9.3. Азотирование

Азотирование – это вид химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали азотом.

Азотирование сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и др. В сравнении с цементованным слоем, твердость азотированного слоя значительно выше, его теплостойкость (сохранение твердости при высоких температурах) составляет 450-500⁰С (цементованного – 200-225 ⁰С).

Для получения стальных изделий с высокой твердость и износостойкостью поверхности широко применяют сталь 38Х2МЮА. Одновременное присутствие хрома, молибдена и алюминия позволяет получить твердость азотированного слоя на поверхности 1200 HV. Молибден устраняет отпускную хрупкость, которая может возникнуть при медленном охлаждении от температуры азотирования.

Азотирование ведут в диссоциированном аммиаке NH₃. На обрабатываемой поверхности происходит диссоциация аммиака с образованием ионов азота, которые адсорбируются поверхностью и диффундируют в глубь металла:

2 NH₃ → 3 H₂ + 2 N_ат.

Микроструктура азотированного слоя различна при насыщении азотом железа и при азотировании 38Х2МЮА. Так как в структуре слоя присутствует большое количество высокотвердых дисперсных нитридов, после насыщения упрочняющая термическая обработка не требуется.

Технология процесса азотирования. Технологический процесс предусматривает проведение следующих операций:

1. Предварительная термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска (600-675 ⁰С) стали, для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине изделия. Структура стали после этого – сорбит.

2. Механическая обработка деталей, включая шлифование, которое придает окончательные размеры детали

3. Защита участков, не подлежащих азотированию, нанесением тонкого слоя (0,01-0,015 мм) олова электролитическим методом или жидкого стекла.

4. Азотирование (500-520⁰С). Для ускорения процесса азотирования применяют двухступенчатый процесс: сначала при температуре 500-520⁰С, затем при 540-560⁰С. Рекомендованный слой 0,3-0,6 мм.

5. Окончательное шлифование (доводка) изделия.

Ионное азотирование. Широко применяется азотирование в тлеющем разряде (ионное азотирование), которое проводят в разреженной азотсодержащей атмосфере (NH₃ или N₂) при подключении обрабатываемых деталей к катоду. Анодом является контейнер установки. Между катодом (деталью) и анодом возбуждается тлеющий разряд. Ионы газа, бомбардируя поверхность катода, нагревают деталь до температуры насыщения. Азотирование ведут при температуре 470-580⁰С в течение 1-24 ч.

Азотирование в жидких средах (тенифер-процесс) проводят при температуре 570⁰С в течение 0,5-3,0 ч в расплавленных цианистых солях (85% соли, содержащие 40 % KCNO и 60 % NaCN , и 15 % NO₂CO₃ или 55 % карбамида (NH₂)₂CO и 45 % Nа₂CO₃), через которые пропускают сухой воздух. Вследствие низкой температуры в сталь диффундирует в основном азот, образующийся при разложении солей.