Азотирование стали это

Что такое азотирование стали

Азотирование представляет собой технологический процесс диффузионного насыщения поверхности стальных изделий атомарным азотом при температуре от 500 до 600 градусов Цельсия. При взаимодействии азота с легирующими элементами стали образуются твердые нитриды, которые формируют упрочненный поверхностный слой толщиной до 0,6 миллиметров.

Процесс был внедрен в промышленность академиком Николаем Чижевским в начале двадцатого века и с тех пор стал одним из основных методов упрочнения деталей машиностроения. Азотирование проводится после окончательной механической обработки и термической закалки, что позволяет избежать деформации готовых изделий.

Принцип работы и образование нитридов

Механизм насыщения азотом

В основе процесса лежит диффузия атомарного азота в кристаллическую решетку стали. При нагреве до рабочей температуры атомы азота проникают в поверхностный слой металла и вступают в химическое взаимодействие с железом и легирующими элементами. В результате формируется составной слой, состоящий из двух зон.

Внешняя зона представляет собой белый слой толщиной 10-30 микрометров, состоящий преимущественно из нитридов железа. Под ним находится диффузионная зона, где азот присутствует в виде твердого раствора и мелкодисперсных нитридов легирующих элементов. Именно эта зона обеспечивает основное упрочнение материала.

Роль легирующих элементов

Эффективность азотирования напрямую зависит от химического состава стали. Алюминий образует особо твердые нитриды с микротвердостью до 1200 HV. Хром повышает прокаливаемость и коррозионную стойкость азотированного слоя. Молибден предотвращает отпускную хрупкость и способствует формированию мелких нитридных частиц. Ванадий и титан также образуют устойчивые нитриды, повышающие температурную стабильность упрочненного слоя.

Марки сталей для азотирования

Для получения максимального эффекта от азотирования применяются специальные легированные стали, содержащие элементы-нитридообразователи. Выбор марки зависит от условий эксплуатации деталей и требований к механическим свойствам.

Сталь 38Х2МЮА считается эталонной азотируемой сталью благодаря оптимальному содержанию алюминия. После азотирования она обеспечивает максимальную поверхностную твердость и износостойкость. Углеродистые стали также могут подвергаться азотированию для повышения коррозионной стойкости, однако твердость их поверхности будет значительно ниже.

Виды азотирования

Газовое азотирование

Классический метод азотирования проводится в герметичной печи с контролируемой атмосферой аммиака. При температуре 500-600 градусов аммиак диссоциирует на водород и атомарный азот по реакции: 2NH₃ → 3H₂ + 2N. Выделившийся азот диффундирует в поверхность стали, образуя нитридный слой.

Процесс длится от 24 до 90 часов в зависимости от требуемой глубины упрочнения. Для ускорения применяется двухступенчатое азотирование: первая стадия при 500-520 градусах обеспечивает высокую твердость, вторая при 540-560 градусах увеличивает толщину слоя. Такой режим сокращает время обработки в полтора-два раза при сохранении качества.

Ионно-плазменное азотирование

Современная технология азотирования в тлеющем разряде получила широкое распространение с начала девяностых годов. Детали размещаются в вакуумной камере и подключаются к катоду. При подаче высокого напряжения между катодом и анодом возникает плазменный разряд в среде азота, аргона и водорода.

Ионы азота ускоряются электрическим полем и бомбардируют поверхность детали, вызывая локальный нагрев и ускоренную диффузию. Температура процесса составляет 500-550 градусов, а продолжительность сокращается до 5-24 часов. Метод позволяет азотировать детали сложной формы с избирательным упрочнением отдельных участков.

Жидкостное азотирование

Процесс проводится в расплаве солей на основе цианидов и цианатов при температуре 550-600 градусов. Длительность обработки составляет от 30 минут до трех часов. Метод обеспечивает быстрое насыщение азотом и подходит для мелких деталей, требующих повышенной коррозионной стойкости.

Основным недостатком является сложность очистки деталей после обработки и необходимость утилизации токсичных солей. По этой причине жидкостное азотирование применяется ограниченно, преимущественно для деталей простой формы при серийном производстве.

Температурные режимы и время обработки

Выбор температуры азотирования зависит от марки стали и требуемых свойств поверхности. Низкотемпературное азотирование при 500-540 градусах применяется для получения максимальной твердости. Железо остается в альфа-фазе, что предотвращает фазовые превращения и деформацию деталей. Процесс длится 24-60 часов для формирования слоя глубиной 0,3-0,5 миллиметров.

Высокотемпературное азотирование при 590-650 градусах используется для жаропрочных сталей и повышения коррозионной стойкости углеродистых сталей. Время обработки сокращается до 6-15 часов, однако твердость поверхности несколько снижается. Для антикоррозионной обработки применяется кратковременное азотирование при 600-700 градусах длительностью 15 минут для мелких деталей и до шести часов для крупных изделий.

Твердость и глубина азотированного слоя

Поверхностная твердость после азотирования зависит от химического состава стали и режима обработки. Для легированных сталей с алюминием достигаются значения 1100-1200 HV, что эквивалентно 65-70 HRC. Среднелегированные хромомолибденовые стали обеспечивают твердость 750-900 HV, углеродистые стали — 300-500 HV.

Глубина упрочненного слоя контролируется временем выдержки и температурой процесса. Для большинства применений оптимальная толщина составляет 0,3-0,6 миллиметров. Более глубокие слои до одного миллиметра формируются при длительном азотировании низколегированных сталей, однако это экономически нецелесообразно из-за резкого увеличения продолжительности процесса.

Важной характеристикой является распределение твердости по глубине слоя. Максимум твердости находится на глубине 0,05-0,15 миллиметров от поверхности, где концентрация нитридов наиболее высока. К сердцевине детали твердость плавно снижается, обеспечивая градиентный переход свойств без резкой границы.

Износостойкость и другие свойства

Сопротивление истиранию

Азотированный слой обладает выдающейся износостойкостью благодаря высокой твердости и особой структуре нитридов. Испытания показывают снижение интенсивности износа в три-пять раз по сравнению с закаленной сталью. Коэффициент трения азотированной поверхности уменьшается от 0,7 при комнатной температуре до 0,1 при нагреве до 600 градусов.

Коррозионная стойкость

Нитридный слой образует плотный барьер, защищающий металл от коррозии в атмосферных условиях, воде, водяном паре и слабоагрессивных средах. Особенно эффективна защита при сохранении белого слоя, который предотвращает питтинговую коррозию. Для нержавеющих сталей азотирование повышает коррозионную стойкость в хлоридсодержащих средах.

Предел выносливости

Азотирование увеличивает усталостную прочность конструкционных сталей на 30-100 процентов в зависимости от марки материала и условий нагружения. Эффект достигается за счет образования сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое, которые препятствуют зарождению усталостных трещин. Это особенно важно для деталей, работающих при циклических нагрузках.

Применение азотированных деталей

Азотирование широко применяется в отраслях машиностроения, где требуется сочетание высокой поверхностной твердости с вязкой сердцевиной. В автомобилестроении азотируют коленчатые валы, распределительные валы, шестерни коробок передач, гильзы цилиндров двигателей, детали топливной аппаратуры. Такая обработка продлевает срок службы узлов в два-три раза.

В авиационной промышленности технология используется для упрочнения подшипниковых узлов, деталей гидравлических систем, элементов шасси. В станкостроении азотированию подвергают шпиндели, направляющие, зубчатые передачи, что обеспечивает высокую точность обработки на протяжении всего срока эксплуатации.

Производство прецизионного инструмента — еще одна важная область применения. Калибры, шаблоны, измерительные инструменты после азотирования сохраняют размерную стабильность и износостойкость. Пресс-формы для литья пластмасс и горячей штамповки получают повышенную стойкость к налипанию материала и термическим нагрузкам.

Преимущества и недостатки технологии

Основные преимущества

Азотирование обеспечивает максимальную твердость поверхности среди всех методов химико-термической обработки, за исключением борирования. Температура процесса ниже температуры закалки, что исключает деформацию готовых деталей. Размеры изделий после обработки практически не изменяются, допускается отклонение не более 0,01-0,03 миллиметров.

Упрочненный слой сохраняет свойства при нагреве до 450-550 градусов, в то время как цементованная сталь теряет твердость уже при 200-225 градусах. Азотирование можно проводить после окончательной механической обработки, что упрощает технологический процесс. После обработки допускается только тонкая полировка без снятия упрочненного слоя.

Ограничения метода

Главным недостатком является длительность процесса, достигающая 24-90 часов для газового азотирования. Это увеличивает производственный цикл и требует значительных энергозатрат. Стоимость обработки выше, чем у цементации, из-за необходимости специального оборудования и расходных материалов.

Толщина упрочненного слоя ограничена 0,6-1,0 миллиметрами, что недостаточно для деталей, работающих в условиях сильного абразивного износа. Белый слой на поверхности обладает повышенной хрупкостью и может выкрашиваться при ударных нагрузках, поэтому иногда требуется его удаление шлифованием.

Технологическое оборудование

Для газового азотирования применяются шахтные, камерные и ретортные печи с герметичными муфелями. Печи оснащаются системами подачи и диссоциации аммиака, контроля температуры и степени разложения газа. Современные установки имеют программируемые контроллеры для точного соблюдения температурно-временных режимов.

Установки ионно-плазменного азотирования представляют собой вакуумные камеры с системами откачки, напуска рабочих газов и источниками высоковольтного питания. Обрабатываемые детали размещаются на катодных столах или подвесках и нагреваются за счет энергии ионной бомбардировки. Контроль процесса осуществляется по параметрам разряда, давлению газов и температуре.

Частые вопросы