34. Азотирование стали. Формирование диффузионного слоя и его строение.

Фазы в системе Fe-N:

α – твёрдый раствор азота в α-железе. Максимальная растворимость азота 0,1% при Т=590°С. Азотистый феррит – мягкая составляющая (как феррит).

γ – твёрдый раствор азота в γ-железе. Решётка ГЦК. Существует при 590°С. Предельная растворимость азота – 2,8°С

γ’ –химическое соединение – нитрид железа – Fe₄N.Имеет переменную концентрацию 5,7..6.1%N. Фаза относительно твёрдая и хрупкая.

ε – твёрдый раствор на базе химического соединения Fe₃N. Переменная концентрация 8,25..11,2%N.

ξ – фаза. Образуется при температуре 450°С, концентрация 11,5%N

При температуре 591°С существует γ-фаза, которая претерпевает эвтектоидный распад с образованием азотистого эвтектоида. Содержит 2,35%Nи состоит из α + γ’.

Азотирование –химико термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении азотом поверхностного слоя. В результате детали приобретают следующие свойства:

1. Высокая твёрдость поверхностного слоя, которая будет сохраняться при нагреве до 400..450°С.

2. Высокая износостойкость

3. Хорошая сопротивляемость коррозии в атмосфере, в воде, в водяном паре.

Технология процесса азотирования

Состоит из:

1. Предварительной термической обработки:

   1. Закалка (900..950°С)

   2. Охлаждение в воде или масле

   3. Отпуск высокотемпературный при 600..700°С (температура должна быть несколько выше температуры азотирования на 20..40°С). Отпуск проводится для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине. Итоговая структура – сорбит.

2. М еханическая обработка – для придания окончательных размеров детали

3. Азотирование. (температура 500..600°С) Выдержка – десятки часов. Среда для насыщения – атомарный азот, который образуется при диссоциации аммиака при нагреве: . Образовавшийся азот диффундирует в железо.

Природа первичных образований, фазовый состав и изменение концентрации по толщине слоя могут быть описаны диаграммой состояния Fe–N.

Если проводить азотирование ниже 590°С (см. диаграмму), то в начальный момент образуется αфаза. По достижении предела насыщенияαфазы образуется γ’-фаза. При дальнейшем насыщении азотом образуется ε-фаза.

Таблица: изменение свойств и структуры

При медленном охлаждении εи αфазы распадаются, выделяя избыточную γ’фазу.

Т°аз­	Строение слоя при t° насыщ.	Строение слоя после охл. (медл)
500	ε, γ’, α, сердцевина.	ε + γ’изб, γ’, α + γ’изб, α, сердцевина.
600	Ε, γ’, γ, α, сердцевина.	ε + γ’изб, γ’, α + γ’ (эвтектоид), α + γ’изб, сердцевина.

При выполнении азотирования выше эвтектоидной температуры сначала возникает αфаза, затем при достижении её предела нассыщения образуется γфаза, после насыщения которой на поверхности появляется γ’ фаза, и, наконец, εфаза.

Т аким образом азотированный слой будет состоять из следующих фаз: см. таблицу при 600. При медленном охлаждении εи αфазы распадаются и выделяют избыточную γ’ фазу (Fe₄N), а γфаза претерпевает эвтектоидное превращение, распадаясь на эвтектоидную структуру α + γ’. Тогда при 20°С азотированный слой будет состоять из: см. таблицу при 600.

Насыщение при 500 и 600°С сопровождается фазовой перекристаллизацией при температуре диффузии (прямые вертикальные линии на графиках). Диффузия сначала протекает в εфазе, а по достижению предела растворимости на поверхности образуется γ’ фаза, происходит перекристаллизация εв γ’. На границе раздела 2х фаз – εи γ’ устанавливается перепад концентраций, а в микроструктуре образуется (после охлаждения) пограничная диффузионная линия из-за отсутствия 2х фазных переходных слоёв. (пример, 38ХМЮА – одновременное присутствие хрома, молибдена, алюминия [Ю] позволяет повысить твёрдость до 1200 HV).

Основные свойства в результате азотирования

После термической обработки структура стали сорбитная с высоким комплексом механических свойств. Азотирование просто Feили углеродистой стали не вызывает существенного повышения твёрдости и износостойкости, так как нитриды железа выделяются в грубом виде и не имеют высокой твёрдости. Легирующие элементы, присутствующие в стали образуют нитриды в большом объёме и малых размеров. В поверхностном слое, в результате азотирования, образуется структура – сложный эвтектоид, в состав которого входят дисперсные нитриды легирующих элементов: VN, Cr₂N, Mo₂Nи другие. Такая структура обладает высокой твёрдостью, высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью, теплостойкостью (структура может существовать без существенного изменения свойств при температуре 400..450°С).