Технология процесса азотирования

Технологический процесс предусматривает несколько операций, приведенных ниже:

. Предварительная термическая обработка заготовки. Эта операция состоит из закалки и высокого отпуска стали для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине изделия.

Закалку стали 38Х2МЮА выполняют с нагревом до 930 - 950 ˚С с охлаждением в воде или масле. Отпуск проводят при высокой температуре 600 - 675 ˚С, превышающей максимальную температуру последующего азотирования и обеспечивающей получение твердости, при которой сталь можно обрабатывать резанием. Структура стали после этого отпуска - сорбит.

. Механическая обработка деталей, а также шлифование, которое придает окончательные размеры детали.

. Защита участков, не подлежащих азотированию, нанесением тонкого слоя (0,01 - 0,015 мм) олова электролитическим методом или жидкого стекла. Олово при температуре азотирования расплавляется на поверхности стали в виде тонкой не проницаемой для азота пленки.

. Азотирование

. Окончательное шлифование или доводка изделия.

Азотирование тонкостенных изделий сложной конфигурации рекомендуется выполнять 500 - 520 ˚С. Длительность процесса зависит от требуемой толщины азотированного слоя. Чем выше температура азотирования, тем ниже твердость азотированного слоя и больше толщины (рис.7). Снижение твердости азотированного слоя связанно с коагуляцией нитридов легирующих элементов. Обычно при азотировании желательно иметь слой толщиной 0,3 - 0,6 мм. Процесс азотирования при 500 - 520 ˚С в этом случае является продолжительным и составляет 24 - 60 ч.

Рис.6. Влияние температуры и продолжительности азотирования на твердость и толщину азотированного слоя: 1 - сталь 38ХМЮА; 2 - легированные конструкционные стали (40Х, 40ХНМА, 18Х2Н4ВА и др.); 3 - углеродистые стали.

В процессе насыщения азотом изменяются, но очень мало, размеры изделия в следствие увеличение объема поверхностного слоя. Деформация возрастает при повышении температуры азотирования и толщины слоя.

Для ускорения процесса азотирования нередко применяют двухступенчатый процесс: сначала азотирование проводят при 500 - 520 ˚С, а затем при 540 - 560 ˚С. При двухступенчатом процессе сокращается продолжительность процесса, при этом сохраняется высокая твердость азотированного слоя. Охлаждение после азотирования производят вместе с печкой в потоке аммиака (до 200 ˚С) во избежание окисления поверхности.

Рис 7. Шахтная муфельная печь США-8.12/6. Л1: 1 - Каркас печи; 2 - вентилятор; 3 - крышка; 4 - муфель; 5 - футеровка; 6 - нагреватели; 7 - крестовина; 8 - направляющий экран.

Азотирование чаще ведут в шахтных печах (рис.7) с принудительной циркуляцией газа и максимальной рабочей температурой 600 или 700 ˚С. Шахтные печи (США) выпускаются с двумя сменными муфелями или с одним стационарным.

Первый муфель после окончания процесса азотирования вынимается из печи и охлаждается на воздухе, в печь загружается второй муфель с деталями. При азотировании крупногабаритных изделий более экономичны печи с одним муфелем.

Значительное сокращение (в 2 - 3 раза) общего времени процесса достигается при азотировании в тлеющем разряде (ионное азотирование), которое проводят в разряженной азотосодержащей атмосфере (NH₃ или N₂) при подключении обрабатываемых деталей к отрицательному электроду - катоду. Анодом является контейнер установки. Между катодом (деталью) и анодом возбуждается тлеющий разряд, и ионы газа, бомбардируя поверхность катода, нагревают ее до температуры насыщения. Процесс ионного азотирования реализуется в две стадии:

. Очистка поверхности катодным распылением;

. Собственно насыщение.

Катодное распыление проводят в течении 5 - 60 мин при напряжении 1100 - 1400 В и давлении 0,1 - 0,2 мм рт. ст. В процессе катодного распыления температура поверхности детали не превышает 250 ˚С. Температура азотирования 470 - 580 ˚С, давление 1 - 10 мм рт. ст., рабочее напряжение 400 1100 В, продолжительность процесса составляет от 1 до 24ч.

В последние годы получило применение азотирование при 570 ˚С в течении 1,5 - 3,0 ч в атмосфере, содержащей 50% эндогаза и 50% аммиака или 50% пропана (метана) и 50% аммиака. В результате такой обработки на поверхности стали образуется тонкий карбонитридный слой Fe₃ (N, C), обладающий меньшей хрупкостью и более высокой износостойкостью, чем чисто азотистая ε-фаза. Твердость карбонитридного слоя легированных сталях HV 600 - 1100. Такая обработка сильно повышает предел выносливости изделий.