Азотирование — это низкотемпературная термохимическая обработка, используемая для повышения твердости поверхности, износостойкости и усталостной прочности стальных компонентов. Благодаря низкой температуре обработки обеспечивается превосходная стабильность размеров, что делает его незаменимым для прецизионных деталей, таких как шпиндели станков, коленчатые валы и экструзионные матрицы, где требуется высокая прочность и минимальная деформация.
Что такое азотирование?
Азотирование — это химический процесс термической обработки, при котором атомы азота внедряются в поверхностный слой заготовки при определенной температуре.
После азотирования на стальных деталях образуется поверхностный слой, состоящий из нитридов, который обладает очень высокой твердостью (1000–1100 HV) и сохраняет эту твердость без снижения даже при 600–650 °C, обеспечивая тем самым превосходную износостойкость и твердость при высоких температурах. После азотирования стали объем азотированного слоя увеличивается, создавая сжимающее напряжение на поверхности, что значительно повышает усталостную прочность. Кроме того, низкая температура азотирования приводит к минимальной деформации детали. Азотированная поверхность образует плотный нитридный слой с высокой химической стабильностью, обеспечивающий хорошую коррозионную стойкость и стабильность в воде, перегретом паре и щелочных растворах.
Азотируемые стали включают 35CrAlA и 38CrMoAlA. Перед азотированием детали должны пройти закалку и отпуск для стабилизации основной микроструктуры и достижения хороших комплексных механических свойств, обеспечивая минимальные изменения размеров в процессе эксплуатации, без необходимости дополнительной термической обработки после азотирования.
Азотирование в основном применяется для деталей машин, требующих высокой усталостной прочности, хорошей износостойкости и точных размеров, таких как шпиндели и втулки расточных и шлифовальных станков, червячные передачи и коленчатые валы дизельных двигателей. Благодаря превосходным полирующим свойствам и определенной коррозионной стойкости, оно также используется для изготовления пресс-форм для пластмасс.
В настоящее время в основном используются методы азотирования, включая газовое азотирование и плазменное азотирование.
Газ Азотирование
Газовое азотирование, также известное как мягкое газовое азотирование, проводится в ямной печи, из которой предварительно откачали воздух. Обезжиренную и очищенную заготовку помещают в герметичную печь, нагревают и подают аммиак. Аммиак разлагается при температуре выше 380 °C с образованием активных атомов азота в соответствии со следующей реакцией:
2NH₃ → 3H₂ + 2[N]
Активные атомы азота абсорбируются поверхностью стали, образуя твердый раствор и нитриды (например, AlN). По мере увеличения времени азотирования атомы азота постепенно диффундируют внутрь, в результате чего образуется азотированный слой определенной толщины.
Обычно температура азотирования составляет 550–570 °C, а время азотирования зависит от требуемой толщины слоя. Как правило, толщина азотированного слоя составляет 0.4–0.6 мм, что требует 40–70 часов, поэтому производственный цикл газового азотирования относительно длительный.
Процесс газового азотирования включает четыре этапа: предварительная подготовка, вакуумирование и нагрев, выдержка при азотировании и охлаждение. Для обеспечения равномерного азотирования заготовки необходимо обезжирить бензином или спиртом перед загрузкой. Очищенная поверхность должна быть свободна от ржавчины и загрязнений. Для участков, не требующих азотирования, можно использовать антиазотные меры, такие как лужение, меднение или нанесение покрытий. Следует избегать азотированных деталей, так как острые края часто образуют более глубокие и хрупкие слои. После азотирования с деталями следует обращаться осторожно при извлечении, чтобы избежать столкновений; тонкие и прецизионные детали следует подвешивать для охлаждения, чтобы предотвратить деформацию и новые напряжения.
Из-за низкой эффективности разложения аммиака газовое азотирование обычно подходит для азотирования сталей, содержащих такие элементы, как Al, Cr и Mo. Оно в основном используется для прецизионных деталей с высокими требованиями к износостойкости и точности размеров, важных деталей, подверженных переменным нагрузкам, а также жаро- и износостойких компонентов, таких как шпиндели расточных станков, высокоскоростные прецизионные шестерни, коленчатые валы высокоскоростных дизельных двигателей, клапаны и литейные формы.
Плазменное азотирование
Плазменное азотирование выполняется с использованием явления тлеющего разряда между заготовкой (катодом) и анодом при определенном уровне вакуума, поэтому оно также известно как плазменное азотирование тлеющим разрядом.
Изображение Фото: ScienceDirect
Металлическая заготовка помещается в качестве катода в сосуд с отрицательным давлением, содержащий азотсодержащую среду. При подаче напряжения атомы азота в среде ионизируются, образуя плазменную область между катодом и анодом. Под действием сильного электрического поля в плазменной области положительные ионы азота и водорода с высокой скоростью бомбардируют поверхность заготовки. Эта ионная бомбардировка вызывает атомное распыление на поверхности, очищая ее, в то время как азот проникает в поверхность посредством адсорбции и диффузии.
По сравнению с традиционным газовым азотированием, плазменное азотирование обладает следующими преимуществами:
- Соответственно сокращенный цикл азотирования.
- Снижена хрупкость азотированного слоя.
- Экономия энергии и потребления аммиака.
- Возможность защиты участков, не требующих азотирования, при локальной обработке.
- Очистка поверхности методом ионной бомбардировки удаляет пассивные пленки, что позволяет проводить прямое азотирование нержавеющих и жаропрочных сталей.
- Контролируемая толщина азотированного слоя и микроструктура.
К недостаткам относятся высокие инвестиции в оборудование, неравномерное распределение температуры и жесткие эксплуатационные требования.
Плазменное азотирование подходит для деталей, обрабатываемых с небольшой нагрузкой и высокой скоростью, которые требуют износостойкости и коррозионной стойкости, а также для высокоточных тонких стержневых компонентов, таких как шпиндели расточных станков, прецизионные ходовые винты станков, штоки клапанов и сами клапаны.
Стали для азотирования
Для получения высокотвердого и износостойкого азотированного слоя на поверхности стали необходимо использовать легированные стали, содержащие определенные легирующие элементы. Это связано с тем, что нитриды, образующиеся при участии определенных легирующих элементов, гораздо более стабильны, чем нитриды железа, и имеют высокую дисперсию в азотированном слое, что приводит к очень высокой твердости.
К распространенным легирующим элементам относятся Al, Cr, V, Mo, Mn и W. Наиболее часто используемые азотируемые стали — 38CrMoAl и 35CrAl, которые обеспечивают очень высокую твердость поверхности и износостойкость после азотирования. К сталям, повышающим усталостную прочность, относятся 38CrA, 40CrNiMoA и 18Cr2Ni4WA; нержавеющие стали — 45Cr14Ni14W2Mo и Cr10Si2Mn; штамповые стали — 3Cr2W8V; пружинные стали — 50CrVA.
Подготовительная термообработка перед азотированием
Типичный технологический процесс для азотированных заготовок выглядит следующим образом: ковка → отжиг (или нормализация + высокотемпературный отпуск) → черновая обработка → закалка и отпуск → получистовая обработка → снятие напряжений → чистовая обработка → азотирование → окончательная шлифовка или полировка.
Как видно из маршрута, подготовительная термическая обработка перед азотированием включает отжиг (или нормализацию + высокотемпературный отпуск), закалку и отпуск, а также снятие напряжений.
Эти этапы являются подготовкой к азотированию, поскольку после азотирования заготовки, как правило, не подвергаются дальнейшей механической обработке.
Отжиг и нормализация улучшают микроструктуру, повышают обрабатываемость, устраняют внутренние напряжения и подготавливают материал к закалке и отпуску.
Закалка и отпуск
Закалка и отпуск — это важнейший подготовительный термический процесс, направленный на получение однородной и мелкозернистой сорбитовой микроструктуры. Это не только обеспечивает хорошие, всесторонние механические свойства стержня, но и создает необходимую микроструктурную подготовку для азотирования.
Параметры закалки и отпуска существенно влияют на качество азотирования. Для стали 38CrMoAlA критические точки выше: Ac1 = 790°C, Ac3 = 900°C, Ar1 = 740°C. Кроме того, алюминий стабилизирует феррит, делая его менее растворимым в аустените при нагреве, поэтому температуры нормализации и закалки следует повышать, а время выдержки примерно в 1.5 раза дольше, чем для обычных легированных конструкционных сталей.
Если температура закалки слишком низкая или время выдержки недостаточное, что приводит к неполному растворению феррита в аустените, свободный феррит на поверхности во время азотирования значительно увеличивает хрупкость слоя. И наоборот, чрезмерно высокая температура закалки приводит к укрупнению зерен аустенита, в результате чего нитриды преимущественно распространяются вдоль границ зерен, образуя выраженные волнообразные или сетчатые структуры в азотированном слое.
Отпуск Температура также оказывает значительное влияние на качество азотирования. Она определяет твердость после закалки и отпуска: более высокая температура отпуска снижает твердость, уменьшает дисперсию карбидов в матрице, облегчает проникновение азота во время азотирования, увеличивает скорость проникновения и углубляет слой. С повышением температуры отпуска твердость азотированного слоя снижается, при этом наблюдается незначительное снижение твердости сердцевины.
Для заготовок сложной формы необходима термическая обработка для снятия напряжений, возникающих при механической обработке, и уменьшения деформации во время азотирования. Чтобы избежать снижения твердости после закалки и отпуска, температура снятия напряжений должна быть на 40–70 °C ниже температуры отпуска, с соответствующим увеличением времени выдержки и медленным охлаждением ниже 150 °C перед снятием заготовки.
Таблица 1: Предварительные процессы термообработки для газового азотирования
| Материал | Предварительный процесс термообработки |
| Конструкционные стальные детали общего назначения / Детали с низкими требованиями к ударной вязкости | Закалка и отпуск (З&О). Температура высокотемпературного отпуска должна быть на 20–40 °C выше температуры азотирования; время выдержки не должно быть чрезмерным. |
| 38CrMoAl сталь | Нормализация может быть применена, но скорость охлаждения должна быть высокой. Нормализация запрещена для заготовок с большим поперечным сечением. Необходимо использовать закалку и отпуск; в противном случае игольчатые нитриды могут плохо проявляться в азотированном слое. Для инструментальных и штамповых сталей закалка и отпуск обычно проводятся перед азотированием; отжиг запрещен. |
| Тонкие, тонкостенные, сложные и прецизионные детали. | Перед азотированием требуется одна или несколько термических обработок для снятия напряжений. Температура термической обработки для снятия напряжений обычно ниже температуры отпуска, но выше температуры азотирования. |
Как Getzshape может помочь
Компания Getzshape предоставляет высококачественные услуги по изготовлению деталей на станках с ЧПУ, обработке листового металла, электроэрозионной обработке и многому другому. Используя современное оборудование и строгий контроль качества, мы гарантируем точность и своевременную доставку как прототипов, так и крупных производственных партий. В качестве вашего комплексного партнера по производству, мы оптимизируем процессы закупки материалов, обработки, постобработки и логистики.
