Прочность металла (применение азота)

Что общего у твердого металла: стали, железа, чугуна, разнообразных сплавов, и вездесущего газа азота? Знаменитый булат и дамасская сталь, овеянные легендами, наперебой рассказывающими, что «прочнее на свете металла не было и быть не может», в какой-то мере обязаны своей необыкновенной славой именно азоту. Одна из разновидностей легирования – азотирование позволяет придать металлам заметно улучшающие их характеристики свойства.

В 1913 году русский ученый профессор Н.П.Чижевский опубликовал в журнале «Известия Томского технологического института» статью «Железо и азот», в которой впервые подробно описывался процесс азотизации или нитрирования поверхностного слоя стали. Бурное развитие промышленного применения этой технологии происходило в двадцатые годы прошлого века. Но, история азотирования металлов началась задолго до этого.

Люди научились использовать металлы очень давно. То железо, которое дало название «железному веку» первобытных людей, по своим механическим свойствам разительно отличалось от металлов, которыми искусно пользуется современный человек. Различные добавки, привносимые в этот металл в процессе производства или обработки, в том числе и азот, позволяют создавать из него стали, чугуны и сплавы с удивительными свойствами.

Опыт обращения с железом и другими металлами по крупицам собирался на протяжении тысячелетий. Одним из результатов этих многочисленных экспериментов стали древние повествования об утерянных ныне тайнах изготовления удивительных булатных клинков, способных разрубить любые доспехи и легко разрезавших упавший на них шелковый платок. В попытках восстановить эти секреты появились новые технологии и материалы с еще более интересными и ценными, чем у булатной стали свойствами.

В вышедшей в 1841 году книге «О булатах» русского металлурга П.П.Аносова собраны итоги его долгих исследований по восстановлению древних технологий получения булата. Эти опыты не только возродили старинный рецепт изготовления дамасской стали. Они имели большое значение в дальнейшем развитии металлургии. Древняя и возрожденная дамасская сталь стала прообразом всех современных легированных сталей: сверхпрочных, быстрорежущих, жаропрочных, износостойких, кислотоупорных и других.

Те травы, которые добавляли мастера при варке своего варианта хорасана, булата, вутца или дамаска, содержали в своем составе разнообразные минеральные вещества, которые действовали на приготовляемую сталь как легирующие добавки. Среди них был и азот. В современном производстве легирующие добавки присутствуют в виде химически чистых веществ, количество которых определено точными формулами, в зависимости от запланированных свойств будущего материала.

Как с помощью азотирования добиваются прочности металла?

Чистый азот в газообразном виде слишком инертен, поэтому для азотирования металлов необходимо его превращение в более активное, легко разлагающееся вещество, к примеру, аммиак. Атомарный азот, высвобождающийся в момент его разложения, проникает вглубь металла. При его контакте с чугуном или сталью в процессе легирования образуется нитрид железа, который и ответственен за упрочнение верхнего слоя металла. Прорастая кристаллами в толще стали, он помогает образовать достаточно прочную структуру.

Газовое азотирование проводят в среде диссоциированного аммиака. При этом для поучения сталей и чугунов с определенными свойствами применяют разные методы управление структурой азотированного слоя. Это, в свою очередь, влияет на механические свойства поверхности этих материалов. Для этого процесс насыщения азотом проводят в двухступенчатом или трехступенчатом температурном режиме. Кроме того, аммиак для нитрования может быть разбавлен воздухом или водородом. При каталитическом газовом азотировании тоже применяется аммиак. Действие катализатора позволяет проводить азотирование при меньших температурах, чем при обычной газовой азотизации.

Готовые металлические изделия часто насыщают азотом с помощью метода ионно-плазменного азотирования. Это происходит в азотсодержащем вакууме посредством тлеющего электрического разряда. В качестве анода работают стенки камеры нагрева, а катодом служит само изделие.

При таком легировании азотом, для достижения определенных свойств конечного продукта, например улучшения структуры верхнего слоя или изменения его механических качеств, кроме регулирования плотности тока и степени разряжения, достаточно часто применяют дополнительные добавки. Для этого используют аргон, водород и кислород высокой степени очистки. Места на металлических деталях, не подлежащие азотированию покрывают тонким слоем олова, закрывая доступ азоту вглубь железа.

Плюсы использования азота в увеличении прочности металлов

Азот, применяемый как легирующая добавка, изменяет свойства металла в его поверхностном слое. В результате поверхность металлической детали становится прочнее и тверже, лучше противостоит коррозии, повышается его износостойкость и теплостойкость, в нем дольше не проявляются признаки «усталости» металла. Все это значительно увеличивает срок службы и надежность деталей, изготовленных из этого материала.

Азот придает быстрорежущим сталям дополнительную прочность и способность тоньше и острее затачиваться. Нитрированный высокопрочный магниевый чугун используют для изготовления таких ответственных деталей, как коленчатые валы тепловозов. Нитрование повышает износостойкость металла в несколько раз по сравнению с образцами, не содержащими азот. Он также повышает стойкость сталей к достаточно агрессивным для них средам: перегретому пару, водопроводной воде и слабым щелочным растворам.

Интересные факты

Азотированная сталь способна сохранять твердость и не терять остроты даже при нагреве свыше 500 градусов по шкале Цельсия в течение нескольких часов. К сожалению, слишком долгий перегрев такой стали, все же приводит к растрескиванию металла, но, только после того, как испарится верхний, насыщенный азотом слой.

Одной из иллюстраций к достаточно известной книге «Современная металлургия», написанной Ф.Т.Сиско, служит изображение клинка и ножен. Подпись под ним гласит «Клинок из дамасской стали». Если рассмотреть эту фотографию при небольшом увеличении, можно увидеть, что покрытую характерными для дамасской стали узорами поверхность «древнего восточного оружия» украшает двуглавый орел и надпись «Златоустъ».

Это доказывает, что русский булат, воссозданный П.П. Аносовым, идентичен по свойствам древним восточным образцам. Специалисты, исследовавшие этот образец, не нашли разницы между ним и его старинными восточными аналогами. Это неудивительно, поскольку образцы такого булата неоднократно оправдывали свое название. На разнообразных международных выставках клинки Аносова легко разрубали образцы считавшейся в то время наиболее высококачественной английской и немецкой стали, не содержавшей легирующих добавок, одной из которых был азот.

Для усиления прочности и остроты лезвий своих вариантов булатных клинков, древние мастера вместе с другими травами добавляли в них при варке корни обычного гороха или фасоли. Улучшал качества материала азот, который эти растения способны накапливать в своих клубеньках – небольших утолщениях корней, содержащих азотфиксирующие бактерии.

На территории Украины реализацией азота и других промышленных газов занимается Компания «DP Air Gas». Здесь можно приобрести технические газы высокой степени очистки и их смеси. Более подробный перечень товаров и услуг, предлагаемых Компанией можно найти здесь.