Азотированием называют процесс диффузионного насыщения азотом поверхностной зоны деталей. В машиностроении азотирование применяется для повышения твёрдости, износостойкости и усталостной прочности. При этом повышается также коррозионная стойкость деталей машин, работающих на воздухе, в воде и в паровоздушной среде.
До азотирования детали подвергают окончательной чистовой механической и термической обработке-закалке и высокому отпуску. После азотирования детали можно шлифовать или полировать.
Улучшение свойств стали при азотировании является результатом образования в поверхностном слое нитридов – устойчивых химических соединений азота с другими элементами (железом, алюминием, хромом, молибденом и др.).
Поскольку нитриды и их твёрдые растворы обладают высокой твёрдостью, то после азотирования отпадает необходимость в какой-либо дополнительной термической обработке.
В результате азотирования можно получить твёрдость поверхностного слоя в 1,5…2 раза выше, чем при цементации и закалке, что значительно увеличивает износостойкость деталей. Кроме того, азотированный слой сохраняет твёрдость до 550…650оС. Наибольшую твёрдость и термическую стойкость имеют нитриды металлов, содержащихся в стали в качестве легирующих добавок. Поэтому наибольший эффект достигается при азотировании легированных сталей, содержащих, например, алюминий, хром, молибден и др. Азотирование применяют обычно для легированных сталей марок 3ОХ, 4ОХ, 38ХМЮА, 18ХНВА и др.
Обычно азотирование проводят при температуре 480…580оС в среде аммиака NH3, который в изолированном объёме диссоциирует с образованием атомарного азота по реакции
2NH3 = 2Nат + 3Н2.
Образовавшийся атомарный азот диффундирует затем в поверхность стали. Толщина полученного упрочнённого слоя составляет при этом около 0,3…0,6 мм. Процесс проводят в муфелях или контейнерах, через которые с определённой скоростью пропускается диссоциирующий аммиак (рис.32).
В зависимости от принятого режима азотирования печь разогревается до необходимой температуры и выдерживается в течение определённого времени. Детали загружаются в закрывающийся муфель, через который непрерывно пропускают аммиак. По окончании процесса печь с деталями медленно охлаждается.
Основными факторами, влияющими на процесс, являются температура и длительность азотирования, давление газа, химический состав стали, а также степень диссоциации аммиака.
В зависимости от температуры процесса степень диссоциации аммиака может быть от 15 до 45%. С повышением температуры понижается твёрдость азотированного слоя, однако быстрее протекают процессы диффузии.
Для ускорения азотирования применяют двухступенчатый режим. Вначале процесс проводят при температурах 500…525оС, что обеспечивает необходимую твёрдость азотированного слоя. После этого, процесс продолжают при температуре 600…620оС, что сокращает время получения заданной глубины азотированного слоя и ускоряет процесс примерно в 1,5…2 раза.
Основным из недостатков процесса азотирования является значительная стоимость и длительность процесса. При температуре 500оС, например, за каждые 10 часов азот диффундирует на глубину не более 0,1 мм, поэтому общая продолжительность процесса составляет иногда 30…60 часов.
Ниже приведены источники, использованные при составлении конспекта по теме «Азотирование»
Азотирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом. При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость. При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH3 с определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции NH3>2N+3N2. Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия.
Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью. Типовые азотируемые стали: 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю.
В зависимости от условий работы деталей различают азотирование: — для повышения поверхностной твердости и износостойкости; — для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование).
В первом случае процесс проводят при температуре 500…560°С в течение 24…90 часов, так как скорость азотирования составляет 0,01 мм/ч. Содержание азота в поверхностном слое составляет 10 – 12%, толщина слоя (h) – 0,3 – 0,6 мм. На поверхности получают твердость около 1000 HV. Охлаждение проводят вместе с печью в потоке аммиака.
Антикоррозионное азотирование проводят и для легированных и для углеродистых сталей. Температура проведения азотирования – 650…700°С, продолжительность процесса – 10 часов.
Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском).
Температура азотирования 520-550ºС, т.е. она не высокая, так как растворимость азота в феррите вполне достаточная. Поэтому азотирование можно проводить после окончаний термообработки, например, после закалки и высокого отпуска. Это позволяет подвергать азотированию уже готовые детали, прошедшие обработку резанием, шлифованием, т.е. не требуется оставлять припуски на окончательную обработку как при цементации. Низкая температура азотирования не позволяет получить глубокого насыщения поверхностей. Поэтому обычная толщина азотированного слоя 0,3 – 0,5 мм, а продолжительность процесса в 2 – 3 раза превышает продолжительность цементации.
По сравнению с цементацией азотирование имеет преимущество и недостатки.
Преимущества: 1. Проводится после окончательной термообработки, поэтому не требует дополнительных припусков. 2. Более высокая твердость и износостойкость. 3. Более высокая коррозионная стойкость.
Недостатки: 1. Более тонкий слой. 2. Более длительный процесс, требующий сложного оборудования, производительность меньше.
Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее до 500 – 650°С в аммиаке. Азотирование повышает твердость поверхностного слоя детали, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в атмосфере, воде, паре и т.д. Твердость азотированного слоя стали выше, чем цементованного и сохраняется при нагреве до высоких температур (450 – 550°С), тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 – 225°С.
Легирующие элементы уменьшают толщину азотированного слоя, но резко повышают твердость на поверхности и по его сечению.
Поэтому азотированию подвергают легированные стали, содержащие Cr, V, Mo и др. элементы. Часто азотируют сталь38Х2МЮА (0,38% С, 1,5% Cr, 0,9% Al и 0,2% Mo), содержащую алюминий и обеспечивающую очень высокую твердость на поверхности – HV 1000 – HV 1200 (10 000 – 12 000 МПа).
Износостойкость азотированной стали выше, чем цементованной и закаленной. В азотированном слое возникают остаточные напряжения сжатия, величина которых на поверхности составляет 600 – 800 МПа. Это повышает предел выносливости и переносит очаг усталостного разрушения под азотированный слой. Предел выносливости гладких образцов возрастает на 30 – 40%, а при наличии концентраторов напряжений (острых надрезов) более чем на 100%. Контактная усталостная прочность у азотированной стали ниже, чем у цементованной. Азотирование повышает сопротивление стали кавитационной эрозии.
Технология процесса азотирования 1. Предварительная термическая обработка заготовки. Эта операция состоит из закалки и высокого отпуска стали для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине изделия. Отпуск проводят при высокой температуре 600 – 675°С, превышающей максимальную температуру последующего азотирования и обеспечивающей получение твердости, при которой сталь можно обрабатывать резанием. Структура стали после этого отпуска – сорбит. 2. Механическая обработка деталей, а также шлифование, которое придает окончательные размеры детали. 3. Защита участков, не подлежащих азотированию, нанесением тонкого слоя (10 – 15 мкм) олова электролитическим методом или жидкого стекла. Олово при температуре азотирования расплавляется на поверхности стали в виде тонкой не проницаемой для азота пленки. 4. Азотирование. 5. Окончательное шлифование или доводка изделия.
Азотирование
Вид химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стальных или титановых деталей азотом. Глубина насыщения составляет 0,2… 0,8 мм. Азотирование стали проводят в среде аммиака или в расплаве солей на основе карбамида и цианата при температуре 500…600 °C. В результате азотирования повышается твердость, износостойкость, коррозийная стойкость на воздухе и в воде, усталостная прочность (выносливость). Наибольшее распространение азотирование получило при производстве деталей, работающих в условиях трения и при температурах до 500…600 °С (коленчатые валы, шпиндельные валы, детали аппаратуры двигателей и др.).
Образующийся атомарный азот диффундирует в металл.
Структура азотированного слоя характеризуется диаграммой состояния Fe — N, показанной на рисунке 1.
Рисунок 1
Таким образом, при температурах ниже 591 °С в азотированном слое будут располагаться следующие фазы (от поверхности к сердцевине): ε — γ′ — α
При температурах выше 591 °С в начале азотирования также будет образовываться α-фаза, но при дальнейшем повышении концентрации азота появится азотистый аустенит (γ-фаза). При наступлении предельного насыщения аустенита азотом будут появляться нитриды, представляющие собой γ′ и ε фазы. Таким образом, при температурах выше 591 °С в азотированном слое будут располагаться следующие фазы (от поверхности к сердцевине): ε — γ′ — γ — α.
Для азотирования используются как углеродистые, так и легированные с концентрацией углерода 0,3…0,5 %. Наибольшее распространение получили стали, легированные такими элементами, как хром, алюминий, молибден. Эти стали называются нитраллоями. При азотировании таких сталей в их поверхностном слое образуются нитриды хрома, молибдена и алюминия, которые, выделяясь в дисперсном виде, препятствуют движению дислокаций, что, в свою очередь, способствует повышению твердости и износостойкости. Кроме того, молибден способствует устранению явления отпускной хрупкости, возникающей в результате медленного охлаждения после азотирования.
Например, если твёрдость азотированного слоя у углеродистых сталей составляет HV 200-250, у легированных сталей — HV 600-800, то у нитраллоев твердость может доходить до HV 1200 и выше.
Рисунок 2
Следует иметь в виду, что легирующие элементы, повышая твердость, одновременно уменьшают толщину слоя. Особенно сильно уменьшают толщину азотированного слоя вольфрам, никель, хром, молибден. Влияние легирующих элементов на глубину азотированного слоя показано на рисунке 3.
Рисунок 3
Для изделий с высокой поверхностной твердостью рекомендуют использовать сталь 38Х2МЮА. Однако в процессе азотирования этой стали, за счет присутствия в ней алюминия, проявляется ее сильная склонность к деформированию. Использование же сталей, не содержащих алюминия, приводит к заметному снижению твердости и износостойкости азотированного слоя, зато позволяет изготавливать изделия более сложной конфигурации. В станкостроении, например, для азотирования используют улучшаемые, легированные стали типа 40Х, 40ХФА. Для тяжело нагруженных деталей, работающих в условиях циклических изгибающих нагрузок, рекомендуются стали 30Х3М, 38ХГМ, 38ХНМФА, 38ХН3МА.
Для изготовления деталей топливной аппаратуры, где требуется повышенная точность размеров, используют сталь 30Х3МФ1. Дополнительное легирование этой стали кремнием (30Х3МФ1С) способствует повышению твердости азотированного слоя.
Для азотирования иногда назначаются и цементуемые стали, содержащие в своем составе хром, молибден, вольфрам, ванадий.
Pereosnastka.ru
Азотирование и цианирование Азотирование и цианирование
Азотированием называется процесс насыщения поверхностных слоев изделия азотом. Оно сообщает высокую твердость, повышает износостойкость и усталостную прочность деталей.
Перед азотированием изделие из легированной стали, обычно содержащей хром, алюминий и молибден, подвергается закалке с высоким отпуском на сорбит и проходит полную механическую обработку. Затем оно помещается в печь, представляющую собой герметически закрытый муфель с электрическим обогревом, где и обрабатывается в атмосфере частично диссоциированного аммиака.
По окончании процесса азотирования печь выключается и деталь охлаждается под током аммиака до температуры около 200°. После азотирования деталь дополнительной термической обработке не подвергается и, пройдя легкую шлифовку, поступает на сборку.
Отсюда видно, что азотируемые детали в отличие от цементуемых сначала проходят термическую обработку, а затем подвергаются азотированию.
В связи с такой последовательностью операций азотированные изделия свободны от недостатков, свойственных цементированным деталям, проходящим термическую обработку после цементации.
Это является важнейшим преимуществом азотирования по сравнению с цементацией. Благодаря низкой температуре азотирования стальное изделие сохраняет сорбитную структуру. Диффундируя в металл, азот не только образует нитриды хрома, алюминия и молибдена, но и растворяется в феррите сорбита. Предельная растворимость азота в железе а имеет место при температуре 590° и составляет 0,42%, что во много раз превышает растворимость углерода.
Азотистый феррит входит в сорбит поверхностного слоя, содержащего высокотвердые нитриды. Такая структура сообщает поверхностному слою указанную высокую твердость.
Скорость азотирования при температуре 525° примерно в 10 раз меньше скорости цементации при 925° и составляет 0,01 мм в час. В практике азотирования получают обычно слои толщиной от 0,25 до 0,7 мм. Азотирование на глубину 0,7 мм продолжается 70—90 часов.
Большая продолжительность азотирования является его крупным недостатком. Однако высокая твердость и усталостная прочность, а также отсутствие короблений служат причинами применения этого метода для упрочнения ряда ответственных Деталей.
Стали для азотирования
Наряду со сталью 38ХМЮА в настоящее время применяются также стали с никелем, вольфрамом и ванадием. Основными из них являются стали марок 18ХНМВА и 38ХНМФА, содержащие в среднем соответственно углерода 0,18 и 0,38%, хрома по 1,5%, никеля 4 и 1,5%, молибдена 0,2 и 0,3%. Кроме того, сталь 18ХНМВА содержит 0,5% вольфрама (В), а сталь 38ХНМФА — 0,15% ванадия (Ф). Особенно желательно применение последней стали, как содержащей небольшое количество никеля.
Азотирование является эффективным средством повышения усталостной прочности деталей машин, причем особенно действенным оно оказывается для деталей и образцов, имеющих надрезы.
На обычных гладко полированных образцах предел выносливости в результате азотирования повышается с 49 кГ/мм2 всего лишь до 52 кГ/мм2, причем с увеличением диаметра эффективность азотирования уменьшается. На образцах с надрезом в виде кольцевой канавки при азотировании происходит повышение предела выносливости с 24 до 42 кГ/мм2, а на образцах с надрезом в виде поперечного сверления — с 14 до 29 кГ/мм2.
Азотированные изделия не изменяют структуры и свойств при нагреве до температур порядка 500—600°.
Цементованные детали, имеющие в поверхностном слое мар-тенситную структуру, снижают твердость при нагреве, начиная уже с 220—250°. Местное предохранение от азотирования осуществляется гальваническим лужением, при этом слой олова имеет толщину 0,008 мм.
Цианирование представляет собой процесс насыщения поверхностных слоев изделия одновременно углеродом и азотом. Различают низкотемпературное и высокотемпературное цианирование; первое применяется для инструментальных сталей, а второе — для упрочнения деталей конструкций.
При высокотемпературном цианировании в состав цементующей смеси входят ядовитые цианистые соли. Поэтому процесс цианирования должен проводиться с соответствующими предосторожностями.
В состав одной из распространенных ванн для высокотемпературного цианирования входит 35% NaCN, 35% Na2C03 и 30% NaCl. В ряде случаев вместо ядовитого NaCN в ванну для цианирования вводится цианамид кальция CaCN2, обладающий меньшей ядовитостью.
Цианированию подвергаются детали как из углеродистых, и легированных сталей. Химическая сущность процессов, дотекающих при цианировании, характеризуется несколькими основными реакциями.
В верхних слоях цианирующей ванны, где имеет место непосредственный контакт расплавленных солей с кислородом воздуха, происходит окисление цианида натрия по реакции: 2NaCN + Ог = 2NaCNO. В более глубоких слоях ванны происходит диссоциация продуктов первой реакции — цианата натрия, а именно:
4NaCNO = Na2C03 + 2NaCN + СО + 2N.
Образовавшаяся окись углерода хорошо растворяется в расплавленных солях ванны и при контакте с деталями, находящимися в ванне, науглероживает их по известной реакции: 2СО -f 3Fe = Fe3C + С02. Активный атомарный азот, выделившийся при диссоциации цианата натрия, также насыщает циани-руемое изделие.
Термическая обработка цианированных изделий состоит из закалки и низкого отпуска, причем в качестве нагрева под закалку используется выдержка в цианирующей ванне, т. е. дополнительного нагрева не требуется. Низкий отпуск проводится с целью удаления остаточных напряжений, возникших при закалке, и превращения тетрагонального мартенсита в мартенсит кубический, являющийся менее напряженным и более вязким.
Твердость цианированного слоя является промежуточной между твердостью азотированного и цементованного слоев, так как при цианировании насыщающими элементами являются одновременно и углерод и азот.
Для повышения стойкости режущего инструмента из быстрорежущей стали иногда применяют низкотемпературное цианирование, проводимое в жидкой или газовой среде при 550—570° в течение 10—30 мин как заключительная операция после термической обработки. Для жидкого цианирования применяется расплавленная смесь солей с добавкой K4Fe(CN)6 или NaCN, а при газовом — газообразная смесь продуктов пиролиза керосина и аммиака.
Эффективной защиты покрытиями от совместного насыщения азотом и углеродом при цианировании не имеется. Поэтому Места, не подлежащие цианированию, приходится утолщать за счет специально оставляемых припусков, которые затем удаляются шлифовкой.
Загрузка...
Азотирование и цианирование
