Упрочняющее азотирование.

Азотирование стали

Насыщение стали азотом называется азотированием. Азотирование также, как и цементация является методом поверхностного упрочнения стали. Однако по сравнению с цементацией азотирование имеет ряд преимуществ:

1. более высокая поверхностная твердость, которая сохраняется при нагреве до высоких температур (600-650°С ), тогда как твердость цементованного слоя с мартенситной структурой сохраняется только до 200-250 °С ;

2. большая устойчивость против износа, действия знакопеременных нагрузок;

3. сопротивление коррозии в атмосфере, в воде, паре;

4. меньшая деформация и коробление;

5. не требует последующей термической обработки;

Недостатком азотирования является значительно большая продолжительность процесса, т.к. оно проводится в основном для легированных сталей и при более низких температурах по сравнению с цементацией. Азотирование широко применяется для шестерен, цилиндров мощных двигателей, многих деталей станков, втулок насосов и др. Азотирование чаще всего проводят в атмосфере аммиака NH₄, который при повышенных температурах диссоциирует

2 NH₃→ 2N (атом) + 6Н

с образованием активных атомов азота. Атомы азота адсорбируются поверхностью стали диффундируют в глубь, образуя железистоазотистые фазы.

В системе Fe - N возможно образование следующих фаз:

→- азотистый феррит 0,42 %N при 590° и 0.01%N при 20° ;

→- азотистый аустенит существует при t > 590 ° ;

→ - нитрид Fe₄ N, содержащий 5,7%N;

→ - нитрид Fe₂ N, содержащий от 8,1 до 11,1% N.

Если проводить азотирование при t₁ < 590⁰ С, то в поверхностном слое будут образовываться фазы, соответствующие диаграмме Fe-N.

Основные цели азотирования:

1. повышение твердости, износостойкости поверхности;

2. повышение усталостной прочности;

3. повышение сопротивления коррозии.

От цели азотирования зависит выбор режима процесса, а от последнего глубина и состав азотированного слоя. Различают упрочняющее азотирование и антикоррозионное.

При насыщении железа азотом не наблюдается повышение твердости; поэтому чистое железо не подвергают азотированию. При насыщении азотом стали на поверхности образуется карбонитридные фазы Fe₄ (N,C), Fe₃ (N,C) и Fe₂ (N,C). Азот образует нитриды со многими легирующими элементами (Мn, Сг, Ti, A1, V, Мо, Zr и др.) Дисперсные твердые нитриды легирующих элементов (VN, Cr₂N и др.) препятствуют движению дислокации и тем самым повышают твердость и прочность азотированного слоя (рис.81).

При низких температурах азотирования в твердом растворе образуется сегрегация азота, при более высокой температуре дисперсные нитриды. Наиболее сильно упрочняют при азотировании нитриды A1, Сг, Мо, V (рис.81а). Упрочняющему азотированию подвергают сталь со средним содержанием углерода 0,25-0,4% С. Наибольшее упрочнение вызывает азотирование сталей, легированных Сг, A1, Ti, Мо, и др.

Если от азотированного слоя требуется высокая твердость и износостойкость, то применяют сталь типа нитралоя, легированные молибденом и алюминием.

Технологический процесс изготовления детали из стали типа нитралой предусматривает:

1.Предварительную термическую обработку (улучшение) для повышения прочности и вязкости сердцевины деталей: 1зак. = 900-950°С охлаждение в масле, высокий отпуск при t = 600-675°С, превышающий температуру азотирования;

2.Механическую обработку деталей, вплоть до шлифования;

3.Защиту от азотирования отдельных частей детали, не подлежащих азотированию, оловом (0,01 -0,015мм) или жидким стеклом;

4. Азотирование при t = 500-520°С, время выдержки для получения ? = 0,3-0.6мм от 24 до 90 часов;

5. Окончательное шлифование.

Чем выше температура азотирования, тем ниже твердость азотированного слоя, что вызвано коагуляцией нитридов легирующих элементов.

Для ускорения процесса азотирования проводят ступенчатое азотирование: 1-я стадия при t = 500-520°С, 2-я стадия при 540-600°С. Повышение температуры азотирования вызывает увеличение деформации, без существенного понижения твердости, значительно (в 2-3 раза) сокращается общее время при азотировании в тлеющем разряде (ионное азотирование), увеличивается в 1,5 раза скорость азотирования под влиянием ультразвука.