Азотирование

Азотирование стальных изделий проводят в аммиаке, который при нагревании диссоциирует, поставляя активный атомарный азот:

Формула

В системе Fe — N при температурах азотирование могут образовываться следующие фазы: α-раствор азота в железе (азотистый феррит), γ-раствор азота в железе (азотистый аустенит), промежуточная γ-фаза переменного состава с г. ц. к. решеткой (ей приписывают формулу Fe4N) и промежуточная ε-фаза с г. п. решеткой и широкой областью гомогенности (от 8,1 до 11,1% N при комнатной температуре).

Если азотирование вести при температуре 550 °С, которая ниже эвтектоидной (590 °С), то вначале образуется α-раствор, затем γ´-фаза и, наконец, ε-фаза. С удалением от поверхности при азотировании железа должно наблюдаться следующее чередование слоев: ε → γ´ → α.

При понижении температуры области α-раствора и особенно ε-фазы на диаграмме состояния сужаются, и поэтому при медленном охлаждении с температуры азотирования в α- и ε-слоях должны появиться вторичные выделения γ. С удалением от поверхности при комнатной температуре слои чередуются в следующем порядке: ε → ε + γ´вт → γ´ → α + γ´вт → α.


Диаграмма состояния Fe — N

Диаграмма состояния Fe — N


На границах слоев ε + γвт/γ´ и γ´/α + γвт при комнатной температуре (соответствующие границы при температуре азотирования — ε/γ´ и γ´/α) концентрация азота меняется скачкообразно. Эти скачки соответствуют отрезкам ab и cd на диаграмме состояния. Граница слоев ε/ε + γвт соответствует границе между фазовыми областями ε и ε + γ´ на диаграмме состояния (8,1% N при комнатной температуре). Скачка концентрации азота на границе слоев ε/ε + γвт не должно быть.

При температуре азотирования 600 °С с удалением от поверхности изделия должно наблюдаться чередование слоев ε → γ´ → γ → α. При медленном охлаждении аустенит распадается при температурах ниже 590 °С, давая эвтектоидную смесь α + γ´, а в α- и ε-слоях появляются вторичные выделения γ´-фазы. При комнатной температуре после медленного охлаждения должно быть следующее чередование слоев от поверхности в глубь изделия: ε → ε + γ´вт → γ´эвтектоид (α + γ´) → α + γ´вт → α.

В легированных сталях азот образует с алюминием, хромом, молибденом и другими элементами нитриды в очень дисперсной форме, вследствие чего азотированный слой приобретает твердость, намного превышающую твердость цементованных сталей.

Образование азотированного слоя сопровождается увеличением удельного объема, и у поверхности возникают остаточные сжима ющие напряжения (до 60 — 80 кгс/мм2). Остаточные напряжения сжатия повышают предел выносливости азотированных изделий.

Тонкий слой 8фазы (0,01 — 0,03 мм) хорошо защищает сталь от коррозии во влажной атмосфере и других средах.

С помощью азотирования сталей повышают их твердость, износостойкость, предел выносливости, а также коррозионную стойкость.

Азотирование с целью повысить твердость и износостойкость применяют к деталям из сталей типа 38ХМЮА. Перед азотированием изделие подвергают закалке и высокому отпуску для повышения прочности и вязкости сердцевины. Азотирование проводят при 500 — 520 °C. Из-за низкой температуры и, следовательно, низкой подвижности атомов азота процесс длительный (24 — 90 ч).

Толщина азотированного слоя при этом составляет 0,3 — 0,6 мм. Можно сократить продолжительность азотирования, повышая температуру, но при этом сильно падает твердость из-за коагуляции нитридов легирующих элементов. Длительный процесс азотирования для повышения твердости и износостойкости целесообразно применять только к изделиям ответственного назначения.


Влияние продолжительности азотирования

Влияние продолжительности азотирования

Влияние продолжительности азотирования при разных температурах на
глубину азотированного слоя в стали 38ХМЮА (Ю. М. Лахтин).


Для повышения коррозионной стойкости азотированию подвергают детали из разных сталей (главным образом, из углеродистых). Так как большая твердость здесь не требуется, то температуру процесса выбирают высокой (600 — 700 °С); продолжительность такого процесса 15 мин — 10 ч.

Некоторое применение нашло азотирование деталей из высокопрочных чугунов и титановых сплавов.

Азотирование титановых сплавов — один из немногих примеров промышленного использования химико-термической обработки сплавов цветных металлов. Азотирование применяют для повышения износостойкости и уменьшения схватывания деталей при работе в условиях трения.

Детали из титановых сплавов азотируют в среде азота при 850 — 950 °С в течение 10 — 60 ч. На поверхности образуется очень тонкий твердый нитридный слой, а глубже — слой раствора азота в остит ане. Глубина азотирования составляет 0,1 — 0,15 мм. Более высокая температура азотирования недопустима из-за сильного роста зерна в сердцевинных слоях.

Основная опасность при азотировании титановых сплавов — хрупкость поверхностного слоя.

Цианирование и нитроцементация

Насыщение поверхности изделий одновременно углеродом и азотом в расплавленной цианистой соли называют цианированием, а в газовой среде — нитроцементацией. Соотношение углерода и азота в диффузионной зоне можно регулировать, изменяя состаз среды и температуру процесса.

Цианирование сталей проворят в ванне, содержащей NaCN, при 820 — 960°С в течение 30 — 90 мин. При окислении цианистого натрия образуются атомарный азот и окись углерода.

Преимущества цианирования по сравнению с цементацией
— значительно меньшая продолжительность процесса и более высокая износостойкость и коррозионная стойкость (благодаря азоту в поверхностном слое).

Недостаток процесса — использование ядовитых цианистых солей.

Нитроцементацию сталей, называемую также газовым цианированием, проводят при 850 — 870 °С в течение 2 — 10 ч в среде, содержащей аммиак и науглероживающий газ.

По сравнению с газовой цементацией нитроцементация имеет следующие преимущества: ниже температура процесса, и следовательно, меньше рост зерна, выше износостойкость, меньще коробление деталей.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Диффузионное насыщение металлами

Металлы растворяются в железе и других металлах по способу замещения и потому медленнее, чем неметаллы, диффундируют в изделие. Как правило, диффузионное насыщение металлами проводят при более высоких температурах, чем насыщение неметаллами. Типичные примеры — алитирование и хромирование. Алитирование (алюминирование) применяют для повышения окалиностойкости сталей и реже чугунов. Алитируют также литые лопатки газотурбинных двигателей из жаропрочных…

Разновидности химико-термической обработки

В промышленности применяют множество способов химико-термической обработки, различающихся диффундирующими элементами, типом и составом внешней среды, химизмом процессов в ней, техникой исполнения и другими признаками. В зависимости от агрегатного состояния внешней среды, в которую помещают обрабатываемое изделие, различают химико-термическую обработку в твердой, жидкой и газовой средах. Атомы диффундирующего элемента поступают из твердого вещества в местах прямого…

Диффузионное насыщение неметаллами

Поверхностное насыщение стали углеродом и азотом или совместно этими элементами — наиболее широко используемые процессы химико-термической обработки. Углерод и азот растворяются в железе по способу внедрения и поэтому могут быстро диффундировать на значительную глубину. Активные среды, содержащие эти элементы, дешевы, а фазы, образующиеся с участием углерода и азота в процессе насыщения или при последующей термообработке,…

Особенности строения диффузионной зоны

Диффузионную зону на шлифе можно выявить травлением благодаря измененному химическому составу поверхностного слоя. В однофазной зоне концентрация плавно изменяется от поверхности в глубь изделия (смотрите рисунок Распределение концентрации в однофазной зоне), и поэтому под микроскопом граница такой зоны размыта или чаще вообще не выявляется. Если диффузия сопровождается фазовыми превращениями, то строение диффузионной зоны резко отличается…

Образование многофазной диффузионной зоны

В однофазной диффузионной зоне при охлаждении изделия с температуры химико-термической обработки могут протекать фазовые превращения: полиморфное превращение твердого раствора, эвтектоидное превращение, выделение избыточной фазы и др. Допустим, что во время науглероживания железа при температуре t1 (выше 911 °С) концентрация углерода на поверхности изделия возрастает от точки а (чистое железо) до точки b, не достигая границы…