4.3. Азотирование

Азотированием называется технологический процесс диффузионного насыщения поверхности стальных изделий азотом, в результате кото­рого повышается твердость, износостойкость и предел выносливости ответственных деталей машин (например, коленчатых валов, гильз цилиндров, червяков, валов и др.). Азотированию подвергают детали из среднеуглеродистых сталей, которые прошли чистовую обработку, закалку и высокий отпуск. После азотирования детали шлифуют или полируют.

Детали, подвергаемые азотированию, укладываются в герметич­ные камеры, куда с определенной скоростью подается аммиак, кото­рый при нагреве разлагается с образованием атомарного азота:

NH3->3H + Nar

Температура азотирования составляет 500...600 °С (рис. 4.2, а). Длительность процесса зависит от необходимой толщины азотирован­ного слоя. Для определения структур, образующихся в поверхностных слоях при азотировании, рассмотрим диаграмму Fe-N (рис. 4.2, б), штриховые линии на которой указывают температуру азотирования. Из диаграммы видно, что при температуре азотирования в системе Fe-N существуют следующие фазы: а-фаза-твердый раствор азота ч в ос-железе (азотистый феррит); у'-фаза- твердый раствор на основе нитрида железа Fe4N и е-фаза - твердый раствор на основе нитрида железа Fe2_3N. При медленном охлаждении от этих температур азоти­рованный слой состоит из трех фаз: £, у' и а. При температуре выше 590 °С присутствует у-фаза - азотистый аустенит, существующий как равновесная фаза лишь выше эвтектоидной температуры 591 °С. При более низкой температуре он распадается на эвтектоид (а + у') и азо­тированный слой состоит из е-, у'- и (а + у')-фаз.

Распределение азота по глубине имеет скачкообразный характер вследствие отсутствия переходных двухфазных слоев. При азотирова­нии углеродистых сталей наряду с указанными выше фазами возможно образование карбонитридных фаз Fe2_3(N, С). Твердость азотирован­ного слоя таких сталей невелика и составляет 450...550 HV. Поэтому азотированию рекомендуют подвергать стали, легированные хромом, молибденом, алюминием, ванадием и титаном, так как в них на по­верхности образуются легированные г- и у'-фазы типа (Fe, M)2_3N и (Fe, M)4N, а также нитриды типа Cr2N, A1N, Mo2N. Комплексное легирование хромом, молибденом и алюминием позволяет повысить твердость азотированного слоя до 1200 HV, а в сталях, не содержащих алюминий, - до 950 HV.

Рис. 4.2. Схема режима азотирования (а), диаграмма Fe-N (б) и структура азотированного слоя при температуре 640 °С (в)

Азотирование - длительная операция. Для получения слоя тол­щиной 0,5 мм требуется порядка 60 ч при температуре азотирования 500...520 °С. С целью ускорения процесса азотирование проводят по двухступенчатому режиму: при 500...520 °С в течение 12...15 ч и при 540...600 °С в течение 20...25 ч. Вторая стадия ускоряет диффузионные процессы и общая длительность процесса сокращается в 1,5...2 раза.

4.4. Цианирование

Цианирование сталей заключается в поверхностном насыщении сталь­ных изделий одновременно углеродом и азотом из расплавленных цианистых солей NaCN с добавками солей NaCl, BaCl и др. При нагреве в ванне, содержащей указанные соли, происходят следующие реакции:

2NaCN+O2 -> 2NaCNO, ■

2NaCNO + О2 -> Na2CO3 + 2NaT + CO, 2СО-»СО2+.С„.

Образующиеся атомарный азот и углерод диффундируют в сталь. Детали нагревают в расплавленных солях до температуры 820...860 °С и выдерживают 0,5...1,5 ч. При этом толщина диффузионного слоя достигает 0,16...0,35 мм и в нем содержится примерно 0,7 % углерода и 0,1 % азота.

После цианирования детали закаливают непосредственно из циани­стой ванны и подвергают низкому отпуску при 180...200 °С. Твердость цианированного слоя после термической обработки 58...62 HRC,. Цианированный слой по сравнению с цементованным обладает более вы­сокой износостойкостью. Его структура состоит из тонкого поверхно­стного слоя карбонитридов Fe2(C, N), Fe3(C, N), после чего следует слой азотистого мартенсита.

Цианированию подвергают коленчатые валы, шестерни, режущий инструмент, штампы, пресс-формы и др. Основным недостатком цианирования является его ядовитость. Соли NaCl и BaCl добавляют для повышения температуры плавления ванны, что несколько умень­шает испарение дорогих и ядовитых цианистых солей при рабочих температурах. Этих недостатков лишен процесс газового цианирова­ния, получивший название нитроцементации.

При нитроцементации совмещают процессы газовой цементации и азотирования и используют смесь СО, СО2, Н2, СН4, NH3. Темпера­тура и состав атмосферы контролируются и зависят от марки стали, требуемой структуры и глубины насыщаемого слоя детали.

Высокотемпературная нитроцементация осуществляется для дета­лей из конструкционных сталей при температурах 830...950 °С и из легированных - при 850...870 °С. Процесс длится 4...10 ч, так как диффузия углерода существенно ускоряется в присутствии азота.

Низкотемпературная нитроцементация проводится для инстру­мента из быстрорежущей стали при температурах 550...570 °С. Про­цесс длится 1,5...3 ч, толщина нитроцементованногослоя 0,02...0,04 мм, а его твердость 900... 1200 HV. Износостойкость инструмента повыша­ется в 1,5...2 раза. Перед низкотемпературной нитроцементацией дета­ли подвергают закалке и высокому отпуску.

После нитроцементации осуществляют закалку с 800...825 °С (пос­ле подстуживания) и низкий отпуск при 160...180 °С. Твердость дости­гает 56...62 HRC3, а толщина нитроцементованного слоя составляет 0,2...0,8 мм. Структура слоя представлена мелкокристаллическим мар­тенситом, остаточным аустенитом и небольшим количеством дисперс­ных включений карбонитридов. В случае повышенного количества ау-стенита после закалки рекомендуется обработка холодом.

Преимуществами нитроцементации по сравнению с цианировани­ем являются безопасность процесса (отсутствуют ядовитые вещества), его низкая стоимость и возможность более точного регулирования тол­щины и состава поверхностного слоя. Преимущества по сравнению с цементацией заключаются в меньшей длительности и стоимости процесса, более простой термической обработке, меньшей деформа­ции и более высокой износостойкости и усталостной прочности.