Що спільного у твердого металу: сталі, заліза, чавуну, різноманітних сплавів, і всюдисущого газу азоту? Знаменитий булат і дамаська сталь, овіяні легендами, які навперебій розповідають, що «міцніше на світі металу не було і бути не може», певною мірою завдячують своєю незвичайною славою саме азоту. Один з різновидів легування – азотування дозволяє надати металам помітно поліпшують їх властивості.
У 1913 року російський вчений професор М.П.Чижевський опублікував у журналі «Известия Томського технологічного інституту» статтю «Залізо і азот», у якій вперше докладно описувався процес азотизації чи нітрування поверхневого шару стали. Бурхливий розвиток промислового застосування цієї технології відбувався у двадцяті роки минулого століття. Проте, історія азотування металів почалася набагато раніше.
Люди навчилися використати метали дуже давно. Те залізо, яке дало назву «залізному віку» первісних людей, за своїми механічними властивостями разюче відрізнялося від металів, якими майстерно користується сучасна людина. Різні добавки, що привносяться до цього металу в процесі виробництва або обробки, у тому числі і азот, дозволяють створювати з нього сталі, чавуни та сплави з дивовижними властивостями.
Досвід поводження із залізом та іншими металами по крихтах збирався протягом тисячоліть. Одним з результатів цих численних експериментів стали древні розповіді про загублені нині таємниці виготовлення дивовижних булатних клинків, здатних розрубати будь-які обладунки і шовкову хустку, що легко розрізала впала на них. У спробах відновити ці секрети з’явилися нові технології та матеріали з ще більш цікавими та цінними, ніж у булатної стали властивостями.
У книзі «Про булати» російського металурга П.П.Аносова, що вийшла в 1841 році, зібрані підсумки його довгих досліджень з відновлення стародавніх технологій отримання булату. Ці досліди не лише відродили старовинний рецепт виготовлення дамаської сталі. Вони мали велике значення у подальшому розвитку металургії. Давня та відроджена дамаська сталь стала прообразом усіх сучасних легованих сталей: надміцних, швидкорізальних, жароміцних, зносостійких, кислототривких та інших.
Ті трави, які додавали майстри при варінні свого варіанту хорасану, булату, утцю або дамаска, містили у своєму складі різноманітні мінеральні речовини, які діяли на сталь, що готується, як легуючі добавки. Серед них був і азот. У сучасному виробництві легуючі добавки є у вигляді хімічно чистих речовин, кількість яких визначена точними формулами, залежно від запланованих властивостей майбутнього матеріалу.
Як за допомогою азотування досягають міцності металу?
Чистий азот у газоподібному вигляді занадто інертний, тому для азотування металів необхідно його перетворення на більш активне, легко розкладається речовина, наприклад, аміак. Атомарний азот, що вивільняється в момент розкладання, проникає вглиб металу. При контакті з чавуном або сталлю в процесі легування утворюється нітрид заліза, який і відповідальний за зміцнення верхнього шару металу. Проростаючи кристалами у товщі сталі, він допомагає утворити досить міцну структуру.
Газове азотування проводять у середовищі дисоційованого аміаку. При цьому для повчання сталей та чавунів із певними властивостями застосовують різні методи управління структурою азотованого шару. Це, своєю чергою, впливає механічні властивості поверхні цих матеріалів. Для цього процес насичення азотом проводять у двоступінчастому або триступінчастому температурний режим. Крім того, аміак для нітрування може бути розведений повітрям чи воднем. При каталітичному газовому азотуванні також застосовується аміак. Дія каталізатора дозволяє проводити азотування при менших температурах, ніж за звичайної газової азотізації.
Готові металеві вироби часто насичують азотом методом іонно-плазмового азотування. Це відбувається в азотовмісному вакуумі за допомогою тліючого електричного розряду. Як анод працюють стінки камери нагріву, а катодом служить сам виріб.
При такому легуванні азотом для досягнення певних властивостей кінцевого продукту, наприклад поліпшення структури верхнього шару або зміни його механічних якостей, крім регулювання щільності струму і ступеня розрядження, досить часто застосовують додаткові добавки. Для цього використовують аргон, водень та кисень високого ступеня очищення. Місця на металевих деталях, що не підлягають азотуванню, покривають тонким шаром олова, закриваючи доступ азоту вглиб заліза.
Плюси використання азоту у збільшенні міцності металів
Азот, застосовуваний як легуюча добавка, змінює властивості металу його поверхневому шарі. В результаті поверхня металевої деталі стає міцнішою і твердішою, краще протистоїть корозії, підвищується його зносостійкість і теплостійкість, в ньому довше не проявляються ознаки «втоми» металу. Все це значно збільшує термін служби та надійність деталей, виготовлених із цього матеріалу.
Азот надає швидкорізальним сталям додаткову міцність і здатність тонше і гостріше загострюватися. Нітрований високоміцний магнієвий чавун використовують для виготовлення таких відповідальних деталей, як колінчасті вали тепловозів. Нітрування підвищує зносостійкість металу в кілька разів у порівнянні зі зразками, що не містять азоту. Він також підвищує стійкість сталей до досить агресивних для них середовищ: перегрітої пари, водопровідної води та слабких лужних розчинів.
Цікаві факти
Азотована сталь здатна зберігати твердість і не втрачати гостроти навіть при нагріванні понад 500 градусів за шкалою Цельсія протягом кількох годин. На жаль, занадто довгий перегрів такої сталі, все ж таки призводить до розтріскування металу, але, тільки після того, як випарується верхній, насичений азотом шар.
Однією з ілюстрацій до досить відомої книги «Сучасна металургія», написаної Ф.Т.Сіско, служить зображення клинка та піхов. Підпис під ним каже «Клинок з дамаської сталі». Якщо розглянути цю фотографію при невеликому збільшенні, можна побачити, що покриту характерними для дамаської сталі візерунками поверхня стародавньої східної зброї прикрашає двоголовий орел і напис Золотоуст.
Це свідчить, що російський булат, відтворений П.П. Аносовим, ідентичний за властивостями давніх східних зразків. Фахівці, які досліджували цей зразок, не знайшли різниці між ним та його старовинними східними аналогами. Це не дивно, оскільки зразки такого булату неодноразово виправдовували свою назву. На різноманітних міжнародних виставках клинки Аносова легко розрубали зразки найбільш високоякісної англійської та німецької сталі, що вважалася на той час, і не містила легуючих добавок, однією з яких був азот.
Для посилення міцності та гостроти лез своїх варіантів булатних клинків, стародавні майстри разом з іншими травами додавали в них при варінні коріння звичайного гороху або квасолі. Покращував якості матеріалу азот, який ці рослини здатні накопичувати у своїх бульбах – невеликих потовщеннях коренів, що містять азотфіксуючі бактерії.
На території України реалізацією азоту та інших промислових газів займається Компанія “DP Air Gas”. Тут можна придбати технічні гази високого ступеня очищення та їх суміші. Більш докладний перелік товарів та послуг, що пропонуються Компанією, можна знайти тут
