ПРОМЫШЛЕННЫЕ ЭЛЕКТРОПЕЧИ

  • Изготовление промышленного термического оборудования
  • Собственные проектные и производственные мощности
  • Современное оборудование и станки
Слайдер лаборатория

ЛАБОРАТОРНЫЕ ЭЛЕКТРОПЕЧИ

  • Изготовление лабораторного термического оборудования
  • Оригинальные нагревательные устройства
  • Специализированное оборудование для лабораторий

ГРУЗОПОДЪЕМНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Современное оборудование и станки

ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗОВОГО АЗОТИРОВАНИЯ

Технология, оборудование, методы контроля и регулирования атмосферы

Азотирование является одним из распространенных видов химико-термической обработки сталей и сплавов, цель которой состоит в придании поверхностным слоям повышенных прочностных характеристик. Азотированный слой может обладать очень высокой твердостью, износостойкостью, в несколько раз превышающей износостойкость закаленных высокоуглеродистых и цементированных сталей. Азотирование поверхности позволяет, кроме повышения прочности увеличить жаропрочность тугоплавких металлов и сплавов, т.е., иными словами, увеличить прочность металла при более высокой температуре. Азотированием называют адсорбцию атомов азота поверхностью изделий и их дальнейшее диффузионное продвижение в глубину металла с целью образования нитридов с легирующими элементами.

Существует три основных типа азотирования:

  • твердое: с адсорбцией из порошковых состовляющих или обмазок
  • жидкостное: с адсорбцией из растворов солей
  • газовое: адсорбция происходит из газовой фазы.

В газовом азотировании в свою очередь существует несколько методов газового азотирования.

  • Высокотемпературное газовое азотирование: в машиностроении практически не применяется.
  • Ионное газовое азотирование имеет специфические особенности.
  • Газовое низкотемпературное азотирование является наиболее распространенным методом газового азотирования.

Примечание. В настоящей статье рассмотрены вопросы только низкотемпературного газового азотирования.

Газовое низкотемпературное азотирование применяют с целью повышения поверхностной твердости, износостойкости, теплостойкости, усталостной прочности и коррозионной стойкости изделий машиностроения. Самыми распространенными деталями для упрочнения методом газового азотирования являются: коленчатые валы, шестерни, плунжера, матрицы экструзии алюминия, штампы и т.п. Общая, характерная особенность заготовок, подвергающихся азотированию, это затрудненная или невозможная их механическая обработка после упрочнения из за высокой твердости и сложной геометрической формы. Азотирование проводят после проведения механической обработки, при этом нагрев под азотирование, практически не меняет геометрию детали. С повышением концентрации легирующих элементов твердость азотированной поверхности повышается. Максимальная твердость, после азотирования, получается у коррозионностойких сталей и доходит до 1300HV. Большая глубина диффузионного слоя получается увеличенными выдержками времени в азотирующей атмосфере.

Твердость заготовок с азотированным слоем является суммарной твердостью объемного материала заготовок из за высокой твердости карбидов и поверхностного упрочнения из за образования нитридов. Для повышения износостойкости и задиростойкости выбирают высокоуглеродистые марки сталей, а детали на этапе заготовок подвергают улучшению. Производят закалку заготовок с высоким отпуском, выше на 20-30°С чем температура азотирования, после чего производят механическую обработку. Азотирование является финальной стадией изготовления деталей.

Примечание. Для некоторых деталей и марок сталей существует возможность совмещения режима отпуска с процессом азотирования.

Эффект от азотирования в значительной мере зависит от предварительной термической обработки и подготовительных операций. Для предотвращения пятнистой твердости перед азотированием производят обезжиривание рабочих поверхностей изделий растворителями, а коррозионно-стойкие стали подвергают травлению в водных растворах кислот для удаления окисной пленки. В случае необходимости местной (локальной) защиты от азотирования (необходимость в дальнейшей механической обработке или имеются резьбы и т.п.) можно применить защитные металлические покрытия типа лужения, или различные смываемые водой защитные обмазки типа «CERA1400» и т.п.

Технически целесообразными для достижения считается слои с толщиной диффузионного слоя до 0,6мм для среднелегированных сталей, например 38Х2МЮА, 35Х1М2ФА и до 1 мм для низколегированных сталей, например сталь 40Х. Для коррозионностойких сталей, типа 12Х18Н10 слои, как правило, не должны превышать 0,2мм.

Температуру азотирования выбирают в зависимости от химического состава азотируемой стали, требуемой твердости поверхности, конструктивной жесткости и установленного допуска на величину деформации при азотировании. Линейные деформации изделий, от азотирования, в среднем составляют 20% от величины азотированного слоя. Если величина азотированного слоя около 0,5мм, то увеличение линейного размера заготовки составит примерно 0,1мм на сторону. Чем выше температура азотирования, при прочих равных условиях, тем больше толщина слоя, но ниже твердость на поверхности и больше деформация. Практическим путем были получены оптимальные режимы для большинства деталей из различных материалов.

Таблица 1 Ориентировочные режимы низкотемпературного газового азотирования полученные опытным путем для технологии с применением катализатора.

Таблица 1

Расходы газов в таблице указаны в условных делениях ротаметров. Марки ротаметров, при проектировании печей, выбираются пропорционально объему рабочего пространства.

Из опыта запуска печей азотирования, даже с применением катализатора или технологии разбавления аммиака, для сокращения длительности азотирования рекомендуем применять двухступенчатый режим. В этом случае твердость поверхности несколько ниже, чем при постоянной (сниженной) температуре, но время на азотирование сокращается существенно.

В качестве основы для насыщающей среды для газового азотирования рекомендуется использовать аммиак, марки «А», по ГОСТ 6221-90. Требования к азоту не регламентируются.

Атомарный N

Сам процесс насыщения металла, осуществляемый в аммиачной атмосфере, проходит по уравнению 2NH3 → 2N + 6H. Атомарный N, который образуется в результате данной реакции, диффундирует в железо. В тех случаях, когда насыщение стали азотом выполняется при температуре менее 591 градуса, сначала появляется α-фаза. Следующая же фаза начинает образовываться только тогда, когда α-структура достигает лимита насыщения.

В сплаве азота и железа наблюдается три основные фазы:

  • α-фаза фаза представляет собой азотистый феррит с ОЦК решеткой. Максимальная растворимость азота о ОЦК решетке составляет 0,11%.
  • γ-фаза (азотистый аустенит), имеет ГЦК решетку с неупорядоченным расположением атомов азота в октаэдрических порах. Максимальная растворимость азота о ГЦК решетке 2,8% фаза представляет собой азотистый феррит с ОЦК решеткой. Максимальная растворимость азота о ОЦК решетке составляет 0,11%.
  • ε-фаза (Fe2-3N) имеет ромбическую решетку и существует в широком интервале концентраций 4,55-11%.
  • ξ-фаза (Fe2N) имеет ромбическую решетку с упорядоченно распределенными атомами азота. Диапазон гомогенности от 11.07-11,18%N.
Твердость основных фаз
в системе Fe-N
Структура азотированного слоя.
Шлиф после травления
График распределения твердости по азотированному слою
Твердость основных фаз
в системе Fe-N
Структура азотированного слоя.
Шлиф после травления
График распределения твердости по азотированному слою

Промежуточные значения концентраций азота в железе принято называть α', α'', γ' фазами. С изменением температуры фазы перестраиваются.

При концентрации азота в ε-фазе на уровне 10-11% слой начинает охрупчиваться и снижаются его твердость. Поэтому при азотировании не рекомендуется превышать азотный потенциал выше 10%.

В зависимости от выбранной технологии, электропечи азотирования комплектуются различными системами обеспечивающими реализацию той или иной технологии. Цель этих технологий в возможности поддержания концентрации аммиака в печи на определенном уровне, вне зависимости от температуры прохождения процесса. Чем меньше остаточное количество аммиака в печи, тем ниже азотный потенциал. Если на аммиак в печи не воздействовать, то вскоре его насыщающая способность вырастит до 30% по азотному потенциалу, при этом сразу на поверхности деталей образуется высокоазотистая ε-фаза что значительно замедлит продвижение атомов азота в глубину металла. Номинально насыщающая способность в печи должна поддерживается на уровне 6-10% азота по насыщающей способности и называется азотный потенциал. Понятие «азотный потенциал» отражает процессы, проходящие на границе раздела (газ-металл). Такой полной характеристикой является концентрация азота в тонком поверхностном слое металла при достижении равновесия с газовой фазой.

Азотный потенциал

Следует отметить, что до тех пор, пока не образовался сплошной слой высокоазотистой фазы диффузия азота происходит значительно быстрее, чем после образования такого слоя: скорость диффузии азота в γ’-фазе в 25 раз меньше, а в ε-фазе в 60 раз меньше.

Варьирование состава среды в широких пределах позволяет изменять строение и толщину диффузионного слоя, его физико-механические свойства. При оптимальных режимах нитридная зона на поверхности минимальна, а диффузионный слой состоит их азотистого α-твердого раствора.

Уменьшение парциального давления аммиака ведет к снижению азотного потенциала и соответственно концентрации азота в слое до оптимального значения, при этом увеличивается скорость его диффузии в глубину металла. Так при увеличении степени диссоциации аммиака до 60% для конструкционных сталей уменьшается хрупкость диффузионного слоя за счет меньшего развития высокоазотистой γ’, ε фазы, пересышенной по азоту нитридной фазы.

Для реализации оптимальных условия для азотирования предлагаются две основные технологии.

Технология азотирования с применением катализатора.

График потенциалов с катализатороим и без него

Для данной технологии предусматривается использовать специальный катализатор, платиновой группы. В данном случае катализатор устанавливается в магистраль подачи аммиака, который селективно воздействует на процессы диссоциации до подачи газа в печное пространство. На катализаторе с аммиаком происходит реакция его диссоциации до приемлемого для проведения азотирования уровня.Анализатор аммиака Степень диссоциации аммиака в данном случае напрямую зависит от температуры прохождения реакции и активности катализатора. Температура на катализаторе может быть равна температуре в печи, а может быть выше, в случае комплектования дополнительным подогревателем реактора с катализатором. По данной технологии катализатор рекомендуется заменять раз в год.

Технология азотирования методом разбавления аммиака.

Основными контролируемыми и регулируемыми параметрами газового азотирования являются: температура, продолжительность и стадийность процесса, давление газов в муфеле, степень диссоциации аммиака, состав насыщающей среды, анализ фольговой пробы.

Косвенно азотный потенциал можно определить по степени диссоциации аммиака специальным прибором: диссоциометром. Принцип действия прибора основан на способности аммиака растворяться в воде. Подача газов и воды на прибор может быть автоматизирована.

Газовое азотирование проводят в печах различной конструкции, как правило, периодического действия. Наиболее популярными печами для газового азотирования являются шахтные муфельные электропечи, типа США, в которых рабочая максимальная температура не превышает 700 ˚С, а печная атмосфера постоянно обновляется и циркулирует принудительно центробежным вентилятором. Электропечи азотирования могут иметь стационарный либо сменный муфель. В случае если муфель не сменный, то применяется система принудительного охлаждения камеры нагрева подачей холодного воздуха. Печи оснащаются системами подачи технологических газов, аммиаком и азотом. Азот необходим для продувки муфеля и вытеснения аммиака перед съемом крышки. В зависимости от выбранной технологии газовые системы печей могут оснащаться дополнительными магистралями для газов разбавителей печной атмосферы. Как правило, это углекислый газ, эндогаз, диссоциированный аммиак, или даже воздух в довзрывных объемах. Наилучшим разбавителем считается эндогаз. Вне зависимости от типоразмера и модификации все печи комплектуются необходимыми системами для безаварийной эксплуатации.

Газоанализатор аммиака

Детали механизмов имеют определенный ресурс работы, который определяется: или стойкостью к износу, или сопротивлением усталостному разрушению, или контактной выносливостью. Повышение срока службы оборудования является важнейшим конкурентным преимуществом любого производителя, поэтому предприятия применяют самые современные технологии для упрочнения поверхности. Регулируемые технологии азотирования позволяет значительно улучшить прочностные характеристики деталей.

Для проведения процесса азотирования необходимы специальные электропечи, позволяющие выполнить требуемую химико-термическую обработку. Эти печи комплектуются оборудованием для ведения нагрева, создания и перемешивания печной атмосферы, а также приборами контроля состояния газовой среды. Оснащение электропечей таким оборудованием позволяет сделать процесс азотирования управляемым и дает возможность получать требуемые физико-механические свойства азотированного слоя.

Ответим на Ваши вопросы Оставьте сообщение
Адрес
Адрес
620085, Екатеринбург, ул. Монтерская, 3, цех 11
(территория ОАО "Уральский завод РТИ")
Телефон
Телефон
+7 (343) 221-53-39 – Консультант
+7 (343) 221-53-55 – бухгалтерия
Время работы
Время работы
Пн.-Пт. с 8.00-17.00