Азотирование стали

Металловедение

Азотирование – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом.

По сравнению с цементацией этот процесс применяют сравнительно недавно. Промышленное применение азотирование получило в 20-х годах XX века.

Цель азотирования – сильно повысить твёрдость, износостойкость поверхностного слоя, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар. При азотировании резко повышается температурная устойчивость к сохранению твёрдости поверхностного слоя.

Азотирование проводят в шахтных печах в герметических камерах (ретортах) в атмосфере NH3.

Аммиак при нагреве диссоциирует

NH3 3Н + N (атомарный)

Атомарный азот диффундирует в железо, образуя в поверхностном слое химические соединения – нитриды.

Виды азотирования в зависимости от условий работы детали:

  • Твердостное (для увеличения поверхностной твёрдости и износостойкости);
  • Антикоррозионное (для улучшения коррозионной стойкости).

В первом случае детали азотируют при t = 500 – 5200С в течение 24 – 90 часов (V азотирования 0,01 мм/ час).

Для азотирования применяют легированные среднеуглеродистые стали, содержащие Al, Mo, Cr, Ti, V  и др. элементы. Нитриды этихэлементов, образующиеся в процессе азотирования очень дисперсны и обладают большой твёрдостью и термической устойчивостью.

Стали для азотирования: 38ХМЮА, 40Х, 40ХМА, 45Х14Н14В2М, 30Х2Н2ВА. Содержание N в поверхностном слое 10 – 12%, толщина 0,3 – 0,6 мм, твёрдость от 600 до 1100 – 1200 HV (69 – 79 HRC) у лег. сталей.

При более высокой температуре азотирования слой глубже, но твёрдость меньше, что связано с коагуляцией частиц нитридов.

Фазы, получаемые в азотируемом слое углеродистой стали не обеспечивают достаточно высокой твёрдости и образующийся слой хрупкий.

Для ускорения процесса азотирования его проводят двухступенчато:

  1. Температура 500 – 5200С (15 – 20 часов) – для получения высокой твёрдости поверхности;
  2. Температура 560 – 6000С (520 – 560) (20 – 25 часов) – для увеличения скорости диффузии азота).

Применение:

Азотированию подвергают цилиндры моторов, насосов, шестерни, прессформы для литья под давлением, штампы, пуансоны, детали автомобиля: гильзы цилиндров, шейки коленчатых валов.

Для повышения коррозионной стойкости азотируют изделия как из легированных, так и из углеродистых сталей (гайки, болты). В этом случае азотирование проводят при температуре 650 – 7000С. Скорость азотирования увеличивается, длительность сокращается.

Для углеродистых сталей твёрдость поверхности после азотирования 300 – 350 HV. 

Технология процесса азотирования. 

  1. Предварительная термическая обработка стали (закалка + высокий отпуск). Её цель – повышенные прочность и вязкость в сердцевине изделия.

            Сталь 38ХМЮА  tзак.= 900 – 9500С (вода, масло)

                                                   tотп. = 600 – 6750С

  1. Механическая обработка, а также шлифование.
  2. Защита участков, не подлежащих азотированию нанесением тонкого слоя олова (электролитическим методом).
  3. Азотирование.
  4. Окончательное шлифование.

Твёрдость азотированного слоя определяют при помощи Виккерса или Роквелла при нагрузке до 15 кг.

Сравнительная характеристика двух основных методов ХТО – цементации и азотирования.

Цементация

Азотирование

Значительная глубина поверхностного слоя (до 2 мм) при значительно меньшей твёрдости

Высокая поверхностная твёрдость и износостойкость и неглубокий диффузионный слой. Коррозионная стойкость.

Длительность процесса до 16 часов.

Длительность процесса 24 – 29 часов.

Применяют углеродистые и легированные стали.

Применяют дорогие легированные стали

Процесс дешевле

Процесс дороже

Высокая температура цементации и закалки приводит к опасности возникновения термических дефектов

Низкая температура азотирования позволяет избежать термических дефектов

Структура и свойства цементованного слоя не меняются при нагреве до 200 — 2500С

Стркутура и свойства азотированного слоя не меняются при нагреве до 400 — 6000С

Жидкостное азотирование.

Осуществляется в расплавленных цианистых солях. При этом не происходит корабления деталей, нет заметного изменения размеров.

Недостаток: токсичность, высокая стоимость цианистых солей. Процесс ещё более быстрый, чем ионное азотирование.

        Ионное азотирование и цементаци.

Сокращается общая длительность процесса в 2 – 3 раза, повышается качество азотируемого слоя.

Обрабатываемую деталь, находящуюся в разряженной атмосфере, содержащей азот, подключают к отрицательному электроду – катоду. В качестве анода служит контейнер. Между катодом и анодом возникает тлеющий разряд. В рабочем пространстве увеличивается концентрация атомарного азота. Деталь нагревается до температуры насыщения в результате бомбардировки ионами газа. Ионы газа поглощаются поверхностью детали и диффундируют внутрь. Параллельно с этим протекает процесс катодного распыления поверхности, что позволяет проводить азотирование трудно азотируемых сплавов самопроизвольно покрывающихся защитной оксидной плёнкой, которая препятствует проникновению азота при обычном азотировании. При ионной цементации требуется высокая температура поверхности (900 – 10500С), что достигается либо увеличением удельной мощности, либо применением дополнительного внешнего нагрева.

Скачать лекцию