Химический состав некоторых сталей, %, для цементации

Марка стали	С	Mn	Cr	Ni
25ХГНМТ 25ХГНМАЮ 20ХГН2МБФ	0,23…0,29 0,23…0,29 0,15…0,22	0,5…0,8 0,5…0,8 0,5…0,8	0,4…0,6 0,4…0,6 0,4…0,6	0,8…1,1 0,8…1,1 1,6…2,0
Марка стали	Mo	Ti, Al	Nb	N
25ХГНМТ 25ХГНМАЮ 20ХГН2МБФ	0,4…0,5 0,4…0,5 0,5…0,6	0,04…0,09 Ti 0,02…0,06 Al -	- - 0,05…0,10	- 0,01…0,02 0,01…0,16 V

Цементацию широко применяют для упрочнения среднеразмерных зубчатых колес, валов коробки передач автомобилей, валов быстроходных станков, шпинделей и многих других деталей машин.

Нитроцементация сталей – процесс насыщения поверхности стали одновременно углеродом и азотом при 840…860 С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Эта ХТО направлена на получение свойств, включающих достоинства и цементации и азотирования одновременно. Если насыщение С и N происходит из газовой фазы, то этот процесс называется нитроцементацией, если процесс идет из жидкой среды (расплавленных цианистых солей), то этот процесс называют цианированием.

Нитроцементацию можно производить в шахтных печах для газовой цементации или азотирования. Она применяется для конструкционной стали. Процесс нитроцементации проходит при температуре, лежащей ниже температуры цементации, но выше температуры азотирования. Чем выше температура, тем энергичнее идет процесс насыщения углеродом и соответственно результаты получаются ближе к цементации. Чем ниже температура, тем больше насыщение «N» и свойства детали ближе к азотированию. Нитроцементация конструкционной стали производится при температуре 840…860 °С выдержка 3…6ч, глубина слоя 0,01…0,025 мм. Для инструментальной стали применяют температуру 560 °С, глубина слоя 0,01…0,025 мм.

Нитроцементация осуществляется газом, состоящим из 20 % NH₄ и 97…80 % науглероживающего газа, применяемого для газовой цементации. Распространены жидкие среды, например, триэтаноламин (С₂Н₂ОН)₂N. Источниками активных атомов углерода и азота являются реакции диссоциации метана, окиси углерода и аммиака. После нитроцементации деталь подвергают закалке и низкому отпуску, причём закалка обычно проводится сразу после окончания ХТО без дополнительного нагрева. Для уменьшения деформации рекомендуется применять ступенчатую закалку с выдержкой в горячем масле 180…200 °С.

Процесс нитроцементации получил широкое распространение в машиностроении для деталей, по условиям работы которых достаточна толщина упрочненного слоя 0,2…0,8 мм. На ВАЗе 95 % деталей, упрочняемых ХТО, подвергаются нитроцементации. Например, нитроцементация широко применяется для упрочнения зубчатых колёс. В этом случае эффективная толщина слоя до HV 600 для шестерён с модулем 1,5-3,5 мм принимается 0,3  0,1 мм, а при модуле 4,0-5,5 мм – 0,4  0,1 мм.

При оптимальных условиях насыщения структура нитроцементи-рованного слоя должна состоять из мартенсита, небольшого количества карбонитридов и некоторого количества остаточного аустенита, структура сердцевины - из троостосорбита, бейнита или малоуглеродистого мартенсита. В нитроцементированном слое нередко допускается повышенное количество остаточного аустенита, который обеспечивает хорошую прирабатываемость нешлифуемых автомобильных шестерён, что обеспечивает их бесшумную работу.

В американской практике считается допустимым содержание в нитроцементируемом слое остаточного аустенита в количестве, при котором твёрдость после закалки не ниже 60 HRC. Чаще твёрдость слоя составляет 58…64 HRC.

Азотирование представляет собой процесс диффузионного насыщения азотом поверхностной зоны деталей. Азотирование применяют для повышения износостойкости и предела выносливости деталей машин. Обычно азотирование проводят при температуре 500…550^оС в муфелях или контейнерах, через которые пропускается диссоциирующий аммиак. На стальной поверхности происходит реакция диссоциации аммиака с выделением ионов азота, которые адсорбируются поверхностью детали, затем диффундируют вглубь. Обычно процесс азотирования завершается образованием на поверхности слоя -фазы с ГП решёткой и упорядоченным расположением атомов в широком интервале концентраций азота.

Процесс азотирования весьма длительная операция. Так, при азотировании данной стали диффузионную зону около 0,5 мм получают при 500…520°С за 55 ч выдержки. Такую же толщину можно получить за 40 ч, если применить двухступенчатый режим азотирования: 510 °С , 15 ч + 550°С, 25 ч. По сравнению с цементованными азотированные слои легированных сталей имеют более высокую твёрдость и износостойкость. Однако азотирование используют реже, чем цементацию, из-за большой длительности и меньшей толщины упрочнённого слоя.

Наибольшее применение для азотируемых деталей, от которых требуется высокая твердость и износостойкость, имеет сталь 38Х2МЮА. Хром и особенно алюминий образуют устойчивые нитриды, что придает стали очень высокую твердость (до HV 1100…1200). Хром, кроме того, повышает прокаливаемость и прочность стали. Молибден вводят в сталь для устранения отпускной хрупкости; одновременно он повышает прокаливаемость. Тем не менее, детали из стали 38Х2МЮА обладают невысокой прокаливаемостью (до 50 мм). Существенным недостатком этой стали является склонность к обезуглероживанию.

Сталь 38ХВФЮА содержит значительно меньше алюминия и не содержит дефицитного молибдена. Азотированный слой деталей, изготовленных из нее, приближается по своим свойствам к азотированному слою деталей из стали 38ХМЮА. Достоинство стали марки 38ВФЮА - меньшая хрупкость в связи с отсутствием в ней молибдена.

Для азотирования применяют также стали, не содержащие алюминия. Твердость таких сталей после азотирования несколько ниже и составляет НV 900…950. Хорошие результаты дает азотирование стали марки 18Х2Н4ВА, особенно для деталей больших размеров, когда требуется глубокая прокаливаемость. Кроме того, азотированию подвергают детали из нержавеющих, жаростойких, а также инструментальных сталей.

Детали, предназначенные для азотирования, подвергают предварительной термической обработке для придания необходимых механических свойств сердцевине деталей, а также для подготовки структуры для получения наилучших свойств азотированного слоя. Обычно такая термическая обработка сводится к закалке с высоким отпуском (улучшению). Особенность термической обработки деталей из сталей, содержащих хром, алюминий и молибден, заключается в применении повышенной температуры и большего времени выдержки при нагреве под закалку (примерно в 1,5 раза больше, чем обычно). Это необходимо для получения более однородного аустенита. Охлаждение при закалке производят в воде или масле; детали больших размеров охлаждают в воде. Небольшие детали сложной формы следует охлаждать в масле для уменьшения коробления. Для снижения внутренних напряжений и коробления рекомендуется перед закалкой подстуживать детали.