку, характерную для аустенита, как это происходит в более традиционных технологиях, например, при цементации.

Из-за того, что после азотирования проводится только естественное охлаждение материала, отсутствует стадия последующего превращения аустенита в мартенсит. Нет также изменения размера молекул и, что более важно, размерных изменений, за исключением небольшого увеличения габаритных размеров конечного продукта, вызванного диффузией азота. Этот рост учитывается при разработке технологии процесса.

Важной особенностью рассматриваемой технологии является наличие искажений, вызванных поверхностными напряжениями. Они высвобождаются теплом процесса и проявляются в виде скручивания и/или изгиба готовой детали. Поэтому во многих случаях азотированная продукция подлежит последующей правке или рихтовке на гидравлических прессах (скоростная правка на кривошипных машинах такие дефекты не убирает).

Металлургические соображения и требования к процессу заключаются в следующем. Азотирование представляет собой ферритный термохимический метод диффузии азота, образующегося от внешнего источника, поверхность сталей и чугунов. Этот процесс основан на растворимости азота в железе.

Предел растворимости азота в железе зависит от температуры. При 450 °C сплав на основе железа поглощает от 5,7 до 6,1% азота. Помимо этого, образование поверхностной фазы на легированных сталях представлено преимущественно эпсилон (ε) фазой. На это сильно влияет углерод, который содержится в стали; чем больше углерода, тем больше возможностей для формирования ε-фазы. При дальнейшем повышении температуры первичной (γ') фазы (490°C) предел растворимости начинает уменьшаться. Это происходит при температуре примерно 680 °C.

Факторы, которые влияют на азотацию

Диаграмма равновесия показывает, что для успеха процесса необходим постоянный контроль динамики диффузии азота в сталь. Необходимо соблюдать ряд параметров рабочего процесса, влияющие на качество и стабильность протекания процесса. Важно, однако, что этими параметрами можно управлять с помощью относительно простых инструментов и методов.

Основные технологические параметры газового азотирования:

• температура внутри печи;
• способ управления процессом;
• время;
• интенсивность потока газа;
• состав газа;
• техническое обслуживание технологической камеры.

Все эти факторы помогают уменьшить искажения во время процесса, при этом исключаются (или резко снижаются) нежелательные остаточные напряжения. Еще одно преимущество технологии заключается в том, что она действует как стабилизирующий переход, из-за чего азотирование металла придаёт ему дополнительные полезные качества.

Факторы управления процессом азотирования - это те его элементы, которые обеспечивают приемлемые результаты процесса. Ими являются:

• общая площадь азотируемой поверхности;
• давление процесса внутри герметичной технологической камеры;
• система подачи газа в герметичную технологическую камеру;
• система отвода газов из камеры.
• контроль процедуры подогрева перед азотированием, включая снятие напряжений, предварительную закалку и отпуск;
• качество и целостность стальной поверхности после предварительной очистки и непосредственно перед азотированием.
• постоянство химического состава стали для максимального насыщения её поверхности азотом.

Не все марки сталей, как было указано ранее, поддаются азотированию.

Типы азотируемых сталей

В процессе азотирования используется низкая растворимость азота в ферритной кристаллической структуре, что способствует выделению нитридов железа или нитридов сплавов. При содержании азота в несколько процентов на поверхности образуется в основном когезионный слой нитрида (соединительный слой). Этот слой связан с зоной диффузии, в которой выделенные нитриды равномерно распределены в стальной матрице, что приводит к упрочнению, особенно для легированных сталей. Поскольку азот снижает температуру гамма/альфа-превращения железа до 590°C, температуры азотирования обычно ниже этих значений. Считается, что нижний предел температуры азотирования составляет 350°C, потому что ниже этой температуры диффузия азота происходит с очень малой скоростью.

По мере снижения температуры время азотирования, необходимое для достижения заданной глубины твердости, увеличивается.

Твёрдость по глубине азотирования может достигать 500 мкм при максимальном уровне твёрдости> 1000 HV. Поскольку нагревание и охлаждение происходят медленно, а основная структура не претерпевает никаких преобразований или изменений в объеме, риск деформации невелик.

В отечественной нормативной литературе перечень сталей, пригодных для азотирования, не приводится, однако рекомендации по выбору имеются в ОСТ1.90005-91 и в РД 50-186-80. Подавляющее большинство азотируемых сталей относятся к конструкционным легированным, которые поставляются соответственно требований ГОСТ 4543-2016.

За рубежом азотирование проводят для сталей марок SAE 4100, 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 и 9800 (США), британских авиационная сталей марок BS 4S 106, BS 3S 132, 905M39 (EN41B), нержавеющих сталей, а также некоторых инструментальных сталей и чугунов.

В качестве материала выбирают стали, в составе которых имеются нитридообразующие элементы. Пригодны марки, содержащие хром, ванадий,молибден и – особенно - алюминий, который обеспечивает гораздо более высокую твёрдость поверхности. В частности, 1% алюминия интенсивнее увеличивает твёрдость, чем 3% хрома. Этот показатель не зависит от содержания углерода в стали, поскольку алюминий не образует карбидов и, следовательно, полностью доступен для образования нитридов.

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

Технологическая схема

Азот переносится из окружающей среды в такой последовательности:

1. Адсорбция атомов азота на поверхности детали.
2. Поглощение атомов азота поверхностью.
3. Диффузия атомов азота по границам и внутри зёрен.

Нитриды образуются вокруг поверхностных, т.н. »затравочных» точек. По мере увеличения концентрации азота и времени процесса нитриды растут глубже и расширяются в стороны в зерно, пока не образуется закрытый слой. Наряду с элементами сплава, образующими нитриды, нитриды диспергируются в матрице и субмикроскопическим путём.

Образующийся слой демонстрирует определенную степень пористости. Это происходит из-за рекомбинации с молекулярным азотом в энергетически подходящих местах, таких как границы зёрен. Соединительный слой может быть хрупким, со склонностью к сколам и поэтому удаляется шлифованием.

Прилегающая зона диффузии влияет на прочностные характеристики (сопротивление усталости) и увеличивает сопротивление износу (при качении) и истиранию. Состав нитридных слоев может быть значительно изменён путём корректировки условий азотирования и систематизации выбора материалов.

Типы рабочих сред

Используется три основных процесса азотирования - газовое, в соляной ванне и плазменное.

Аммиачно-пропановая

При газовом азотировании донором является газ, богатый азотом, обычно аммиак (NH₃). Когда аммиак контактирует с изделием, которое располагается в печи, он ралагается на атомарный азот и водород. После этого азот внедряется в поверхностные слои заготовки и образует там слой, обогащённый нитридами. По требуемым характеристикам азотсодержащего слоя уточняются режимы обработки.

Для успешного проведения процесса азотирования необходимо контролировать ряд параметров рабочего процесса. Эти параметры для газового азотирования включают:

• температуру печи;
• время;
• расход газа;
• контроль активности газа.

Все эти факторы помогают уменьшить деформацию конечного продукта.

Тлеющий разряд

Процесс известен также под названием плазменное или ионное азотирование. Здесь реакционная способность среды обусловлена ​​не температурой, а интенсивностью насыщения ионами основного газа. Для образования молекул с повышенным содержанием ионов по азотируемой поверхности выполянется генерирование мощных электрических полей.

Прогрессивность процесса насыщения азотом при помощи заключается в том, что разложения исходного газа не наблюдается, что исключает необходимость ввода дополнительных объёмов азота. Технология отличается также более коротким временем цикла, позволяя тщательнее контролировать микроструктуру. В результате не только улучшаются механические характеристики стальных деталей, но и возрастает их долговечность, поэтому дополнительных операций не требуется.

Жидкая среда

Процесс происходит в соляной ванне. Используется принцип разложения цианида до цианата и высвобождения азота внутри соли для диффузии в стальную поверхность. Солевые расплавы, участвующие в процессе, также содержат азот, который активно диффундирует во поверхность под воздействием высоких температур. Если в солевых расплавах находится углерод, то конечным результатом будет карбонитрирование. Температура солевого расплава должна поддерживаться в диапазоне 550 … 570°C. В итоге интенсифицируется диффузия, что позитивно отражается на производительности процесса ( не более 4…5 часов)..

Способ имеет и ограничения, связанные с токсичностью составляющих – цианидов. Кроме того, изменение химического состава расплава изменяет и параметры сформированного азотсодержащего слоя.