Азотирование металлических поверхностей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие сведения о процессе азотирования

Азотирование стали впервые предложено акад. Н.П. Чижевским. Процесс азотирования стальных деталей заключается в поверхностном насыщении азотом в среде аммиака (NH3) при температурах нагрева 500--700°С в течение 20--90 ч. Глубина азотированного слоя допускается в пределах 0,2--0,8 мм.

Азотирование -- это технологический процесс химико-термической обработки, при которой поверхность различных металлов или сплавов насыщают азотом в специальной азотирующей среде. Поверхностный слой изделия, насыщенный азотом, имеет в своём составе растворённые нитриды и приобретает повышенную коррозионную стойкость и высочайшую микротвёрдость. По микротвёрдости азотирование уступает только борированию, в то же время превосходя цементацию инитроцементацию (незначительно).

Под азотированием подразумевается процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стального изделия или детали азотом при нагреве в соответствующей среде. Целью азотирования являются повышение твердости поверхности изделия, выносливости и износостойкости, стойкости к появлению задиров и кавитационным воздействиям, повышение коррозионной стойкости в водных средах и атмосфере

Сущность процесса азотирования

Азотируемые детали выдерживаются в атмосфере диссоциированного аммиака при повышенных температурах. В этих условиях протекает реакция

2NH3 > 3H2 + 2N.

Образующийся атомарный азот диффундирует в металл.

Цели:

- Повышение твердости и износостойкости поверхностного слоя.

- Повышение предела выносливости.

- Повышение коррозионной стойкости поверхностного слоя.

Азотирование применяется для повышения твердости, износостойкости, предела усталости, сопротивления коррозии и жаропрочности.

Технологический процесс

Изготовление деталей при применении азотирования состоит из следующих этапов:

1) предварительная термическая обработка заготовки;

2) механическая обработка детали, включая шлифование;

3) защита мест, не подлежащих азотированию (покрытие тонким слоем олова гальваническим способом);

4) азотирование;

5) окончательное шлифование или доводка в соответствии с заданными допусками.

Азотирование проводится при температурах значительно ниже температур цементации и температур фазовых превращений, поэтому иногда этот процесс называют низкотемпературной химико-термической обработкой или низкотемпературным азотированном. Температура процесса азотирования обычно не превышает 600°С. Однако следует отметить, что в последние годы все большее распространение получает процесс высокотемпературного азотирования (600-1200°С). Этот процесс применяют для насыщения азотом поверхностей деталей из ферритных и аустенитных сталей, ряда тугоплавких металлов -- титана, молибдена, ниобия, ванадия и т. д.

Процесс низкотемпературного азотирования проводят, в основном, в газовых средах -- смеси азота и аммиака, диссоциированного аммиака и т. д. Для активизации процесса в насыщающую среду могут быть введены кислород или воздух. Достаточно широкое применение нашли среды, где азот-насыщенные среды дополняются углерод-насыщенными, -- то есть среды, где кроме диссоциированного аммиака присутствуют природный или светильный газ, эндогаз, пары спирта или керосина и т. п.

Для азотирования в жидких средах, которое также называют «мягким азотированием» или «тенифер-процессом» применяют расплавы цианид-цианатных солей или ванны на основе карбамида. Однако жидкое азотирование не получило широкого распространения из-за токсичности процесса, высокой стоимости используемого оборудования и используется, в основном, для обработки инструментов из быстрорежущих или высоколегированных инструментальных сталей. Необходимо строго следить за химическим составом насыщающего состава, так как полная азотирующая способность ванны устанавливается только в том случае, когда содержание цианатов составляет около 40% от начального содержания в расплаве цианидов.

Металлы и сплавы, подвергаемые азотированию

Стали углеродистые и легированные, конструкционные и инструментальные; высокохромистые чугуны, высокохромистые износоустойчивые сплавы, хром; титан и титановые сплавы; бериллий; вольфрам; ниобиевые сплавы; порошковые материалы.

Назначение азотирования:

Упрочнение поверхности, защита от коррозии, повышение усталостной прочности.

В зависимости от назначения, используемые технологические процессы азотирования могут существенно отличаться.

Основные процессы азотирования

химический термический металл азот

Газовое азотирование

Насыщение поверхности металла производится при температурах от 400 (для некоторых сталей) до 1200 (аустенитные стали и тугоплавкие металлы) градусов Цельсия. Средой для насыщения является диссоциированный аммиак. Для управления структурой и механическими свойствами слоя при газовом азотировании сталей применяют: двух-, трёхступенчатые температурные режимы насыщения; разбавление диссоциированного аммиака: воздухом, реже водородом.

Контрольными параметрами процесса являются: степень диссоциации аммиака, расход аммиака, температура, расходы дополнительных технологических газов (если применяются).

Каталитическое газовое азотирование

Это последняя модификация технологии газового азотирования. Средой для насыщения является аммиак, диссоциированный при температуре 400--600 градусов Цельсия на катализаторе в рабочем пространстве печи.

Для управления структурой и механическими свойствами слоя при каталитическом газовом азотировании сталей применяют изменение перенаправление потенциала насыщения. В целом применяются более низкие температуры, чем при газовом азотировании.

Ионно-плазменное азотирование

Технология насыщения металлических изделий в азотсодержащем вакууме (примерно 0,01 атм.), в котором возбуждается тлеющий электрический разряд. Анодом служат стенки камеры нагрева, а катодом -- обрабатываемые изделия. Для управления структурой слоя и механическими свойствами слоя применяют (в разные стадии процесса): изменение плотности тока, изменение расхода азота, изменение степени разряжения, добавки к азоту особо чистых технологических газов, водорода, аргона, метана, кислорода.

Азотирование из растворов электролитов

Использование анодного эффекта для диффузионного насыщения обрабатываемой поверхности азотом в многокомпонентных растворах электролитов, один из видов скоростной электрохимико-термической обработки (анодный электролитный нагрев) малогабаритных изделий. Анод-деталь при наложении постоянного напряжения в диапазоне от 150 до 300 В разогревается до температур 450--1050 °C. Достижение таких температур обеспечивает сплошная и устойчивая парогазовая оболочка, отделяющая анод от электролита. Для обеспечения азотирования в электролит кроме электропроводящего компонента вводят вещества-доноры, обычно нитраты.

Оборудование для азотирования

Для проведения газового азотирования используются преимущественно шахтные, ретортные и камерные печи. Для подготовки аммиака перед подачей в печь используется диссоциатор.

Для проведения каталитического газового азотирования используются преимущественно шахтные, ретортные и камерные печи, оснащенные встроенными катализаторами и кислородными зондами для определения насыщающей способности атмосферы.

Для проведения процессов ионно-плазменного азотирования применяются специализированные установки, в которых происходит нагрев изделий за счёт катодной бомбардировки и, собственно, насыщение.

Для азотирования из растворов электролитов применяются установки для электрохимико-термической обработки.

В случае, когда главной целью азотирования является повышение твердости и износостойкости, а изделия преимущественно или тонкостенные, или сложной конфигурации, процесс проводят при температуре 500…520°С. При этом длительность процесса будет зависеть от требуемой толщины слоя.

В условиях массового производства, когда большое значение приобретает производительность процесса, прибегают к двухступенчатому азотированию. Сначала процесс ведут при температурах 500…520°С в течение 15…25 ч, а затем при 540…600°С в течение 25…30 ч. К назначению второй ступени следует относиться с большой осторожностью, т.к. повышение температуры может приводить к короблению и деформации детали. Охлаждение после азотирования проводят вместе с печью, не прекращая подачи аммиака.

В случае, когда главной целью азотирования является повышение предела выносливости, рекомендуется вести процесс при температуре не более 500°С. При более высоких температурах увеличение предела выносливости становится мало заметным, а начиная с температуры 550°С и выше, этот показатель заметно снижается.

4. Для повышения коррозионной стойкости азотирование проводят при температурах 600…700°С. Продолжительность процесса насыщения устанавливают в зависимости от габаритов деталей, подвергающихся насыщению. Так, для мелких деталей достаточно выдержки в течение 15…30 мин, а для крупногабаритных деталей потребуется выдержка, доходящая до 10 ч.

Размещено на Allbest.ru