Азотирование стали

Азотирование — это важный этап в поверхностной обработке нержавеющей стали. Цель проведения — повысить эксплуатационные характеристики металла, упрочнить его.

В статье разберём:

— какие стали подвергаются азотированию;

— виды используемых реагентов;

— методы проведения;

— какие преимущества и недостатки имеет нержавеющая сталь после азотирования;

— где применяется.

Что такое травление нержавеющей стали?

Азотирование нержавеющей стали — это поверхностная обработка металла азотом. В процессе проведения формируются нитриды, которые увеличивают твёрдость деталей, стойкость к износу, коррозии. В результате получается диффузионный слой глубиной до 0,6 мм.

Поверхностной обработке подвергают различные марки сталей, но самый лучший эффект получается у высоколегированной. Это нержавеющая сталь, содержащая ванадий, кремний, титан, ниобий, цирконий, алюминий, молибден, хром.

После обработки микроструктура поверхности материала получается двухслойной. У верхнего связующего слоя толщина 5–20 мкм. Он упрочняет металл, например, как корка льда на поверхности воды.

Второй слой азотирования находится сразу под первым. Его называют диффузионной зоной, которая проходит на глубину 100–600 мкм. Слой состоит из нитридов железа и добавок, которые расположены равномерно по всей матрице. Они создают постепенный переход твёрдости и остаточного напряжения сжатия.

Твёрдость поверхности стали после азотирования может достигать 800–1000 HV.

Процесс азотирования стали

Азотирование поверхности стали проходит в несколько этапов: подготовка изделий, выбор реагента, обработка, контроль качества.

Подготовка нержавеющей стали

Первым этапом идёт очищение поверхности изделий от масляной смазки, пыли, оксида. Поверхность обезжиривается в растворе со щёлочью. Потом её чистят металлической щёткой, струёй с абразивным порошком.

Оксидная плёнка снимается с помощью травли соляной кислотой при 50–90°C в течение 5 минут. 

Выбор азотирующего агента

Выбор реагента зависит от марки сплава стали, нужных характеристик поверхности.

• Аммиак — обычно применяют в камерных печах газовым методом. При нагреве разлагается на азот, водород. При высокой температуре входит в слои поверхности, создаёт корку твёрдых нитридов.
• Расплавленные цианидные и цианатные соли — источник азота при жидкостной термической обработке. Детали опускают в ванну с горячей солевой жидкостью (570°C). От большой температуры соли распадаются. Так получают азот, формирующий нитридный слой.
• Ионы азота — применяют для плазменной поверхностной обработки. Изделия азотируются в вакуумных камерах.

Условия азотирования

Азотирование проводят при температуре 300–580°C. Процесс не включает аустенизацию, закалку. Охлаждение выполняют постепенно, без резкого термического воздействия, что позволяет сохранить геометрию изделий.

Анализ азотирования нержавеющей стали

Анализ металла — это исследование структуры и фазового слоя ионной поверхностной обработки. Анализ показывает, как азот входит в кристаллическую решётку нержавеющей стали, образует нитриды (твёрдые и стойкие соединения). То есть помогает понять:

— какие фазы получаются в результате азотирования;

— как они распределяются по всей глубине слоя;

— какова толщина слоёв. 

Проверку делают с помощью специального оборудования: рентгеновских дифрактометров (определяют фазовый состав), сканирующих электронных микроскопов (для фазового анализа).

Технология азотирования нержавеющей стали

Самые основные виды азотирования стали: газовое, жидкостное, плазменное.

Газовое азотирование

Технология подойдёт для низкоуглеродистой нержавеющей стали. Чтобы атомы азота проникли в поверхность металла, используют аммиак и газовые смеси азота с водородом. Берут одинаковые дозы и азотируют на протяжении 3 часов, с температурой не больше 579°C. Время можно регулировать. Чтобы ускорить обработку, используют жидкостное азотирование в расплавах цианидных, цианатных солей.

Для уменьшения хрупкости слоя ускоряют диффузионное насыщение, подавляют формирование нитридов. Поэтому в аммиак добавляют 80% азота, аргона или водорода.

Иногда проводят быстрое азотирование для защиты от коррозии — на это уходит меньше 2 часов. Тогда аммиак берут на 40% меньше, а температуру повышают до 700°C.

Сплав нержавеющей стали 20Х13, 12Х18Н10Т, 12Х13, 30Х13, 95Х18 азотируют при температуре 500°C. Содержание аммиака — 60%.

Преимущество метода: твёрдость — 600–1100 HV с небольшой толщиной нитридов.

Недостатки метода: большой расход газа.

Жидкостное азотирование

В этом случае азотируют в специальных ваннах, которые заполняют:

— расплавленными цианидами, цианатами натрия;

— калием с жёлтой кровяной солью;

— мочевиной.

Это ядовитые вещества (кроме мочевины), поэтому хранить, использовать их нужно осторожно.

Азот и углерод в соотношении 3:1. Структура поверхности двухслойная — карбонитридная, диффузная. Верхний слой (карбонитридный), с небольшой толщиной (10–15 мкм), повышает жаропрочность, стойкость к износу, прочность к трению.

Из-за токсичности метода его используют в основном только для обрабатывания изделий, подверженных трению, высокой нагрузке (усилию). Например, подшипники, шестерни, втулки, коленчатые валы. Используют сплав 95Х18, который обрабатывают при температуре 540–565°C. Длительность азотирования зависит от величины деталей (обычно около 10–40 минут).

Разработаны три современных технологии поверхностной обработки без цианида:

• В расплавленные хлориды бария и натрия, хлористый кальций добавляют аммиак.
• Ванна с натриевой селитрой или нитритно-нитратными смесями.
• В растворе с водой, солью и азотом нагревают детали с помощью высокочастотных токов.

Преимущества метода: быстрое, равномерное насыщение азотом.
Недостатки метода: соли могут вызывать коррозию, а также они токсичные (нужны специальные меры безопасности). Необходимость утилизации токсичных солей.

Плазменное азотирование

Экономически выгодным методом является плазменное азотирование. Это современная технология хорошо распространена, полностью автоматизирована, контролируется компьютером. А также не ядовита, безопасна для окружающей среды. Для поверхностной обработки берут аммиак или смеси водорода с азотом. 

Изделия погружают в печь, настраивают высокую температуру, включают электрический потенциал, который становится отрицательным электродом. В качестве положительного электрода будет печь. В разряжённой, содержащей азот, печи образуется разряд, с помощью которого азот распадается на атомы. Ионы атакуют поверхность катода, происходит насыщение верхних слоёв деталей.

Затрачиваемое время на поверхностную обработку зависит от цели проведения и сплава нержавеющей стали — обычно не больше суток.

Преимущества метода:

• Равномерные, тонкие слои азота за счёт ионизации газа. Это важно для тонких деталей со сложными формами.
• Требуется небольшая температура — 300–500°C.
• Повышается стойкость к коррозии, усталостная прочность.

Недостатки технологии:

• Дорогое оборудование — 2 900 000–7 000 000 рублей (зависит от модели).
• Ограничение по размерам изделий из-за габаритов камеры.

Области применения азотирования нержавеющей стали

Поверхностную обработку применяют в тех областях, где нужна высокая стойкость к износу, прочность.

Автомобили, авиация — обрабатывают двигатели, детали трансмиссии, подшипники, корпуса.

Станкостроение — обрабатывание шпинделей, направляющих, зубчатых передач. Требуется высокая точность при обработке.

Различные инструменты — покрытие азотом шаблонов, измерительного инвентаря.

Пресс-формы — для отливки пластмассовых заготовок, горячего штампования. Изделия получаются стойкими к налипанию, термической нагрузке.

Плюсы и минусы азотирования нержавеющей стали

Разберём самые основные плюсы и минусы азотирования.

Плюсы:

• Стойкость к коррозии — железо, насыщенное азотом, устойчиво к окислению, влаге, агрессивным веществам.
• Твёрдость металла в 1,5–2 раза выше, чем у закалённой углеродистой, цементованной стали. Поверхность слоя не даёт повредить детали при ударах.
• Устойчивость к износу — изделия не подвержены истиранию, царапинам.
• Жаростойкость — азот защищает элементы металла от разрушения при высокой температуре (500–520°C). 
• Выносливость на усталость — процесс закупоривает мелкие трещины и концентраторы напряжения.
• Срок использования в 2 раза больше, чем у цементованных деталей (сроки зависят от характеристики материала, условий использования).
• Возможность обработки только некоторых участков деталей. Другие зоны для защиты покрывают слоем олова или алюминия.

Недостатки:

• Длительность проведения обработки — 24–90 часов.
• Возможны незначительные изменения размеров, которые учитываются в допусках.
• Толщина слоя ограничена — 0,6–1,0 мм, что недостаточно при сильном абразивном износе.
• Хрупкость слоя происходит при перенасыщении азотом. Обычно это случается, когда длительно проводят одноступенчатый цикл.
• Выделение агрессивных ядовитых веществ при обработке некоторыми способами.

Современная технология не стоит на месте, и опыты с металлом продолжаются. Разрабатываются разные методы для упрочнения материала.

Поделиться: