Азотирование стали: технология повышения твердости и коррозионной стойкости

Азотирование представляет собой разновидность химико-термической обработки, при которой поверхностные слои стальных изделий насыщаются азотом. Впервые этот процесс был осуществлен российским ученым Чижевским Н.П., а его промышленное внедрение началось в двадцатые годы прошлого столетия. В результате азотирования повышается не только твердость и износостойкость поверхности, но также значительно возрастает коррозионная стойкость обработанных деталей. Технология позволяет получать уникальное сочетание свойств, недостижимое при других видах упрочнения.

Технологический процесс азотирования осуществляется в герметичных печах, через которые с заданной скоростью пропускают газообразный аммиак (NH₃). При нагреве происходит диссоциация аммиака по реакции 2NH₃ → 2[N] + 3H₂, в результате чего образуется атомарный азот. Высокоактивные атомы азота поглощаются поверхностью металла и диффундируют вглубь изделия, формируя упрочненный слой. Фазы, образующиеся при азотировании обычных углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердости и отличаются повышенной хрупкостью.

Для эффективного азотирования применяют специальные стали, легированные алюминием, молибденом, хромом и титаном. Нитриды этих элементов, образующиеся в процессе обработки, имеют дисперсное строение, высокую твердость и термическую устойчивость. Типичными представителями азотируемых сталей являются марки 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю. Глубина и твердость азотированного слоя определяются тремя основными факторами: температурой процесса, продолжительностью выдержки и химическим составом обрабатываемой стали.

Разновидности и режимы азотирования. В зависимости от условий эксплуатации деталей различают два основных вида азотирования: для повышения поверхностной твердости и износостойкости, а также для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование). При первом варианте процесс проводят при температуре 500–560°С в течение 24–90 часов, поскольку скорость насыщения составляет всего 0,01 мм/ч. Содержание азота в поверхностном слое достигает 10–12%, толщина слоя (h) составляет 0,3–0,6 мм, а твердость приближается к 1000 HV. Охлаждение осуществляют вместе с печью в атмосфере аммиака.

Значительное сокращение времени обработки достигается при использовании ионного азотирования, которое основано на возбуждении тлеющего разряда между катодом (обрабатываемой деталью) и анодом (контейнерной установкой). В этом процессе происходит ионизация азотсодержащего газа, и положительные ионы, бомбардируя поверхность катода, нагревают ее до требуемой температуры. Стадия катодного распыления длится 5–60 минут при напряжении 1100–1400 В и давлении 0,1–0,2 мм рт. ст., рабочее напряжение составляет 400–1100 В, а общая продолжительность процесса сокращается до 24 часов.

Антикоррозионное азотирование применяют как для легированных, так и для углеродистых сталей при температуре 650–700°С в течение 10 часов. На поверхности формируется тонкий слой ε-фазы (твердого раствора на основе нитрида железа Fe₃N с гексагональной решеткой) толщиной 0,01–0,03 мм, обладающий высокой коррозионной стойкостью. Важно отметить, что азотированию подвергают окончательно обработанные детали, прошедшие полный цикл механической и термической обработки (закалку с высоким отпуском), при этом сердцевина изделия сохраняет структуру сорбита, обеспечивающую повышенную прочность и вязкость.

Цианирование и нитроцементация стали. Цианирование представляет собой химико-термическую обработку, при которой поверхность изделий одновременно насыщается углеродом и азотом. Процесс осуществляется в ваннах с расплавленными цианистыми солями, например, цианистым натрием (NaCN) с добавками хлоридов натрия и бария. При окислении цианистого натрия протекает реакция 2NaCN + O₂ → 2[N] + 2Na⁺ + 2CO, обеспечивающая образование атомарных азота и оксида углерода. Глубина слоя и концентрация в нем элементов зависят от температуры и продолжительности процесса.

Цианированный слой характеризуется высокой твердостью (58–62 HRC), хорошим сопротивлением износу, повышенной усталостной прочностью и коррозионной стойкостью. Продолжительность процесса составляет от 0,5 до 2 часов, что значительно меньше, чем при традиционной цементации. Различают высокотемпературное и низкотемпературное цианирование в зависимости от целей обработки.

Высокотемпературное цианирование (жидкостная цементация) проводят при 800–950°С, оно сопровождается преимущественным насыщением стали углеродом до концентрации 0,6–1,2%. Содержание азота в слое составляет 0,2–0,6% при толщине 0,15–2 мм. После обработки изделия подвергают закалке и низкому отпуску, получая структуру из тонкого слоя карбонитридов Fe₂(C, N) и азотистого мартенсита. По сравнению с цементацией этот метод обеспечивает большую скорость процесса, меньшую деформацию деталей и более высокую твердость поверхности.

Низкотемпературное цианирование проводят при 540–600°С для инструментов из быстрорежущих и высокохромистых сталей, оно сопровождается преимущественным насыщением азотом и является окончательной операцией термообработки. Основным недостатком цианирования остается высокая токсичность цианистых солей, что требует строгих мер безопасности.

Нитроцементация представляет собой газовое цианирование, осуществляемое в смесях цементующего газа с диссоциированным аммиаком. Состав газовой среды и температура процесса позволяют регулировать соотношение углерода и азота в насыщаемом слое. Высокотемпературную нитроцементацию (830–950°С) применяют для машиностроительных деталей из углеродистых и низколегированных сталей с последующей закалкой и низким отпуском, достигая твердости 56–62 HRC. На автомобильных заводах, в частности на ВАЗе, до 95% деталей подвергают именно нитроцементации.

Низкотемпературную нитроцементацию используют для упрочнения инструмента из быстрорежущей стали после завершения термической обработки. Процесс ведут при 530–570°С в течение 1,5–3 часов, формируя слой толщиной 0,02–0,04 мм с твердостью 900–1200 HV. Нитроцементация безопасна в работе, экономична и позволяет получать стабильные результаты в массовом производстве.

Диффузионная металлизация: виды и особенности. Диффузионная металлизация представляет собой химико-термическую обработку, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и другими металлами. В зависимости от насыщающего элемента различают хромирование, алитирование, силицирование и борирование. Процесс может осуществляться в твердых, жидких и газообразных средах, выбор которых определяется техническими возможностями и требованиями к качеству покрытия.

При твердой диффузионной металлизации в качестве металлизатора используют ферросплав с добавкой хлористого аммония (NH₄Cl). В результате взаимодействия металлизатора с HCl или Cl₂ образуются хлориды металлов (AlCl₃, CrCl₂, SiCl₄), которые при контакте с поверхностью диссоциируют, выделяя свободные атомы насыщающего элемента. Жидкая диффузионная металлизация осуществляется простым погружением детали в расплавленный металл, например, в алюминий. Газовая диффузионная металлизация проводится в среде хлоридов соответствующих металлов.

Диффузия металлов протекает значительно медленнее, чем диффузия углерода или азота, поскольку образуются растворы замещения. При одинаковых температурах диффузионные слои получаются в десятки и сотни раз тоньше, чем при цементации. Диффузионная металлизация является дорогостоящим процессом, требующим высоких температур (1000–1200°С) и длительной выдержки.

Основным свойством металлизированных поверхностей является жаростойкость, что позволяет изготавливать детали для работы при 1000–1200°С из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием или силицированием. Исключительно высокой твердостью (до 2000 HV) и сопротивлением износу характеризуются борированные слои за счет образования боридов железа (FeB, Fe₂B), однако они отличаются повышенной хрупкостью, что ограничивает их применение. Выбор конкретного вида диффузионной металлизации определяется комплексом требуемых эксплуатационных свойств и экономической целесообразностью.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Третьякова Н.В.

Источник: Лекции по материаловедению

Данные публикации будут полезны студентам, изучающим материаловедение и металлургию, инженерно-техническим работникам и специалистам, занятым в области машиностроения, а также всем, кто интересуется историей науки о металлах и современными тенденциями разработки новых материалов.