Азотирование сталей

Азотирование - это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в диссоциированном аммиаке. Такой химико-термической обработке подвергают детали, которые работают на износ при разогреве поверхности до 400°С.

Азотирование сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости, коррозионные свойства в атмосферной среде, воде и т. д. Твердость азотированного слоя выше, чем цементованной стали, и сохраняется при нагреве до высоких температур (500–550 °С), тогда как твердость цементируемого слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200–225 °С.

До азотирования детали подвергают закалке, высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке, т.к. после азотирования нет необходимости в дальнейшей термообработке. Как правило, после азотирования детали не имею коробления поверхностей, либо они минимальны.  После азотирования детали шлифуют или полируют, либо вообще не подвергают механической обработке. Азотирование стальных изделий проводят в интервале температур 500–620 °С (в зависимости от геометрии детали, требованиям к процессу, конечным свойствам изделия и т.д. ) в аммиаке, который при нагреве диссоциирует, поставляя на поверхность активный атомарный азот:

                                                              NН3→N + 3Н

 

Микроструктура азотированного слоя

Микроструктура азотированного слоя

При температурах азотирования, в стали могут образовываться следующие фазы: α-фаза – твердый раствор азота в Feα (азотистый феррит), γ-фаза – твердый раствор азота в Feγ (азотистый аустенит), γ'-фаза – твердый раствор на основе нитрида железа Fe4N и промежуточная ε-фаза – твердый раствор на основе нитрида железа Fe2-3N. В общем случае формирование структуры диффузионного слоя азотируемой стали зависит от состава стали, температуры и длительности нагрева, а также скорости охлаждения после азотирования. При азотировании стали при 590 ºС диффузионный слой состоит из трех фаз: ε, γ' и α. Микроструктура азотированного слоя стали выглядит примерно так, как показано на рисунке.

Стали для азотирования

Теоретически, азотированию можно подвергать любые стали и чугуны, но широкого практического применения многие материалы для азотирования не получили, т.к. например твердость азотированного железа очень мала и составляет примерно 340 HV.

Для азотирования используются стали легированные алюминием, хромом, молибденом, ванадием. Хром, молибден и ванадий повышают растворимость азота в α-фазе и образуют специальные нитриды MN и M2N. Наиболее высокие поверхностная твердость и износостойкость при азотировании достигаются в хромомолибденовых сталях, дополнительно легированных алюминием. Типичным представителем таких сталей является сталь 38Х2МЮА. Кроме этого, молибден в стали устраняет отпускную хрупкость, которая может возникнуть при медленном охлаждении.

Технология азотирования сталей

Азотирование тонкостенных изделий рекомендуется делать при температурах 500–520 °С. При этих температурах и выдержке 24-60 часов возможно получение слоя 0,3-0,6 мм.

Для ускорения процесса проводят двухступенчатое азотирование: сначала при температурах 500–520 °С, а затем при 540–560 °С. При таком процессе, не смотря на достаточно высокую температуру, сохраняется высокая твердость азотированного слоя. Значительное сокращение процесса, в 2-4 раза, достигается применением азотирования в тлеющем разряде - ионное азотирование.

Азотирование повышает предел усталости конструкционных сталей за счет образования в поверхностном слое остаточных напряжений. Тонкий слой ε-фазы (0,01–0,03 мм) хорошо защищает простые углеродистые стали с содержанием углерода от 0,1 до 1,0 % от коррозии во влажной атмосфере и других средах.

To Top