Азотирование стали в домашних условиях: структура, технология и описание

1. Блог о металлообработке
2. Какой вид упрочнения стали выбрать: Азотирование, Цементация или Твердое хромирование

Другие статьи о металлообработке

Координатно-шлифовальные станки предназначены для шлифования отверстий, связанных между собой точными координатами. На координатно-шлифовальных станках можно обрабатывать … Координатное шлифование – как можно сделать невозможное В настоящее время производство деталей редко обходится без такого вида термической обработки, как закалка. Закалка металла – вид термической … Аддитивное технологии – это технологии послойного наращивания и синтеза объектов, которые позволяют изготавливать любое изделие послойно, на основе …

Разработана новейшая промышленная технология азотирования без аммиака стальных изделий, которая соответствует всем современным требованиям по энергосбережению и экологической безопасности в промышленности. Созданное оборудование является конкурентоспособным на мировом рынке.

Азотирование металлов — процесс насыщения их поверхности азотом и его соединениями — известно с древних времен. Эмпирическим путем было замечено проявление антикоррозионных свойств металлических поверхностей, подвергнутых азотированию, и повышение их твердости. Последнее свойство в основном и предопределило дальнейшее практическое применение этого процесса.

Впервые теоретическое обоснование процесса азотирования было дано выдающимся российским ученым В.П. Чижевским в его работе «Железо и азот», опубликованной в «Известиях Томского технологического института» еще в 1913 году. В принципиальном плане азотирование может проходить в любой из сред: твердой, жидкой и газообразной. Классические требования к деталям машин, инструменту, оснастке — вообще к металлическим изделиям — группируются вокруг двух категорий: экономичности и работоспособности. Однако лучшие результаты при разработке конкретной технологии азотирования достигаются только в случаях комплексного, как правило, компромиссного, учета всех факторов влияния. Именно этим можно объяснить то, что, несмотря на наличие более чем сотни технологий модификации свойств металлических изделий, ни одна из них не занимает более или менее доминирующего положения. Каждой из них отведена определенная технологическая ниша в производственных процессах.

Первоначально азотирование в основном проводилось в твердой и жидкой средах. Обработка в каждой из этих сред в конкретных условиях, которые определяются не только назначением изделия, но часто и его формой, а также технологией предыдущей обработки, имела те или иные преимущества. По этой причине иногда даже на одном предприятии параллельно применялись различные варианты технологии азотирования.

Роль азотирования существенно возросла с начала 60-х гг. прошлого столетия. Именно в это время согласно современной периодизации технологий химико-термической обработки возникло новое направление — инженерия поверхности, которая отводила ведущую роль поверхности в сравнении с объемными свойствами.

• Известно, что практически все критерии работо­способ­ности (за исключением разве что прочности) формируются, прежде всего, за счет свойств поверхностных слоев. Именно поверхность должна модифицироваться в первую очередь. Действительно, эксплуатационный ресурс всех деталей в машиностроении лимитируется состоянием поверхности.

Все детали изнашиваются по поверхности. Усталостные трещины также образуются от поверхности. Очень важной характеристикой является термостойкость поверхности. Что же касается прочности, то применение специальных методов обработки поверхности, вызывающих на ней достаточно значительные сжимающие напряжения, способствует также и существенному увеличению прочностных характеристик деталей машин. Поэтому в машиностроении удельный вес технологий, связанных с обработкой поверхности, со временем только возрастает. Преимущество отдается деталям машин с вязкой сердцевиной и модифицированной поверхностью.

Одной из наиболее эффективных технологий оказалось азотирование в газообразной среде. В качестве источника азота используется диссоциированный аммиак.

• Азотирование в аммиаке обеспечивало технологическую возможность получения твердых поверхностных слоев на сравнительно большую глубину. Универсальность технологии состояла в возможности азотирования любых поверхностей, в том числе глубоких отверстий малого диаметра, узких углублений и других малодоступных участков поверхности.

Газовое печное азотирование в аммиаке быстро стало традиционной технологией.

Вместе с тем выяснилось, что оно обладает целым рядом недостатков. К ним в первую очередь следует отнести чрезвычайно большую энергоемкость и продолжительность процесса. Получаемый таким способом модифицированный слой поверхности имел достаточно большую глубину. Ввиду неизбежной формоизменяемости деталей после азотирования часть этого слоя приходилось удалять, что вело к повышению себестоимости азотируемых изделий. Кроме того, следует отметить экологическую опасность использования аммиака и неудовлетворительные санитарно-гигиенические условия работы производственного персонала. Следующим недостатком является повышенная пожаро- и взрывоопасность. Поиск возможностей устранения указанных выше недостатков привел к разработке принципиально нового метода — азотирования с применением в качестве интенсификатора электрического разряда в газе, как тлеющего, так и дугового.

История промышленного использования нового процесса, альтернативного печному газовому азотированию, начинается в 1955–1956 гг., когда Б. Бергаузом (Bernhard Bergaus) были запатентованы основы этого процесса. Тем не менее первая эмпирическая попытка применения электрического разряда для модификации поверхности металлов отмечена еще в 1909 г. Применялся дуговой разряд в изолированной атмосфере, которая исключала влияние окружающей среды. Материалы электродов, например углерод, в этом процессе использовались в качестве легирующего элемента. На этом примере важно отметить, прежде всего, применение разряда как интенсификатора процесса. В 1912 г. заявлена герметичная камера и метод обработки в вакуумированной атмосфере и дуговом разряде.

• В 1930 г. впервые предложено азотирование в аммиаке с использованием электрического разряда. Суть метода заключалась в образовании атомарного азота при прохождении аммиака через электрический разряд, что ускоряло процесс модификации. Нагревание поверхности и ионизация проводились одним из видов разряда: искровым, дуговым, коронным.

Классическая теперь форма азотирования в тлеющем разряде (АТР) с предварительной обработкой катодной бомбардировкой сформировалась к началу 50-х гг. При этом удельная мощность разряда составляла от 0,2 до 5 Вт/см?; давление рабочего газа больше 2 Торр. Рабочая газовая среда, помимо аммиака, могла быть и азотно-водородной при соотношении азота и водорода от 1:10 до 1:25. Питание разряда могло быть не только непрерывным, но и циклически коммутируемым с разной частотой и продолжительностью импульса.

Азотирование в тлеющем разряде (АТР) в СССР изучается с 1962 г. Наиболее весомый вклад в теорию и практику АТР внесли отечественные научные школы Ю.М. Лахтина и Б.Н. Арзамасова. Их исследования относились не только к сталям различного назначения, но также к чугунам и легким сплавам. Рабочая газовая среда в разрабатываемых ими технологиях являлась аммиачной. Применение аммиака было данью газовому печному азотированию, получившему к тому времени широкое распространение. На принципиально новый процесс переходили указанные выше недостатки традиционного процесса — печного газового азотирования.

АТР реализуется в газовой среде (аммиак или смесь азота с водородом) пониженного давления при воздействии на газовый промежуток электрического поля между анодом и катодом. В общем случае обрабатываемая деталь может быть как катодом (преимущественно встречающийся вариант), так и анодом или с переменным чередованием этой функции. Активные частицы, генерируемые тлеющим разрядом в рабочем газе, образуют с металлическими компонентами поверхности различные соединения или твердые растворы.

• Применение АТР на практике обнаружило следующие преимущества. Во-первых, на один-два порядка уменьшается расход энергии, рабочего газа и продолжительность обработки.

Последнее подтверждается, например, тем, что длительность фазы собственно печного азотирования может достигать 96 ч, а при азотировании в тлеющем разряде аналогичные результаты могут быть достигнуты в течение 4–6 ч. Другим чрезвычайно важным преимуществом АТР является практическое отсутствие формоизменения изделий. По этой причине исключается дальнейшая финишная доводка поверхности с соответствующим положительным влиянием на себе-стоимость обрабатываемой детали.

Однако и АТР-процесс имеет свой существенный недостаток. Этот изъян процесса связан с применением в технологии водородсодержащих газовых сред (аммиака или смеси азота с водородом). Присутствие водорода в тлеющем разряде стимулирует водородное охрупчивание. Для режущего инструмента, зубчатых колес, а также пар трения, работающих при значительных напряжениях в поверхностном слое, существенным являются не только высокие показатели твердости, но и характеристики пластичности. Хрупкий инструмент не будет работоспособен при малейших динамических нагрузках, а они неизбежны в реальных процессах резания. Отсутствие пластичных свойств у корня зуба приводит к поломке зубчатых колес. Скалывание частичек высокой твердости с азотированной поверхности, подвергнутой значительным контактным напряжениям, по существу является процессом генерации абразива, который разрушает поверхность металлических деталей.

• Таким образом, для целого ряда практических применений возникла задача устранения водородной хрупкости в процессе азотирования по АТР-процессу. По этой причине была разработана новая технология азотирования в тлеющем разряде с использованием рабочих газовых сред, не содержащих водород. Этот процесс получил название безводородное азотирование в тлеющем разряде или БАТР- процесс с использованием азота или смеси азота с аргоном.

Физическая сущность процессов азотирования в водородосодержащих (АТР-процесс) и безводородных газовых средах (БАТР-процесс) схожа. Однако применение безводородных газовых сред позволяет скорректировать качественные и количественные параметры отдельных стадий режима азотирования. Данное обстоятельство оказывает влияние на структуру и кинетику формирования модифицированного поверхностного слоя. Это связано в значительной степени с лучшими условиями энергопередачи при бомбардировке поверхности, в том числе и на стадии катодной очистки поверхности. Степень очистки поверхности во многом определяет как качество азотирования, так и фазовый состав поверхностного слоя, а следовательно, и продолжительность обработки. Сохраняя все основные преимущества АТР-процесса, безводородное азотирование выявляет новые преимущества.

• БАТР-процесс исключает водородное охрупчивание, повышает пластические свойства поверхности с минимальным разупрочнением основы, снижает расход энергии, улучшает условия труда до идеальных и является абсолютно экологически чистым.

Последнее особенно важно, если учесть, что в ближайшей перспективе аммиак в химико-термической обработке может быть отнесен к категории отравляющих веществ. Неизбежен запрет его применения для указанных целей.

Стендовые испытания азотированных в безводородных газовых средах (БАТР-процесс) зубчатых колес, коленчатых, шлицевых и распределительных валов, коромысел показали повышение стойкости в 1,6–3 раза, плунжерных насосов и подшипников качения специального назначения — в 1,5 раза по сравнению с серийным АТР- процессом. Промышленные испытания азотированных пальцев цепей тяговых транспортеров, деталей технологической оснастки для обработки алмазов, шнеков термопластавтоматов, направляющих сопел литьевых машин, работающих в абразивных средах, выявили повышение их износостойкости в 1,9–3,5 раза. Испытания азотированных деталей технологических машин для предприятий пищевой промышленности, объектов, работающих в агрессивных средах, подтвердили повышение их износостойкости в 2–5 раз. Апробация в производственных условиях азотированного в безводородных средах металлорежущего инструмента (фрез, сверл, метчиков, плашек, токарных резцов и др.) обеспечила повышение его износостойкости в 1,7–3 раза в зависимости от условий резания. Долговечность азотированного дереворежущего инструмента повысились в 3–5 раз.

Оборудование для реализации БАТР-процесса имеет ряд принципиальных конструктивных отличий в сравнении с зарубежными аналогами. Одно из отличий состоит в наличии системы подготовки безводородной газовой среды, позволяющей дозировать и получать многокомпонентные насыщающие газовые смеси, в том числе и в ходе процесса. В принципиальном плане такая система существенно проще по конструкции и надежнее, безопаснее в эксплуатации аналогичных устройств азотирования в водородсодержащих газовых средах. Возможное наличие замкнутой системы циркуляции рабочих газов обеспечивает еще большую экономичность и экологическую чистоту работы установок. Контролер процесса, предназначенный для автоматического выхода на заданный режим и поддерживания его с высокой точностью и надежностью, гарантирует отсечку перехода тлеющего разряда в дуговой. Выбор конструктивной схемы установки зависит от конкретных условий производства. Вначале отметим современные тенденции в производстве оборудования для безводородного азотирования в тлеющем разряде:

•  увеличение единичной массы садки и, как следствие, увеличение размеров разрядных камер и мощности источника электропитания;
•  применение циклически коммутируемого электропитания, которое снижает требования к формированию садки, позволяет обрабатывать поверхности с локальными исключениями;
•  компоновка установок по схемам многокамерных или многопозиционных;
•  для длинномерных деталей используются шахтные печи; для остальных, с целью упрощения доступа к формируемой садке — колпакового типа;
•  системы газоподготовки позволяют точно дозировать соотношение компонентов, которое, как и их количество, может изменяться по ходу процесса (многостадийные и комбинированные процессы);
•  системы управления снабжаются эффективными автоматическими дугогасящими устройствами;
•  в установках применяются многослойные теплозащитные экраны, которые в значительной мере уменьшают потребляемую для нагрева садки мощность;
•  для комбинированных процессов также могут использоваться камерные установки, в которые садка вкатывается на специальных тележках;
•  все более широко внедряются комбинированные процессы как в одной камере, так и во многокамерных установках;
•  управление процессом, как правило, программное на основе современных теоретических исследований с отслеживанием параметров режима и их коррекцией при необходимости.

В настоящее время технически осуществимо безводородное азотирование в тлеющем разряде практически всех сталей, чугунов, титановых и легких сплавов, твердого сплава в промышленных масштабах.

11 Март in Теория металла

Азотирование — процесс химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали азотом. Азотирование впервые было предложено русским ученым проф. Н. П. Чижевским (1913 г.).

Азотирование проводится при нагреве деталей в атмосфере аммиака (NH3) при температуре 500—700° С. Целью азотирования является получение поверхности деталей высокой твердости и износостойкости или устойчивости против коррозии (антикоррозионное азотирование).

Образующийся атомарный азот (N) поглощается поверхностью стали и проникает в глубь детали. Если главным требованием, предъявляемым к азотированному слою, является высокая твердость и износостойкость, то применяют сталь, содержащую алюминий. Наиболее распространенной маркой стали является сталь 38ХМЮА. Эта сталь, кроме железа и углерода (0,35— 0,42%), содержит хром (1,35—1,65%), молибден (0,15—0,25%), алюминий (0,7—1,1%). При азотировании такой стали азот в поверхностном слое образует химические соединения, называемые нитридами (нитриды: железа Fe2N, хрома CrN, молибдена MoN, алюминия A1N). Нитриды придают поверхностному слою стали очень высокую твердость (до 1200 HV).

Азотирование длится очень долго — до 90 чу что является его основным недостатком. Глубина азотированного слоя получается обычно 0,3—0,6 мм. Микроструктура азотированной специальной стали приведена на рис. 155. На поверхности образуется белый нетра-вящийся слой нитридов, а глубже — сорбитообразная структура. Твердость и глубина азотированного слоя зависят от температуры. Чем выше температура азотирования, тем глубже слой, но меньше твердость.

Литература по металлургии → Книги и рефераты по металлургии

Раздел ГРНТИ: Металловедение Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Машиностроение, 1976 г. Скачать полный текст ( бесплатно ) Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.

ГАЗОВОЕ АЗОТИРОВАНИЕ СТАЛИ И ЧУГУНА Азотированию можно подвергать любые стали перлитного, ферритного, аустенитного и карбидного классов. Когда требуется высокая твердость и износостойкость, применяют Сг—Mo—А1 сталь 38ХМЮА. В последние годы для изделий, упрочняемых азотированием, чаще используют конструкционные улучшаемые стали, не содержащие алюминия, например стали 40Х, 40ХФА, 18ХГТ, 20ХЗМВФ, 30ХЗМФ1, 38ХНМФА, 40ХГМ, 20ХЗВА, 20ХН2МФ, 18Х2Н4ВА и др. Азотирование широко применяется для упрочнения коррозионностойких и жаропрочных сталей, мартенситностареющих сталей, а в последнее время и для улучшения режущих свойств инструментальных сталей (Р18, Р9, Х12М, Х12Ф1, Х6ВФ и др.). § 1. АЗОТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ Если главными требованиями, предъявляемыми к азотирован­ному слою, являются высокие твердость и износостойкость, то применяют сталь 38ХМЮА. Сталь38ХМЮА (0,35—0,42%С, 1,35—1,65%Сr, 0,15—0,25% Мо и 0,7—1,1 %А1) была разработана в Советском Союзе в начале 30-х годов [129]. Сталь широко используют для изготовления зубчатых колес, гильз цилиндров, червяков, шпинделей, втулок и других деталей, упрочняемых азотированием. Предварительную термическую обработку — закалку и отпуск проводят в заготов­ках, а для деталей малого сечения — в прутках (до 50 мм).. При проведении термической обработки стали 38ХМЮА необходимо учитывать, что она склонна к обезуглероживанию. Вследствие этого заготовки должны иметь достаточные припуски на обработку (2—3 мм), которые гарантировали бы полное удаление обезуглероженного слоя. Наличие обезуглероженного слоя недопустимо, так как он служит причиной «шелушения» азотированной поверх­ности. Закалку проводят с 930—950° С в воде (для крупных изделий) или масле. Температура отпуска должна на 50—100° С превышать максимальную температуру азотирования (обычно составляет 600—650° С). Для деталей малой жесткости перед окончательной механической обработкой проводят стабилизирую­щий отпуск в течение 3—10 ч при 550—600° С с последующим медленным охлаждением. Сталь 38ХМЮА обеспечивает наиболь­шую твердость азотированного слоя до HV1100—1200. В случае азотирования стали 38ХМЮА при температурах ниже эвтекr-тоидной на поверхности диффу­зионного слоя (рис. 32) обра­зуется ε-фаза, которая при охла­ждении претерпевает распад с выделением легированной γ'-фазы (Fe, М)₄ N. Непосред­ственно к слою сплошных нит­ридов, выявляемых под микро­скопом в виде белого нетравящегося слоя, прилегает область, в которой рентгеновский анализ фиксирует трехфазное состояние.  Одновременное при­сутствие ε- и α-фаз объясняется продвижением ε-фазы по грани­цам зерен. Основная часть слоя, выявляемая в виде более сильно травящейся зоны, состоит из азотистой α-фазы, обедненной легирующими элементами, кар­бидов М₃С, избыточной γ'-фазы [(Fe, М)]₄ N и возможно слож­ного нитрида легирующих эле­ментов с решеткой В1. Концен­трация азота в α-фазе достигает 0,3—0,5%. Температура и длительность азотирования влияют на тол­щину азотированного слоя (рис. 33, а) и твердость (рис. 33, б). Наивысшая твердость HV1100—1200 достигается при температуре азотирования 500— 520° С. С повышением темпера­туры твердость сильно сни­жается и при 600° С составляет HV750—800. Высокая твердость на поверхности азотированного слоя достигается за короткиепромежутки времени (15—30 мин), но следует иметь в виду, что при испытании на приборе Виккерса даже при малой нагрузке (5 кгс) твердость при коротких выдержках оказывается пониженной. Это объясняется продавливанием алмазным индентером тонкого диффузионного слоя. При практическом проведении процесса азотирования очень короткие выдержки рекомендовать не следует, так как всегда необходимо  распространение высокой твердости на некоторую толщину. Чем выше температура диффу­зии, тем меньше время азотирования для получения упрочненного слоя. Минимальная выдержка при 520° С должна быть 8—10 ч, при 550° С — 5—6 ч и при 600° С — 1—3 ч. Изменение общей толщины слоя при данной температуре под­чиняется параболическому закону.. Начальная скорость диффузии максимальна. Увеличение продолжительности более 90—100 ч практически не вызывает увеличения технической толщины слоя. Максимальная толщина слоя на стали. 38ХМЮА не превышает 1,0 мм. Толщина зоны сплошных нитридов при 520° С не пре­вышает 0,02—0,025 мм, возрастая до 0,03—0,05 мм в случае азотирования при 600° С. Развитие зоны сплошных нитридов и особенно нитридной сетки нежелательно, так как это сопро­вождается хрупкостью слоя. Однако следует иметь в виду, что при повышении температуры азотирования до 560—600° С, не­смотря на увеличение зоны ε-фазы, хрупкость снижается. Это объясняется уменьшением содержания азота в ε-фазе с 9,5—11,0% в случае азотирования при 500—520° С до 7—7,5% Ν₂при 600° С за счет интенсивной диффузии его с поверхности в глубь матрицы при высоких температурах. Характер изменения твердости по толщине азотированного слоя после насыщения азотом при различных температурах дан на рис. 34. Чем выше температура азотирования, тем менее резко падение твердости по толщине диффузионного слоя. Результаты процесса азотирования (твердость и толщина слоя) мало зависят от предварительной термической обработки [66]. Как указывалось ранее, азотированный слой на стали 38ХМЮА обладает наиболее высокой износостойкостью после насыщения его азотом при температурах выше эвтектоидной [39]. В связи с этим для сокращения длительности процесса и повышения износо­стойкости изделия из стали 38ХМЮА нужно азотировать при 620° С. Однако этот процесс может быть рекомендован только для изделий простой формы, не склонных к деформациям и не работаю­щих в условиях усталости. Достоинство азотированного слоя — сохранение высокой твердости при нагреве до высоких температур. Эта особенность азотированного слоя расширяет область при­менения азотирования и дает хорошие результаты в борьбе с изно­сом деталей, работающих при повышенных температурах. Твер­дость по толщине азотированного слоя с повышением температуры испытания уменьшается (рис. 35) [84]. Нагрев стали 38ХМЮА до 400° С хотя и сопровождается понижением твердости, но она еще сохраняется на достаточно высоком уровне — —HV600. Дальнейшее повышение температуры приводит к резкому падению твердости, что не позволяет использование азотированной стали 38ХМЮА при температурах выше 400—450° С. Коэффициент трения азотированной стали снижается с, 0,7 при 20° С до 0,1 при 600° С; износ незначителен и составляетпри 560° С на стали 38ХМЮА 1,7 мг/м-см². В результате азотирования значительно повышается задиростойкость как при ком­натной, так ипри повышенных (400—500° С) температурах. Азотирование стали 38XMIOAпри условии удаления шлифованием с поверхности хрупкой ε-фазы значительно повышает кавитационную стойкость [129]. Для изготовления сильно нагруженных крупных деталей сталь 38ХМЮА не пригодна. Полная прокаливаемость этой стали достигается лишь при диаметре, не превышающем 50 мм. Кроме того, механические свойства стали 38ХМЮА сравнительно не­высокие. Наличие в стали 38ХМЮА    алюминия усложняет техно­логию  производства   обра­ботки и азотирования стали. Сталям с высоким содер­жанием алюминия свойст­венны следующие дефекты металл ур гического характера: столбчатый излом, за­грязненность неметалличе­скими включениями, образо­вание мелких трещин и воло­совин в прокате, развитие свищей в поковках и т. д. При горячей механической обработке стали типа 38ХМЮА иногда проявляют склонность к перегреву, вызывающему сниже­ние сопротивления хрупкому разрушению. Высокое качество азотированного слоя достигается в стали, не содержащей доэвтектоидного феррита. При термической обработке стали типа 38ХМЮА весьма чувствительны к изменению состава в пределах марки. В зависимости от соотношения между содержанием углерода, хрома, молибдена и алюминия сталь 38ХМЮА обладает либо недостаточной закаливаемостью и прокаливаемостью, либо про­являет склонность к образованию трещин при закалке в воде. Обусловленные повышенным критическим интервалом высокие температуры нагрева (950—975° С) при термической обработке вызывают интенсивное обезуглероживание, а как следствие этого — увеличение припусков, удаляемых при обработке реза­нием. Азотированный слой на стали 38ХМЮА, содержащей алюминий на верхнем пределе, обладает большой хрупкостью. После шлифования и хонингования на азотированной поверх­ности стали 38ХМЮА нередко можно наблюдать точечное выкра­шивание слоя («сыпь») на глубину до 0,05 мм. Чаще «сыпь» обра­зуется по грубой нитридной сетке, которая возникает, если сталь имеет крупное зерно (см. рис. 32). Понижение температуры закалки с 950 до 900° С уменьшает склонность к образованию «сыпи», шлифовочным трещинам и сколу слоя. Чем меньше твердость и содержание азота в диффузионном слое, тем выше сопротивление его хрупкому разрушению. Высокочастотный нагрев, приводящий к образованию мелкого зерна (8—12 баллов), устраняет «сыпь» на шлифованной поверх­ности. Образование сыпи связывают с остаточными напряжениями в азотированном слое. Чем меньше сжимающие напряжения (мень­ше сечение и твердость сердцевины, выше температура азотирова­ния и т. д.), тем меньше вероятность образования «сыпи». Изделия из стали 38ХМЮА в процессе азотирования обнаружи­вают большую склонность к деформациям. В тех случаях, когда изделия подлежат финишной механи­ческой обработке после азотирования, может быть выгодным получить диффузионный слой с несколько пониженной твердостью на поверхности, но более плавно спадающей по его толщине твердостью. Таким преимуществом обладает, например, сталь 38ХВФЮА (0,35—0,42% С, 1,5—1,8% Сr, 0,2—0,4% W), содержащая пони­женное количество алюминия (0,4—0,7% А1). Твердость этой стали HV900—950. Азотированный слой на стали 38ХВФЮА нехрупок. Для изготовления деталей, допускающих меньшую твердость упрочненных поверхностей, широко применяют азотируемые стали, не содержащие алюминия. Стали без алюминия технологичнее, имеют более высокие механические свойства, чем сталь 38ХМЮА, но пониженную твердость азотированного слоя HV650—900. Азотированный слой на сталях без алюминия. имеет высокую износостойкость и сопротивление хрупкому разрушению. Снижение хрупкости азотированного слоя позволяет применять азоти­рование при изготовлении деталей, имеющих острые кромки и вырезы, а также нешлифуемых деталей. Так, например, в станко­строении для шпинделей, опор качения и ходовых винтов исполь­зуют стали 40Х, 40ХФА, 18ХГТ, а для гильз, накладных направляющих планок, ходовых винтов пар качения — стали 40ХФА, 20ХЗВА, 20ХЗМВФ.

Титан — один из самых интересных и сложных для обработки металлов. Его уникальные свойства нашли широкое применение в разных отраслях промышленности. Механическая обработка титана, в сравнении с обычной сталью, более чем в пять раз сложнее, поэтому для создания из него изделий применяют специальные приемы и оборудование.

Основные проблемы, возникающие при обработке титана, и средства их решения

Основной проблемой, возникающей при обработке титана, является его склонность к задиранию и налипанию на инструмент. Также одним из усложняющих факторов является его низкая теплопроводность. Большинство металлов сопротивляются плавлению в гораздо меньшей степени, поэтому при контакте с титаном растворяются в нем, образуя сплавы. Это приводит к быстрому износу применяемого инструмента.

Чтобы уменьшить задирание и налипание, а также для отвода выделяемого тепла, применяют следующие способы:

• при резке, а также иной обработке титана используют охлаждающие жидкости;
• заточку изделий выполняют с применением инструментов, изготовленных из твердых сплавов металлов;
• обработку металла резцами выполняют при гораздо меньших скоростях, чтобы избежать излишнего нагрева.

Эффекты налипания и задирания титана обусловлены его высоким коэффициентом трения, который относят к серьёзным недостаткам этого металла. В своем большинстве изделия из титана быстро поддаются износу, поэтому чистый состав этого металла редко используются для изготовления изделий, которые применяются в условиях трения и скольжения. При трении титан налипает на трущуюся поверхность, вызывая связывающий эффект и уменьшая скорость движения сообщающихся деталей. Способами, которые устраняют этот негативный эффект, выступают азотирование и оксидирование титана.

Азотирование титана — технологический процесс, который заключается в нагреве изделия из титанового сплава до температуры 850 С — 950 С и его выдержке в течение нескольких суток в среде чистого газообразного азота. В результате происходящих химических реакций на поверхностях изделия образуется пленка из нитрида титана, имеющая золотистый оттенок и обладающая большей твердостью, а также большим сопротивлением к стиранию. Изделия, прошедшие такую обработку, обладают повышенной износостойкостью и не уступают по своим характеристикам изделиям, изготовленным из поверхностно упрочнённых специальных сталей.

Некоторые особенности резки и сверления титана

Нарезка заготовок является очень сложным технологическим процессом, сопровождающимся использованием специальных инструментов и оборудования. Листы разрезаются гильотинными ножницами, а заготовки из сортового проката — распиливаются механической пилой. Небольшие по диаметру пруты нарезают с помощью токарных станков.

Фрезерование титана остается наиболее сложным способом его обработки. Он налипает на зубьях инструмента (фрезы), что значительно затрудняет работу с заготовкой. Поэтому для такого способа применяют инструменты, изготовленные из твердого сплава металлов, а процесс обработки сопровождают использованием охлаждающих смазок и жидкостей, которые обладают большой вязкостью.

При выполнении операций сверления важно, чтобы стружка, образующаяся в результате сверления, не накапливалась в отводных каналах, в противном случае это может привести к преждевременному износу и поломке инструмента. При сверлении применяют фрезы, изготовленные из быстрорежущей стали.

Особенности соединения титановых изделий и их элементов

Если титановое изделие выступает элементом конструкции, то соединить детали, изготовленные из титановых сплавов, позволяет применение таких методов:

• сварка;
• пайка
• механическое соединение с использованием заклепок
• соединение с применением болтового крепления.

Основным методом соединения выступает сварка, представляющая обычную промышленную технологию. Чтобы обеспечить прочность сварного шва соединение элементов выполняют в среде инертного газа или специальных бескислородных флюсов. Также для этого оберегают шов с применением различных защитных элементов. Взаимодействие расплавленного титана с такими химическими элементами как водород, кислород и азот, содержащимися в воздушной смеси, при нагреве приводит к росту зерна металла, изменению его микроструктуры и хрупкости сварного шва. Сварочные работы выполняют на большой скорости.

Также существует метод сварки в контролируемой среде, который применяется для выполнения работ, требующих большой ответственности. При необходимости соединить небольшие по своим размерам элементы, их помещают в специальные камеры, заполненные инертным газом. В случае соединения элементов большего размера сварочные работы выполняют в специальных герметично изолированных помещениях. Сварка титана — ответственная работа, которая доверяется исключительно подготовленным специалистам, имеющим необходимый практический опыт и навыки.

Пайка титана применяется в случаях, когда проведение сварочных работ невозможно или нецелесообразно. Она также осложнена химическими реакциями. Титан в расплавленном состоянии демонстрирует высокую химическую активность и прочно связан с пленкой окиси, формируемой на поверхностях обрабатываемой детали. Большинство распространенных металлов непригодны в качестве припоя для соединения титановых элементов, для этих целей используются только чистые по своему составу алюминий и серебро.

Механическое соединение элементов из титана с помощью клепок и болтовых креплений также выполняется с применением специальных материалов. В большинстве случаев заклепки изготавливают из алюминия, а применяемые болты покрываются напылением серебра или синтетического тефлона. Это вызвано тем, что при завинчивании титан проявляет свое свойство налипания и задирается, в результате соединения элементов становятся ненадежными, не обеспечивают прочной фиксации.

Перейти к списку статей >>