Что такое азотирование?

Основа азотирования

Азотирование — это процесс термической обработки, при котором азот рассеивается на поверхности металла для создания цементируемой поверхности. Добавленный азот повышает твердость и износостойкость без существенного влияния на металлургические свойства сердечника. При азотировании металл нагревают до 500-550°С в атмосфере, богатой азотом. Азот диффундирует в поверхность на глубину до 0.5 мм и реагирует с легирующими элементами, такими как алюминий, ванадий и хром, с образованием твердых нитридов. Эти нитриды повышают поверхностную твердость до 1300 HV, улучшая износостойкость и коррозионную стойкость.

Цели азотирования

Азотирование используется для улучшения свойств поверхности металлов в нескольких ключевых целях:

Увеличение твердости поверхности

Основной целью азотирования является повышение поверхностной твердости металлов. Добавленный азот реагирует с легирующими элементами с образованием твердых нитридных соединений. Этот диффузионный слой повышает твердость до 1300 HV, что улучшает износостойкость и нагрузочную способность.

Улучшить усталостную прочность

Глубина закаленного слоя, созданная азотированием, улучшает усталостную прочность таких компонентов, как шестерни и валы. Сжимающие напряжения, образующиеся в азотированном корпусе, повышают сопротивление зарождению и распространению трещин.

Повышение коррозионной стойкости

Азотирование улучшает коррозионную стойкость двумя способами. Во-первых, нитридные соединения очень стабильны и инертны. Во-вторых, глубина слоя, создаваемая азотированием, гарантирует, что материал сердцевины останется неизменным, если поверхностный слой изнашивается.

Минимальное искажение

В отличие от методов закалки, азотирование не требует быстрого охлаждения детали. В результате азотирование вызывает очень небольшую деформацию или остаточное напряжение, что делает его подходящим для высокоточных компонентов. Изменения размеров, вызванные азотированием, незначительны.

Типы азотирования

Существует несколько основных методов и вариантов процесса азотирования, используемых в промышленности:

• Газ Азотирование– При газовом азотировании источником азота является газообразный аммиак, диссоциированный на азот и водород. Газообразный аммиак дешевле, чем чистый газообразный азот. Компоненты нагревают до 500-590°С в герметичной реторте с регулируемой подачей аммиака.
• Плазменное азотирование- Плазменное азотирование использует плазменный разряд, генерируемый источником питания высокого напряжения, для создания активированных ионов азота. Это обеспечивает более быструю диффузию при более низких температурах 350-590°C. Плазменное азотирование обеспечивает точный контроль глубины корпуса.
• Азотирование в солевых ваннах- При азотировании в соляной ванне источником азота является диссоциация цианистых солей, таких как NaCN. Детали погружают в ванну с расплавленной цианидной солью при температуре 580-590°С. Азотирование в солевой ванне позволяет достичь очень высокой твердости корпуса до 1500 HV.
• Азотирование в псевдоожиженном слое- Азотирование в псевдоожиженном слое включает диссоциацию газообразного аммиака в слое порошка оксида алюминия, псевдоожиженного газовым потоком. Этот метод обеспечивает превосходную однородность температуры во время обработки.
• Другие варианты- Другие варианты включают нитроцементацию, при которой добавляется углерод для образования карбонитридов, постоксидирование с образованием черных оксидных слоев и низкотемпературное азотирование в диапазоне 350-380°C. Также используются гибридные процессы, такие как плазменная нитроцементация.

Материалы, подходящие для азотирования

Азотирование может применяться к целому ряду черных и цветных сплавов:

Низкоуглеродистые стали

Низколегированные стали с содержанием углерода менее 0.25% обычно азотируют для повышения поверхностной твердости и износостойкости. Низкое содержание углерода снижает образование нестабильных нитридов железа. Популярные примеры включают стали 1018, 4140 и 4340.

Инструментальные стали

Инструментальные стали, включая H13, P20 и D2, идеально подходят для азотирования из-за их высокой прокаливаемости и содержания легирующих элементов. Азотирование повышает твердость, прочность и срок службы инструментов для горячих и холодных работ.

Нержавеющая сталь

Мартенситные и дисперсионно-твердеющие нержавеющие стали, такие как 410, 416, 420 и 17-4PH, могут быть эффективно азотированы для повышения износостойкости и коррозионной стойкости. Может быть достигнута поверхностная твердость 1000-1400 HV.

Алюминиевые сплавы

Некоторые алюминиевые сплавы, содержащие кремний и магний, можно азотировать с помощью процесса, называемого нитроцементацией. Это одновременно распространяет азот и углерод в сплав.

Титановые сплавы

Титановые сплавы, в том числе Ti-6Al-4V, можно азотировать плазменными методами. Это создает защитный поверхностный слой высокой твердости, не влияя на пластичность сердцевины и вязкость разрушения.

Другие сплавы

Другие материалы, такие как суперсплавы на основе никеля, инструментальные стали и кобальтовые сплавы, также могут подвергаться азотированию. Как черные, так и цветные сплавы с достаточным количеством легирующих добавок для стабилизации нитридов могут принести пользу.

Оборудование и расходные материалы для азотирования

В процессах азотирования используются специализированные печи, источники газа и оборудование для контроля температуры:

• Азотирующие печи
  • Коробчатые или шкафные печи с газонепроницаемыми ретортами и изоляцией для газового и плазменного азотирования при температуре до 1000°F (590°C).
  • Печи с расплавленной соляной ванной для азотирования в соляной ванне при температуре около 1100°F (590°C).
  • Печи с псевдоожиженным слоем, содержащие пористую керамическую среду для азотирования в кипящем слое.
• Азот Газ
  • Газообразный азот высокой чистоты как источник газового азотирования.
  • Газообразный аммиак, который диссоциирует на азот и водород для газового азотирования.
• Блоки питания
  • Источники питания постоянного тока с напряжением до 1000 В и номинальным током более 10,000 XNUMX ампер для плазменного азотирования.
• Контроль температуры
  • Термопары для контроля однородности температуры печи.
  • Пирометры для измерения температуры поверхности компонентов.
• Расходные материалы
  • Цианидные соли для азотирования в солевых ваннах.
  • Порошок глинозема для азотирования в кипящем слое.
  • Закалочное масло, чистящие растворы, инструменты, приспособления и т. д.

Надлежащее оборудование имеет важное значение для управления азотирующей атмосферой, температурой и продолжительностью для достижения воспроизводимой глубины слоя и свойств.

Процесс азотирования

Ключевые этапы типичного процесса азотирования:

1. Уборка
   1. Удалите грязь, масло, жир, оксиды и другие загрязнения с поверхности компонента путем обезжиривания, щелочной очистки или травления кислотой.
2. Загрузка
   1. Аккуратно загружайте компоненты в приспособления или корзины, чтобы избежать загрязнения и обеспечить надлежащую экспозицию.
3. Нагрев и выдержка
   1. Нагрев со скоростью 400-800°F/час (220-440°C/час) до достижения температуры азотирования.
   2. Выдерживают при температуре азотирования, чтобы заготовки достигли теплового равновесия.
4. Азотирование
   1. Поместите детали в богатую азотом среду при температуре азотирования на время, необходимое для достижения глубины корпуса.
   2. Газообразный аммиак расщепляется на азот и водород. Плазма генерирует ионы азота. Соли цианидов выделяют азот.
5. гашение
   1. Быстрое охлаждение, например, в масле, для сохранения азотированной структуры. Не требуется для некоторых процессов.
6. Разгрузка и очистка
   1. Выгрузите заготовки и удалите все остатки закалочного масла или солей путем промывки.
   2. Применяйте последующую обработку, такую ​​как шлифовка или полировка.

Тщательный контроль процесса необходим для получения желаемой глубины корпуса, минимизации деформации и обеспечения образования нитридной фазы.

Промышленное применение азотирования

Некоторые распространенные промышленные применения азотирования механических компонентов включают:

Gears

Зубчатые колеса из азотированной легированной стали имеют более высокую твердость поверхности и усталостную прочность. Используется в шестернях трансмиссии, кулачковых шестернях, кольцевых шестернях и т. Д.

Подшипники

Азотирование колец подшипников, тел качения и поверхностей подшипников повышает износостойкость и долговечность при циклических нагрузках.

Коленчатые

Азотирование повышает усталостную прочность галтелей и шеек коленчатого вала. Используется в автомобильных и судовых двигателях.

Поршни

Азотированные литые алюминиевые поршни повышают стойкость к истиранию и адгезионному износу стенок цилиндров.

ЛАМПЫ

Повышенный износ впускных и выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания с азотированными фасками и стержнями клапанов.

Режущие инструменты

Режущие инструменты из быстрорежущей стали с покрытием и твердосплавные режущие инструменты, обработанные азотированием, имеют лучшую производительность съема металла и срок службы.

Штампы и пресс-формы

Азотированные пресс-формы и штампы из инструментальной стали для литья, ковки и штамповки демонстрируют повышенную долговечность и производительность.

Другие виды использования

Обычно используется в сосудах под давлением, валах, цилиндрах, кулачках, крепежных элементах, приводах и гидродинамических компонентах.

Увеличение поверхностной твердости, износостойкости, усталостной прочности и коррозионной стойкости делает азотирование идеальным для ответственных механических деталей.

Азотирование в ювелирных изделиях и аксессуарах

Хотя азотирование менее распространено, чем промышленное использование, оно имеет некоторые нишевые применения в ювелирных изделиях и модных аксессуарах:

Улучшенная отделка поверхности

Азотирование может обеспечить гладкую однородную поверхность металлических компонентов ювелирных изделий, таких как кольца, браслеты и корпуса часов. Это снижает потребность во вторичной полировке.

Повышенная коррозионная стойкость

Азотированный слой повышает коррозионную стойкость ювелирных изделий, подверженных воздействию влаги, таких как кольца, браслеты, цепочки и металлические ремешки для часов.

Декоративные черные покрытия

Выборочное чернение протравленных поверхностей азотированием нержавеющей стали или титана может придать украшениям декоративные узоры и акценты.

Закаленные поверхности

Улучшенная износостойкость для часто используемых ювелирных изделий, таких как мужские кольца и металлические ремешки для часов, за счет упрочнения поверхности.

Экономия

В некоторых металлах азотирование может обеспечить преимущества в производительности по сравнению с гальванопокрытием или PVD-покрытием при более низкой стоимости.

Восприятие клиентов

Некоторые люксовые бренды используют азотирование из-за очевидных преимуществ технологии и отделки поверхности.

Хотя азотирование не так распространено, как в обрабатывающей промышленности, оно может обеспечить функциональные и эстетические преимущества для некоторых ювелирных изделий. Надлежащий контроль необходим для поддержания внешнего вида ювелирных металлов.

Сравнение с другими процессами поверхностного упрочнения

Азотирование отличается от других распространенных процессов поверхностного упрочнения по нескольким параметрам:

карбюризация

Науглероживание рассеивает углерод, а не азот, на поверхность стали. Он создает более твердый, но менее стабильный мартенситный корпус. Азотирование обеспечивает лучшую коррозионную стойкость.

Нитроцементация

Нитроцементация одновременно добавляет азот и углерод. Комбинированный карбонитридный случай может иметь преимущества перед каждым из них по отдельности.

Индукционная закалка

Индукционная закалка быстро нагревает и охлаждает поверхность за счет электромагнитной индукции. Азотирование обеспечивает большую глубину корпуса и меньшее искажение.

Закалка пламенем

Благодаря закалке пламенем кислородно-топливные горелки быстро нагревают поверхность перед закалкой. Азотирование может более эффективно упрочнять сложные геометрические формы.

Осаждение твердой пленки

Методы осаждения твердой пленки, такие как PVD, CVD и термическое напыление, наносят тонкое керамическое покрытие на поверхность. Азотирование рассеивает азот в самом металле подложки для лучшей адгезии и сопротивления усталости. Однако покрытия могут обеспечить дополнительные преимущества, такие как изоляция или устойчивость к высоким температурам.