Рубрика: Термическая обработка
Азотирование — процесс химико-термической обработки, при котором поверхностный слой стали насыщают азотом при относительно невысокой температуре, обычно 500–570 °C. В отличие от цементации и закалки, после азотирования деталь не нужно резко охлаждать: твердость образуется за счет нитридов легирующих элементов, а не мартенситного превращения. Поэтому азотирование дает очень твердую и износостойкую поверхность при минимальном изменении размеров. Это делает его незаменимым для прецизионных деталей, которые нельзя или нежелательно шлифовать после упрочнения.
При нагреве в азотсодержащей среде активный атомарный азот адсорбируется поверхностью и диффундирует вглубь металла. В железе и легированной стали он образует твердый раствор и нитриды — соединения железа, хрома, молибдена, алюминия, ванадия. Именно мелкодисперсные нитриды легирующих элементов создают высокую твердость диффузионного слоя.
Метод выбирают, когда важны одновременно точность размеров и стойкость поверхности.
Азотировать можно практически любую сталь и чугун, но результат зависит от наличия нитридообразующих элементов. Углеродистые стали дают слой небольшой твердости, тогда как легированные хромом, молибденом, алюминием и ванадием — очень твердый.
| Группа сталей | Примеры марок | Твердость поверхности, HV | Назначение |
|---|---|---|---|
| Специальные азотируемые | 38Х2МЮА, 38Х2Ю | 900–1100 | Гильзы цилиндров, шпиндели, ходовые винты, плунжеры |
| Хромомолибденовые конструкционные | 40ХН2МА, 30ХГСА, 40Х, 18Х2Н4МА | 600–800 | Валы, шестерни, коленчатые валы, оси |
| Штамповые стали для горячего деформирования | 4Х5МФС, 3Х2В8Ф, 4Х4ВМФС | 900–1100 | Пресс-формы литья под давлением, матрицы, пуансоны горячей штамповки |
| Инструментальные холодного деформирования | Х12МФ, Х12 | 1000–1200 | Вырубные штампы, гибочный инструмент |
| Быстрорежущие | Р6М5, Р18 | 1000–1200 | Метчики, сверла, фрезы — короткое азотирование для повышения стойкости |
| Коррозионностойкие | 12Х18Н10Т, 20Х13, 40Х13 | 900–1200 | Детали арматуры, штоки, втулки при износе в агрессивной среде |
Для нержавеющих сталей перед азотированием обязательно удаляют пассивную оксидную пленку, иначе азот не проникает в металл. Ионно-плазменный способ справляется с этим за счет катодного распыления поверхности.
Детали нагревают в герметичной печи в среде диссоциированного аммиака. Степень диссоциации и температура определяют азотный потенциал и строение слоя. Для получения максимальной твердости процесс ведут при 500–520 °C; чтобы ускорить насыщение, применяют двухступенчатый режим — сначала 500–520 °C, затем 540–560 °C. Длительность газового азотирования велика: для слоя 0,3–0,5 мм требуется от 20 до 60 часов.
Процесс идет в вакуумной камере в азотно-водородной среде при пониженном давлении. Деталь является катодом, между ней и стенкой камеры возбуждается тлеющий разряд. Ионы азота бомбардируют поверхность, очищают ее и насыщают азотом. Преимущества метода:
Ограничение — сложность обработки глубоких узких отверстий и пазов, где разряд горит неравномерно.
Короткие процессы в цианатно-карбонатных расплавах при 560–580 °C дают тонкий карбонитридный слой с высокой стойкостью к задирам. Часто их называют тенифер-процессом или мягким азотированием. Длительность — 1–3 часа, деформации минимальны. Метод популярен для деталей пневматики, гидравлики, крепежа и инструмента.
Азотирование выполняется при температурах, близких к температуре высокого отпуска, поэтому сердцевина детали должна быть заранее подготовлена. Стандартный путь — улучшение: закалка и высокий отпуск при температуре на 20–40 °C выше будущей температуры азотирования. Это обеспечивает:
Для точных деталей после чистовой механической обработки и перед азотированием проводят стабилизирующий отпуск, снимающий напряжения от резания. Иначе деталь «поведет» в печи, и выигрыш от малых деформаций пропадет.
Глубину азотированного слоя определяют до твердости, превышающей твердость сердцевины на 50 HV, или до заданного значения. Ориентировочные рекомендации:
| Условия работы | Глубина слоя, мм | Рекомендуемый процесс |
|---|---|---|
| Трение без больших нагрузок, задиры | 0,05–0,15 | Мягкое азотирование в расплаве или ионное |
| Износ при умеренных контактных нагрузках | 0,2–0,35 | Ионно-плазменное |
| Усталость при изгибе, валы, шестерни | 0,3–0,5 | Газовое или ионно-плазменное |
| Высокий износ, гильзы, шпиндели | 0,4–0,6 | Газовое двухступенчатое |
| Пресс-формы, штампы горячего деформирования | 0,1–0,25 | Ионно-плазменное без белой зоны |
Пример корректной записи: «Азотировать h 0,3–0,4 мм, твердость поверхности не менее 700 HV, толщина нитридной зоны не более 10 мкм. Поверхности А и Б не азотировать». Указывать твердость в HRC для тонких слоев некорректно — прибор продавит слой и покажет твердость сердцевины.
Шпиндели, ходовые винты, направляющие, валы коробок, коленчатые валы, зубчатые колеса точных передач.
Пресс-формы для литья пластмасс и металлов под давлением, матрицы экструзии, пуансоны, вставки штампов.
Штоки, плунжеры, втулки, золотники, корпуса клапанов, где важны износ, задиры и коррозия.
Для пресс-форм азотирование особенно эффективно: поверхность лучше сопротивляется налипанию и абразивному износу наполненных пластиков, а размеры формообразующих деталей остаются неизменными. Подробнее о производстве оснастки — в разделе пресс-форм.
Толстая нитридная зона склонна к выкрашиванию при ударных нагрузках. Для штампов и деталей с ударом выбирают режим без белой зоны или удаляют ее тонким шлифованием.
Связаны с загрязнением поверхности или пассивной пленкой. Решение — тщательная очистка и активация поверхности перед процессом.
Причина — неподходящая марка стали без нитридообразующих элементов, слишком высокая температура процесса или недостаточная предварительная термообработка.
Возникает, если сердцевина слишком мягкая или контактные нагрузки превышают возможности тонкого слоя. В таких случаях рациональнее цементация или комбинация закалки ТВЧ с последующим азотированием.
Из-за малой толщины слоя методы контроля отличаются от привычных для закаленных деталей.
Для серий стабильность процесса подтверждают образцами-свидетелями в каждой садке, а для единичных деталей — контролем твердости на технологической площадке или нерабочей поверхности.
Азотирование — один из лучших способов повысить износостойкость, усталостную прочность и задиростойкость деталей без потери точности размеров. Наибольший эффект оно дает на легированных сталях с хромом, молибденом и алюминием после предварительного улучшения и стабилизирующего отпуска. Газовое азотирование подходит для глубоких слоев, ионно-плазменное — для быстрого управляемого процесса и сложной местной защиты, мягкое азотирование в расплавах — для коротких циклов и деталей с требованиями к трению. Главное условие успеха — окончательная механическая обработка до азотирования и корректно заданные в чертеже глубина, твердость в HV и зоны без упрочнения.
Если требуется повысить ресурс деталей или оснастки азотированием, пришлите чертеж с маркой стали — подберем вид процесса, предварительную термообработку и подготовим детали к упрочнению.
