Азотування сталі – процес, азотований шар, властивості та застосування

Азотування сталі – це процес термохімічної обробки, який включає насичення поверхневого шару матеріалу азотом. Азот, що подається на поверхню у відповідній активній формі, проникає глибоко в сталь шляхом дифузії та взаємодіє із залізом та легуючими елементами, які мають високу спорідненість до азоту.
В результаті, характеристика азотований шар, мікроструктура та властивості якого відрізняються від основного матеріалу. У правильно підібраних сталях цей процес забезпечує дуже високу твердість поверхні, підвищену зносостійкість та сприятливе формування трибологічних властивостей та властивостей, що піддаються втомі, компонента.
Однією з найважливіших особливостей азотування є те, що цей процес усуває необхідність аустенізації сталі та подальшого швидкого гартування одразу після азотування. Це дозволяє досягати менших розмірних змін та деформацій, ніж у багатьох технологіях, що використовують поверхневе гартування.

Що таке азотування сталі?

Азотування – це процес дифузії. Він створює на поверхні компонента умови, що забезпечують надходження активного азоту, його адсорбцію на поверхні та подальшу дифузію в матеріал.
Процес можна спростити так:

ДЖЕРЕЛО АЗОТУ → АКТИВАЦІЯ ПОВЕРХНІ → ПРОНИКНЕННЯ АЗОТУ → ДИФУЗІЯ → УТВОРЕННЯ НІТРИДІВ → АЗОТОВАНИЙ ШАР

На відміну від класичного гартування, азотування не передбачає утворення аустеніту та його подальшого перетворення на мартенсит. Механізм гартування пов'язаний, перш за все, з присутністю азоту в розчині та утворенням дуже дрібних осадів нітридів заліза та легуючих елементів.

Механізм азотування сталі

Механізм процесу залежить від використовуваної технології. При газовому азотуванні джерелом азоту найчастіше є аміак, тоді як при плазмовому азотуванні поверхня взаємодіє з активними компонентами азотовмісної плазми.
У класичному газовому азотуванні на поверхні сталі відбуваються процеси дисоціації аміаку, адсорбції азоту та його проникнення в матеріал. Деяка кількість азоту потім може дифундувати в сталь.
У спрощеній технологічній нотації розкладання аміаку можна представити як:

2NH3 ⇌ ₂ [N] + _3H2

Символ [N] у цьому позначенні позначає азот, доступний для поверхневих процесів. Фактичний механізм поверхневих реакцій та транспортування азоту є складнішим, тому прості рівняння, такі як "Fe + N → FeN", не слід вважати повним описом процесу азотування.

Що відбувається з азотом, коли він потрапляє в сталь?

Після введення в матеріал, азот може існувати в розчині та брати участь в утворенні відповідних фаз та осадів. Елементи з високою спорідненістю до азоту, такі як хром, ванадій та алюмінію.
Залежно від хімічного складу сталі та параметрів процесу, можуть утворюватися дуже дрібні осади нітридів сплаву. Їхня присутність може значно зміцнити дифузійний шар.
Тому сталі, спеціально розроблені для азотування, містять елементи, що дозволяють отримати дуже твердий і стабільний шар.

Структура азотованого шару

Шар, що утворюється під час азотування, не є однорідним по всій глибині. Як правило, можна виділити наступне:

ЗВ'ЯЗКОВИЙ ШАР → ДИФУЗІЙНИЙ ШАР → ОСНОВНИЙ

З'єднувальний шар – так званий білий шар

Зовнішня частина азотованого шару називається об'єднувальний шара в металографічній практиці також відомий як «білий шар». Назва походить від його зовнішнього вигляду на належним чином підготовленому металографічному зразку.
Цей шар може включати, серед іншого:

• фаза γ′ – Fe₄N,
• фаза ε – Fe_2-3N.

Частка окремих фаз та товщина шару сполуки залежать від потенціалу азотування, температури, часу процесу, складу атмосфери та матеріалу підкладки.
Складний шар може забезпечити сприятливі трибологічні властивості та стійкість до певних видів зносу, але надмірна товщина або погана структура можуть збільшити схильність до розтріскування та відколів. Тому метою технології не завжди є досягнення максимально товстого складного шару.

Дифузійний шар

Під складним шаром знаходиться дифузійний шар . У цій області вміст азоту поступово зменшується зі збільшенням відстані від поверхні.

У легованих сталях азот може утворювати дрібні осади з елементами, які мають високу спорідненість до азоту. Ці осади є вирішальними для високої твердості дифузійного шару.

Дифузійний шар має особливе значення для:

• твердість поверхні,
• стійкість до зносу,
• розподіл твердості глибоко в матеріалі,
• стан залишкових напружень,
• поведінка елемента під впливом змінних навантажень.

Профіль азоту та твердості в азотованому шарі

Вміст азоту неоднорідний по всій глибині шару. Найвища концентрація спостерігається біля поверхні, а потім зменшується до ядра.
Профіль твердості схожий. Залежно від марки сталі та структури шару, дуже висока твердість виникає в області поверхні, а потім поступово зменшується до значення, що відповідає матеріалу серцевини.
Тому, під час оцінки азотованого елемента важливим є не лише значення твердості окремої поверхні, але й профіль мікротвердості як функція відстані від поверхні.

Температура азотування сталі

Азотування проводиться за температур нижче діапазону класичної аустенітизації сталі. Точна температура залежить від використаного варіанту процесу, типу матеріалу, а також необхідної структури та глибини шару.
У промисловій практиці багато процесів азотування сталі здійснюються в діапазоні приблизно 400-600 ° С, але це не універсальна межа для всіх технологій азотування.
Температура має значний вплив на дифузію. Її підвищення прискорює транспортування азоту всередині матеріалу, а також впливає на процеси осадження, мікроструктуру та властивості підкладки.
Отже, параметри слід вибирати наступним чином:

ТЕМПЕРАТУРА + ЧАС + АКТИВНІСТЬ АЗОТУ + СКЛАД СТАЛІ + НЕОБХІДНИЙ ШАР

Час азотування

Азотування – це процес дифузії, тому час має вирішальне значення для глибини шару. Залежно від технології та вимог, процес може тривати від відносно коротких циклів до багатьох годин, і навіть набагато довше, якщо потрібні глибокі шари.
Не існує єдиного універсального співвідношення «кількість годин = питома глибина», оскільки швидкість росту шару залежить, серед іншого, від температури, хімічного складу матеріалу, мікроструктури та атмосферної активності.
Через дифузійний характер процесу збільшення часу не призводить до лінійного збільшення глибини шару.

Газове азотування

Газове азотування є одним із класичних промислових методів азотування. Компоненти поміщають у піч, де генерується контрольована атмосфера, що містить аміак.
На поверхні відбуваються процеси, що призводять до надходження азоту, який потім дифундує в матеріал.
Контролюючи температуру, час, склад атмосфери та ступінь дисоціації аміаку, можна впливати на:

• кінетика насичення азотом,
• побудова профспілкового шару,
• глибина дифузійного шару,
• профіль твердості,
• кінцеві властивості поверхні.

Потенціал азотування

У сучасному газовому азотуванні важливим параметром є потенціал азотуванняВін описує здатність атмосфери доставляти азот на поверхню та дозволяє більш свідомо контролювати формування окремих фаз у шарі.
Контроль потенціалу азотування дозволяє обмежити неконтрольоване зростання шару сполуки та формувати його структуру залежно від технічних вимог.

Переваги газового азотування

• відома промислова технологія,
• здатність обробляти кілька елементів одночасно,
• здатність контролювати склад атмосфери,
• хороша повторюваність за умови належного контролю процесу,
• можливість отримання відносно глибоких дифузійних шарів.

Обмеження газового азотування

• тривалий час, необхідний для глибших шарів,
• необхідність контролю технологічної атмосфери,
• можливість утворення надмірного або небажаного шару з'єднання,
• необхідність безпечної експлуатації установки, що використовує аміак.

Плазмове азотування – іонне азотування

Плазмове азотування, також відоме як іонне азотування, використовує тліючий розряд у газі за зниженого тиску. Деталь є частиною електричної системи, а отримана плазма містить активні компоненти, які взаємодіють з поверхнею.
Процеси, що відбуваються на поверхні, включають, серед іншого, іонне бомбардування, активацію та очищення поверхні, а також подачу азоту, що дозволяє утворювати азотований шар.

Переваги плазмового азотування

• чудова здатність контролювати характер шару,
• здатність обмежувати або контролювати профспілковий шар,
• можливість вибіркового захисту поверхонь, які не підлягають азотуванню,
• активація поверхні взаємодією з плазмою,
• може використовуватися в багатьох вимогливих інструментальних та верстатних застосуваннях.

Обмеження плазмового азотування

• складніше технологічне обладнання,
• необхідність контролю параметрів викидів та атмосфери,
• чутливість процесу до геометрії деталей та розподілу електричного поля,
• можливість крайових ефектів,
• необхідність відповідної підготовки та розташування елементів.

Рідке азотування

Азотування також можна проводити у рідких сольових ваннах. Залежно від технології та складу ванни, процес може призвести до насичення поверхні азотом або одночасної взаємодії азоту та вуглецю.
З цієї причини необхідно розрізняти класичну концепцію азотування від процесів нітрокарбуризація та інші види термохімічного лікування з використанням сольових ванн.

Переваги процедур купання

• інтенсивний вплив навколишнього середовища на поверхню,
• відносно швидке створення шарів у певних технологіях,
• рівномірний вплив ванни на доступні поверхні елемента.

Обмеження процесів купання

• вимоги хімічної безпеки,
• необхідність контролю складу ванни,
• вимоги щодо управління відходами,
• екологічні обмеження залежно від використаної технології та складу солі.

Азотування та нітроцементація

Азотування i нітрокарбуризація не є тотожними поняттями. При азотуванні основним елементом, що вводиться в шар, є азот. При нітроцементації поверхня насичується переважно азотом з одночасним додаванням вуглецю.
Різниця у складі атмосфери або ванни впливає на структуру шару сполуки, кінетику процесу та властивості поверхні. Тому ці технології не слід вважати взаємозамінними.

Параметри, що впливають на азотування

Вплив хімічного складу сталі на азотування

Не всі сталі реагують на азотування однаково. Особливо важливі елементи, що утворюють стабільні нітриди.

Хром – Cr

Хром має спорідненість до азоту та може брати участь в утворенні осадів, що сприяють зміцненню шару. Він є важливим компонентом багатьох конструкційних та інструментальних сталей, що піддаються азотуванню.

Алюміній – Al

Алюміній має дуже високу спорідненість до азоту. Це робить його характерним доповненням до класичних сталей, спеціально розроблених для азотування. Утворення дрібних осадів, пов'язаних з алюмінієм, забезпечує дуже високу твердість шару.

Молібден – Mo

Молібден є важливим компонентом багатьох термічно оброблюваних та азотованих сталей. Він впливає на загартовуваність, стійкість до відпуску та поведінку матеріалу за підвищених температур.

Ванадій – V

Ванадій утворює стабільні сполуки з азотом і може сприяти сильному зміцненню дифузійного шару.

Титан – Ti

Титан має дуже високу спорідненість до азоту та утворює високостабільний нітрид TiN. Однак його вплив на процес залежить від конкретного складу сплаву та мікроструктурного стану.

Азотування сталей

Азотування проводиться на сталях, спеціально розроблених для цього процесу, а також на окремих конструкційних, інструментальних та нержавіючих сталях. Однак кінцева твердість та характер шару сильно залежать від хімічного складу.
Особливо важливі групи включають:

• Cr-Al-Mo сталі, призначені для азотування,
• Cr-Mo та Cr-Mo-V сталі,
• сталі для термічного покращення,
• інструментальні сталі для гарячої обробки,
• вибрані нержавіючі сталі з використанням відповідної технології активації поверхні.

38HMJ – класична азотована сталь

38HMJ Це одна з найхарактерніших конструкційних сталей, що піддається азотуванню. Наявність хрому, молібдену та алюмінію дозволяє отримати твердий азотований шар.
Цей матеріал використовується для критично важливих деталей машин, що потребують поєднання міцного ядра та твердої й зносостійкої поверхні.
На практиці, перед азотуванням, елемент повинен мати належним чином підготовлене ядро, найчастіше отримане шляхом попередньої термічної обробки.

31CrMoV9 та інші сталі Cr-Mo-V

Сталі, що містять хром, молібден та ванадій, дуже добре реагують на азотування завдяки наявності нітридоутворюючих елементів та добрій стабільності властивостей основи.
Вони використовуються, серед іншого, в елементах машин, валах, деталях трансмісії, інструментах та інших компонентах, що піддаються зносу та високим механічним навантаженням.

Азотування інструментальних сталей

Азотування також використовується для окремих інструментальні сталі, особливо леговані інструментальні сталі, що містять хром, молібден та ванадій.
Цей процес може підвищити стійкість поверхонь інструментів до зносу та стирання, а за відповідних умов застосування – подовжити їхню довговічність.
Типові застосування включають:

• матриці,
• форми,
• інструменти для гарячої роботи,
• шпильки,
• формуючі елементи,
• частини систем переробки пластмас.

Азотування нержавіючих сталей

Азотування нержавіючих сталей вимагає спеціального підходу через наявність пасивного шару, багатого на хром, що ускладнює класичне насичення поверхонь азотом.
Плазмові технології дозволяють активувати поверхню, тому їх також використовують для обробки окремих нержавіючих сталей.
Вибір температури особливо важливий для нержавіючих сталей. За певних умов осадження нітриду хрому може зменшити кількість хрому, що залишається у твердому розчині поблизу поверхні, тим самим погіршуючи корозійну стійкість.
Тому в тих випадках, коли одночасно потрібна висока твердість і висока корозійна стійкість, використовуються спеціально контрольовані низькотемпературні процеси.

Підготовка елемента до азотування

Азотування зазвичай є однією з завершальних операцій у виробничому циклі компонента. Тому основні властивості слід визначити до початку процесу.
Типова технологічна лінія може включати:

ПОПЕРЕДНЯ ОБРОБКА → ВІДПУСК → МЕХАНІЧНА ОБРОБКА → ЗНЯТТЯ НАПРУЖЕНЬ ЗА ПОТРІБНІСТЬ → ОФІСНА ОБРОБКА → АЗОТУВАННЯ

Детальна послідовність залежить, звичайно, від матеріалу, розмірів елемента та необхідної точності.

Чому серцевину часто спочатку термічно обробляють?

Азотування покращує, перш за все, властивості поверхневого шару. Воно не замінює термічну обробку, яка відповідає за досягнення необхідної міцності всього поперечного перерізу.
Тому конструкційні сталі часто піддають азотуванню перед... теплове покращенняЦе дозволяє досягти:

• міцне ядро,
• відповідна пластичність,
• стабільна мікроструктура підкладки,
• а потім дуже твердий поверхневий шар у процесі азотування.

Температура раннього відпуску

Якщо елемент попередньо пройшов термічну обробку, температура загартування слід вибирати з урахуванням подальшої температури азотування.
Мета полягає в тому, щоб обмежити небажані зміни властивостей ядра протягом багатьох годин перебування елемента за температури азотування.

Твердість азотованого шару

Азотування може досягти дуже високої твердості поверхні. Однак, не існує єдиного значення, характерного для всіх азотованих сталей.
Твердість залежить від:

• хімічний склад сталі,
• тип і кількість елементів, що утворюють нітриди,
• температура та час процесу,
• активність азоту,
• побудова профспілкового шару,
• мікроструктура дифузійного шару,
• методи вимірювання та глибина вимірювання.

У сталях, спеціально призначених для азотування, поверхнева мікротвердість може перевищувати 1000 HV, але значення цього порядку не слід розглядати як універсальний результат азотування будь-якої марки сталі.

Глибина азотованого шару

Глибина шару є результатом дифузії і тому сильно залежить від часу процесу та температури. Склад сталі та необхідне визначення ефективної глибини шару також важливі.

На практиці використовуються як відносно неглибокі шари, так і дифузійні шари, що досягають значно більшої глибини. Однак, один діапазон, наприклад, 0,1–0,6 мм, не слід вважати технологічною межею всього процесу азотування.

Властивості азотованого шару

Правильно розроблене азотування може призвести до низки сприятливих властивостей поверхні:

• дуже висока твердість поверхні,
• підвищена зносостійкість,
• підвищена стійкість до заїдання за відповідних трибологічних умов,
• сприятливий розподіл залишкових напружень,
• покращення характеристик втоми в багатьох застосуваннях,
• висока розмірна стабільність порівняно з процесами, що вимагають подальшого швидкого загартування.

Азотування та стійкість до корозії

Вплив азотування на корозійну стійкість не однаковий для всіх матеріалів і технологій.
Правильно сформований складний шар, особливо в процесах нітроцементації та процесах, доповнених окисленням, може покращити корозійну стійкість поверхні в певних середовищах.
Однак, не можна загалом визнати, що будь-яке азотування підвищує корозійну стійкість усіх сталей. У нержавіючих сталях неправильно вибрані температури можуть призвести до виділення нітридів хрому та зниження корозійної стійкості.

Азотування та зносостійкість

Висока твердість і характер мікроструктури шару означають, що азотування широко використовується в деталях, що піддаються тертю та зносу.
Однак фактична довговічність залежить не лише від твердості. Також відіграють роль такі фактори:

• побудова профспілкового шару,
• глибина дифузійного шару,
• твердість і міцність основи,
• шорсткість поверхні,
• контактний тиск,
• тип руху взаємодіючих поверхонь,
• змащення,
• робоча температура.

Азотування та втомна міцність

Цей процес може позитивно впливати на довговічність, зміцнюючи поверхневий шар і створюючи сприятливі стискаючі напруження.
Однак, ефект залежить від геометрії деталі, якості поверхні, глибини шару, властивостей серцевини та наявності надрізів та інших концентраторів напружень.

Деформації під час азотування

Однією з суттєвих переваг азотування є те, що воно не вимагає швидкого охолодження з температури аустенітизації одразу після процесу. Це зменшує ризик великих деформацій порівняно з... загартування, індукційне гартування Lub загартування полум'ям.
Однак це не означає, що зміни розмірів повністю відсутні. Дифузія азоту, утворення нових фаз, залишкові напруження та тривале нагрівання можуть спричинити незначні зміни розмірів, що необхідно враховувати для високоточних компонентів.

Азотування та поверхневе зміцнення

Азотування та цементація

Цементація та азотування – це процеси термохімічної обробки, але вони використовують різні елементи та різні механізми для остаточного зміцнення шару.

Контроль якості азотованого шару

Оцінка якості азотування повинна включати більше, ніж вимірювання твердості самої поверхні.
Залежно від застосування, серед іншого, перевіряються наступні:

• поверхнева мікротвердість,
• профіль мікротвердості глибоко в матеріалі,
• ефективна глибина шару,
• товщина та структура складного шару,
• мікроструктура дифузійного шару,
• однорідність шару,
• стан поверхні,
• зміни розмірів,
• у вимогливих умовах застосування також стійкість до зносу, втоми або корозії.

Найпоширеніші проблеми під час азотування

• Надмірно товстий шар з'єднання – може збільшити схильність поверхні до крихкості та відколів.
• Занадто мала глибина дифузійного шару – недостатній час або невідповідні параметри процесу.
• Нерівномірне азотування – може бути результатом стану поверхні, геометрії елемента або неоднорідних умов процесу.
• Неправильна твердість серцевини – азотування не відновить неправильно підготовлену мікроструктуру підкладки.
• Зміни розмірів – невеликий, але важливий для деталей з дуже жорсткими допусками.
• Погіршення корозійної стійкості нержавіючої сталі – можливо при неправильному виборі температури та технології.

Застосування азотування

Азотування використовується в компонентах, що потребують твердої, зносостійкої поверхні, зберігаючи при цьому міцну серцевину та відносно невеликі зміни розмірів.

Машинобудування

• насипи,
• осі,
• шпильки,
• втулки,
• шестерні,
• компоненти трансмісії,
• гіди,
• частини гідравлічних систем.

Автомобільна промисловість

• вали та компоненти приводної системи,
• шестерні,
• шпильки,
• елементи механізмів, що піддаються зносу та втомі.

Інструментальна промисловість

• форми для пластмас,
• матриці,
• шпильки,
• інструменти для гарячої роботи,
• формуючі та напрямні елементи.

Конструкція спеціальних машин

• елементи, що вимагають високої зносостійкості,
• прецизійні деталі машин,
• елементи, що працюють під високим поверхневим тиском,
• деталі, що потребують поєднання твердої поверхні з міцним осердям.

Найважливіші переваги азотування

• дуже висока твердість, яку можна отримати у правильно підібраних сталях,
• висока стійкість поверхні до зносу,
• можливість покращення поведінки, пов'язаної з втомою,
• немає потреби загартовувати елемент одразу після азотування,
• відносно невеликі зміни розмірів,
• можливість обробки готових або майже готових деталей,
• можливість контролювати структуру шарів шляхом вибору технології та параметрів.

Обмеження азотування

• тривалий час, необхідний для глибоких шарів,
• сильна залежність кінцевої твердості від хімічного складу сталі,
• необхідність належної підготовки ядра перед процесом,
• можливість утворення небажаного складного шару,
• необхідність ретельної підготовки поверхні,
• технологічні обмеження залежно від геометрії деталі та використаного методу.

Азотування сталі – найважливіша інформація

Азотування сталі – це процес термохімічної обробки, який створює дуже твердий та зносостійкий поверхневий шар без необхідності аустенітизації та подальшого швидкого гартування компонента. Процес базується на доставці активного азоту на поверхню та його дифузії в матеріал. Отриманий шар може складатися із зовнішнього складного шару, що містить переважно фази γ′-Fe.₄N та ε-Fe_2-3N та нижній дифузійний шар. Особливо хороші результати досягаються зі сталями, що містять елементи з високою спорідненістю до азоту, включаючи хром, алюміній та ванадій. З цієї причини були розроблені спеціальні сталі для азотування, класичним прикладом яких є 38HMJ.
Властивості шару не визначаються єдиною універсальною температурою, твердістю чи діапазоном глибини. Результат залежить від марки сталі, початкової мікроструктури, температури, часу, активності азоту та використаного методу азотування.
Завдяки поєднанню високої твердості поверхні, зносостійкості та відносно невеликих змін розмірів, азотування є однією з найважливіших технологій обробки поверхні, що використовуються у виробництві критичних елементів машин, інструментів, прес-форм, валів, шестерень та прецизійних деталей.

Методи термічної та термохімічної обробки сталі

Обробка на розчин – це лише один із процесів, що використовуються для модифікації мікроструктури та властивостей сталі. Залежно від бажаного ефекту також використовуються нормалізація, зняття напружень, гартування, відпуск тощо, а також термохімічні процеси, такі як цементація, азотування та інші.

Методи термічної обробки сталі

• Нормалізація сталі – подрібнення зерна та уніфікація мікроструктури.
• Відпал для зняття напруги – зменшення залишкових напружень.
• Розм'якшення сталі – зменшення твердості та покращення чутливості до подальшої обробки.
• Повний відпал – аустенітизація та повільне охолодження.
• Ізотермічний відпал – перетворення, що здійснюється під час витримування за правильно вибраної температури.
• Кульовий відпал – сфероїдизація – зміна морфології цементиту або інших карбідів.
• Рекристалізаційний відпал – усунення наслідків зминання та відновлення пластичності.
• Гомогенізуючий відпал – зменшення сегрегації та гомогенізація складу матеріалу.
• Загартування та термічна обробка – формування мікроструктури та властивостей шляхом гартування та відпуску.
• Загартування сталі – контрольована модифікація властивостей сталі після гартування.
• Індукційне гартування – поверхневий індукційний нагрів та швидке охолодження.
• Гартування полум'ям – поверхневе зміцнення після локального нагрівання полум’ям.
• Перенасичення – отримання перенасиченого твердого розчину за допомогою відповідного термічного циклу.
• Старіння – контрольоване розділення фаз, що призводить до зміцнення матеріалу.

Методи термохімічної обробки сталі

• Азотування сталі – дифузійне збагачення поверхневого шару азотом.
• Цементація сталі – дифузійне збагачення поверхні вуглецем.
• Карбонітрування – одночасне збагачення поверхневого шару вуглецем та азотом.
• Нітрокарбуризація / нітрокарбуризація – збагачення шару переважно азотом та вуглецем.
• Буріння – дифузійне насичення поверхні бором.
• Дифузійне хромування – дифузійне збагачення шару хромом.
• Дифузійне алюмінізування – дифузійне збагачення шару в алюмінії.