АЗОТИРОВ4НПЕ

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхност­ного слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и т.д. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементованной стали, и сохраняется при нагреве до высоких температур (550 – 600 °С), тогда как твердость цементованного слоя сохраняется только до 200 – 225°С.

Механизм образования азотированного слоя. В сплавах железа с азотом образуются следующие фазы (рис. 1): твердый раствор азота в α-железе (α-фаза); γ'-фаза – твердый раствор на основе нитрида железа Fe₄N (5,7 – 6,1 % N); ε-фаза – твердый раствор на базе нитрида железа Fe₃N (8 –

11,2 % N). В сплавах с 11,35% N при 450 ⁰С возможно образование ζ-фазы Fe₂N.

При температуре выше 591 ⁰С существует γ-фаза, которая представляет собой твердый раствор азота в γ-железе.

Азотирование проводят в атмосфере аммиака, который при нагреве диссоциирует по уравнению 2NН₃ → 2N + 6Н.

Образовавшийся атомарный азот диффундирует в железо. Если выполнять азотирование при температуре ниже 591°С, то в на­чальный момент насыщения на поверхности стали образуется α-фаза (рис. 1,а). По достижении предела насыщения α-фазы начинается образование следующей фазы, стабильной при данной температуре, а именно γ'-фазы. При дальнейшем насыщении азотом образуется ε-фаза. Следовательно, в результате диффузии в азотированном слое располагаются в поверхност­ной зоне наиболее богатая азотом ε-фаза, несколько ниже γ'- и α-фаза.

С понижением температуры ε- и α-фазы в соответствии с диаграммой состояния (см. рис. 1, в) распадаются, выделяя избыточную γ'-фазу. В свя­зи с этим после медленного охлаждения фазы в диффузионном слое мож­но расположить в следующем порядке от поверхности к сердцевине: ε + γ'_п → γ' → α + γ' → α → сердцевина (с исходной структурой).

При выполнении азотирования выше 591°С, на­пример при t_д (рис. 1), сначала возникает α-фаза, затем по достижении ее предела насыщения образуется γ-фаза, после насыщения которой на по­верхности появляется γ'-фаза, и, наконец, ε-фаза. Таким образом, при тем­пературе диффузии азотированный слой состоит из следующих фаз (от поверхности к сердцевине): ε → γ' → γ → α. При медленном охлаждении ε- и α-фазы распадаются и выделяют избыточную γ'-фазу (Fe₄N), а γ-фаза претерпевает превращение, распадаясь на структуру α + γ'. Тогда при 20°С азотированный слой будет состоять из ε + γ' → γ' → α + γ' → α + γ'_п → α (см. рис. 1).

Переход от одной фазы к другой сопровождается резким перепадом концентрации азота, так как двухфазные слои (ε + γ' или α + γ') при темпе­ратуре насыщения железа азотом существовать не могут (см. рис. 1).

При насыщении легированных сталей при температуре диффузии могут образоваться многофазные слои.

Стали для азотирования. Твердость слоя, получаемого при азотировании железа, невелика, поэтому азотированию подвергают среднеуглеродистые легированные стали, которые приобретают особо высокую твер­дость и износостойкость.

Если главными требованиями, предъявляемыми к азотированному слою, являются высокие твердость и износостойкость, то применяют сталь 38Х2МЮА, содержащую 0,35-0,42%С; 1,35-1,65% Сr; 0,7-1,10% Аl и 0,15-0,25% Мо. Одновременное присутствие алюминия, хрома и молиб­дена позволяет повысить твердость азотированного слоя до НV 1200. Мо­либден, кроме того, устраняет отпускную хрупкость, которая может воз­никнуть при медленном охлаждении от температуры азотирования. Легирующие элементы, повышая твердость, одновременно уменьшают, при прочих равных условиях, толщину слоя. Для повышения коррозионной стойкости можно азотировать и углеродистые стали.

Износостойкость азотированной стали выше, чем цементованной и за­каленной.

Технология процесса азотирования. Технологический процесс предусма­тривает несколько операций, приведенных ниже.

1. Предварительная термическая обработка заготовки. Эта операция со­стоит из закалки и высокого отпуска стали для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине изделия.

Закалку стали 38Х2МЮА выполняют с нагревом до 930-950°С с охлаждением в воде или в масле. Отпуск проводят при высокой темпера­туре 600-675°С, превышающей максимальную температуру последующего азотирования и обеспечивающей получение твердости, при которой сталь можно обрабатывать резанием.

2. Механическая обработка деталей, а гакже шлифование, которое при­дает окончательные размеры детали.

3. Защита участков, не подлежащих азотированию, нанесением тонкого слоя (0,01—0,015 мм) олова электролитическим методом или жидкого

сте­кла. Олово при температуре азотирования расплавляется на поверхности стали в виде тонкой не проницаемой для азота пленки.

4. Азотирование.

5. Окончательное шлифование или доводка изделия.

Азотирование тонкостенных изделий сложной конфигурации рекомен­дуется выполнять при 500 – 520°С. Длительность процесса зависит от тре­буемой толщины азотированного слоя. Чем выше температура азотирова­ния, тем ниже твердость азотированного слоя и больше толщина слоя. Обычно при азотировании желательно иметь слой толщиной 0,3-0,6 мм. Процесс азотирования при 500 – 520°С в этом случае является продолжительным и составляет 24-60 ч.

В процессе насыщения азотом изменяются, но очень мало, размеры из­делия вследствие увеличения объема поверхностного слоя. Деформация возрастает при повышении температуры азотирования и толщины слоя.

Для ускорения процесса азотирования нередко применяют двухступен­чатый процесс: сначала азотирование проводят при 500 – 520°С, а затем при 540 – 560°С. При двухступенчатом процессе сокращается продолжи­тельность процесса, при этом сохраняется высокая твердость азотирован­ного слоя. Охлаждение после азотирования производят вместе с печью в потоке аммиака (до 200°С) во избежание окисления поверхности.