Азотирование стали - обзор

Азотирование стали — это термохимическая обработка, заключающаяся в насыщении поверхности стали очень тонким слоем азота. Этот слой очень твердый и устойчив к истиранию, поэтому азотирование используется в качестве окончательной обработки инструментов и деталей машин. 

Ход, температура и время азотирования

Стальной предмет погружается в среду, содержащую свободные атомы азота, при высокой температуре, однако ниже A_C1. Азот осаждается на поверхности стали в результате межвузловой абсорбции в виде азотидов или карбидоазотидов, а со временем диффундирует вглубь стали. 

Азотирование выполняется в диапазоне температур 500-600°C, чаще всего 520-560°C. В зависимости от продолжительности процесса различают кратковременное и длительное азотирование.

Краткосрочное азотирование длится от нескольких минут до нескольких часов (особенно коротко азотируются инструменты для постоянного использования). Длительное азотирование может длиться даже несколько десятков часов. Оно выполняется, как правило, при тех же температурах. При постоянной температуре азотирования структура слоев азотированной стали зависит от времени операции. Для некоторых сталей азотирование, длительность которого превышает несколько минут, не приносит большого практического эффекта.

После азотирования сталь охлаждается медленно, благодаря чему в структуре выделяются твердые иголки азотидов.

Структура стали после азотирования

В системе железо-азот существуют четыре отдельных фазы:

• Фаза α (нитроферрит) представляет собой раствор азота в железе с содержанием азота 0,015% при комнатной температуре и 0,42% при эвтектоидальной температуре.
• Фаза γ (нитроаустенит) представляет собой твердый раствор азота в железе γ , существующий при температурах выше 595 °C. При медленном охлаждении он распадается на эвтектоид из фаз α и γ'.
• Фаза γ' — это азотид железа, химический состав которого примерно равен Fe₄N.
• Фаза ε — это азотид железа, содержащий больше азота, с химическим составом примерно Fe₂N. Может также содержать углеазотиды.

Длительная азотирование создает непрерывную зону нитридов и карбидов γ' + ε, под которой находится диффузионная зона. Краткосрочное азотирование не образует сплошной зоны азотидов, а лишь диффузионную зону феррита, перенасыщенного азотом, с выделениями азотидов и карбонитридов фазы γ' + ε. Как диффузионная зона, так и азотиды и карбонитриды фазы  γ' + ε увеличивают стойкость к истиранию. Кроме того, действительно твердый слой азотов и азотно-углеродистых соединений имеет толщину всего 0,020-0,025 мм. В результате длительного азотирования толщина этого твердого слоя не столько увеличивается, сколько проникает глубже, а приповерхностные слои становятся пористыми и хрупкими. Поэтому для улучшения стойкости к истиранию достаточно кратковременного азотирования. Слой азотидов и азотидов углерода очень твердый — его твердость составляет 800-1200 HV. 

Ниже представлена структура азотированной легированной стали в термообработанном состоянии. Снаружи виден тонкий слой фаз γ' + ε, далее темный сорбитный слой, богатый азотом и с выделениями азотидов, переходящий в более светлый, также сорбитный сердечник.

 

Сталь для азотирования

Стали для азотирования — это конструкционные стали, специально разработанные для азотирования. Без азотирования эти стали, как правило, не используются. Ниже приведена краткая характеристика основных сплавов:

• 38Х2МЮА / 41CrAlMo7 /  1.8509 - сталь для азотирования хромо-алюминиевая с добавлением молибдена, используемая в автомобильной промышленности (например, для деталей дизельных топливных насосов) и машиностроении (например, для зубчатых колес). Не подходит для сварки.
• 33H2NMJ / 34CrAlNi7-10 /  1.8550 - никель-алюминиевая сталь для азотирования, используемая в автомобильной, машиностроительной и энергетической промышленности для изготовления соединительных элементов, поршневых штоков, цилиндров и т. д. Плохо сваривается.
• 30Х3МА / 31CrMo12 /  1.8515 - сталь для азотирования хромомолибденовая, используемая в автомобильной, машиностроительной и энергетической промышленности для деталей, работающих при повышенных температурах до 600°C - шпиндели, редукторы, валы, соединительные элементы. Не подходит для сварки.
• 30Х3МФ / 31CrMoV9 / 1.8519 - сталь для азотирования, содержащая хром, молибден и ванадий, с характеристиками, несколько уступающими 38HMJ, но без содержания алюминия.

Все вышеперечисленные марки стали подвергаются азотированию в конце технологического процесса после закалки и отпуска, в результате чего получают поверхность, устойчивую к истиранию и износу.

Азотирование инструментальных сталей

Для инструментальных сталей азотирование является дополнительной обработкой. Насыщение азотом подповерхностных слоев инструментальной стали значительно повышает их износостойкость. Такое азотирование проводится при температуре 480-600 °C, обычно 520-560 °C, и длится от нескольких минут до 1 часа, при этом толщина слоев составляет около 0,01-0,05 мм. Это повышает твердость до 800-1200 HV и продлевает срок службы инструментов в 2-8 раз.

Азотирование не должно снижать твердость сердцевины инструмента, поэтому температура азотирования должна быть как минимум на 30 °C ниже температуры предварительной закалки (называемой термообработкой). Сталь с низкой и средней закалкой не подвергается азотированию. В связи с этим азотированию подвергаются инструменты:

• режущие изготовлены из быстрорежущей стали, которая закаляется при очень высокой температуре и, несмотря на отпуск при 550-570 °C, сохраняет высокую твердость 58-62 HRC, например, Р6М5 / HS6-5-2 / 1.3343,
• режущие изготовленные из высокохромистой стали для холодной обработки, которые имеют схожие характеристики с указанными выше, например, 9ХВГ / 1.2510 или NC10 / 1.2201,
• для пластической обработки из сталей, закаленных при температурах 530-650°C, например WWN1, 4Х2В5МФ / 1.2567, 6XB2C.

Антикоррозионное азотирование углеродистой стали

Азотирование углеродистой стали и многих неперечисленных выше легированных сталей, хотя и возможно, не применяется, поскольку не улучшает твердость значительным образом. Твердость азотированного слоя углеродистой стали составляет 300-350 HV.

Некоторые учебники также описывают антикоррозионное азотирование, проводимое на углеродистой стали при температуре 600-850 °C в течение от нескольких минут до 2 часов. Толщина азотированного слоя составляет 0,02-0,04 мм. Однако основную роль в промышленности играет закалка азотированием легированной стали.

Методы азотирования

Существует несколько методов азотирования, в зависимости от азотирующей среды.

Азотирование в порошках  - здесь азотируется порошок, состоящий, например, на 80% из кальциевого цианамида CaN(CN), на 15% из карбоната натрия Na2COc, на 3% из железомарганца и на 2% из карбида кремния SiC. Такое азотирование длится от 30 минут до 10 часов. Используется редко.

Газовое азотирование является наиболее широко используемым видом азотирования. Чаще всего в качестве азотирующего агента используется поток диссоциированного аммиака при температуре 500-600 °C. Железо, действуя в качестве катализатора, расщепляет аммиак на свободные атомы водорода и азота. В этом методе, помимо аммиака, необходимо присутствие чистого азота, который регулирует скорость азотирования. Сам диссоциированный аммиак дает разные скорости азотирования, не давая повторяемых результатов. Диссоциация аммиака не должна быть ниже 20%, так как при более низкой диссоциации получаются слишком хрупкие слои, и не выше 70%, так как получается слишком низкая твердость. Оптимальной является диссоциация на уровне 40-50%. С помощью этого метода на инструментах из быстрорежущей стали SW9 за 30 минут получается азотированный слой толщиной до 0,02 мм. Опасность применения этого метода заключается в токсичных парах. Поддержание оптимальной диссоциации снижает количество токсичных веществ.

Азотирование в ванне (в расплавленных солях) происходит в цианоамидных ваннах при температуре 540-580 °C. Этот метод дает менее блестящие поверхности инструментов, чем газовый метод, но он менее токсичен. Примерный состав соли для азотирования: смесь солей для азотирования, состоящая из 30% BaCl2, 10% KCl, 10% NaCl, 50% CaCl2 и активирующей соли, состоящей из 3-5% BaCl2, 5-7% KCl, 5-7% NaCl, 9-11% древесного угля C и 74-79% азотника. Сам нитрат на 55% состоит из кальциевого цианамида CaCN2.

Ионизационное/плазменное азотирование проводится в атмосфере ионизированного азота (чистого азота или смеси азота с водородом). Азотируемые стальные предметы помещаются в реторту (являющуюся анодом) и подключаются к отрицательному полюсу. Прикладываемое напряжение составляет 500-1500 В постоянного тока, а давление азотирующей атмосферы понижается. Высокое напряжение ионизирует газ у катода, то есть у азотируемого предмета. В результате столкновений ионов азота с поверхностью обрабатываемого предмета выделяется тепло, достаточное для азотирования. Процесс можно регулировать путем изменения давления, напряжения и химического состава газа. Азотированные слои, полученные этим методом, более устойчивы к истиранию и усталости и гораздо более пластичны по сравнению со слоями, полученными другими методами азотирования.

Азотирование в флюидных слоях - объект помещается в флюидизированный слой песка или оксида алюминия. Флюидный слой образуется из частиц твердого тела, удерживаемых в подвешенном состоянии горячим газом, проходящим снизу. Газ азотирует объект, погруженный в слой.

Роль азотирования в технологическом процессе

Азотирование является последней операцией в технологическом процессе. Перед азотированием изделия подвергаются закалке и высокотемпературной отпуске. После азотирования изделия не могут подвергаться шлифованию из-за очень тонкого защитного азотированного слоя.

Перед азотированием стальные изделия должны быть чистыми и тщательно обезжиренными. Следует помнить, что азотирование обычно увеличивает размеры небольших изделий (например, инструментов) на 0,05%.

Библиография

Leszek Adam Dobrzański, Metaloznawstwo i obróbka cieplna, Wydawnictwa szkolne i pedagogiczne, 1986

Edward Żmihorski, Stale narzędziowe i obróbka cieplna narzędzi, WNT

Paweł Kosieradzki, Obróbka cieplna stali, Państwowe wydawnictwa techniczne, 1954