Какво е азотиране?

Основа на азотирането

Азотирането е процес на термична обработка, който дифундира азот в повърхността на метал, за да създаде закалена повърхност. Добавеният азот повишава твърдостта и устойчивостта на износване, без да влияе значително на металургичните свойства на сърцевината. По време на азотирането металът се нагрява до 500-550°C в богата на азот атмосфера. Азотът дифундира в повърхността на дълбочина до 0.5 mm и реагира с легиращи елементи като алуминий, ванадий и хром, за да образува твърди нитриди. Тези нитриди увеличават твърдостта на повърхността до 1300 HV, подобрявайки устойчивостта на износване и корозия.

Цели на азотирането

Азотирането се използва за подобряване на повърхностните свойства на металите за няколко ключови цели:

Увеличете твърдостта на повърхността

Основната цел на азотирането е да се увеличи повърхностната твърдост на металите. Добавеният азот реагира с легиращи елементи, за да образува твърди нитридни съединения. Този дифузионен слой повишава твърдостта до 1300 HV, което подобрява устойчивостта на износване и товароносимост.

Подобрете силата на умора

Закалената дълбочина на корпуса, създадена чрез азотиране, подобрява якостта на умора на компоненти като зъбни колела и валове. Напреженията на натиск, образувани в азотирания корпус, повишават устойчивостта на възникване и разпространение на пукнатини.

Подобрете устойчивостта на корозия

Азотирането подобрява устойчивостта на корозия по два начина. Първо, нитридните съединения са много стабилни и инертни. Второ, дълбочината на слоя, създадена чрез азотиране, гарантира, че основният материал остава незасегнат, ако повърхностният слой се износи.

Минимално изкривяване

За разлика от методите за охлаждане, азотирането не изисква бързо охлаждане на частта. В резултат на това азотирането причинява много малко изкривяване или остатъчно напрежение, което го прави подходящо за високопрецизни компоненти. Промените в размерите, причинени от азотирането, са незначителни.

Видове азотиране

Има няколко основни метода и разновидности на процеса на азотиране, използвани в индустрията:

• Газово азотиране– При газовото азотиране източникът на азот идва от газ амоняк, дисоцииран на азот и водород. Газът амоняк е по-евтин от чистия азотен газ. Компонентите се нагряват до 500-590°C в запечатана реторта с контролиран поток на амоняк.
• Плазмено азотиране- Плазменото азотиране използва плазмен разряд, генериран от захранване с високо напрежение, за да създаде активирани азотни йони. Това позволява по-бърза дифузия при по-ниски температури от 350-590°C. Плазменото азотиране предлага прецизен контрол върху дълбочината на кутията.
• Азотиране на солена баня- При азотирането в солена баня източникът на азот идва от дисоциацията на цианидни соли като NaCN. Частите се потапят в баня с разтопена цианидна сол, поддържана при 580-590°C. Азотирането в солена баня може да постигне много висока твърдост на корпуса до 1500 HV.
• Азотиране с кипящ слой- Азотирането във флуидизиран слой включва дисоциация на газ амоняк в слой от алуминиев прах, флуидизиран от газовия поток. Този метод осигурява отлична равномерност на температурата по време на обработката.
• Други вариации - Други варианти включват нитрокарбюризиране, което добавя въглерод за образуване на карбонитриди, последващо окисляване за образуване на черни оксидни слоеве и нискотемпературно азотиране между 350-380°C. Използват се и хибридни процеси като плазмено нитрокарбонизиране.

Материали, подходящи за азотиране

Азотирането може да се приложи към редица черни и цветни сплави:

Стомани с ниско съдържание на въглерод

Нисколегираните стомани с въглерод под 0.25% обикновено се азотират, за да се увеличи твърдостта на повърхността и устойчивостта на износване. Ниското съдържание на въглерод намалява образуването на нестабилни железни нитриди. Популярните примери включват стомани 1018, 4140 и 4340.

Инструментални стомани

Инструменталните стомани, включително H13, P20 и D2, са идеални за азотиране поради тяхната висока закаляемост и съдържание на сплав. Азотирането увеличава твърдостта, здравината и живота на инструментите за горещи или студени работни приложения.

Неръждаеми стомани

Неръждаемите стомани с мартензитно и утаително втвърдяване като 410, 416, 420 и 17-4PH могат да бъдат ефективно азотирани за подобряване на устойчивостта на износване и корозия. Може да се постигне повърхностна твърдост от 1000-1400 HV.

Алуминиеви сплави

Някои алуминиеви сплави, съдържащи силиций и магнезий, могат да бъдат азотирани чрез процес, наречен нитрокарбюризация. Това дифундира азот и въглерод едновременно в сплавта.

Титанови сплави

Титанови сплави, включително Ti-6Al-4V, могат да бъдат азотирани чрез плазмени методи. Това създава защитен повърхностен слой с висока твърдост, без да се засяга пластичността на сърцевината и якостта на счупване.

Други сплави

Други материали като суперсплави на базата на никел, инструментални стомани и кобалтови сплави също могат да бъдат азотирани. Както черните, така и цветните сплави с достатъчно легиращи добавки за стабилизиране на нитридите могат да бъдат от полза.

Оборудване и консумативи за азотиране

Процесите на азотиране използват специализирани пещи, газови източници и оборудване за наблюдение на температурата:

• Пещи за азотиране
  • Пещи тип кутия или шкаф с газонепроницаеми реторти и изолация за газово и плазмено азотиране до 1000°F (590°C).
  • Пещи за баня с разтопена сол за азотиране в баня със сол около 1100°F (590°C).
  • Пещи с кипящ слой, съдържащи пореста керамична среда за азотиране с кипящ слой.
• Азотен газ
  • Азот с висока чистота като източник за газово азотиране.
  • Газ амоняк, който се разпада на азот и водород за газово азотиране.
• Захранвания
  • Захранващи устройства с постоянен ток до 1000 V и номинален ток над 10,000 XNUMX ампера за плазмено азотиране.
• Мониторинг на температурата
  • Термодвойки за наблюдение на равномерността на температурата в пещта.
  • Пирометри за измерване на повърхностната температура на компонентите.
• Консумативи
  • Цианидни соли за азотиране на солена баня.
  • Двуалуминиев прах за азотиране в кипящ слой.
  • Охлаждащо масло, почистващи разтвори, инструменти, приспособления и др.

Подходящото оборудване е от съществено значение за контролиране на атмосферата на азотиране, температурата и продължителността, за да се постигне повторяема дълбочина и свойства на кутията.

Процес на азотиране

Ключовите стъпки в типичния процес на азотиране са:

1. Почистване
   1. Отстранете мръсотия, масло, грес, оксиди и други замърсители от повърхността на компонента чрез обезмасляване, алкално почистване или ецване с киселина.
2. Товарене
   1. Заредете внимателно компонентите в приспособленията или кошниците, за да избегнете замърсяване и да осигурите правилно излагане.
3. Отопление и задържане
   1. Загрейте със скорост 400-800°F/час (220-440°C/час), за да достигнете температура на азотиране.
   2. Задръжте при температура на азотиране, за да позволите на детайлите да достигнат топлинно равновесие.
4. Азотиране
   1. Изложете детайлите на богата на азот среда при температура на азотиране за необходимото време, за да постигнете дълбочина на кутията.
   2. Газът амоняк се разбива на азот и водород. Плазмата генерира азотни йони. Цианидните соли отделят азот.
5. Закаляването
   1. Бързо охлаждане като в масло за запазване на азотираната структура. Не се изисква за някои процеси.
6. Разтоварване и Почистване
   1. Разтоварете заготовките и отстранете всички остатъци от охлаждащо масло или соли чрез измиване.
   2. Нанесете последваща обработка като шлайфане или полиране.

Необходим е внимателен контрол на процеса, за да се получи желаната дълбочина на корпуса, да се минимизира изкривяването и да се осигури образуването на нитридна фаза.

Промишлени приложения на азотиране

Някои често срещани индустриални употреби на азотиране в механични компоненти включват:

Gears

Зъбните колела от азотирана легирана стомана имат по-висока повърхностна твърдост и якост на умора. Използва се в трансмисионни зъбни колела, гърбични зъбни колела, зъбни колела и др.

Лагери

Азотирането на лагерните колела, търкалящите елементи и лагерните повърхности подобрява устойчивостта на износване и издръжливостта при циклично натоварване.

Колянови

Азотирането повишава якостта на умора на уплътненията и шийките на коляновия вал. Използва се в автомобилни и морски двигатели.

Пистънс

Азотираните бутала от лят алуминий увеличават устойчивостта на надраскване и устойчивостта на залепване срещу стените на цилиндъра.

Вентили

Подобрено износване на всмукателни и изпускателни клапани на двигатели с вътрешно горене с азотирани чела и стебла на клапаните.

режещи инструменти

Режещите инструменти от високоскоростна стомана и твърдосплавни метали с покритие, обработени с азотиране, имат по-добри скорости на отстраняване на метал и живот.

Щанци и форми

Формите и матриците от азотирана инструментална стомана за леене, коване и щамповане показват повишена издръжливост и производителност.

Други приложения

Често срещан в съдове под налягане, валове, цилиндри, гърбици, крепежни елементи, задвижващи механизми и компоненти за захранване с течност.

Увеличаването на твърдостта на повърхността, устойчивостта на износване, якостта на умора и устойчивостта на корозия правят азотирането идеално за критични механични части.

Азотиране в бижута и аксесоари

Въпреки че е по-рядко срещано от промишлените употреби, азотирането има някои нишови приложения в бижутата и модните аксесоари:

Подобрено покритие на повърхността

Азотирането може да осигури гладко равномерно повърхностно покритие върху метални компоненти за бижута като пръстени, гривни и кутии за часовници. Това намалява необходимостта от вторично полиране.

Подобрена устойчивост на корозия

Азотираният слой подобрява устойчивостта на корозия за бижута, изложени на влага, като пръстени, гривни, верижки и метални каишки за часовници.

Декоративни черни покрития

Селективното почерняване на ецвани повърхности чрез азотиране на неръждаема стомана или титан може да осигури декоративни шарки и акценти върху бижутата.

Закалени повърхности

Подобрена устойчивост на износване за бижута с висока употреба като мъжки пръстени и метални каишки за часовници чрез повърхностно втвърдяване.

Спестяване на разходи

При някои метали азотирането може да осигури предимства в производителността спрямо покритията или PVD покритията на по-ниска цена.

Възприемане на клиента

Някои луксозни марки използват азотиране за възприеманите предимства на технологията и повърхностното покритие.

Въпреки че не е толкова разпространено, колкото в производствените индустрии, азотирането може да осигури функционални и естетически предимства за избрани приложения за бижута. Необходим е правилен контрол, за да се поддържа външният вид на металите за бижута.

Сравнение с други процеси на повърхностно втвърдяване

Азотирането се различава от другите обичайни процеси на повърхностно втвърдяване по няколко начина:

цементация

Карбуризирането дифузира въглерода, а не азота в стоманената повърхност. Създава по-твърд, но по-малко стабилен мартензитен корпус. Азотирането осигурява по-добра устойчивост на корозия.

Нитрокарбонизация

Нитрокарбюризирането добавя едновременно азот и въглерод. Комбинираният карбонитриден корпус може да предложи предимства пред всеки отделен.

Индукционно втвърдяване

Индукционното втвърдяване бързо нагрява и охлажда повърхността чрез електромагнитна индукция. Азотирането осигурява по-голяма дълбочина на корпуса и по-малко изкривяване.

Пламъчно закаляване

С пламъчно закаляване горелките с кислородно гориво бързо загряват повърхността преди да се закалят. Азотирането може да втвърди по-ефективно сложни геометрии.

Отлагане на твърд филм

Техники за отлагане на твърд филм като PVD, CVD и термично напръскани покрития отлагат тънко керамично покритие върху повърхността. Азотирането дифузира азота в самия субстратен метал за по-добра адхезия и устойчивост на умора. Покритията обаче могат да осигурят допълнителни предимства като изолация или устойчивост на висока температура.