Нитроцементация стали это

Что такое нитроцементация стали

Нитроцементация стали — это технологический процесс диффузионного насыщения поверхности стальных изделий одновременно двумя элементами: углеродом и азотом. Процесс проводится в газовой атмосфере при температуре от 700 до 950 градусов Цельсия, причем наиболее распространенный температурный диапазон составляет 850-870 градусов. Газовая среда для обработки включает науглероживающий газ и аммиак, которые обеспечивают поступление необходимых элементов к поверхности металла.

В результате обработки на поверхности детали формируется упрочненный слой глубиной от 0,2 до 1,0 миллиметра. Этот слой обладает значительно повышенной твердостью по сравнению с исходным материалом — после закалки твердость достигает 58-64 единиц по шкале Роквелла. При этом сердцевина изделия сохраняет свою первоначальную структуру и вязкость, что обеспечивает способность детали выдерживать ударные нагрузки без разрушения.

Ключевые отличия нитроцементации от цементации

Несмотря на схожесть названий и целей применения, нитроцементация и цементация имеют принципиальные различия, которые определяют сферы их использования. Понимание этих отличий критически важно для правильного выбора метода упрочнения.

Температурный режим и его влияние

Понижение температуры насыщения при нитроцементации обусловлено присутствием азота, который выполняет роль легирующего элемента и снижает критические точки стали. Азот понижает температуру альфа-гамма превращения, что делает возможным формирование аустенита при более низких температурах. Это создает несколько важных преимуществ: уменьшается рост аустенитного зерна, снижается энергопотребление, повышается стойкость печного оборудования и уменьшается деформация обрабатываемых деталей.

Скорость процесса диффузии

Примечательно, что несмотря на существенно более низкую температуру насыщения, скорость роста диффузионного слоя при цементации и нитроцементации практически одинакова для слоев толщиной 0,5-0,8 миллиметра. Это происходит благодаря тому, что азот резко увеличивает диффузионную подвижность углерода в аустените, компенсируя эффект от снижения температуры.

Механизм одновременного насыщения углеродом и азотом

Процесс нитроцементации основан на явлении диффузии — проникновении атомов углерода и азота из газовой среды в кристаллическую решетку стали. Когда деталь нагревается до температуры насыщения, железо переходит в аустенитное состояние, характеризующееся гранецентрированной кубической решеткой, которая способна растворять углерод и азот.

Роль азота в процессе

Азот играет многофункциональную роль в процессе нитроцементации. Во-первых, он действует как катализатор диффузии углерода, значительно ускоряя его проникновение в глубину металла. Во-вторых, азот повышает прокаливаемость стали, облегчая образование мартенсита при закалке даже в простых углеродистых сталях. В-третьих, присутствие азота в закаленном слое увеличивает его твердость и износостойкость за счет образования нитридов легирующих элементов.

Газовая среда процесса

Для создания необходимой атмосферы используется эндотермическая или экзотермическая газовая среда с добавлением природного газа в качестве источника углерода и аммиака как источника азота. Контролируемый состав атмосферы критически важен для получения требуемых характеристик упрочненного слоя. Обычно добавки природного газа и аммиака составляют по 2-3 процента от объема базовой атмосферы.

Температурные режимы нитроцементации

В зависимости от требуемых свойств поверхностного слоя и типа обрабатываемой стали применяются различные температурные режимы нитроцементации.

Высокотемпературная нитроцементация

Высокотемпературный режим проводится при температуре 840-870 градусов Цельсия в течение 4-10 часов. Это наиболее распространенный режим, применяемый для обработки деталей из низкоуглеродистых легированных сталей. При этом режиме происходит насыщение поверхности углеродом до концентрации 0,6-1,2 процента и азотом до 0,2-0,6 процента. Толщина упрочненного слоя составляет 0,2-0,8 миллиметра.

Среднетемпературная нитроцементация

Среднетемпературный режим осуществляется при температуре 580-650 градусов Цельсия продолжительностью 2-12 часов. Этот режим обеспечивает твердость поверхности до 65 единиц по шкале Роквелла и применяется для изготовления деталей автомобилей, сельскохозяйственной техники и инструмента.

Низкотемпературная нитроцементация

Низкотемпературный режим проводится при температуре 550-600 градусов Цельсия в течение 1,5-3 часов. В этом случае накопление углерода минимально, а основные свойства металл получает от поглощения азота. На поверхности образуется тонкий карбонитридный слой с твердостью до 11000 единиц по Виккерсу, обладающий исключительной износостойкостью. Этот режим рассматривается как альтернатива азотированию в цианистых солях.

Свойства нитроцементированного слоя

Нитроцементированный слой обладает комплексом ценных характеристик, определяющих эксплуатационные свойства обработанных деталей.

• Высокая поверхностная твердость — после закалки достигает 58-64 единиц HRC, что обеспечивает отличную износостойкость при трении и абразивном воздействии.
• Повышенная прокаливаемость — присутствие азота позволяет получить мартенситную структуру даже в простых углеродистых сталях при закалке в масле.
• Устойчивость к отпуску — нитроцементированный слой сохраняет высокую твердость при нагреве до 230 градусов, что выше чем у цементованного слоя.
• Остаточный аустенит — в структуре нитроцементированного слоя допускается повышенное количество остаточного аустенита, что улучшает прирабатываемость деталей и снижает шумность работы механизмов.
• Усталостная прочность — правильно проведенная нитроцементация значительно повышает предел выносливости деталей при циклических нагрузках.

Преимущества нитроцементации

Нитроцементация как метод упрочнения стальных деталей обладает рядом существенных преимуществ, делающих ее предпочтительным выбором для массового производства.

Экономическая эффективность

Производственный цикл при нитроцементации сокращается на 50-60 процентов по сравнению с цементацией. Это достигается благодаря более низкой температуре процесса, ускоренной диффузии углерода в присутствии азота и возможности закалки непосредственно из печи без дополнительного нагрева. Сокращение времени обработки напрямую снижает энергозатраты и увеличивает производительность оборудования.

Минимальная деформация деталей

Нитроцементация сопровождается значительно меньшей деформацией деталей по сравнению с цементацией. Это объясняется более низкой температурой процесса, меньшей глубиной упрочненного слоя и более равномерным распределением внутренних напряжений. Для деталей сложной геометрической формы или высокой точности это преимущество особенно важно, так как позволяет минимизировать или полностью исключить последующую механическую обработку.

Универсальность оборудования

Для газовой цементации и нитроцементации применяется практически одинаковое оборудование — шахтные, камерные или проходные печи. Это позволяет легко переходить от одного процесса к другому в зависимости от производственных потребностей, не требуя дополнительных капитальных вложений.

Улучшенные эксплуатационные характеристики

Детали после нитроцементации демонстрируют повышенную стойкость к истиранию, увеличенную усталостную прочность и улучшенную контактную выносливость. Наличие азота в структуре повышает прочность слоя и его пластичность, что ведет к повышению ударной вязкости и прочности на изгиб.

Применение нитроцементации в промышленности

Нитроцементация получила широчайшее распространение в машиностроении и является основным методом химико-термической обработки в крупносерийном и массовом производстве.

Автомобильная промышленность

В автомобилестроении нитроцементация является преобладающим методом упрочнения деталей трансмиссии и двигателя. Большинство деталей, требующих поверхностного упрочнения, проходят именно нитроцементацию благодаря экономичности процесса и минимальным деформациям. Типичные автомобильные детали, обрабатываемые этим методом, включают зубчатые колеса коробок передач, валы, поршневые пальцы, кулачки распределительных валов, синхронизаторы и другие трущиеся компоненты.

Производство зубчатых колес

Нитроцементация является основным методом упрочнения зубчатых колес различного назначения. Для шестерен с модулем 1,5-3,5 миллиметра эффективная толщина упрочненного слоя принимается 0,3 плюс-минус 0,1 миллиметра, а для колес с модулем 4,0-5,5 миллиметра — 0,4 плюс-минус 0,1 миллиметра. Нитроцементированные зубчатые колеса обладают высокой контактной выносливостью боковых поверхностей зубьев и показателями изгибной выносливости, что обеспечивает длительный срок службы даже при интенсивных нагрузках.

Подходящие марки сталей

Нитроцементации подвергают детали из низкоуглеродистых и легированных сталей с содержанием углерода до 0,25 процента. Наиболее распространенные марки включают 20Х, 25ХГТ, 25ХГМ, 30ХГТ, 35Х, 40Х, 20ХН3А, 20Х2Н4А и другие конструкционные легированные стали. Эти стали обладают хорошей прокаливаемостью сердцевины и способностью воспринимать упрочнение поверхностного слоя.

Детали, работающие в тяжелых условиях

Нитроцементация применяется для деталей, работающих в условиях контактного износа, повышенного трения, знакопеременных и динамических нагрузок. К таким деталям относятся червячные и конические передачи, крестовины карданных валов, втулки, диски сцепления, ролики, рычаги приводных механизмов и инструмент из быстрорежущей стали.

Технология проведения нитроцементации

Технологический процесс нитроцементации включает несколько последовательных этапов, каждый из которых критически важен для получения требуемого результата.

Подготовка деталей

Перед нитроцементацией поверхности деталей необходимо тщательно очистить и обезжирить. Детали промывают в растворе едкого натра, нагретого до 90 градусов Цельсия, в течение 15 минут или протирают бензином. Участки деталей, не подлежащие упрочнению, защищают специальными пастами или омеднением.

Загрузка и нагрев

Подготовленные детали загружают в печь и нагревают до температуры насыщения. Нагрев осуществляется в контролируемой атмосфере для предотвращения окисления и обезуглероживания поверхности. Скорость нагрева выбирается с учетом размеров деталей и марки стали для предотвращения появления термических напряжений.

Насыщение

При достижении рабочей температуры в печь подается газовая смесь, содержащая науглероживающий газ и аммиак. Продолжительность выдержки при температуре насыщения определяется требуемой глубиной упрочненного слоя и обычно составляет 4-10 часов для высокотемпературного режима.

Закалка и отпуск

После завершения насыщения детали подвергают закалке. Закалку можно проводить непосредственно из печи с температуры насыщения, после небольшого подстуживания или с повторного нагрева. Для уменьшения деформации применяют ступенчатую закалку с выдержкой в горячем масле при температуре 180-200 градусов. Заключительной операцией является низкий отпуск при 160-180 градусах для снятия напряжений и стабилизации структуры.

Частые вопросы о нитроцементации