Азотирование - это процесс термообработки, который распространяется азот на поверхность металла для создания цементированной поверхности. Эти процессы чаще всего используются для обработки высокоуглеродистых низколегированных сталей. Они также используются для обработки средне- и высокоуглеродистой стали, титана, алюминия и молибдена. В 2015 году азотирование было использовано для создания уникальной дуплексной микроструктуры (мартенсит - аустенит, аустенит - феррит ), известные как связанные с сильно улучшенными механическими свойствами
Типичные области применения включают шестерни, коленчатые валы, распределительные валы, толкатели кулачков, клапан детали, экструдер винты, литье под давлением инструменты, ковка штампы, экструзионные штампы, огнестрельное оружие компоненты, форсунки и пластмассовые формы инструменты.
Процессы названы в честь среда, используемая для пожертвования. Применяются три основных метода: газовое азотирование, азотирование в соляной ванне и плазменное азотирование.
При газовом азотировании донором является богатый азотом газ, обычно аммиак (NH 3), поэтому он иногда называется азотированием аммиака. Когда аммиак контактирует с нагретой заготовкой, он распадается на азот и водород. Затем азот диффундирует на поверхность материала, образуя слой нитрида. Этот процесс существует уже почти столетие, хотя только в последние несколько десятилетий были сосредоточены усилия по исследованию термодинамики и кинетики. Последние разработки привели к процессу, которым можно точно управлять. Толщина и фазовый состав получаемых азотирующих слоев могут быть выбраны, а процесс оптимизирован с учетом конкретных требуемых свойств.
Преимущества газового азотирования по сравнению с другими вариантами:
Недостатками газового азотирования являются:
При азотировании в солевой ванне донорной средой азота является азотсодержащая соль, такая как цианидная соль. Используемые соли также отдают углерод поверхности детали, что превращает солевую ванну в процесс нитроцементации. Используемая температура типична для всех процессов нитроцементации: от 550 до 570 ° C. Преимущество солевого азотирования заключается в том, что он обеспечивает более высокую диффузию за тот же период времени по сравнению с любым другим методом.
Преимущества солевого азотирования:
Недостатки:
Плазменное азотирование, также известное как ионное азотирование, плазменное ионное азотирование или азотирование тлеющим разрядом, является промышленной обработкой поверхностного упрочнения металлических материалов.
При плазменном азотировании реакционная способность азотирующей среды обусловлена не температурой, а состоянием ионизации газа. В этой технике интенсивные электрические поля используются для генерации ионизированных молекул газа вокруг поверхности, подлежащей азотированию. Такой высокоактивный газ с ионизированными молекулами называется плазмой по названию метода. Газ, используемый для плазменного азотирования, обычно представляет собой чистый азот, поскольку не требуется самопроизвольного разложения (как в случае газового азотирования с аммиаком). Существуют горячие плазмы, типичные для плазменных струй, используемые для резки металла, сварки, плакирования или напыления. Также существует холодная плазма, обычно генерируемая внутри вакуумных камер при режимах низкого давления.
Обычно сталь предпочтительно обрабатывают плазменным азотированием. Этот процесс позволяет тщательно контролировать азотированную микроструктуру, обеспечивая азотирование с образованием слоя соединения или без него. Увеличиваются не только характеристики металлических деталей, но и срок службы, а также предел деформации и усталостная прочность обрабатываемых металлов. Например, механические свойства аустенитной нержавеющей стали, такие как износостойкость, могут быть значительно увеличены, а твердость поверхности инструментальных сталей может быть увеличена вдвое.
Деталь, подвергнутая плазменному азотированию, обычно готова к использованию. Он не требует механической обработки, полировки или каких-либо других операций после азотирования. Таким образом, этот процесс удобен для пользователя, экономит энергию, поскольку работает быстрее всего и вызывает незначительные искажения или совсем не вызывает их.
Этот процесс был изобретен доктором Бернхардтом Бергхаусом из Германии, который позже поселился в Цюрихе, чтобы избежать преследований нацистов. После его смерти в конце 1960-х процесс был приобретен и популяризирован во всем мире.
Плазменное азотирование часто сочетается с процессом физического осаждения из паровой фазы (PVD) и называется дуплексной обработкой, что дает дополнительные преимущества. Многие пользователи предпочитают объединять стадию плазменного окисления на последнем этапе обработки для получения гладкого, как уголь, слоя оксидов, устойчивого к износу и коррозии.
Поскольку ионы азота становятся доступными в результате ионизации, в отличие от газовой или солевой ванны, эффективность плазменного азотирования не зависит от температуры. Таким образом, плазменное азотирование можно проводить в широком диапазоне температур от 260 ° C до более 600 ° C. Например, при умеренных температурах (например, 420 ° C) нержавеющие стали можно азотировать без образования выделений нитрида хрома и, следовательно, сохранения их свойств коррозионной стойкости.
В процессах плазменного азотирования газообразный азот (N 2) обычно является газом-переносчиком азота. Также используются другие газы, такие как водород или аргон. Действительно, аргон и H 2 можно использовать перед процессом азотирования во время нагрева деталей для очистки поверхностей, подлежащих азотированию. Эта процедура очистки эффективно удаляет оксидный слой с поверхностей и может удалить тонкие слои растворителей, которые могли остаться. Это также способствует термической стабильности плазменной установки, поскольку тепло, добавляемое плазмой, уже присутствует во время разогрева и, следовательно, как только температура процесса достигается, начинается фактическое азотирование с незначительными изменениями нагрева. Для процесса азотирования также добавляют газ H 2 для защиты поверхности от оксидов. Этот эффект можно наблюдать, анализируя поверхность детали под азотированием (см., Например).
Примеры легко азотируемых сталей включают SAE 4100, 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 и 9800. серии, британской авиационной стали марок BS 4S 106, BS 3S 132, 905M39 (EN41B), нержавеющих сталей, некоторых инструментальных сталей (например, H13 и P20) и определенного чугуна. В идеале стали для азотирования должны находиться в закаленном и отпущенном состоянии, при этом азотирование должно происходить при более низкой температуре, чем температура последнего отпуска. Лучше всего обработать поверхность точеной или отшлифованной. После азотирования необходимо удалить минимальное количество материала, чтобы сохранить твердость поверхности.
Азотирующие сплавы представляют собой легированные стали с нитридообразующими элементами, такими как алюминий, хром, молибден и титан.
Систематические исследования влияния азота на свойства поверхности стали начались в 1920-х годах. Исследование газового азотирования началось независимо как в Германии, так и в Америке. В Германии этот процесс был встречен с энтузиазмом, и с учетом азотирования было разработано несколько марок стали: так называемые стали для азотирования. Прием в Америке был менее впечатляющим. При таком небольшом спросе об этом процессе в США почти забыли. После Второй мировой войны этот процесс был повторно введен из Европы. В последние десятилетия было проведено много исследований для понимания термодинамики и кинетики соответствующих реакций.
.