Азотирование

Азотированием называется ХТО, при которой поверхностный слой детали насыщается азотом. Процесс осуществляется в атмосфере аммиака, который при нагревании разлагается. При этом увеличиваются не только твердость и износостойкость, а также предел выносливости и коррозионная стойкость в таких средах, как воздух, вода, пар и т. д.

Азотирование широко применяется для зубчатых колес, цилиндров мощных двигателей, многих деталей станков и других изделий.

В зависимости от условий работы деталей различают две разновидности процесса: для повышения поверхностной твердости и износостойкости, а также для улучшения коррозионной стойкости.

Продолжительность процесса в обоих случаях зависит от требуемой толщины азотированного слоя. Чем выше температура насыщения, тем ниже твердость и больше его глубина. Снижение твердости насыщаемого слоя связано с коагуляцией частиц нитридов легирующих элементов.

 

Рис. 62 Диаграмма состояния Fe-N и строение азотированного слоя.

 

В первом случае детали насыщают азотом при 500 – 520°С, процесс продолжается от 24 до 90 ч (скорость составляет около 0,01 мм/ч). Содержание азота в поверхностном слое достигает 10 – 12 %, толщина - порядка 0,3 - 0,6 мм, твердость доходит до 1000 – 1200 единиц HV. Для ускорения процесса его проводят двух ступенчато: вначале при 500 – 520°С, а затем при 560 – 600°С. Последующее охлаждение осуществляют вместе с печью в потоке аммиака.

Во втором случае азотирование проводят при 650 – 700 °С. Скорость диффузии увеличивается, продолжительность процесса сокращается до нескольких часов. На поверхности изделий образуется слой толщиной 0,01 - 0,03 мм, который обладает высокой коррозионной стойкостью. Для сокращения длительности процесса применяют азотирование в плазме тлеющего разряда.

Механизм процесса в обоих способах описывается следующими превращениями, включающими диссоциацию аммиака и поглощение атомарного азота железом:

 

2NH₃ ® ЗН₂ + 2N_ат

 

N_ат ® Fe_a ® Fe_a(N) ® g'(Fe₄N) ® e(Fe_2-3N)

 

Азотированный слой на железе (рис.62) состоит из нитридной зоны, представляющей собой смесь твердых растворов на основе нитридов железа Fe_2-3N (e, 8,0 - 11,2 % N₂) и Fe₄N (g’, 5,60 - 5,95 % N₂), и подслоя азотистого феррита (a), в котором при охлаждении выделяется нитрид железа Fe₄N. При азотировании выше 600 °С между нитридным слоем и a-фазой образуется слой азотистого аустенита (g).

Насыщению азотом подвергают среднеуглеродистые легированные стали, содержащие хром (Сг), молибден (Мо), ванадий (V), вольфрам (W) и алюминий (А1) и приобретающие особо высокую твердость и износостойкость. При этом образуются нитриды Сг₂N, Mo₂N, VN и др., которые, выделяясь в a-фазе (азотистом феррите) в дисперсном виде, препятствуют движению дислокаций и тем самым повышают твердость азотированного слоя. Наиболее сильно это делают нитриды ванадия, хрома, молибдена, а также алюминий, который растворяется в g'-фазе.

Если главными требованиями, предъявляемыми к азотированному слою, является высокая твердость на поверхности до HV 1200 и износостойкость, то применяют сталь 38Х2МЮА (0,35 - 0,42%С, 1,35 - 1,65 % Сг, 0,70 - 1,10 % А1 и 0,15 - 0,25 % Мо). Молибден устраняет отпускную хрупкость в сплаве. В настоящее время для азотирования широко используют и другие конструкционные легированные стали.

В процессе насыщения азотом немного изменяются размеры изделия из-за увеличения объема поверхностного слоя. Деформация возрастает при повышении температуры азотирования и увеличении трещины слоя.

В последние годы получило распространение азотирование при 570°С в атмосфере, содержащей 50 % объемн. эндогаза и 50 % NH₃ или 50 % СН₄ и 50 % NH₃, а также в расплавленных солях (55 % NH₂CO + 45 % Na₂CO₃), через которые пропускается сухой воздух (соли расплавляют в титановых тиглях). В результате такой обработки на поверхности образуется тонкий слой карбонитрида Fe_2-3 (N, С), обладающий высокой твердостью (HV 600 - 1200) и износостойкостью. Такая обработка повышает предел выносливости.

Азотирование – завершающая операция при изготовлении деталей. Они подвергаются ей после окончательной механической и термической обработок – закалки с высоким отпуском. После этого в изделиях формируется структура сорбита, которая сохранится в его сердцевине и после насыщения и обеспечит ему повышенную прочность и вязкость. Такие детали имеют серый цвет.

Сравнивая цементацию и азотирование, можно отметить следующее: продолжительность первого вида обработки меньше; упрочненный слой получается более глубоким и допускает большие удельные давления при эксплуатации; но твердость науглероженного слоя в 1,5 - 2,0 раза меньше и сохраняется при нагреве только до 180 – 125°С, в то время как азотированный сохраняет твердость до 400 – 450°С.