Термообработка

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
Термообработка

ГРУЗОПОДЪЕМНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

  • Индивидуальный подход к потребностям Заказчиков
  • Современные технические решения
  • Надежность и долгий срок эксплуатации

ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗОВОГО АЗОТИРОВАНИЯ

Существующие технологии, оборудование, методы контроля и регулирования атмосферы

Азотирование является одним из распространённых 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 закалённых высокоуглеродистых и цементированных сталей. Насыщение поверхности стали азотом позволяет, кроме повышения прочности, увеличить жаропрочность тугоплавких металлов и сплавов, т.е., иными словами, увеличить прочность металла при более высокой температуре. Азотированием называют процесс адсорбции атомов азота поверхностью изделий и их дальнейшее диффузионное продвижение в глубину металла с целью образования нитридов с легирующими элементами.

Существует три основных типа азотирования:

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

В газовом азотировании, в свою очередь, существует несколько методов.

  • Высокотемпературное газовое: в машиностроении практически не применяется из-за значительных деформаций изделий.
  • Ионное газовое имеет специфические особенности.
  • Газовое низкотемпературное азотирование является наиболее распространённым методом.

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

Газовое низкотемпературное азотирование применяют с целью повышения поверхностной твёрдости, износостойкости, теплостойкости, усталостной прочности и коррозионной стойкости изделий машиностроения. Самыми распространёнными деталями для упрочнения данным методом являются: коленчатые валы, шестерни, плунжера, матрицы экструзии алюминия, штампы и тому подобное. Общая, характерная особенность заготовок, подвергающихся поверхностному упрочнению, это затруднённая или невозможная их механическая обработка после упрочнения из-за высокой твёрдости и сложной геометрической формы. Азотирование проводят после проведения механической обработки, при этом процесс термообработки практически не меняет геометрию детали. С повышением концентрации легирующих элементов твёрдость поверхности повышается из за образования твердых химических соединений — нитридов. Максимальная твёрдость получается у коррозионно-стойких сталей и доходит до 1300HV. Большая глубина диффузионного слоя получается увеличенными выдержками времени в насыщающей атмосфере.

Твёрдость заготовок является суммарной составляющей из твёрдости основного металла заготовок и дополнительного поверхностного упрочнения получаемого образованием 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 насыщения, после чего производят механическую обработку. Азотирование является финальной стадией изготовления деталей.

Примечание. Для некоторых деталей и марок сталей допускается возможность совмещать режимы отпуска и азотирования.

Эффект от упрочнения в значительной мере зависит от предварительной термической обработки и подготовительных операций. Для предотвращения пятнистой твёрдости перед процессом производят обезжиривание рабочих поверхностей изделий растворителями, а коррозионно-стойкие стали подвергают травлению в водных растворах кислот для удаления окисной плёнки. В случае необходимости местной (локальной) защиты от проникновения атомов азота (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 40Х. Для коррозионно-стойких, типа 12Х18Н10 глубины, как правило, не должны превышать 0,2мм.

Температуру процесса выбирают в зависимости от химического состава материала, требуемой твёрдости поверхности, конструктивной жёсткости и установленного допуска на величину деформации при азотировании. Линейные деформации изделий, в среднем составляют 20% от величины диффузионного слоя. Если величина насыщенного слоя около 0,5мм, то увеличение линейного размера заготовки составит примерно 0,1мм на сторону. Чем выше температура насыщения, при прочих равных условиях, тем больше толщина слоя, но ниже твёрдость 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 путём для технологии с применением палладиевого катализатора.

Таблица 1

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

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

В качестве основы для насыщающей среды рекомендуется использовать аммиак, марки «А», по ГОСТ 6221-90. Требования к продувочному газу не регламентируются, так как он необходим для вытеснения аммиака и водорода из муфеля перед открытием.

Атомарный N

Сам процесс насыщения металла, осуществляемый в аммиачной атмосфере, проходит по уравнению: NH3 → N + 3H . Атомарный (один атом) N , который образуется в результате данной реакции, попадая на поверхность вклинивается в решётку и диффундирует в глубину изделия. 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 представляет собой азотистый феррит с ОЦК решёткой. Максимальная растворимость азота о ОЦК решётке составляет 0,11%.
  • γ-фаза (азотистый аустенит), имеет ГЦК решётку с неупорядоченным расположением атомов азота в октаэдрических порах. Максимальная растворимость азота о ГЦК решётке 2,8% фаза представляет собой азотистый феррит с ОЦК решёткой. Максимальная растворимость азота о ОЦК решётке 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 упорядочено распределёнными 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
Твёрдость основных фаз
в системе Fe-N
Структура азотированного слоя.
Шлиф после травления
График распределения твёрдости 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 твёрдость (пересыщен). 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 манипуляций в возможности поддержания концентрации аммиака в муфеле на определённом уровне, вне зависимости от температуры прохождения процесса. Чем меньше остаточное количество аммиака, тем ниже азотный потенциал. Если на аммиак 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 в глубину металла. Номинально насыщающая способность 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 концентрацией этих элементов в газовой среде.

Азотный потенциал

Следует отметить, что до тех пор, пока не образовался сплошной слой высокоазотистой структуры диффузия происходит значительно быстрее, чем после его образования: 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 нитритная зона на поверхности минимальна, а диффузионный слой состоит их азотистого α-твердого раствора.

Уменьшение парциального давления аммиака ведёт к снижению азотного потенциала и соответственно концентрации азота на поверхности 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 счёт меньшего развития высокоазотистой γ’, и ε фазы, пересыщенной по азоту нитритной структуры.

Для реализации оптимальных условия азотирования предлагаются две основные технологии.

Технология азотирования с применением катализатора.

График потенциалов с катализатороим и без него

Для данной технологии предусматривается использовать специальный катализатор, с активным компонентом из платиновой группы. В данном случае катализатор устанавливается в магистраль подачи аммиака, который селективно воздействует на процессы диссоциации до подачи газа в рабочее пространство. На катализаторе с газом происходит реакция его диссоциации до приемлемого для проведения насыщения 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 схеме 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.

Химико-термическую обработку проводят в печах различной конструкции, как правило, периодического действия. Наиболее популярными установками для 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 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. Азот необходим для продувки муфеля и вытеснения аммиака перед съёмом 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 объёмах. Наилучшим разбавителем считается эндогаз. Вне зависимости от типоразмера и модификации все печи комплектуются необходимыми системами для безаварийной эксплуатации.

Газоанализатор аммиака

Детали механизмов имеют определённый 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 методы и подходы для упрочнения поверхности. Регулируемые процесса 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 насыщающей атмосферы, а также приборами контроля состояния газовой среды. Оснащение электропечей таким оборудованием позволяет сделать процесс азотирования управляемым и даёт возможность получать требуемые физико-механические свойства упрочнённого 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 8.00-18.00