Azotowanie stali jest procesem obróbki cieplno-chemicznej, który pozwala na znaczne zwiększenie twardości, odporności na zużycie oraz poprawę właściwości mechanicznych powierzchniowych obrabianych elementów. W procesie tym atomy azotu dyfundują w warstwę wierzchnią materiału, tworząc twarde fazy azotków, co skutkuje poprawą parametrów użytkowych stali.
Azotowanie stali – mechanizm
Azotowanie polega na dyfuzji atomowego azotu w powierzchniową warstwę stali w temperaturze od 450 do 590°C, co prowadzi do powstania azotków żelaza (FeN, Fe2N, Fe3N) oraz azotków innych pierwiastków stopowych, takich jak chrom, molibden, wanad, aluminium czy tytan.
Główne reakcje zachodzące podczas azotowania: Fe + N → FeN, 2Fe + N₂ → 2FeN, FeN + Fe → Fe₂N
Azotowanie skutkuje utworzeniem warstwy azotowanej, która składa się z:
- Warstwy związkowej (biała warstwa) – zawiera azotki Fe4N (γ’) i Fe2-3N (ε). Ma twardość 800-1200 HV.
- Warstwy dyfuzyjnej – zawiera azotki stopowe i ma stopniowo zmniejszającą się koncentrację azotu w głąb materiału.
Metody azotowania stali
1. Azotowanie gazowe
Jest to najczęściej stosowana metoda, polegająca na nasycaniu stali azotem w atmosferze gazowej amoniaku (NH3), który rozkłada się według reakcji: 2NH₃ → 2N + 3H₂ Proces przebiega w temperaturze 500–580°C i trwa od kilku do kilkudziesięciu godzin.
Zalety:
- Możliwość precyzyjnej kontroli procesu.
- Równomierne nasycenie warstwy azotowanej.
- Dobra powtarzalność procesu.
Wady:
- Długi czas trwania procesu.
- Ryzyko powstawania nadmiernej warstwy związkowej.
2. Azotowanie plazmowe (jonowe)
W tej metodzie azotowanie odbywa się w próżni przy użyciu wyładowań elektrycznych, co powoduje dysocjację azotu i jego dyfuzję w powierzchnię metalu. Proces ten odbywa się w temperaturze 400–600°C.
Zalety:
- Lepsza kontrola grubości warstwy związkowej.
- Możliwość azotowania selektywnego.
- Krótszy czas procesu w porównaniu do azotowania gazowego.
Wady:
- Wysoki koszt urządzeń.
- Konieczność specjalistycznej obsługi.
3. Azotowanie ciekłe (w solach azotujących)
Stal jest zanurzana w stopionych solach zawierających cyjanki, co umożliwia szybkie przenikanie azotu do materiału. Temperatura procesu wynosi 550–590°C.
Zalety:
- Krótki czas trwania.
- Jednorodna warstwa azotowana.
Wady:
- Toksyczność odpadów procesowych.
- Ograniczenia środowiskowe.
Parametry procesu azotowania
Proces azotowania zależy od wielu czynników, takich jak:
- Temperatura: wpływa na szybkość dyfuzji azotu i strukturę warstwy.
- Czas azotowania: decyduje o grubości warstwy azotowanej.
- Rodzaj atmosfery azotującej: amoniak, azot atomowy, sole azotujące.
- Skład chemiczny stali: pierwiastki stopowe wpływają na kinetykę procesu.
| Parametr | Zakres |
|---|---|
| Temperatura azotowania | 450–590°C |
| Czas azotowania | 5–100 h |
| Twardość warstwy | 800–1200 HV |
| Grubość warstwy | 0,1–0,6 mm |
Wpływ składu chemicznego stali na azotowanie
Nie wszystkie stale nadają się do azotowania w równym stopniu. Kluczowe znaczenie mają pierwiastki stopowe:
- Chrom (Cr): zwiększa odporność na korozję i wspomaga tworzenie azotków.
- Molibden (Mo): poprawia odporność na odpuszczanie i redukuje kruchość warstwy.
- Aluminium (Al): silnie wiąże azot, tworząc trwałe azotki.
- Wanad (V) i Tytan (Ti): stabilizują strukturę warstwy azotowanej.
Przykłady stali stosowanych do azotowania:
| Gatunek stali | Skład chemiczny (%) | Przykładowe zastosowanie |
|---|---|---|
| 41CrAlMo7 | C: 0.40, Cr: 1.0, Al: 1.1, Mo: 0.2 | Formy wtryskowe, wały rozrządu |
| 31CrMoV9 | C: 0.30, Cr: 2.5, Mo: 0.5, V: 0.2 | Przekładnie, koła zębate |
| X37CrMoV5-1 | C: 0.35, Cr: 5.0, Mo: 1.3, V: 0.3 | Narzędzia formujące |
| 34CrAlMo5 | C: 0.35, Cr: 1.5, Al: 1.2, Mo: 0.3 | Elementy maszynowe, tuleje |
| 42CrMo4 | C: 0.42, Cr: 1.0, Mo: 0.2 | Wały korbowe, sworznie |
| 38HMJ | C: 0.38, Cr: 1.5, Mo: 0.2, Al: 0.9 | Elementy turbin, narzędzia tnące |
Właściwości warstwy azotowanej
- Bardzo wysoka twardość powierzchniowa (800–1200 HV).
- Wysoka odporność na zużycie ścierne i zmęczeniowe.
- Poprawa odporności na korozję w środowiskach utleniających.
- Zwiększona odporność na odpuszczanie do 600°C.
Azotowanie stali – zastosowanie azotowania
Azotowanie stosuje się w wielu gałęziach przemysłu:
- Motoryzacja: wały rozrządu, tłoki, koła zębate.
- Lotnictwo: elementy przekładni, łopatki turbin.
- Przemysł maszynowy: śruby, łożyska, tuleje.
- Przemysł narzędziowy: formy wtryskowe, matryce.
Azotowanie stali to zaawansowany proces technologiczny, który znacząco poprawia właściwości użytkowe metali. Wybór odpowiedniej metody azotowania zależy od rodzaju materiału, wymaganej grubości warstwy oraz kosztów procesu. Dzięki zastosowaniu odpowiednich parametrów i materiałów, azotowanie jest niezastąpioną metodą poprawy trwałości i niezawodności elementów maszynowych.