АЗОТИРОВАНИЕ СТАЛИ И ЧУГУНА – ПОВЫШЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ДЕТАЛЕЙ

Дата публикации: 11-11-2018, 17:10

АЗОТИРОВАНИЕ СТАЛИ И ЧУГУНА – ПОВЫШЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ДЕТАЛЕЙПовышение прочности – твердости, а так же износостойкости, т.е. устойчивости к истирающим нагрузкам для металлических деталей – всегда стояло на первом плане машиностроения. Со времен первых веков развития обработки металлов такая проблема стояла всегда. Вспомните секреты изготовления дамасской стали для арабских клинков или японских мечей- катан, когда многократные закалки- отпуски с многократным проковыванием создавали особую многослойную по своей кристаллической организации структуру стальной детали.

Но такие архаические техники были крайне длительные по времени и значительные по трудозатратам. Процесс изготовления одного клинка занимал многие месяцы. Поэтому уже в 19-м веке для упрочения показателей по твердости стальных деталей в условиях массового производства применялась закалка изделий. Суть ее заключался в том, что раскаленную до 700-800 градусов деталь окунали в воду или в масло и резко остужали там.

Такое резкое термическое падение температуры приводило к изменению кристаллической структуры детали и перераспределению в её объеме различных химических элементов, прежде всего углерода. И за счёт этого детали становились прочнее, тверже и износоустойчивее. Для производства клинков сабель и шпаг, или различного нехитрого сельхоз инвентаря, как и прочих стальных простых орудий труда, такие методики упрочнения вполне подходили. А вот с возникновением точного машиностроения оказалось, что при закаливании в массиве деталей при шоковом охлаждении возникают объемные термические напряжения, которые неравномерно распределены по объему детали и со временем начинают «выходить на поверхность».

И такие процессы ведут к изменениям геометрической формы точных деталей. Изменение размера даже в не небольших деталях могло достигать нескольких дестях долей миллиметра, а на крупных деталях – даже нескольких миллиметров… Т.е. для обработки точных деталей или элементов, которые потом собирались в четко рассчитанные механизмы со строгими допусками и посадами, такая методика закалки не годилась никак. Конечно, можно было в итоге после термообработки деталь отшлифовать в нужный размер.
  1. НО, во - первых: шлифовать твердый каленый металл- дело непростое, трудное и дорогостоящее;

  2. Во – вторых: термические напряжения могли «вылезть» и после шлифовки, через месяц, два или даже позже с момента термоупрочения.


В процессе развития металлообработки и систем упрочения металлов, стали появляться термо-химические способы упрочения. Они давали более прочные детали, и теоретически приводили к меньшим термическим искажениям размеров. Первой был создана цементация, процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом.

АЗОТИРОВАНИЕ СТАЛИ И ЧУГУНА – ПОВЫШЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ДЕТАЛЕЙПри этом глубинные объемы детали оставались более пластичными и вязкими, чем поверхность. Поэтому трещины, которые возникали на поверхностном твердом и жестком слое, не развивались внутрь детали. И это было очень важное отличие от обычной закалки. Но цементация проходит при температуре в 850-950 градусов С, и такие температуры вновь приводят к появлению термических напряжений в деталях. Со всеми вытекающими последствиями.

В первом десятилетии 20-го века в России была разработана технологии азотирования стали. Т.е. насыщения поверхностного слоя стали соединениями азота- нитридами. Это очень твердые и жесткие соединения. Азотирование в газовой среде происходило уже при 700-800 градусов С. Термические искажения при такой технологии были уже заметно меньше, чем при цементации или закалке. А в последних десятилетиях 20-го века начало активно развиваться ионно-плазменное азотирование в техническом вакууме. Подробности по технологии азотирования тут.

При этой технологии основную роль в соединении железа и азота играла не температура, а работа тлеющего электрического разряда на поверхности стальной детали. Поэтому и температура процесса составляет всего 500-550 градусов. При такой температуре нагрева практически нет термических искажений. Поэтому в современном машиностроении азотирование путем ионно-плазменного процесса оказывается самым эффективным способом упрочения поверхности стальных деталей.