Азотирование — это процесс термообработки , при котором азот рассеивается на поверхность металла для создания цементируемой поверхности. Эти процессы чаще всего используются для низколегированных сталей. Они также используются для обработки титана , алюминия и молибдена .
Типичные области применения включают шестерни , коленчатые валы , распределительные валы , толкатели кулачков , детали клапанов , шнеки экструдеров , инструменты для литья под давлением , ковочные штампы, экструзионные штампы, компоненты огнестрельного оружия , инжекторы и инструменты для изготовления пластиковых форм . [1]
Процессы названы в честь среды, использованной для донорства. Применяются три основных метода: газовое азотирование , азотирование в солевой ванне и плазменное азотирование .
При газовом азотировании донором является богатый азотом газ, обычно аммиак (NH 3 ), поэтому его иногда называют аммиачным азотированием . [2] Когда аммиак вступает в контакт с нагретой заготовкой, он диссоциирует на азот и водород. Затем азот диффундирует на поверхность материала, создавая слой нитрида. Этот процесс существует уже почти столетие, хотя только в последние несколько десятилетий были предприняты концентрированные усилия по исследованию его термодинамики и кинетики. Недавние разработки привели к созданию процесса, которым можно точно управлять. Толщину и фазовый состав получаемых слоев азотирования можно выбрать, а процесс оптимизировать с учетом конкретных требуемых свойств.
Преимуществами газового азотирования перед другими вариантами являются:
Недостатками газового азотирования являются:
При азотировании в соляной ванне средой, отдающей азот, является азотсодержащая соль, такая как цианидная соль. [ нужна цитация ] Используемые соли также отдают углерод поверхности заготовки, что делает соляную ванну процессом нитроцементации. [ нужна цитация ] Используемая температура типична для всех процессов нитроцементации: от 550 до 570 °C. [ нужна цитата ] К сожалению, поскольку используемые соли чрезвычайно токсичны, современные нормы по охране окружающей среды и безопасности привели к тому, что этот процесс вышел из моды. [ нужна цитата ]
Преимущества солевого азотирования:
Недостатки:
Плазменное азотирование, также известное как ионное азотирование , плазменное ионное азотирование или азотирование тлеющим разрядом , представляет собой промышленную обработку поверхности металлических материалов.
При плазменном азотировании реакционная способность азотирующих сред обусловлена не температурой, а ионизированным состоянием газа. В этом методе интенсивные электрические поля используются для генерации ионизированных молекул газа вокруг азотируемой поверхности. Такой высокоактивный газ с ионизированными молекулами называется плазмой , по названию методики. Газ, используемый для плазменного азотирования, обычно представляет собой чистый азот , поскольку самопроизвольное разложение не требуется (как в случае азотирования аммиаком). Существует горячая плазма, типичным примером которой являются плазменные струи, используемые для резки металла, сварки , плакирования или напыления. Существует также холодная плазма, обычно генерируемая внутри вакуумных камер в режимах низкого давления .
Обычно стали лучше обрабатывать плазменным азотированием. Этот процесс позволяет тщательно контролировать азотированную микроструктуру, обеспечивая азотирование с образованием сложного слоя или без него. Улучшаются не только эксплуатационные характеристики металлических деталей, но и увеличивается срок службы, а также предел деформации и усталостная прочность обрабатываемых металлов. Например, механические свойства аустенитной нержавеющей стали, такие как устойчивость к износу, могут быть значительно улучшены, а поверхностная твердость инструментальных сталей может быть увеличена вдвое. [3] [4]
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 практически не вызывает искажений.
Этот процесс был изобретен Бернхардтом Бергхаусом из Германии, который позже поселился в Цюрихе , чтобы избежать преследований нацистов. После его смерти в конце 1960-х годов этот процесс был приобретен группой Клокнера и популяризирован во всем мире.
Плазменное азотирование часто сочетается с процессом физического осаждения из паровой фазы (PVD) и маркированной дуплексной обработкой, что дает дополнительные преимущества. Многие пользователи предпочитают совмещать стадию плазменного окисления на последнем этапе обработки для получения гладкого черного слоя оксидов, устойчивого к износу и коррозии.
Поскольку ионы азота становятся доступными за счет ионизации, в отличие от газовой или соляной 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. [4] Например, при умеренных температурах (например, 420 °C) нержавеющие стали можно азотировать без образования осадков нитрида хрома и, следовательно, с сохранением их коррозионно-стойких свойств. [5]
В процессах плазменного азотирования газообразный азот (N 2 ) обычно является газом-носителем азота. Также используются другие газы, такие как водород или аргон . Действительно, аргон и водород можно использовать перед процессом азотирования во время нагрева деталей для очистки азотируемых поверхностей. Эта процедура очистки эффективно удаляет оксидный слой с поверхностей и может удалить тонкие слои растворителей, которые могут остаться. Это также способствует термической стабильности плазменной установки, поскольку тепло, выделяемое плазмой, уже присутствует во время прогрева, и, следовательно, как только температура процесса достигается, фактическое азотирование начинается с незначительными изменениями нагрева. В процессе азотирования также добавляют газообразный водород, чтобы защитить поверхность от оксидов. Этот эффект можно наблюдать, анализируя поверхность детали, подвергшейся азотированию (см., например, [6] ).
Примеры легко азотируемых сталей включают серии SAE 4100 , 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 и 9800, британские марки авиационной стали BS 4S 106, BS 3S 132, 905M39 (EN41B), нержавеющие стали, некоторые инструментальные стали ( например, H13 и P20) и некоторые виды чугуна. В идеале стали для азотирования должны находиться в закаленном и отпущенном состоянии, при этом азотирование должно проводиться при более низкой температуре, чем температура последнего отпуска. Лучше всего использовать шлифованную или шлифованную поверхность. После азотирования следует удалять минимальное количество материала, чтобы сохранить твердость поверхности.
Азотирующие сплавы — это легированные стали с нитридообразующими элементами, такими как алюминий, хром , молибден и титан.
В 2015 году азотирование было использовано для создания уникальной дуплексной микроструктуры в железо-марганцевом сплаве ( мартенсит - аустенит , аустенит - феррит ), которая, как известно, связана с сильно улучшенными механическими свойствами. [7]
Систематические исследования влияния азота на поверхностные свойства стали начались в 1920-х годах. Исследования газового азотирования начались независимо как в Германии, так и в Америке. Этот процесс был встречен с энтузиазмом в Германии, и с учетом азотирования было разработано несколько марок стали: так называемые азотируемые стали. Прием в Америке был менее впечатляющим. Из-за столь малого спроса об этом процессе в США практически забыли. После Второй мировой войны этот процесс был вновь завезен из Европы. В последние десятилетия было проведено много исследований для понимания термодинамики и кинетики происходящих реакций.