КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ГАЗОВОЕ АЗОТИРОВАНИЕ

Промышленный технологический процесс азотирования является очень эффективным методом упрочнения поверхности деталей из среднеуглеродистых легированных сталей и применяется во всех отраслях машиностроения. В качестве насыщающей атмосферы используется аммиак. Процесс азотирования чаще всего проводят в шахтных электропечах при температурах 500—650 °С. При этих температурах в результате диссоциации аммиака создается насыщающая атмосфера, состоящая из азота, водорода и, естественно, остатков аммиака. При азотировании в результате перехода азота из газовой фазы в металл происходит процесс поверхностного насыщения стальных изделий азотом. Азот образует с легирующими элементами устойчивые нитриды, которые придают поверхностному азотированному слою очень высокую твердость. Каталитическое газовое азотирование — новая технология низкотемпературной химико-термической обработки деталей машин и инструмента. Она радикально отличается от традиционной технологии и построена на исследованиях группы ученых доказавших, что при азотировании активными компонентами в газовой среде являются не стабильные, равновесные компоненты печной атмосферы, а промежуточные — ионы и радикалы. Отсюда последовало создание новой технологии, при которой в печном пространстве на аммиачно-воздушной магистрали устанавливается реактор с кремнеземным стекловолокнистым тканым катализатором, он и обеспечивает высокую активацию печной атмосферы. Активированная атмосфера совершенно изменила характер взаимодействия аммиачно-воздушной среды со стальными поверхностями. Каталитическая обработка аммиака в рабочем пространстве печи приводит к принципиальным изменениям состава насыщающей атмосферы и характера реакций на границе газ-металл. После каталитической обработки аммиака характер и последовательность фазовых превращений совершенно изменяются.

Для оценки насыщающей способности печной атмосферы используется характеристика, называемая «азотный потенциал». Понятие «азотный потенциал» должно реально отражать процессы, проходящие на границе раздела (газ-металл). Такой полной характеристикой является концентрация азота в тонком поверхностном слое металла при достижении равновесия с газовой фазой. Это прямой метод определения азотного потенциала. Косвенный метод позволяет непрерывно контролировать ход процессов: насыщения-обеднения, окисления-восстановления на границе раздела (газ-металл). Контроль этих процессов ведется по парциальному давлению кислорода. Именно такой контроль позволяет управлять процессом насыщения. Эффективность использования парциального давления кислорода для управления процессом азотирования объясняется тем, что в этом случае учитывается интегральное действие всех окислительных реакций, происходящих в поверхностном слое.

Парциальное давление кислорода определяется специальным зондом погружного типа с электрохимической ячейкой. Азотный потенциал печной атмосферы вычисляется по измеренному парциальному давлению кислорода и температуре процесса азотирования. Азотирование наиболее эффективно для изделий испытывающих высокие циклические нагрузки и работающих в условиях трения скольжения. Одним из основных факторов, обеспечивающих максимальную износостойкость трущейся поверхности, является пластичность поверхностной зоны, имеющая пониженную прочность на сдвиг. Азотированная поверхность имеет высокую кавитационную стойкость и повышенное сопротивление коррозии углеродистых и малолегированных сталей в атмосферных условиях.

Диапазон технологических возможностей процесса азотирования достаточно широк и позволяет создать на металлах и сплавах разнообразные диффузионные нитридные покрытия с большим набором физико-механических характеристик.

Каталитическое газовое азотирование сокращает длительность процесса в 2—4 раза, а срок службы азотированных деталей повышается в 1,5—3 раза по сравнению с традиционным газовым азотированием.

ЗАКАЛКА И ОТПУСК

После газовой цементации используют закалку непосредственно из цементационной печи, предварительно сделав подстуживание деталей до температуры 830—850 °С. Заключительной операцией термообработки цементированных деталей является низкий отпуск при температуре 160—180 °С. Отпуск проводится для уменьшения внутренних напряжений и получения высокой ударной вязкости и пластичности деталей. При отпуске сталь нагревают до температуры ниже температуры фазовых превращений, выдерживают при этой температуре, а затем медленно охлаждают с заданной скоростью обычно в воздушной атмосфере. Скорость охлаждения при отпуске влияет на величину остаточных напряжений. С повышением температуры отпуска твердость и прочность снижаются, а показатели пластичности увеличиваются. От_ пуск в зависимости от интервала температур и скорости охлаждения в значительной мере влияет на конечные результаты термообработки.

Низкий отпуск в интервале температур 100—200 °С применяется для режущего и мерительного инструмента, деталей после цементации. Мерительный инструмент с целью стабилизации размеров подвергают отпуску с более длительными выдержками. Средний отпуск в диапазоне 350—500 °С применяется для отпуска рессор, пружин, штампов и т.д. Высокому отпуску в диапазоне 500—650 °С подвергаются детали, которые испытывают в работе высокие напряжения и ударные нагрузки. После высокого отпуска сталь имеет более высокие показатели прочности и пластичности. Перед азотированием детали подвергаются закалке. После чего закаленные детали необходимо отпустить. Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Так как улучшение проводят до азотирования, то в данном случае высокий отпуск является промежуточной операцией, но важность его трудно переоценить.

Требования к отпускным режимам очень жесткие. Высококачественный отпуск можно произвести только в специальных отпускных электропечах. Такие электропечи предназначены для проведения режимов термообработки, требующих равномерного прогрева деталей, поддержания температуры с высокой точностью и охлаждения с заданной скоростью. Отпускные электропечи обычно оснащаются системой принудительного перемешивания печной атмосферы с помощью циркуляционного вентилятора и должны иметь несколько зон нагрева, что позволяет получать высокую точность и равномерность температуры по всему объему печи. В термообработке не бывает второстепенных операций, но бывает брак — при нарушениях технологии на любом этапе.

Твердость, прочность, износостойкость сталь приобретает, когда правильно проведены режимы цементации, азотирования, закалки и отпуска. Строго определенные свойства сталь приобретет, когда соблюдены режимы термообработки и имеется возможность эффективно управлять этими процессами.

Высококачественное упрочнение поверхности стальных деталей можно получить только после проведения термообработки в электропечах, специально предназначенных для этих целей и оснащенных средствами контроля и управления термическими процессами.