1.3 Азотирование

Процесс поверхностного насыщения сталей, чугунов и различных сплавов азотом. Азотирование проводится при 500–650 °C в газовых, жидких, твердых и плазменных средах. В зависимости от способа продолжительность может колебаться от 1,5 до 70 ч.

Наиболее простым и распространенным способом является газовое азотирование в среде аммиака (NH₃), который в условиях процесса диссоциирует на атомарный азот и водород. Скорость этого процесса примерно в 10 раз меньше, чем цементации и составляет при 500–530 °C около 0,01 мм/ч. Толщина азотированного слоя колеблется от 0,3 до 0,8 мм, т.е. для получения слоёв такой толщины требуется выдержка 35-70 часов.

В последнее время широкое распространение получило ионное азотирование, которое проводится в плазме коронного разряда в газовой среде на основе азота, водорода, аргона и аммиака. Применение ионного азотирования позволило сократить продолжительность газового процесса до 10 ч.

Наименьшую продолжительность имеет азотирование в расплавленной жидкой среде (1 – 3 ч) на основе цианатов натрия и калия (NaCNO и KCNO). Однако эти расплавы являются в некоторой степени токсичными и требуют нейтрализации отходов.

Азотированию подвергают преимущественно легированные стали и чугуны, содержащие хром, ванадий, молибден, вольфрам, марганец, т.е. нитридообразующие элементы. Иногда в стали вводят алюминий, который резко повышает твердость азотированного слоя.

На поверхности азотированного слоя легированных сталей образуется очень тонкая зона нитридной ε-фазы, за ней располагается слой γ'-фазы, толщиной 0,015-0,018 мм а далее основной слой α-твердого раствора, толщиной 0,3 – 0,8 мм. Низколегированные среднеуглеродистые стали, подвергаемые азотированию, называют нитроллоями (например, сталь 38ХМЮА).

Высокая твердость азотированного слоя связана с образованием твердых нитридных фаз и выделением дисперсных нитридов легирующих элементов в диффузионной части слоя, т.е. в α-твердом растворе. Дисперсные включения нитридов сильно искажают кристаллическую решетку матрицы (α-твердого раствора) и приводят к возникновению сжимающих напряжений и повышению твердости. Это дополнительно в процессе эксплуатации затрудняет движение дислокаций и тормозит процесс накопления повреждаемости детали. Таким образом, предупреждается преждевременный выход из строя детали. Максимальная твердость азотированных деталей достигает 70–72 единиц HRC, а температура эксплуатации допускается до 500 °C.

Азотирование, так же как и цементация, повышает поверхностную твёрдость, износостойкость, усталостную выносливость и контактную прочность деталей и, кроме этого, теплостойкость и коррозионную стойкость.

На железнодорожном транспорте азотирование применяется для упрочнения деталей тепловозных дизелей: стальных и чугунных коленчатых валов, чугунных гильз, поршневых колец, корпусов распылителя топлива и выхлопных клапанов.

К недостаткам следует отнести длительность процесса, а также сравнительно небольшой упрочненный слой, твердость которого плавно уменьшается по мере удаления от поверхности. Во избежание продавливания слоя азотирование не рекомендуется применять для деталей, работающих при больших контактных давлениях.