Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!

Azotowanie stali to nie tak stara praktyka rozproszonego nasycania jej warstwy powierzchniowej azotem. Na skalę przemysłową metoda ta jest stosowana tylko od lat 20 ubiegłego wieku. Ta procedura zaproponowana przez akademika N.P. Chizhevsky znacznie poprawia jakość wyrobów stalowych na wiele sposobów.

Istota procesu azotowania

W porównaniu z cementowaniem azotowanie ma kilka ważnych zalet, które uczyniły go głównym sposobem na poprawę wydajności stali. Warstwa azotowana ma wysoką twardość bez dodatkowej obróbki cieplnej. Ponadto po azotowaniu rozmiar obrabianego przedmiotu pozostaje praktycznie niezmieniony. W odróżnieniu od procesu cementowania, może być stosowany do gotowych produktów, które zostały hartowane termicznie z wysoką temperaturą i polerowane do ostatecznych form. Po azotowaniu części są w pełni przygotowane do dokładnego polerowania i innej obróbki.

Azotowanie to obróbka stali podczas jej ogrzewania w środowisku o wysokiej zawartości amoniaku. W rezultacie powierzchnia stali jest nasycona azotem i uzyskuje następujące właściwości:

  • Odporność na zużycie części metalowych poprawia się poprzez zwiększenie wskaźnika twardości ich warstwy powierzchniowej;
  • Rosnąca wytrzymałość lub wytrzymałość zmęczeniowa wyrobów stalowych;
  • Obrobiony materiał uzyskuje trwałą ochronę antykorozyjną, która jest utrzymywana w kontakcie z wodą, powietrzem i medium parowo-powietrznym.

Wyniki azotowania są znacznie cenniejsze pod względem dalszej eksploatacji niż wskaźniki produktu po cementowaniu. Tak więc warstwa po cementowaniu może utrzymywać stabilne wartości twardości w temperaturze nieprzekraczającej 225 ° C, a warstwa z azotem - do 550-600 ° C Powodem tego jest sam mechanizm azotowania, w wyniku którego powstaje warstwa powierzchniowa, która jest 1, 5-2 razy silniejsza niż po utwardzeniu i tym samym cementowaniu.

Mechanizm azotowania

Zazwyczaj procedura ta odbywa się w temperaturze 500-600 ° C w szczelnie zamkniętej retorcie (mufli) żelaza, która jest osadzona w piecu. Jest podgrzewany do temperatury odpowiadającej wybranemu trybowi i utrzymywany jest wymagany czas. W mufli, która jest pojemnikiem, leżą elementy stalowe, które będą narażone na azotowanie.

W retorcie amoniak jest ciągle uwalniany z cylindra pod pewnym ciśnieniem. Wewnątrz amoniak, który ma azot w swojej cząsteczce, pod wpływem temperatury, rozpoczyna dysocjację (rozkład) według następującego wzoru:

2 NH 3 → 6 H + 2 N,

skąd powstały atomowy azot przenika do metalu przez dyfuzję. Prowadzi to do powstawania azotków na powierzchni produktów żelaznych. A azotki i ich stałe roztwory charakteryzują się zwiększoną twardością. Pod koniec procedury piec powinien być chłodzony płynnie wraz z przepływem amoniaku. Takie podejście ustala wpływ na twardość warstwy, zapobiegając utlenianiu powierzchni.

Grubość tej warstwy azotku może zmieniać się od 0, 3 do 0, 6 mm. Zatem nie ma potrzeby późniejszej obróbki cieplnej w celu zwiększenia właściwości wytrzymałościowych .

Tworzenie warstwy bogatej w azot jest skomplikowane, ale dobrze zbadane przez metalurgów. W stopie, który powstaje w wyniku dyfuzji azotu do metalu, obserwuje się następujące fazy:

  • Stały roztwór Fe3N o zawartości azotu 8, 0-11, 2%;
  • Stały roztwór Fe4N o zawartości azotu 5, 7-6, 1%;
  • Roztwór N w dławicy α.

Gdy proces doprowadza się do temperatury przekraczającej 591 ° C, można zaobserwować dodatkową fazę α. Gdy osiągnie limit nasycenia, generuje następną fazę. Rozkład eutektoidalny wytwarza 2, 35% azotu.

Czynniki wpływające na azotowanie

Główne punkty, które mają kluczowy wpływ na proces, to temperatura, ciśnienie gazu i długotrwałe azotowanie. Wydajność zależy również od stopnia dysocjacji amoniaku, który może wynosić około 15-45% . Ponadto istnieje pewien związek: im wyższa temperatura, tym niższa twardość warstwy azotującej, ale wyższa szybkość dyfuzji. Wskaźnik twardości jest spowodowany koagulacją azotków.

Aby maksymalnie wykorzystać mechanizm i go przyspieszyć, należy przejść do trybu dwustopniowego. Początkowy etap wzbogacania azotem zachodzi w temperaturach do 525 ° C, co zapewnia wysoką twardość górnych warstw stali. Następnie azotowanie przechodzi przez drugi etap w temperaturze od 600 ° C do 620 ° C. Jednocześnie, w bardzo krótkim czasie, głębokość nitrowanej warstwy osiąga ustalone wartości, przyspieszając cały proces o prawie 2 razy. Jednakże twardość warstwy utworzonej w wyniku etapu przyspieszania nie będzie się różnić od warstwy utworzonej przez standardową technikę jednoetapową.

Co stało się azotowane

Do azotowania stosuje się zarówno stale węglowe, jak i stale stopowe, w których udział węgla wynosi 0, 3-0, 5% . Najlepszy wynik można uzyskać stosując stal z metalami stopowymi, które tworzą najbardziej odporne na ciepło i stałe azotki. Tak więc proces azotowania jest najskuteczniejszy dla stali stopowych, które obejmują aluminium, molibden, chrom i podobne metale. Stal o takim składzie nazywa się nitralloy. W szczególności molibden zapobiega kruchości odpuszczania spowodowanej powolnym chłodzeniem stali po procesie nasycania azotem. Charakterystyka stali po azotowaniu:

  • Twardość stali węglowej - HV 200-250;
  • Stop - HV 600-800;
  • Nitralloy do HV 1200, a nawet wyższy.

Jednocześnie, wraz ze wzrostem twardości związku stopowego, grubość warstwy nitrowanej jest niższa. Najcieńsza warstwa jest wykonana ze stali z elementami chromu, wolframu, niklu, molibdenu.

Zalecane gatunki stali

Zastosowanie określonego gatunku stali zależy od późniejszego działania elementu metalowego. Zalecane marki do azotowania w zależności od przeznaczenia produktów:

  • Jeśli konieczne jest uzyskanie części o wysokiej twardości powierzchni - gatunek stali 38Х2MЮА. Należy zauważyć, że zawiera aluminium, co prowadzi do niskiej odporności produktu na odkształcenia. Podczas gdy zastosowanie gatunków innych niż aluminium znacząco zmniejsza twardość powierzchni i odporność na zużycie, chociaż umożliwia tworzenie bardziej złożonych struktur;
  • Do obrabiarek wykorzystywane są ulepszone gatunki stali stopowej 40X, 40HFA;
  • Dla części poddanych cyklicznym obciążeniom zginającym - gatunek stali 30Х3М, 38ХГМ, 38ХНМФА, 38ХНММА;
  • Dla jednostek paliwowych, których szczegóły muszą być wykonane z wysoką precyzją - stal o gatunku 30H3MF1. Aby uzyskać wyższą twardość warstwy nasyconej azotem, ten gatunek stali jest stopiony krzemem.

Technologia procesowa

Przygotowanie, nasycenie azotem i wykończenie górnej warstwy stali i stopów obejmuje kilka etapów:

  1. Przygotowawcza obróbka cieplna metalu, która polega na hartowaniu i wysokim odpuszczaniu. Wnętrze produktu staje się bardziej lepkie i trwałe. Hartowanie odbywa się w bardzo wysokiej temperaturze około 940 ° C i kończy się chłodzeniem w cieczy - oleju lub wodzie. Warunki temperaturowe odpuszczania wynoszą 600-700 ° C, co daje metalowi odpowiednią twardość do cięcia;
  2. Obróbka przedmiotów, która kończy się szlifowaniem. Po tej procedurze część osiągnie żądany rozmiar;
  3. Środki ostrożności dla tych części produktów, które muszą być nasycone azotem. W tym celu należy użyć prostych preparatów, takich jak cyna lub szkło ciekłe, nakładanych przez elektrolizę warstwą nie większą niż 0, 015 mm. Powstawanie cienkiej warstwy nieprzepuszczalnej dla azotu;
  4. Azotowanie stali według powyższej technologii;
  5. Wykończenie wprowadzi szczegóły do pożądanego stanu.

W tym przypadku skomplikowane półfabrykaty o cienkich ściankach są wzmacniane w temperaturze 520 ° C.

Jeśli chodzi o zmianę parametrów geometrycznych produktów po procesie azotowania, należy zauważyć, że zależy to od grubości otrzymanej warstwy nasyconej azotem i stosowanych temperatur. Jednak zmiana ta jest w każdym razie nieistotna.

Należy zauważyć, że nowoczesne metody obróbki metali metodą azotowania prowadzone są w piecach struktury kopalnianej. Maksymalna temperatura, która może osiągnąć 700 ° C, wymusza cyrkulację amoniaku w takich piecach. Mufla może być wbudowana w piec lub wymienna.

Proces będzie znacznie szybszy, jeśli wprowadzisz dodatkową muflę. Następnie zapasowy mufa z częściami jest ładowany natychmiast po przygotowaniu pierwszego z przetworzonych półfabrykatów. Jednak zastosowanie tej metody nie zawsze jest uzasadnione ekonomicznie, zwłaszcza gdy duże produkty są nasycone azotem.

Opcje mediów dla mechanizmu azotowania

Medium amoniak - propan

Ostatnio bardzo aktywnie stosowano metodę obróbki metalu gazem składającym się z ½ amoniaku i ½ propanu lub o takich samych proporcjach amoniaku i endogazu. To środowisko umożliwia przeprowadzenie procedury po 3 godzinach w 570 ˚С . Utworzona w tym przypadku warstwa azotku węgla charakteryzuje się małą grubością. Jednak odporność na zużycie i jej wytrzymałość są znacznie wyższe niż warstwy otrzymanej zwykłą metodą. Twardość tej warstwy mieści się w zakresie 600-1100 HV. Takie podejście stosuje się w przypadku produktów wykonanych ze stopów stopowych lub stali, na które zostały nałożone specjalne wymagania dla maksymalnej trwałości eksploatacyjnej.

Wyładowanie jarzeniowe

Zastosowano również technologię utwardzania w środowisku zrzutu zawierającym azot. W tym przypadku stosowana jest metoda wyładowania jarzeniowego, łącząca części metalowe z katodą. W tym przypadku półwyrób jest elektrodą naładowaną ujemnie, a mufla jest naładowana dodatnio.

Ta technologia pozwala na kilkakrotne skrócenie czasu trwania procesu. Wyładowanie jest wzbudzane między plusem i minusem, jony gazu (N2 lub NH3) są wciągane na powierzchnię katody, ogrzewając ją do wymaganej temperatury. Dzieje się to etapami: najpierw rozpylanie katodowe, powierzchnia jest czyszczona, a następnie nasycana.

Pierwszy etap natryskiwania powinien odbywać się przy ciśnieniu 0, 2 mm Hg i napięciu 1400 V przez 5-60 minut. Jednocześnie powierzchnia nagrzewa się do 250 ˚С. Drugi etap przeprowadza się pod ciśnieniem 1-10 mm rtęci i napięciem 400-1100 V, co zajmuje 1-24 godzin.

Płynne medium

Proces teniferingu, czyli azotowanie w cieczy przechodzącej przez stopioną warstwę cyjanku w temperaturze 570 ° C przez 30–180 minut, jest bardzo skuteczny.

Azotowanie - wnioski

Azotowanie jest jednym z najpopularniejszych sposobów na uzyskanie metalowych części do najlepszych wskaźników odporności na zużycie. Ponadto warstwy powierzchniowe wynikające z nasycenia azotem mają wysoką odporność na korozję. Produkty nasycone azotem nie wymagają dodatkowego utwardzania termicznego. W wyniku tego azotowanie stało się kluczowym procesem obróbki części w inżynierii mechanicznej, konstrukcji obrabiarek i innych obszarach, które stawiają wysokie wymagania wobec komponentów.

Azotowanie ma swoje wady, które polegają na wysokich kosztach i czasie realizacji. Zatem w temperaturze 500 ° C azot przenika 0, 01 mm (lub mniej) na godzinę. Na tej podstawie całkowity czas całego procesu czasami sięga 60 godzin.

Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!

Kategoria:

Obróbka metalu