Азотирование стали

Азотированием называется процесс насыщения поверхностно­го слоя азотом. Целью азотирования является создание поверхно­стного слоя с особо высокой твердостью, износостойкостью, по­вышенной усталостной прочностью и сопротивлением коррозии в водной среде, паровоздушной и влажной атмосфере.

Процесс азотирования состоит в выдержке в течение довольно длительного времени (до 60 ч) деталей в атмосфере аммиака при 500-600 °С. При более высокой температуре образуются более крупные нитриды, и твердость уменьшается. Азотирование про­водят в стальных герметически закрытых ретортах, в которые поступает аммиак. Реторту помещают в нагревательную печь. По­ступающий из баллонов аммиак при нагреве разлагается на азот и водород: NH₃ —> ЗН + N.

Активные атомы азота проникают в решетку а-железа и диф­фундируют в ней. Образующиеся при этом нитриды железа еще не обеспечивают достаточно высокой твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, прежде всего хрома, молибдена, алюминия. При совместном ле­гировании стали хромом, молибденом, алюминием твердость азо­тированного слоя по Виккерсу достигает 1200 HV, в то время как после цементации и закалки твердость составляет 900 HV.

Благодаря высокой твердости нитридов легирующих элемен­тов азотированию обычно подвергают легированные среднеугле­родистые стали. К таким сталям относятся 38Х2МЮА, 35ХМА, более дешевая 38Х2Ю6, а также некоторые штамповые стали, например ЗХ2В8, 5ХНМ.

Азотированию обычно подвергают готовые изделия, прошед­шие механическую и окончательную термическую обработку (за­калку с высоким отпуском 600-675 °С, температура которого выше максимальной температуры азотирования). После такой термиче­ской обработки металл приобретает структуру сорбита, имеющую высокую прочность и вязкость. Эта структура сохраняется в серд­цевине детали и после азотирования. Высокая прочность метал­лической основы необходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азотированный слой не продавливался при работе детали. Высо­кая твердость азотирования достигается сразу и не требует после­дующей термической обработки. Это важное преимущество про­цесса азотирования.

Участки, не подлежащие азотированию, защищают нанесени­ем тонкого слоя олова (10-15 мкм) электролитическим методом или жидкого стекла. Глубина азотированного слоя достигает 0,3- 0,6 мм. Из-за сравнительно низких температур скорость азотиро­вания значительно меньше, чем скорость цементации, и составля­ет всего 0,01 мм/ч и менее.

По сравнению с цементацией азотирование имеет ряд пре­имуществ и недостатков. Преимуществами азотирования являют­ся более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя, сохранение им высоких свойств при нагреве до 500 °С, а также высокие коррозионные свойства. В азотированном слое соз­даются остаточные напряжения сжатия, что повышает усталост­ную прочность. Кроме того, после азотирования не требуется за­калки, что позволяет избежать сопутствующих закалке дефектов.

К недостаткам азотирования по сравнению с цементацией от­носятся более высокая длительность процесса и необходимость применения дорогостоящих легированных сталей. Поэтому азо­тирование проводят при изготовлении более ответственных дета­лей, от которых требуется особо высокое качество поверхностного слоя.

Азотирование применяют в машиностроении для изготовле­ния мерительного инструмента, гильз, цилиндров, зубчатых ко­лес, шестерен, втулок, коленчатых валов и др.

Цианирование стали

Цианированием (нитроцементацией) называется процесс со­вместного насыщения поверхности стальных деталей азотом и углеродом. Основная цель цианирования состоит в повышении твердости и износостойкости деталей.

При цианировании нагрев осуществляется либо в расплавлен­ных солях, содержащих цианистые соли NaCN или KCN, либо в газовой среде, состоящей из смеси СН₄ и NH₃. Состав и свойства цианированного слоя зависят от температуры проведения циани­рования.

В зависимости от температуры процесса различают высоко­температурное (850-950°С) и низкотемпературное (500-600 °С) циа­нирование. Чем выше температура цианирования, тем меньше насыщение поверхностного слоя азотом и больше углеродом. Со­вместная диффузия углерода и азота протекает быстрее, чем диф­фузия каждого из этих элементов в отдельности.

При низкотемпературном цианировании поверхностный слой насыщается преимущественно азотом. Низкотемпературному циа­нированию обычно подвергают окончательно изготовленный и заточенный режущий инструмент из быстрорежущих марок стали с целью повышения его износостойкости и красностойкости. По­сле низкотемпературного цианирования отпуск не производится. Глубина цианированного слоя 0,01-0,04 мм с твердостью 1000 HV.

После высокотемпературного цианирования на глубину 0,6- 1,8 мм в течение 3-10 ч детали подвергают закалке и низкому от­пуску. Твердость после термообработки составляет 59-62 HRC.

По сравнению с цементованным цианированный слой имеет несколько более высокую твердость и износостойкость, а также более высокое сопротивление коррозии. В ваннах можно подвер­гать цианированию мелкие детали, например детали часовых ме­ханизмов, для которых достаточно получение слоя небольшой толщины.

Недостатком цианирования является более высокая стоимость процесса, связанная с необходимостью строгого соблюдения пра­вил техники безопасности из-за высокой токсичности цианистых солей.

Диффузионная металлизация

Диффузионной металлизацией называется процесс диффузи­онного насыщения поверхностных слоев стали различными ме­таллами. Детали, поверхность которых насыщена алюминием, хро­мом, кремнием, бором, приобретают ряд ценных свойств, напри­мер жаростойкость, коррозионную стойкость, повышенную изно­состойкость и твердость.

Металлизация бывает твердая, жидкостная и газовая. При жидкостной металлизации стальную деталь погружают в расплав металла. При твердой и газовой металлизации насыщение проис­ходит с помощью летучих соединений хлора с металлом АЮ1₃, CrCl₃, SiCl₄, которые при температуре 100-1100 °С вступают в об­менную реакцию с железом с образованием диффундирующего элемента в активном состоянии.

При алитировании, т. е. насыщении алюминием, которое обычно проводится в порошкообразных смесях или расплавлен­ном алюминии, детали приобретают повышенную коррозионную стойкость благодаря образованию плотной пленки А1₂0₃, предо­храняющей металл от окисления. Толщина слоя составляет 0,2- 0,5 мм.

При хромировании обеспечивается высокая стойкость про­тив газовой коррозии до 800 °С, а также стойкость против кор­розии в воде, морской воде и кислотах. Толщина слоя составля­ет до 0,2 мм.

Силицирование, т. е. насыщение кремнием, придает высокую кислотоупорность в соляной, серной и азотной кислотах и приме­няется для деталей, используемых в химической и нефтяной про­мышленности; толщина слоя лежит в пределах 0,3-1,0 мм.

Борирование придает поверхностному слою исключительно высокую твердость (до 1800-2000 HV), износостойкость и устой­чивость против коррозии в различных средах. Борирование часто проводят при электролизе расплавленных солей, например буры Na₂B₄0₇ • ЮН₂0; стальная деталь служит катодом. При темпера­туре около 150°С и выдержке 205 ч на поверхности образуется твердый борид железа, и толщина слоя достигает 0,1-0,2 мм.