Азотирование — это процесс термической обработки , при котором азот диффундирует в поверхность металла для создания закаленной поверхности. Эти процессы чаще всего используются для низколегированных сталей. Они также используются для титана , алюминия и молибдена .
Типичные области применения включают зубчатые передачи , 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 литья пластмасс . [1]
Процессы названы по названию среды, используемой для донорства. Три основных метода: газовое азотирование , азотирование в соляной ванне и плазменное азотирование .
При газовом азотировании донором является богатый азотом газ, обычно аммиак (NH3 ) , 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 задействованных термодинамики и кинетики. Недавние разработки привели к созданию процесса, который можно точно контролировать. Можно выбрать толщину и фазовый состав полученных слоев азотирования, а также оптимизировать процесс для получения конкретных требуемых свойств.
Преимущества газового азотирования перед другими вариантами:
Недостатками газового азотирования являются:
При азотировании в соляной ванне средой, отдающей азот, является азотсодержащая соль, например, цианидная соль. [ необходима цитата ] Используемые соли также отдают углерод поверхности заготовки, что делает солевую ванну процессом нитроцементации. [ необходима цитата ] Используемая температура типична для всех процессов нитроцементации: от 550 до 570 °C. [ необходима цитата ] К сожалению, поскольку используемые соли чрезвычайно токсичны, современные экологические и нормативные требования по безопасности привели к тому, что этот процесс перестали использовать. [ необходима цитата ]
Преимущества солевого азотирования:
Недостатки:
Плазменное азотирование, также известное как ионное азотирование , плазменно-ионное азотирование или азотирование тлеющим разрядом , представляет собой промышленный метод поверхностной закалки металлических материалов.
При плазменном азотировании реактивность азотирующей среды обусловлена не температурой, а ионизированным состоянием газа. В этой технике интенсивные электрические поля используются для генерации ионизированных молекул газа вокруг азотируемой поверхности. Такой высокоактивный газ с ионизированными молекулами называется плазмой , что и дало название технике. Газ, используемый для плазменного азотирования, обычно представляет собой чистый азот , поскольку не требуется самопроизвольного разложения (как в случае азотирования аммиаком). Существуют горячие плазмы, типичные для плазменных струй, используемых для резки, сварки , наплавки или распыления металла. Существуют также холодные плазмы, обычно генерируемые внутри вакуумных камер в режимах низкого давления .
Обычно стали успешно обрабатываются плазменным азотированием. Этот процесс позволяет осуществлять точный контроль за азотированной микроструктурой, что позволяет проводить азотирование с образованием или без образования слоя соединения. Не только улучшаются 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 износостойкость, могут быть значительно улучшены, а поверхностная твердость инструментальных сталей может быть удвоена. [3] [4]
Деталь, подвергнутая плазменной азотации, обычно готова к использованию. Она не требует механической обработки, полировки или других операций после азотирования. Таким образом, этот процесс удобен для пользователя, экономит энергию, поскольку работает быстрее всего, и не вызывает никаких или почти никаких искажений.
Этот процесс был изобретен Бернхардтом Бергхаусом из Германии, который позже обосновался в Цюрихе , чтобы избежать нацистских преследований. После его смерти в конце 1960-х годов процесс был приобретен группой Klockner и популяризирован во всем мире.
Плазменное азотирование часто сочетается с процессом физического осаждения из паровой фазы (PVD) и маркированной дуплексной обработкой, что обеспечивает улучшенные преимущества. Многие пользователи предпочитают, чтобы этап плазменного окисления был совмещен на последнем этапе обработки, чтобы получить гладкий слой оксидов цвета угольной серы, устойчивый к износу и коррозии.
Поскольку ионы азота становятся доступными при ионизации, в отличие от газовой или соляной ванны, эффективность плазменного азотирования не зависит от температуры. Таким образом, плазменное азотирование может выполняться в широком диапазоне температур, от 260 °C до более чем 600 °C. [4] Например, при умеренных температурах (например, 420 °C) нержавеющие стали могут быть азотированы без образования осадков нитрида хрома и, следовательно, сохраняют свои свойства коррозионной стойкости. [5]
В процессах плазменного азотирования азотный газ (N 2 ) обычно является газом, переносящим азот. Также используются другие газы, такие как водород или аргон . Действительно, аргон и водород могут использоваться 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 достигается температура процесса, фактическое азотирование начинается с незначительных изменений нагрева. Для процесса азотирования также добавляется водородный газ, чтобы поверхность была очищена от оксидов. Этот эффект можно наблюдать, анализируя поверхность детали, подвергаемой азотированию (см., например, [6] ).
Примерами легко азотируемых сталей являются серии SAE 4100 , 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 и 9800, британские авиационные марки стали BS 4S 106, BS 3S 132, 905M39 (EN41B), нержавеющие стали, некоторые инструментальные стали (например, H13 и P20) и некоторые чугуны. В идеале стали для азотирования должны быть в закаленном и отпущенном состоянии, требующем проведения азотирования при более низкой температуре, чем температура последнего отпуска. Лучше всего подходит тонкообработанная или шлифованная поверхность. После азотирования следует удалить минимальное количество материала, чтобы сохранить твердость поверхности.
Азотируемые 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 со значительно улучшенными механическими свойствами. [7]
Систематическое исследование влияния азота на поверхностные свойства стали началось в 1920-х годах. Исследования газового азотирования начались независимо как в Германии, так и в Америке. Процесс был встречен с энтузиазмом в Германии, и несколько марок стали были разработаны с учетом азотирования: так называемые азотируемые стали. Прием в Америке был менее впечатляющим. Из-за столь малого спроса процесс был в значительной степени забыт в США. После Второй мировой войны процесс был вновь введен в Европе. За последние десятилетия было проведено много исследований для понимания термодинамики и кинетики задействованных реакций.