Co to jest azotowanie?

Podstawy azotowania

Azotowanie to proces obróbki cieplnej, który polega na dyfuzji azotu na powierzchnię metalu w celu utworzenia powierzchni utwardzonej dyfuzyjnie. Dodany azot zwiększa twardość i odporność na zużycie bez znaczącego wpływu na właściwości metalurgiczne rdzenia. Podczas azotowania metal jest podgrzewany do temperatury 500-550°C w atmosferze bogatej w azot. Azot dyfunduje do powierzchni na głębokość do 0.5 mm i reaguje z pierwiastkami stopowymi, takimi jak aluminium, wanad i chrom, tworząc twarde azotki. Azotki te zwiększają twardość powierzchni do 1300 HV, poprawiając odporność na zużycie i korozję.

Cele azotowania

Azotowanie służy do poprawy właściwości powierzchni metali w kilku kluczowych celach:

Zwiększ twardość powierzchni

Podstawowym celem azotowania jest zwiększenie twardości powierzchniowej metali. Dodany azot reaguje z pierwiastkami stopowymi, tworząc twarde związki azotkowe. Ta warstwa dyfuzyjna zwiększa twardość do 1300 HV, co poprawia odporność na zużycie i nośność.

Popraw wytrzymałość zmęczeniową

Utwardzona głębokość obudowy stworzona przez azotowanie poprawia wytrzymałość zmęczeniową komponentów, takich jak koła zębate i wały. Naprężenia ściskające powstające w naazotowanej obudowie zwiększają odporność na inicjację i propagację pęknięć.

Zwiększ odporność na korozję

Azotowanie poprawia odporność na korozję na dwa sposoby. Po pierwsze, związki azotkowe są bardzo stabilne i obojętne. Po drugie, głębokość warstwy wytworzona przez azotowanie gwarantuje, że materiał rdzenia pozostanie nienaruszony, jeśli warstwa wierzchnia ulegnie zużyciu.

Minimalne zniekształcenia

W przeciwieństwie do metod hartowania, azotowanie nie wymaga szybkiego chłodzenia części. W rezultacie azotowanie powoduje bardzo niewielkie zniekształcenia lub naprężenia szczątkowe, dzięki czemu nadaje się do elementów o wysokiej precyzji. Zmiany wymiarowe spowodowane azotowaniem są znikome.

Rodzaje azotowania

Istnieje kilka głównych metod i odmian procesu azotowania stosowanych w przemyśle:

• Azotowanie gazowe– W przypadku azotowania gazowego źródłem azotu jest gazowy amoniak zdysocjowany na azot i wodór. Gazowy amoniak jest tańszy niż czysty gazowy azot. Komponenty są podgrzewane do temperatury 500-590°C w szczelnej retorcie z kontrolowanym przepływem amoniaku.
• azotowanie plazmowe- Azotowanie plazmowe wykorzystuje wyładowanie plazmowe generowane przez zasilacz wysokiego napięcia do tworzenia aktywowanych jonów azotu. Pozwala to na szybszą dyfuzję w niższych temperaturach 350-590°C. Azotowanie plazmowe zapewnia precyzyjną kontrolę nad głębokością obudowy.
• Azotowanie w kąpieli solnej- W przypadku azotowania w kąpieli solnej źródłem azotu jest dysocjacja soli cyjankowych, takich jak NaCN. Części są zanurzane w stopionej kąpieli solnej z cyjankiem utrzymywanej w temperaturze 580-590°C. Azotowanie w kąpieli solnej pozwala osiągnąć bardzo wysoką twardość powierzchniową do 1500 HV.
• Azotowanie w złożu fluidalnym- Azotowanie w złożu fluidalnym obejmuje dysocjację gazowego amoniaku w złożu sproszkowanego tlenku glinu upłynnionego przez przepływ gazu. Ta metoda zapewnia doskonałą równomierność temperatury podczas obróbki.
• Inne odmiany- Inne warianty obejmują węgloazotowanie, które dodaje węgiel w celu utworzenia węglikoazotków, doutlenianie w celu utworzenia warstw czarnego tlenku oraz azotowanie w niskiej temperaturze w zakresie 350-380°C. Stosowane są również procesy hybrydowe, takie jak azotonawęglanie plazmowe.

Materiały odpowiednie do azotowania

Azotowanie można stosować do szeregu stopów żelaza i metali nieżelaznych:

Stale niskowęglowe

Stale niskostopowe o zawartości węgla poniżej 0.25% są zwykle azotowane w celu zwiększenia twardości powierzchni i odporności na zużycie. Niska zawartość węgla ogranicza powstawanie niestabilnych azotków żelaza. Popularne przykłady obejmują stale 1018, 4140 i 4340.

Stale narzędziowe

Stale narzędziowe, w tym H13, P20 i D2, są idealne do azotowania ze względu na ich wysoką hartowność i zawartość stopów. Azotowanie zwiększa twardość, wytrzymałość i żywotność narzędzi do pracy na gorąco lub na zimno.

Stale nierdzewne

Stale nierdzewne martenzytyczne i utwardzane wydzieleniowo, takie jak 410, 416, 420 i 17-4PH, można skutecznie azotować, aby poprawić odporność na zużycie i korozję. Można osiągnąć twardość powierzchni 1000-1400 HV.

Stopy aluminium

Niektóre stopy aluminium zawierające krzem i magnez mogą być azotowane w procesie zwanym węgloazotowaniem. Powoduje to dyfuzję azotu i węgla jednocześnie do stopu.

Stopy tytanu

Stopy tytanu, w tym Ti-6Al-4V, można azotować metodami plazmowymi. Tworzy to ochronną warstwę powierzchniową o wysokiej twardości bez wpływu na plastyczność rdzenia i odporność na pękanie.

Inne stopy

Inne materiały, takie jak superstopy na bazie niklu, stale narzędziowe i stopy kobaltu, również mogą być azotowane. Korzystne mogą być zarówno stopy żelaza, jak i nieżelaza z dodatkami stopowymi wystarczającymi do stabilizacji azotków.

Sprzęt i materiały eksploatacyjne do azotowania

Procesy azotowania wykorzystują specjalistyczne piece, źródła gazu i sprzęt do monitorowania temperatury:

• Piece do azotowania
  • Piece skrzyniowe lub szafkowe z gazoszczelnymi retortami i izolacją do azotowania gazowego i plazmowego do 1000°F (590°C).
  • Piece w kąpieli solnej do azotowania w kąpieli solnej około 1100°F (590°C).
  • Piece ze złożem fluidalnym zawierające porowate ośrodki ceramiczne do azotowania w złożu fluidalnym.
• Azot
  • Azot gazowy o wysokiej czystości jako źródło azotowania gazowego.
  • Gazowy amoniak, który dysocjuje na azot i wodór do azotowania gazowego.
• Zasilacze
  • Zasilacze prądu stałego do 1000 V i prąd znamionowy powyżej 10,000 XNUMX amperów do azotowania plazmowego.
• Monitorowanie temperatury
  • Termopary do monitorowania jednorodności temperatury pieca.
  • Pirometry do pomiaru temperatury powierzchni elementów.
• Materiały eksploatacyjne
  • Sole cyjankowe do azotowania w kąpieli solnej.
  • Proszek tlenku glinu do azotowania w złożu fluidalnym.
  • Olej hartowniczy, roztwory czyszczące, oprzyrządowanie, osprzęt itp.

Właściwy sprzęt jest niezbędny do kontrolowania atmosfery, temperatury i czasu azotowania w celu uzyskania powtarzalnej głębokości obudowy i właściwości.

Proces azotowania

Kluczowymi etapami typowego procesu azotowania są:

1. Sprzątanie
   1. Usuń brud, olej, tłuszcz, tlenki i inne zanieczyszczenia z powierzchni elementu poprzez odtłuszczanie, czyszczenie alkaliczne lub trawienie kwasem.
2. ładowanie
   1. Ostrożnie załaduj elementy do uchwytów lub koszy, aby uniknąć zanieczyszczenia i zapewnić odpowiednią ekspozycję.
3. Ogrzewanie i utrzymywanie
   1. Ogrzewać z szybkością 400-800°F/h (220-440°C/h) do osiągnięcia temperatury azotowania.
   2. Trzymaj w temperaturze azotowania, aby pozwolić przedmiotom osiągnąć równowagę termiczną.
4. Azotowanie
   1. Wystawić obrabiane przedmioty na działanie środowiska bogatego w azot w temperaturze azotowania przez wymagany czas, aby uzyskać głębokość obudowy.
   2. Gazowy amoniak rozpada się na azot i wodór. Plazma generuje jony azotu. Sole cyjankowe uwalniają azot.
5. Hartowanie
   1. Szybkie chłodzenie, np. w oleju, w celu zachowania azotowanej struktury. Niewymagane w przypadku niektórych procesów.
6. Rozładunek i czyszczenie
   1. Rozładuj obrabiane przedmioty i usuń wszelkie pozostałości oleju hartowniczego lub soli poprzez mycie.
   2. Zastosuj po obróbce, takiej jak szlifowanie lub polerowanie.

Konieczna jest staranna kontrola procesu, aby uzyskać pożądaną głębokość obudowy, zminimalizować zniekształcenia i zapewnić powstawanie fazy azotkowej.

Przemysłowe zastosowania azotowania

Niektóre typowe przemysłowe zastosowania azotowania w elementach mechanicznych obejmują:

Gears

Koła zębate ze stali stopowej azotowanej mają wyższą twardość powierzchniową i wytrzymałość zmęczeniową. Stosowany w przekładniach, kołach zębatych krzywek, kołach zębatych itp.

Łożyska

Azotowanie bieżni łożysk, elementów tocznych i powierzchni łożysk poprawia odporność na zużycie i trwałość przy obciążeniach cyklicznych.

Wały korbowe

Azotowanie zwiększa wytrzymałość zmęczeniową listew i czopów wału korbowego. Stosowany w silnikach samochodowych i okrętowych.

Pistons

Azotowane tłoki z odlewu aluminiowego zwiększają odporność na ścieranie i przyczepność do ścianek cylindra.

Zawory

Poprawione zużycie zaworów dolotowych i wydechowych silników spalinowych z azotowanymi przylgniami i trzpieniami zaworów.

Narzędzia tnące

Powlekane narzędzia skrawające ze stali szybkotnącej i węglików spiekanych poddane azotowaniu mają lepszą wydajność usuwania metalu i większą żywotność.

Matryce i formy

Azotowane formy i matryce ze stali narzędziowej do odlewania, kucia i tłoczenia wykazują zwiększoną trwałość i wydajność.

Inne zastosowania

Powszechne w zbiornikach ciśnieniowych, wałach, cylindrach, krzywkach, elementach złącznych, siłownikach i komponentach płynnych.

Wzrost twardości powierzchni, odporności na zużycie, wytrzymałości zmęczeniowej i odporności na korozję sprawia, że ​​azotowanie jest idealne dla krytycznych części mechanicznych.

Azotowanie biżuterii i akcesoriów

Chociaż azotowanie jest mniej powszechne niż zastosowania przemysłowe, ma pewne niszowe zastosowania w biżuterii i akcesoriach modowych:

Ulepszone wykończenie powierzchni

Azotowanie może zapewnić gładkie, jednolite wykończenie powierzchni metalowych elementów biżuterii, takich jak pierścionki, bransoletki i koperty zegarków. Zmniejsza to potrzebę dodatkowego polerowania.

Zwiększona odporność na korozję

Warstwa azotowana poprawia odporność na korozję elementów biżuterii narażonych na działanie wilgoci, takich jak pierścionki, bransoletki, łańcuszki i metalowe paski do zegarków.

Dekoracyjne czarne powłoki

Selektywne czernienie wytrawionych powierzchni przez azotowanie stali nierdzewnej lub tytanu może zapewnić dekoracyjne wzory i akcenty na biżuterii.

Utwardzone powierzchnie

Poprawiona odporność na zużycie elementów biżuterii często używanych, takich jak męskie pierścionki i metalowe paski do zegarków, dzięki hartowaniu powierzchniowemu.

oszczędności

W przypadku niektórych metali azotowanie może zapewnić lepszą wydajność niż powlekanie galwaniczne lub powłoki PVD przy niższych kosztach.

Punkt widzenia klienta

Niektóre luksusowe marki stosują azotowanie ze względu na dostrzegane korzyści technologii i wykończenia powierzchni.

Azotowanie, chociaż nie jest tak rozpowszechnione jak w przemyśle wytwórczym, może zapewnić korzyści funkcjonalne i estetyczne w wybranych zastosowaniach jubilerskich. Właściwa kontrola jest potrzebna do utrzymania wyglądu metali jubilerskich.

Porównanie z innymi procesami utwardzania powierzchni

Azotowanie różni się od innych powszechnych procesów utwardzania powierzchni na kilka sposobów:

Nawęglanie

Nawęglanie powoduje dyfuzję węgla zamiast azotu do powierzchni stali. Tworzy twardszą, ale mniej stabilną obudowę martenzytyczną. Azotowanie zapewnia lepszą odporność na korozję.

azotowęglanie

Azowęglanie dodaje jednocześnie azot i węgiel. Połączona obudowa węglikoazotku może oferować korzyści w porównaniu z każdą z nich osobno.

Hartowanie indukcyjne

Hartowanie indukcyjne szybko nagrzewa i hartuje powierzchnię poprzez indukcję elektromagnetyczną. Azotowanie zapewnia głębszą głębokość obudowy i mniejsze zniekształcenia.

Hartowanie płomieniowe

W przypadku utwardzania płomieniowego palniki tlenowo-paliwowe szybko nagrzewają powierzchnię przed hartowaniem. Azotowanie może skuteczniej utwardzać złożone geometrie.

Osadzanie twardej folii

Techniki osadzania twardych warstw, takie jak PVD, CVD i powłoki natryskiwane termicznie, nakładają cienką powłokę ceramiczną na powierzchnię. Azotowanie polega na dyfuzji azotu do samego metalu podłoża, co zapewnia lepszą przyczepność i odporność na zmęczenie. Jednak powłoki mogą zapewnić dodatkowe korzyści, takie jak izolacja lub odporność na wysoką temperaturę.