Азотування застосовують в машинобудуванні для виготовлення вимірювального інструменту, гільз, циліндрів, зубчастих коліс, шестерень, втулок, колінчастих валів і ін.
Ціануванням (нітроцементацією) називається процес спільного насичення поверхні сталевих деталей азотом і вуглецем. Основна мета ціанування полягає в підвищенні твердості і зносостійкості деталей.
При ціануванні нагрів здійснюється або в розплавлених солях, що містять ціаністі солі NACN або KCN, або в газовому середовищі, що складається з суміші СН4 і NH3. Склад і властивості ціанованого шару залежать від температури проведення ціанування.
Залежно від температури процесу розрізняють високотемпературне (850-950 °С) і низькотемпературне (500-600 °С) ціанування. Чим вище температура ціанування, тим менше насичення поверхневого шару азотом і більше вуглецем. Спільна дифузія вуглецю і азоту протікає швидше, ніж дифузія кожного з цих елементів окремо.
При низькотемпературному ціануванні поверхневий шар насичується переважно азотом. Низькотемпературному ціануванню зазвичай піддають остаточно виготовлений і заточений ріжучий інструмент з швидкорізальних марок сталі з метою підвищення його зносостійкості і червоностійкості. Після низькотемпературного ціанування відпустка не виробляється. Глибина ціанованого шару 0,01-0,04 мм з твердістю 1000 HV.
Після високотемпературного ціанування на глибину 0,6-1,8 мм протягом 3-10 ч деталі піддають гарту і низькому відпуску. Твердість після термообробки складає 59-62 HRC.
В порівнянні з цементованим ціанований шар має декілька вищу твердість і зносостійкість, а також вищий опір корозії. У ваннах можна піддавати ціануванню дрібні деталі, наприклад деталі годинникових механізмів, для яких достатнє здобуття шару невеликої товщини.
Недоліком ціанування є вища вартість процесу, пов'язана з необхідністю строгого дотримання правил техніки безпеки із-за високої токсичності ціаністих солей.
Дифузійною металізацією називається процес дифузійного насичення поверхневих шарів сталі різними металами. Деталі, поверхня яких насичена алюмінієм, хромом, кремнієм, бором, набувають ряду цінних властивостей, наприклад жаростійкість, корозійну стійкість, підвищену зносостійкість і твердість.
Металізація буває тверда, рідинна і газова. При рідинній металізації сталеву деталь занурюють в розплав металу. При твердій і газовій металізації насичення відбувається за допомогою летких з'єднань хлору з металом АlСl3, CrCl3, SiCl4, які при температурі 100-1100 °С вступають в змінну реакцію із залізом з утворенням дифундуючого елементу в активному стані.
При алітуванні, тобто насиченні алюмінієм, яке зазвичай проводиться в порошкоподібних сумішах або розплавленому алюмінії, деталі набувають підвищеної корозійної стійкості завдяки утворенню щільної плівки Аl2O3, що оберігає метал від окислення. Товщина шару складає 0,2-0,5 мм.
При хромуванні забезпечується висока стійкість проти газової корозії до 800 °С, а також стійкість проти корозії у воді, морській воді і кислотах. Товщина шару складає до 0,2 мм.
Силіціювання, тобто насичення кремнієм, додає високу кислототривкість в соляній, сірчаній і азотній кислотах і застосовується для деталей, використовуваних в хімічній і нафтовій промисловості; товщина шару лежить в межах 0,3-1,0 мм.
Борірування додає поверхневому шару виключно високу твердість (до 1800-2000 HV), зносостійкість і стійкість проти корозії в різних середовищах. Борірування часто проводять при електролізі розплавлених солей, наприклад бура Na2B4O7 · 10Н2О;; сталева деталь служить катодом. При температурі біля 150°С і витримки 205 год. на поверхні утворюється твердий борід заліза, і товщина шару досягає 0,1-0,2 мм [9 Солнцев, с.287].
При зіткненні часток високих енергій з поверхнею твердого тіла створюються умови для утворення хімічних сполук і проникнення часток в поверхневий шар без об'ємного нагріву тіла. На цьому явищі базуються вакуумні іонно-плазмові методи модифікування поверхневих шарів виробів. Енергію часток можна варіювати в широких межах, а додаткова теплота може виділятися за рахунок протікання екзотермічних реакцій при утворенні хімічних сполук.
Найбільш перспективними методами модифікування поверхневих шарів машинобудівних деталей є іонно-дифузійне модифікування в тліючому розряді, іонна імплантація (іонне легування), комбінації іонно-плазмових методів з лазерною або електронно-променевою обробкою.
Приклад іонно-дифузійного модифікування - іонне азотування. Воно реалізується в тліючому розряді постійної напруги в середовищі азоту або аміаку. Іони азоту, ударяючись об оброблювану сталеву деталь, що є катодом, осідають на ній, а потім дифундують углиб, оскільки поверхня катода розігрівається при бомбардуванні іонами з енергією в декілька сотень електрон-вольт до 500-600 °С. При зіткненні іонів з поверхнею деталі відбувається її очищення від адсорбованих і оксидних плівок, що перешкоджають проведенню звичайного азотування деяких сталей, наприклад корозійностійких (неіржавіючих) сталей. Тривалість іонного азотування скорочується в порівнянні із звичайним часом, температура процесу знижується, а механічні властивості поверхневого шару підвищуються.
Окрім азотування іонно-дифузійними методами, можуть бути здійснена цементація, силіціювання, борірування і комплексне насичення (карбонітрірування і так далі) поверхневих шарів сталевих виробів модифікуючими елементами.
Іонна імплантація заснована на тому, що при підвищенні енергії бомбардуючих іонів останні проникають всередину кристалічної решітки металу, легуючи поверхневий шар і зміцнюючи його за рахунок спотворення решітки. Енергія іонів при імплантації складає 10-200 кеВ, а щільність іонних пучків - 1015-1018 частиц на 1см2. За допомогою іонної імплантації можна здійснити азотування, борірування, оксидування поверхневого шару виробів і легування його різними металами. При іонній імплантації зносо - і корозійна стійкість поверхневих шарів сталевих деталей підвищуються без зміни розмірів останніх (табл.3.1). При реалізації даного методу можна отримати в поверхневому шарі такі фази, які неможливі в рівноважному стані, наприклад із-за обмеженої взаємної розчинності компонентів. Основними недоліками методу є відносно висока вартість устаткування, неможливість обробки виробів складної форми, а також мала товщина імплантованого шару.
Таблиця 3.1
Приклади вживання іонної імплантації в техніці [1 Гольчевская, с.138]
| Оброблювані вироби | Матеріал | Режим обробки (ионов/см2) | Результат |
| Різаки паперу | Сталь (1% З, 1, 6%Сг) | 8*1017 | Збільшення терміну служби різаків в 2 рази |
| Мітчики для пластиків | Швидкорізальна сталь | 8*1017 | Збільшення терміну служби мітчиків в 5 разів |
| Вкладиші штампів | Сталь (4%N, 1%С) | 4*1017 | Зниження налипання штампованого матеріалу на вкладиш |
До перспективних методів поверхневого модифікування конструкційних матеріалів відносять лазерне поверхневе і електронно-променеве легування.
Лазерне поверхневе легування характеризується, як і лазерне гартування, інтенсивною короткочасною тепловою дією на поверхневий шар виробу, який залежить від щільності енергії лазерного випромінювання, що підводиться до поверхні, і тривалості опромінення. При лазерному легуванні теплова дія поєднується з підведенням до поверхні виробу легуючих елементів.
Для цього на оброблювану лазером поверхню заздалегідь наносять тонке покриття з легуючого елементу (наприклад, методом плазмового напилення в поверхневий шар перед лазерною обробкою). Можлива і одночасна подача легуючого елементу в зону обробки у момент лазерного опромінення. Лазерна обробка викликає проплавлення поверхневого шару і змішування легуючого елементу з матеріалом підстилаючого шару. Подальша швидкісна кристалізація в металі завершується утворенням метастабільних фаз, склад яких може різко відрізнятися від рівноважного.
Лазерне легування вуглецевих сталей дозволяє отримувати поверхневі шари виробів з необхідною структурою і комплексом властивостей.
Добрі результати досягнуті при обробці скануючим лазерним променем сталевих виробів, покритих порошками хрому і нікелю; при цьому істотно підвищуються зносостійкість і корозійна стійкість виробів.
Електронно-променеве поверхневе легування сталей здійснюється у вакуумі при опроміненні виробу потоком електронів. Воно дає результати, схожі з результатами лазерного легування.
Можливе як попереднє, так і одночасне підведення легуючих елементів в зону обробки.
Вживання електронно-променевого і лазерного легування, а також іонно-плазмових методів зміцнення сталей обмежено із-за складності технічного устаткування і високої вартості ведення процесів.
Проте потенційні можливості високоенергетичних методів модифікування поверхневих шарів металевих виробів такі, що масштаби їх вживання безперервно зростатимуть, особливо в авіації, космонавтиці і атомній енергетиці [1 Гольчевская, с.137-139].
Завданням розробки технології плазмового зміцнення є здобуття на деталі зміцненого шару із заданими експлуатаційними характеристиками (зносостійкість, міцність, тріщиностійкість, витривалість і ін.).