Азотирование стали

Азотированием называют процесс насыщения стали азотом. Основной целью азотирования является повышение поверхностной твердости и износостойкости, усталостной прочности и коррозийной стойкости.

Азотирование, в отличие от цементации, осуществляют на деталях после термической обработки (чаще всего, закалки с высокотемпературным отпуском) без допуска на последующую механическую обработку. Это объясняется тем, что азотированный слой имеет высокую твердость и не нуждается в последующей термической обработке, а размеры детали практически не изменяются.

Глубина азотирования зависит от температуры и длительности выдержки. Глубина диффузионного слоя подчиняется общей параболической зависимости. При температурах азотирования (500...600^оС) коэффициент диффузии очень мал и скорость роста азотированного слоя составляет приблизительно 0,01 мм в час. При азотировании получают слои толщиной 0,3...0,6 мм

Существует два вида азотирования: газовое – в атмосфере аммиака с нагревом в печи и ионное – в плазме тлеющего разряда.

Газовое азотирование проводят в железных герметических камерах, в которых аммиак диссоциирует по реакции: NH₃ Þ 3H + N_атом. Атомарный азот диффундирует в металл и образование фаз происходит в соответствии с метастабильной диаграммой Fe – N (рис. 17).

Рисунок 17 – Диаграмма состояния «железо - азот»

В метастабильной диаграмме Fe - N возможно образование следующих фаз:

- a-фазы (азотистого феррита, представляющего собой твердый раствор азота в Fe_a, растворимость азота в котором при 591^оС равна 0,1 %, а при комнатной температуре – 0,01%);

- g-фазы (азотистого аустенита, существующего как равновесная фаза выше эвтектоидной температуры 591⁰С с максимальной растворимостью азота, равной 2,8 %);

- g^¢-фазы (нитрида Fe₄N c ГЦК решеткой);

- e - фазы (нитрида Fe₃N с ГЦК решеткой).

Твердость a-, g- и ε-фаз и продуктов их распада не превышает 300 HV, а твердость g¢- фазы равняется 450..500 НV.

ε-фаза имеет повышенную коррозийную стойкость на воздухе и в воде.

В случае азотирования при температурах ниже эвтектоидной (500..550^оС) азотированный слой согласно диаграмме состоит из ε + g + a. Наиболее твердым является нижний a-слой, благодаря дисперсным нитридам, которые выделяются из феррита при понижении температуры в результате уменьшения растворимости. g – слой очень тонкий и чаще всего не наблюдается, а ε-слой – малопрочный и хрупкий.

При азотировании выше эвтектоидной температуры (600...650^оС) дополнительно может образовываться g-фаза. При медленном охлаждении g-фаза распадается на эвтектоид (так называемый браунит ), а при быстром – превращается в мартенсит с твердостью до 700 НV.

Легирующие элементы изменяют растворимость азота в a-фазе, могут растворяться в a- и g¢- фазах, а также образуют самостоятельные нитриды. Наличие легирующих элементов не изменяет кинетику образования азотированного слоя. Нитриды легирующих элементов образуются как при температуре азотирования, так и при охлаждении от температуры азотирования в результате уменьшения растворимости азота в основных фазах.

Со многими легирующими элементами азот образует нитриды (CrN, Сr2N, ТiN, AlN и другие). Высокая твердость слоя после азотирования объясняется большой дисперсностью нитридов и их термической стойкостью против коагуляции при нагревании.

При азотировании обычной стали без легирующих элементов невозможно получить высокую твердость из-за коагуляции нитридов в процессе азотирования. Более высокая твердость достигается при азотировании специально легированных сталей, которые содержат активные нитридообразующие элементы: Cr, Mo, Al, V, Ti. Такие стали называют нитраллоями. Наиболее распространенным нитраллоем является сталь 38Х2НМЮА, комплексное легирование которой позволяет получить твердость азотированного слоя до 1200 HV.

Наиболее высокие значения твердости и износостойкости азотированного слоя достигают после азотирования нитраллоев при 500-520^°С. При повышении температуры азотирования твердость слоя снижается (рис. 18 ).

Рисунок 18 - Влияние температуры азотирования на твердость нитраллоев(1), легированных среднеуглеродистых конструкционных сталей(2(, углеродистых сталей (3)

По сравнению с цементированным азотированный слой имеет большую износостойкость, но более тонкий азотированный слой выдерживает меньшие контактные нагрузки.

Азотирование обычных хромоникелевых конструкционных сталей применятся для повышения усталостной прочности, что обеспечивается наличием сжимающих напряжений на поверхности, которые возникают в результате увеличения объема поверхностного слоя при образовании фаз.

Повышение коррозийной стойкости достигается азотированием при 600…700⁰С в течение 0,5…1 часа. При этом на поверхности образуется сплошной слой ε-фазы с высокими антикоррозионными свойствами.

Ионное азотирование применяют для активации процессов, при этом общее время процесса сокращается в 2-3 раза и повышается качество слоя. Насыщение проводят в стальном контейнере, который является анодом, при напряжении до 1000 В и давлении 10...30 Па в газовой среде, содержащей азот. Обрабатываемые детали служат катодом. Под воздействием электрического поля между контейнером и деталями рабочий газ, который содержит азот, ионизируется и положительные ионы бомбардируют поверхность детали с высокой кинетической энергией. Поверхность при этом нагревается до 450...500^оС, происходит поглощение и последующая диффузия азота в глубину детали.

Ионное азотирование эффективно только в случае получения азотированного слоя малой толщины (до 0.3 мм). При азотировании на большую толщину преимущество ионного азотирования по сравнению с газовым теряется.

После ионного азотирования поверхностный слой получается менее хрупким по сравнению с газовым, что обусловлено практически полным отсутствием хрупкой ε-фазы.