3. АЗОТИРОВАНИЕ

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и др. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем твердость цементованного, и сохраняется при нагреве до высоких температур (450-500 °С), тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200-225 °С.

Азотирование ведут в диссоциированном аммиаке

На обрабатываемой поверхности происходит диссоциация с образованием ионов азота, которые адсорбируются поверхностью и диффундируют в глубь металла.

Рис. 150. Диаграмма состояния железо — азот

Если процесе азотирования ведут при температуре ниже эвтектоидной температуры (рис. 150), то азот первоначально диффундирует в -фазу (азотистый феррит), а после достижения предела растворимости образуются нитриды (-фаза) и При температуре насыщения азотированный слой состоит из -фазы, а после охлаждения вследствие распада и а-фаз (рис. 150) из а -фазы (рис. 151). Когда азотирование ведут при температуре выше 591 °С(рис. 150), образуется азотистый аустенит (у-фаза), который при охлаждении распадается на смесь азотистого феррита (-фаза) и нитрида (-фаза). Поэтому в диффузионном слое под слоем нитридов ( и -фаз) образуется слой -фазы, который при охлаждении испытывает эвтектоидное превращение (рис. 151, б). Переход от одной фазы к другой сопровождается резким перепадом концентрации

Рис. 151. Микроструктура азотированного слоя на железе (а и б), и стали (в): а, в — азотирование при - авотирование при

Рис. 152. Изменение концентрации по толщине азотированного слоя на железе (схема): а — азотирование при температуре ниже эвтектоидной; б - азотирование при температуре выше эвтектоидной (в скобках указан фазовый состав пооле охлаждения)

азота (рис. 152). Твердость азотированного слоя на железе невелика Поэтому азотированию подвергают среднеуглеродистые стали, легированные которые приобретают высокую твердость и износостойкость при азотировании. В легированной стали на поверхности образуются легированные и -фазы: Такие элементы, как и другие, растворенные в феррите (подслой), повышают растворимость азота в -фазе и образуют специальные нитриды и (см. рис. 151, в).

При низких температурах азотирования в -твердом растворе первоначально образуются сегрегации типа зон Гинье—Престона. При более высоких температурах возникают дисперсные нитриды легирующих элементов . Зоны Гинье—Престона и обособленные выделения нитридов препятствуют движению дислокаций и тем самым повышают твердость азотированного слоя. Наиболее сильно повышают твердость . Толщину блоя легирующие элементы уменьшают.

Если главными требованиями, предъявляемыми к азотированному слою, являются высокие твердость на поверхности и износостойкость, то применяют сталь содержащую остальное Одновременное присутствие алюминия, хрома и молибдена позволяет повысить твердость азотированного слоя на поверхности до Молибден, кроме того, устраняет отпускную хрупкость, которая может возникнуть при медленном охлаждении от температуры азотирования.

Однако алюминий придает азотированному слою повышенную хрупкость. Поэтому все шире применяют стали, легированные Эти стали имеют пониженную твердость на поверхности но при прочих равных условиях большую эффективную толщину азотированного слоя (до что позволяет сократить длительность процесса. Для повышения коррозионной стойкости можно азотировать и углеродистые стали.

Износостойкость азотированной стали выше, чем износостойкость цементованной и закаленной. В азотированном слое возникают остаточные напряжения сжатия, величина которых на поверхности составляет 600-800 МПа. Это повышает предел выносливости и переносит очаг усталостного разрушения под азотированный слой. Предел выносливости гладких образцов возражает на а при наличии концентраторов напряжений (острых надрезов) — более чем на

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.

Отпуск проводят при высокой температуре превышающей максимальную температуру последующего азотирования и обеспечивающей получение твердости, при которой сталь можно обрабатывать резанием. Структура стали после этого отпуска — сорбит.

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

3. Защита участков, не подлежащих азотированию, нанесением тонкого слоя 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 из стали рекомендуется выполнять при Длительность процесса зависит от требуемой толщины азотированного слоя. Чем выше температура азотирования, тем ниже твердость азотированного слоя и больше толщина слоя (рис. 153). Снижение твердости азотированного слоя связано с коагуляцией нитридов легирующих элементов. Обычно при азотировании желательно иметь слой толщиной мм. Процесс азотирования при 500-520 °С в этом случае является продолжительным и составляет 24-60 ч.

Для ускорения процесса азотирования применяют двухступенчатый процесс: сначала азотирование проводят при 500-520 °С, а затем при 540-560 °С. При двухступенчатом процессе

Рис. 153. Влияние температуры и продолжительности процесса на поверхностную твердость (а) и эффективную толщину азотированного слоя (б): 1 - оталь 38X2MIOA; 2 - конструкционные среднеуглеродистые легированные стали, не содержащие алюминий; 3 — углеродистые стали (0,2-0,4 % С)

сокращается продолжительность процесса, при этом сохраняется высокая твердость слоя.

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

Стали, не содержащие алюминий (-стали), азотируют при 570 °С в течение 6-10 ч, что обеспечивает достаточную толщину слоя мм, высокую твердость и износостойкость. Охлаждение после азотирования проводят вместе с печью в потоке аммиака (до 200 °С) во избежание окисления поверхности.

Получило применение азотирование при 570 °С в течение в атмосфере, содержащей 50 % эндогаза и 50 % аммиака или 50 % метана и 50 % аммиака. В результате такой обработки на поверхности стали образуется тонкий карбонитридный слой , обладающий меньшей хрупкостью и более высокой износостойкостью, чем чисто азотистая -фаза. Твердость карбонитридного слоя на легированных сталях Такая обработка сильно повышает предел выносливости изделий.

Ионное азотирование. В последние годы получило применение азотирование в тлеющем разряде (ионное азотирование), которое проводят в разреженной азотсодержащей атмосфере или при подключении обрабатываемых деталей к отрицательному электроду — катоду. Анодом является контейнер установки. Между катодом (деталью) и анодом возбуждается тлеющий разряд,

и ионы газа, бомбардируя поверхность катода, нагревают ее до температуры насыщения. Процесс ионного азотирования реализуется в две стадии: первая — очистка поверхности катодным распылением; вторая — собственно насыщение.

Катодное распыление проводят в течение 5—60 мин при напряжении 1100—1400 В и низком давлении. В процессе катодного распыления температура поверхности детали не превышает 250 °С. Азотирование ведут при температуре 470-580 °С, рабочем напряжении 400—1100 В, продолжительности процесса 1-24 ч.

Ионное азотирование сокращает общую длительность процесса, позволяет получить диффузионный слой регулируемого состава и строения, незначительные деформации и обладает большой экономичностью.

Азотирование в жидких средах (тенифер-процесс). Процесс проводят при температуре 570 °С в течение 0,5-3,0 ч в расплавленных цианистых солях соли, содержащие или 55 % карбамида через, которые пропускают сухой воздух). Соли расплавляются в тигле из титана. Вследствие низкой температуры в сталь диффундирует в основном азот, образующийся при разложении цианистых солей. В результате обработки на поверхности стали возникает тонкий (7—15 мкм) карбонитридиый слой , обладающий высоким сопротивлением износу и не склонный к хрупкому разрушению. Ниже карбонитридного слоя располагается слой, состоящий из твердого раствора азота в -железе и избыточных кристаллов -фазы. Общая толщина слоя мм. Как и после газового азотирования, твердость слоя на углеродистых сталях а на легированных Жидкое азотирование значительно повышает предел выносливости сталей. Достоинством процесса является незначительное изменение размеров и отсутствие коробления деталей, недостатком — токсичность и высокая стоимость цианистых солей. Этот процесс за рубежом широко применяют для обработки деталей автомобиля (коленчатых валов, шестерен и т. д.), штампов, пресс-форм и т. д.