§ 7. Стали, подвергаемые азотированию

Азотирование применяется для упрочнения разнообразных сталей: конструкционных, инструментальных, коррозиенностойких, жаропрочных и, наконец, мартенситно-стареющих.

Сталью, разработанной специально для азотирования в начале 30-х годов, является конструкционная сталь 38ХМЮА состава: 0,35—0,42% С, 1,35—1,65% Сr, 0,15—0,25,% Мо и 0,7—1,1% А1. Сталь после азотирования обладает высокой твердостью (1100—1200 НУ ) и износостойкостью и применяется для изготовления зубчатых колес, гильз цилиндров, червяков, шпинделей втулок и других деталей ответственного назначения. Перед азотированием сталь 38ХМЮА подвергается термоулучшению (закалка 930—950° в воде или масле, от­пуск 600—650°, превышающий на 50—100° максимальную температуру азотирования) для получения оптимальных механических свойств сердцевины (σ_в=1000 МПа, σ_0,2 =850 МПа, а_н = 90 Дж/см²). Однако для изготовления сильно нагруженных крупных деталей эта сталь непригодна, так как полная прокаливаемость этой стали достигается лишь при диаметре - ~50 мм, и механические свойства сравнительно невысоки. Наличие в стали алюминия значительно усложняет технологию выплавки, горячей механической обработки, термообработки, самого азотирования и финишных операций— шлифования, хонингования. Стали свойственны различного рода металлургические дефекты, при термической обработке она чувствительна к изменению состава в . пределах марки (либо недостаточная закаливаемость и прокаливаемость, либо склонность к образованию закалочных трещин). Азотированный слой на стали 38ХМЮА, содержащий алюминий на верхнем пределе, обладает значительной хрупкостью, изделия в процессе азотирования обнаруживают большую склонность к деформациям. После финишных операций механической обработки сталь склонна к образованию поверхностной «сыпи» и шлифовочных трещин.

Более технологичной является сталь 38ХВФЮА, содержащая пониженное количество алюминия—0,4—0,7%. Твердость азотированной поверхности у этой стали ниже — 900—950 HV, слой менее хрупок, прочность, вязкость и прокаливаемость находятся на том же уровне, что и у стали 38ХМЮА.

Для изготовления деталей, допускающих меньшую твердость упрочненных поверхностей, широко применяют конструкционные стали, не содержащие алюминий. Эти стали более технологичны, имеют более высокие механические свойства, но пониженную твердость слоя—650—900 HV. К таким сталям относятся цементуемые стали марок 18Х2Н4ВА, 20ХГН2МФ, 20ХЗМВФ, термоулучшаемые высокопрочные стали марок 38ХНМФА, 40ХНМА, 38ХЗМФ, 38ХГМ и др. Эти стали применяют для тяжелонагруженных деталей, работающих в условиях циклических изгибных или контактных нагрузок, а также износа.

Как уже указывалось, существенный недостаток азотирования — его длительность. Повышение температуры азотирования, конечно, может интенсифицировать диффузию азота, однако это ухудшает свойства сердцевины и значительно снижает твердость слоя за счет коагуляции нитридов в вышеуказанных сталях. Оказывается, что легирование стали титаном, образующим устойчивые нитриды, не только способствует получению высокой твердости на поверхности (900—1000 HV) после азотирования при 600°, но и значительно ускоряет формирование слоя. Наилучшие свойства имеют стали с соотношением Ti/C от 6,5 до 9,5.

Такими сталями, например, являются две ферритные титаносодержащие стали ЗОХТ2 и ЗОХТ2НЗЮ, обладающие хорошим комплексом свойств и рекомендуемые для деталей, работающих в условиях повышенного износа и усталости, хотя и не воспринимающих значительных ударных нагрузок.

Для повышения износостойкости, теплостойкости при сохранении комплекса механических свойств для азотирования рекомендуются стали, применяющиеся для холодного и горячего инструмента.

Кратковременное азотирование (δ_слоя = 0,01—0,025 мм) инструмента из быстрорежущих сталей повышает стойкость в 1,5—2 раза, что обеспечивается высокой твердостью 1300— 1400 HV и теплостойкостью (твердость 700 HV сохраняется до 700° С). В штамповых сталях ЗХ2В8Ф, ЗХ5В2ФС, обла­дающих повышенной вязкостью, глубина слоя может достигать 0,2—0,25 мм. Твердость таких сталей после азотирования достигает 1100—1250 HV при высокой теплостойкости— 670—680° С.

Достаточно широко начинает применяться азотирование нержавеющих высокохромистых (12Х13, 20Х13 и др.) и хромоникелевых аустенитных сталей (Х18Н9Т, Х14Х14В2М и др.) с целью повышения твердости, износоустойчивости и эрозионной устойчивости. Глубины упрочнения у этих сталей невелики, а на аустенитных сталях азотирование вообще не позволяет получить слой более 0,12—0,15 мм (560° С). Для аустенитных сталей можно проводить и высокотемпературное азотированяе при 700—800°, однако это приводит к падению азотного потенциала, интенсивному отводу азота вглубь, из-за чего твердость поверхности снижается, развивается общая хрупкость с потерей жаропрочности и окалиностойкости.

Возможно также довольно успешное азотирование мартенситно-стареющих сталей. Например, азотирование стали Н18К9М5Т при 450—500° С приводит к образованию нехрупких диффузионных слоев глубиной до 0,2—0,25 мм с поверхностной твердостью до 900 HV. При этом повышается сопротивление износу и задиру, а также увеличивается предел усталостной выносливости. На высоком уровне сохраняются прочность и вязкость сердцевины.