3.3.2. Азотирование.

Это процесс насыщения поверхности металлических деталей атомарным азотом в среде аммиака при температуре 480…560°С. При данной температуре аммиак диссоциирует с образованием атомарного азота: 2NH₃→2N′ +3Н₂, который проникает в поверхностный слой деталей, образуя азотосодержащие фазы. При азотировании нелегированных сталей на поверхности образуется высокоазотистаяε – фаза (9-10%N), которая хорошо защищает сталь от коррозии во влажной атмосфере. Но твердость ε – фазы невысока(≈350HV), и заметного повышения износостойкости стали не происходит.

Высокая твердость (HV1100-1200) и износостойкость достигаются при азотировании среднеуглеродистых легированных сталей, в состав которых входят хром, молибден, ванадий, алюминий. Азот образует с легирующими элементами химические соединения типа Ме_ХN_У, которые называют нитридами. Это многочисленные и очень мелкие (10…20Нм) включения, которые блокируют перемещения дислокаций в кристаллической решетке, что проявляется в резком увеличении поверхностной твердости стали. Такое упрочнение называют нитридным в отличие от мартенситного после закалки. Нитридное упрочнение обеспечивает высокую твердость без проведения закалки после азотирования. Сталь после азотирования охлаждают вместе с печью в потоке аммиака.

Азотирование – длительный (до 90часов) процесс. Это объясняется низкой скоростью насыщения (≈0,01мм/час), что, в свою очередь, обусловлено, низкой температурой процесса. Поэтому толщина азотированного слоя невелика (0,3…0,5мм), и это определяет слабое сопротивление высоким контактным нагрузкам. Для повышения контактной выносливости и ударной вязкости детали перед азотированием подвергают улучшению (закалке и высокотемпературному отпуску).

Типичной сталью, азотируемой для повышения твердости и износостойкости, является сталь 38Х2МЮА, в состав которой входят хром, молибден и алюминий. При этом достигается износостойкость,превышающая в 1,5…4 раза износостойкость стали после цементации. Высокая твердость азотированного слоя не снижается при нагреве вплоть до 400…450°С. Так как после азотирования закалка не проводится, то коробление деталей и опасность их растрескивания минимальны. Поэтому финишную обработку азотированных деталей (шлифование и т.д.) можно не проводить, в отличие от деталей, подвергнутых цементации.

3.3.3. Нитроцементация.

Это процесс насыщения поверхностных слоев стальных изделий одновременно углеродом и азотом в среде природного газа и аммиака с последующей закалкой и низкотемпературным отпуском. Процесс происходит при температуре 840…860°С в течение 2…10часов, толщина диффузионного слоя от 0,2 до 1,0мм. Нитроцементации подвергают стали с содержанием углерода 0,2…0,4%, как легированные, так и нелегированные. К завершению насыщения оптимальная концентрация углерода в слое составляет 0,7…0,9%, концентрация азота – 0,3…0,4%. После закалки и отпуска структура диффузионного слоя - мелкоигольчатый мартенсит и остаточный аустенит в виде мелких включений (до 40%). Повышенное количество дисперсного остаточного аустенита снижает твердость слоя, и она составляет 57-60HRC. Структура и твердость сердцевины изделий после нитроцементации аналогичны структуре и твердости сердцевины цементированных изделий.

В машиностроении нитроцементация является наиболее востребованным видом химико-термической обработки. Это объясняется меньшими энергоемкостью и длительностью процесса по сравнению с другими видами ХТО. Из-за пониженной температуры процесса снижается рост аустенитных зерен, уменьшаются деформация и опасность растрескивания изделий после закалки. Поэтому нитроцементации обычно подвергают изделия сложной конфигурации, склонные к короблению и образованию закалочных трещин. Нитроцементацию проводят в автоматизированных агрегатах с автоматическим регулированием состава насыщающей атмосферы и других параметров процесса.

Если насыщение углеродом и азотом ведут в жидкой среде, то процесс называют цианированием. Жидкой средой обычно является расплав цианистых солей. Цианирование проводят погружением изделий в ванну с расплавом солей. Толщина слоя зависит от температуры процесса и его продолжительности. Различают высокотемпературное цианирование (930°С, 1,5…6часов, толщина слоя 0,5-2,0мм), среднетемпературное (850°С, 0,5…1,5часа, толщина слоя 0,15…0,35мм), низкотемпературное (650°С, 0,5…3часа, толщина слоя 0,05…0,1мм). Процессы цианирования непродолжительны, деформация и коробление деталей минимальны, износостойкость изделий высокая. Главный недостаток – токсичность цианистых солей и их высокая стоимость.

Кроме выше указанных распространенных видов упрочняющей обработки применяют ряд других технологий, развивающих традиционные методы. К ним относят высокотемпературную цементацию, вакуумную цементацию и нитроцементацию, ионное азотирование, ионную цементацию, лазерную наплавку и лазерную химико-термическую обработку, а также термоциклическую обработку.

Из других видов ХТО в ряде случаев применяют борирование (насыщение поверхности деталей бором), алитирование (насыщение алюминием), диффузионное хромирование (насыщение хромом).