9.3. Азотирование стали

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения азотом поверхностной зоны деталей. В машиностроении азотирование применяется для повышения твёрдости, износостойкости и усталостной прочности. При этом повышается также коррозионная стойкость деталей машин, работающих на воздухе, в воде и в паровоздушной среде.

До азотирования детали подвергают окончательной чистовой механической и термической обработке-закалке и высокому отпуску. После азотирования детали можно шлифовать или полировать.

Улучшение свойств стали при азотировании является результатом образования в поверхностном слое нитридов – устойчивых химических соединений азота с другими элементами (железом, алюминием, хромом, молибденом и др.).

Поскольку нитриды и их твёрдые растворы обладают высокой твёрдостью, то после азотирования отпадает необходимость в какой-либо дополнительной термической обработке.

В результате азотирования можно получить твёрдость поверхностного слоя в 1,5…2 раза выше, чем при цементации и закалке, что значительно увеличивает износостойкость деталей. Кроме того, азотированный слой сохраняет твёрдость до 550…650оС. Наибольшую твёрдость и термическую стойкость имеют нитриды металлов, содержащихся в стали в качестве легирующих добавок. Поэтому наибольший эффект достигается при азотировании легированных сталей, содержащих, например, алюминий, хром, молибден и др. Азотирование применяют обычно для легированных сталей марок 3ОХ, 4ОХ, 38ХМЮА, 18ХНВА и др.

Обычно азотирование проводят при температуре 480…580оС в среде аммиака NH3, который в изолированном объёме диссоциирует с образованием атомарного азота по реакции

2NH3 = 2Nат + 3Н2.

Образовавшийся атомарный азот диффундирует затем в поверхность стали. Толщина полученного упрочнённого слоя составляет при этом около 0,3…0,6 мм. Процесс проводят в муфелях или контейнерах, через которые с определённой скоростью пропускается диссоциирующий аммиак (рис.32).

В зависимости от принятого режима азотирования печь разогревается до необходимой температуры и выдерживается в течение определённого времени. Детали загружаются в закрывающийся муфель, через который непрерывно пропускают аммиак. По окончании процесса печь с деталями медленно охлаждается.

Основными факторами, влияющими на процесс, являются температура и длительность азотирования, давление газа, химический состав стали, а также степень диссоциации аммиака.

В зависимости от температуры процесса степень диссоциации аммиака может быть от 15 до 45%. С повышением температуры понижается твёрдость азотированного слоя, однако быстрее протекают процессы диффузии.

Для ускорения азотирования применяют двухступенчатый режим. Вначале процесс проводят при температурах 500…525оС, что обеспечивает необходимую твёрдость азотированного слоя. После этого, процесс продолжают при температуре 600…620оС, что сокращает время получения заданной глубины азотированного слоя и ускоряет процесс примерно в 1,5…2 раза.

Основным из недостатков процесса азотирования является значительная стоимость и длительность процесса. При температуре 500оС, например, за каждые 10 часов азот диффундирует на глубину не более 0,1 мм, поэтому общая продолжительность процесса составляет иногда 30…60 часов.

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008