3. Азотирование стали

Азотированием называют процесс насыщения стали азотом. По сравнению с цементацией, этот процесс применяют сравнительно недавно. Промышленное применение азотирование получило лишь в 20-х годах нашего столетия.

Так как азотированный слой сам без какой-либо последующей термической обработки приобретает высокую твердость, а размеры изделий после азотирования изменяются мало, то в отличие от процессов цементации азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском) и доведенных шлифовкой до точного размера.

Азотирование обычно проводят при 500-600 °С. В железную герметически закрытую реторту (муфель), вставленную в печь, помещают детали, подвергаемые азотированию.

Рис. 264. Диаграмма состояния Fe-N

В реторту из баллона поступает с определенной скоростью аммиак, который разлагается в ней (диссоциирует) по реакции:

Образующийся атомарный азот диффундирует в металл.

Основанием для правильных представлений о процессах азотирования служит диаграмма состояния системы приведенная на рис. 264.

В системе возможно образование следующих фаз (на диаграмме однофазные области заштрихованы)

а — азотистый феррит, содержащий в растворе при при комнатной температуре; (см. также рис. 156);

— азотистый аустенит, существующий как равновесная фаза лишь выше эвтектоидной температуры

у — нитрид фаза внедрения, имеющая решетку гране-центрированного куба;

— нитрид тоже фаза внедрения с весьма широкой областью гомогенности, имеющая гексагональную решетку.

Со многими легирующими элементами азот также образует химические соединения — нитриды

В азотированном слое присутствуют различные азотистые фазы в соответствии с диаграммой и температурой процесса.

При температуре азотирования ниже эвтектоидной азотированный слой состоит из трех фаз: .

Изотермическое сечение диаграммы при температуре выше эвтектоидной (600-650 °С) показывает, что азотирование при этих температурах возможно образование четырех фаз: и а.

При медленном охлаждении с этих температур -фаза (азотистый аустенит) распадается при на эвтектоид а (темный слой, рис. 265), так называемый браунинг; при быстром охлаждении образуется мартенсит (азотистый мартенсит).

Рис. 265. Микроструктура азотированного слоя железа (при с медленный охлаждением),

Рис. 266. Рост глубины азотированного слоя во время насыщения при 520 и 620 °С

Распределение азота по глубине слоя имеет скачкообразный характер вследствие отсутствия переходных двухфазных слоев.

На практике азотированию подвергают легированные стали. Наличие легирующих элементов, как и углерода, существенно не изменяет кинетику образования азотированного слоя.

Как и в чистом железе, при наличии легирующих элементов происходит последовательное образование насыщенных азотом слоев а, затем , затем ; одновременно происходит образование нитридов специальных элементов и др.). Последние также образуются при охлаждении от температуры азотирования до комнатной вследствие уменьшения растворимости их в основных азотистых фазах.

Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали.

Исключительно высокая поверхностная твердость азотированной стали (1100— 1200 HV, тогда как при цементации она составляет ) определило не только достаточно широкое применение этого процесса, но и большой интерес исследователей, пытавшихся объяснить этот феномен. Изменение твердости после изменения различных технологических факторов процесса выявило феноменологическую сторону явления, но не вскрыло ее природы. Решающее значение имело изучение изменения горячей твердости во время процесса азотирования и последующего охлаждения. Результаты представлены на рис. Из приведенных данных следует:

1) в процессе насыщения твердость не стабильна, периодически возрастает и снижается;

2) в процессе насыщения твердость растет, но незначительно, главный прирост твердости наблюдается при охлаждении.

Рис. 267. Иэиеяенме твердости железа и стали в процессе насыщения, последующего охлаждения и вторичного нагрева охлаждения

Дальнейшее изучение процесса показало, что рост глубины слоя происходит не монотонно, а как бы квантуется — увеличение глубины сменяется периодом, когда толщина диффузионного слоя не возрастает (рис. 266), это и обуславливает колебания в твердости (рис. 267). Некоторый рост твердости при азотировании обусловлен увеличением, но все же достаточно тонких слоев -нитридов. Рост твердости при охлаждении обусловлен дисперсным твердением -фазы (вспомним растворимость азота в а-железе при и менее при комнатной температуре) и высокотвердые нитриды могут надежно опираться на ставшую достаточно твердой зону -фазы (т. е. зоны «внутреннего азотирования!).

Глубина азотированного слоя подчиняется параболической зависимости однако, ввиду низких температур процесса коэффициент К мал и наращивание слоя происходит приблизительно в 10 раз медленнее, чем при цементации.

Можно ускорить процесс повышением температуры (рис. 268, а), но при этом снижается твердость (рис. 268, б), это не эффективно.

Обычно для азотирования применяют стали, легированные нитридообразующими элементами которые называют нитраллоями.

Рис. 268. Влияние продолжительности азотирования на глубину слоя (а) и поверхностную твердость (б) стали 38Х2МЮА (Ю. М. Лахтин)

В этих сталях азотированный слой обладает более высокой твердостью, чем в углеродистых сталях и железе (рис. 269) и меньшей склонностью к потере твердости, обусловленной меньшей склонностью к коагуляции нитридов легирующих элементов, чем нитридов железа при нагреве.

Азотирование применяют для повышения: твердости и износоустойчивости; усталостной прочности; сопротивления коррозии.

Рис. 269. Твердость (поверхностная) азотированного слоя в зависимости от. температуры азотирования: 1 — нитраллой: 2 — конструкционные легированные стали; 3 — углеродистые стали

В зависимости от назначения каждый из этих процессов имеет свои особенности.

1. Повышение твердости и износоустойчивости — основное назначение процесса азотирования. Для этой цели азотированию подвергают специальные стали (нитраллои). Наиболее распространенной в СССР маркой стали, предназначенной для азотирования, является сталь Наличие углерода приводит к образованию на поверхности карбонитридных фаз типа или .

Так как в данном случае в задачу азотирования входит получение высокой твердости, то обычно температуру азотирования держат на уровне (продолжительность зависит от требуемой глубины).

Кроме того, следует учесть, что чем ниже температура процесса, тем меньше деформация детали при азотировании (последнее также имеет большее значение, так как на азотирование поступают детали, окончательно изготовленные, после шлифования).

Принимая во внимание влияние температуры процесса, можно заключить, что для получения детали с максимальной твердостью и минимальной деформацией следует применять низкую температуру азотирования (500-520 °С), при которой глубина будет невелика (до 0,5 мм, обычно мм). И в этом случае продолжительность процесса измеряется десятками часов.

Если не обязательно нужна максимальная твердость, то температуру процесса можно несколько повысить.

Сравнение двух основных методов химико-термической обработки стали — цементации и азотирования, применяемых для повышения поверхностной твердости и износоустойчивости, позволяет сделать ряд существенных выводов о целесообразности применения каждого из них на практике.

Для азотирования характерны исключительно высокая поверхностная твердость и неглубокий диффузионный слой в отличие от цементации, где при относительно небольшой продолжительности процесса достигается более значительная глубина диффузионного слоя при значительно меньшей его твердости.

Преимущество азотированного слоя — в его более высокой износоустойчивости. Но азотированные детали значительно дороже, так как этот процесс более длительный, и для азотирования применяют дорогие легированные стали. Кроме того, тонкий азотированный слой, в отличие от цементированного, может выдерживать меньшие удельные нагрузки.

2. Азотирование конструкционных сталей для повышения усталостной прочности (выносливости) применяют в последнее время в ряде отраслей ответственного машиностроения.

Образование фаз, содержащих азот в поверхностных слоях, происходит с увеличением объема, поэтому поверхность азотированной детали испытывает напряжения сжатия. Напряжения сжатия на поверхности вызывают повышение предела выносливости, поскольку усталостные трещины возникают в результате растягивающих напряжений.

Для повышения усталостной прочности азотируют не специальные предназначенные для этого стали (например, сталь а обычные легированные, содержащие нитридообразующие элементы (такими сталями являются обычно хромоникелевые конструкционные, см. гл. XVI, п. 4).

3. Азотирование для повышения коррозионной устойчивости (так называемое декоративное азотирование) применяется потому, что азотированный слой при наличии сплошной поверхностной корки из е-фазы обладает высоким сопротивлением коррозии в атмосфере, водопроводной воде и некоторых других средах. Назначение такого азотирования состоит в наиболее простом и дешевом способе получения сплошной е-фазы на поверхности.