Азотування

Азотування називається процес дифузійного насичення поверхневих шарів сталевих виробів азотом.

Азот в відміну від вуглецю досить добре розчиняється в залозі-α. Його розчинність в Feu становить 0,01% при 20 ° С і підвищується до 0,1% при нагріванні до температури 591 ° С, що випливає з діаграми стану "залізо - азот" (рис. 5.26). Тому диффузионное насичення сталей азотом можливо вести при більш низьких температурах, ніж цементацию.

Азотування виконують при температурі 500 ... 580 ° С в муфельних герметичних печах. Як Азотомісткі середовища використовується аміак (NH3). При нагріванні він дисоціює на поверхні сталевих виробів з утворенням іонів азоту (NH3 → 3Н + N +), які активно дифундують углиб вироби, розчиняючись в фериті, і утворюють нітриди заліза, що володіють високою твердістю. Крім того, велика кількість дисперсних нітридів при охолодженні виділяється з азотистого фериту внаслідок зменшення розчинності азоту в залозі-α. Дисперсні частинки нітридів мають високу твердість, це забезпечує високу зносостійкість деталей.

Для виготовлення азотіруемих деталей використовуються леговані сталі, що містять сильні нітрідообразующіе компоненти: хром, ванадій, молібден, титан, алюміній. Ці компоненти утворюють нітриди (Cr2N, VN, Mo2N, TiN), що володіють високою твердістю і термічної стійкістю. Особливо твердий нітрид утворює алюмінію

Діаграма стану "залізо - азот"

Мал. 5.26. Діаграма стану "залізо - азот"

іій (AlN). Сталь 38Х2МЮА, що містить алюміній, була спеціально розроблена для азотування (маркування легованих сталей розглянута в гл. 6).

Товщина азотированного шару зазвичай вибирається в межах 0,1 ... 0,5 мм. Оскільки температури азотування порівняно невисокі, то коефіцієнт дифузії азоту невеликий (значно нижче, ніж у вуглецю при цементації). Наслідком цього є низька швидкість азотування; вона становить лише 0,01 мм / год, що в десять разів менше, ніж у вуглецю при газової цементації.

Характерною особливістю процесу є те, що азотований шар набуває свою високу твердість відразу ж після азотування, тобто після азотування не вимагається упрочняющая термічна обробка.

Температури азотування нижча за температуру а → γ перетворення (591 ° С), тому при азотуванні не виникають структурні напруги; повільне охолодження після закінчення процесу практично виключає термічні напруги. Тому деформації в результаті азотування малі, розміри деталі залишаються в межах допуску. Внаслідок цього азотування (на відміну від цементації) є остаточною операцією технологічного процесу виготовлення деталей і може використовуватися при виготовленні деталей складної форми і високоточних розмірів.

Властивості азотированного шару. Азотований шар за своїми властивостями і сам процес азотування мають ряд переваг в порівнянні з іншими способами поверхневого зміцнення:

  • - Дуже висока твердість і, отже, висока зносостійкість; твердість на сталях з алюмінієм сягає 1,100 ... 1200 HV (70 ... 72 HRC) (на цементованних деталях - до 60 ... 64 HRC );
  • - Підвищений межа витривалості внаслідок формування в шарі стискають напруг (σ-1, збільшується після азотування на 30 ... 40%);
  • - Азотований шар зберігає твердість при нагріванні до 400 ... 450 ° С (після цементації і ТВЧ - до 200 ° С);
  • - Висока корозійна стійкість.

Разом з тим слід зазначити і ряд недоліків:

  • - Погане опір (на відміну від цементації і ТВЧ) великим контактним навантажень, при яких азотований шар через малу товщини продавлюватиметься; це унеможливлює застосування азотування для деталей, що працюють при високих питомих навантаженнях;
  • - Висока вартість процесу внаслідок необхідності використання дефіцитних, більш дорогих легованих сталей і більшої тривалості процесу; цикл азотування для отримання шару глибиною 0,4 мм досягає 60 ... 70 год;
  • - Підвищені вимоги до екології через використання аміаку.

Ділянки, які не підлягають азотуванню, захищають тонким шаром (0,001 ... 0,015 мм) олова, який наноситься електролітичним способом; в процесі азотування олово розплавляється і завдяки поверхневому натягу утримується на поверхні у вигляді тонкої непроникною для азоту плівки.

Для скорочення тривалості процесу (в 2 ... 3 рази), підвищення якості азотированного шару і зменшення його крихкості широко застосовується іонну Азотування. Воно проводиться в сталевому контейнері, який слугує анодом. Між ним і деталями, поміщеними в контейнер і є катодом, збуджується тліючий розряд в середовищі газів аміаку або азоту. Відбувається бомбардування поверхні кожної деталі (катода) утворюються позитивними іонами азоту. При цьому спочатку відбувається очищення поверхні при напрузі близько 1000 В і низькому тиску (15,3 ... 26,7 Па); поверхня нагрівається до температури 200 ° С. Потім при напрузі 300 ... 800 В і підвищенні тиску до 130 ... 1330 Па поверхню деталей нагрівається (за рахунок іонного бомбардування) до 450 ... 550 ° С; іони азоту бомбардують деталь (служить катодом) і дифундують углиб.

Для зміцнення серцевини вироби перед азотуванням часто виконують поліпшення (загартування і високий відпустку).

Азотуванню піддають деталі машин (шестерні швидкісних малонавантажених зубчастих передач, колінчаті вали, гільзи циліндрів, черв'яки, валики, шпинделі шліфувальних верстатів і ін.) І деякі інструменти (мітчики, штампи і ін.). Для виготовлення деталей машин, що піддаються азотуванню, зазвичай використовують покращувані сталі, що містять 0,3 ... 0,5% вуглецю.

Нітроцементація і ціанування - процеси дифузійного насичення поверхневих шарів сталевих виробів одночасно вуглецем і азотом. Різні назви ці процеси отримали через використання різних середовищ, які є джерелом вуглецю та азоту. Нітроцементація здійснюється в газовому середовищі; ціанування - в рідкої. Зміцнення піддають низьковуглецеві сталі.

Нітроцементація. Процес виконується в газовому середовищі, що складається з науглероживается газу і аміаку. Ці гази диссоциируют з утворенням атомарних вуглецю і азоту. Нитроцементацией проводять при 840 ... 860 ° С протягом 2 ... 10 ч для отримання шару товщиною 0,2 ... 0,8 мм (найбільш часто використовуваний) і містить 0,7 ... 0,9% вуглецю і до 0,3 ... 0,4% азоту. Після нитроцементации деталі піддають термічній обробці, аналогічної застосовуваної для цементованних деталей. Вона включає загартування (або безпосередньо з печі з подстуживания до 800 ... 825 ° С, або після повторного нагрівання) і низький відпустку при температурі 160 ... 180 ° С. Структура зміцненого таким чином шару складається з мелкокристаллического мартенситу, невеликої кількості рівномірно розподілених карбонитридов типу M3 (C, N) і 25 ... 30% залишкового аустеніту (М у формулі позначає сумарна кількість атомів металу). Твердість шару становить 58 ... 62 HRC. Залишковий аустеніт забезпечує хорошу прірабативаемость, наприклад, автомобільних шестерень, що дозволяє досягти безшумності їх роботи.

Нітроцементаціі зазвичай піддають деталі складної конфігурації, що виготовляються з вуглецевих і легованих цементуемих сталей. У порівнянні з газовою цементацією нітроцементація має наступні переваги:

  • - Більш низькі температури процесу, що викликають менший ріст аустенітного зерна;
  • - Менші деформація і викривлення через меншу товщини шару;
  • - Більш висока зносостійкість зміцненого шару.

Нитроцементацией широко використовують в автомобільній і автотракторної промисловості. Її проводять на тому ж обладнанні, що і цементацію.

Ціанування виконується в розплавах солей, що містять в якості джерела вуглецю і азоту ціанистим групу CN: ціаністий натрій NaCN, жовту кров'яну сіль K4Fe (CN) e і деякі інші. Ціанування проводять зануренням виробів у ванну з розплавом цих солей. Розрізняють високотемпературне, среднетемпературноє і низькотемпературне ціанування.

Високотемпературне ціанування проводять при температурах 930 ... 950 ° С. При таких температурах поверхню сталевої деталі більшою мірою насичується вуглецем (до 0,8 ... 1,2% С) і в меншій - азотом (до 0,2 ... 0,3% N). Будова ціапірованного шару аналогічно цементованного. Після високотемпературного ціанування деталі охолоджують на повітрі, а потім піддають гарту і низькому відпуску. Глибина зміцненого шару становить 0,5 ... 2,0 мм; тривалість процесу - 1,5 ... 6 ч. Високотемпературне ціанування застосовують замість цементації для відповідальних деталей машин, що працюють в умовах підвищеного зносу.

Среднетемпературноє ціанування проводять при температурах 820 ... 860 ° С для отримання шару невеликої глибини (0,15 ... 0,35 мм). Тривалість процесу складає 30 ... 90 хв. Ціановані шар містить - 0,7% С і 0,8 ... 1,2% N. Невисокі температури процесу дозволяють виконувати подальшу загартування безпосередньо з температури ціанування. Після гарту слід низький відпустку. Цей вид ціанування застосовують для зміцнення дрібних деталей і інструментів.

Низькотемпературне ціанування проводять при температурах 520 ... 700 ° С. При цих температурах шар насичується переважно азотом. Тривалість процесу складає 0,5 ... 3 ч. У результаті такої обробки на поверхні сталевого виробу утворюється тонкий шар (6 ... 20 мкм) карбонитридов M3 (N, C), який має високу твердість, але менш крихкий, ніж цементит ( Fe3C) або нітрид (Fe2N). Під карбонітридним шаром розташовується шар твердого азотистого фериту товщиною 0,2 ... 0,5 мм. Така обробка застосовується для інструментів з швидкорізальних сталей, а також для деталей, що працюють в умовах підвищеного зносу при невеликих питомих навантаженнях.

У порівнянні з цементацією ціанування має наступні переваги:

  • - Менша тривалість процесу;
  • - Більш висока зносостійкість зміцненого шару;
  • - Менші деформації і викривлення.

До недоліків ціанування слід віднести високу токсичність і високу вартість ціаністих солей; складність підтримки постійного хімічного складу ванни; великі втрати теплоти за рахунок тепловипромінювання з поверхні ванни.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >