Література. 1. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справо­ч­ник // Г.В.Борисенок

1. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справо­ч­ник // Г.В.Борисенок, Л.А. Васильев, Л.Г.Ворошнин и др. Под ред. Л.С.Ляховича. – М.: Металлургия,1981.-424 с.

2. А.Т.Волков. Ремонт мотороллеров. - М.: Машиностроение, 1967.-294с.

1.3. Азотування

ХТО – це поверхневе насичення сталі необхідним елементом (елементами) при заданих температурі та часі.

Азотування – поверхневе насичення сталі азотом у відповідному середовищі при температурі від 500 до 1200 °С.

Після азотування сталь отримує: високу твердість поверхні, яка не змінюється при нагріванні до 400-500 °С; низьку схильність до задирання і високий опір зношуванню; високу границю витривалості і кавітаційну стійкість; добрий опір корозії на повітрі, у прісній воді та парі.

Вироби під час азотування зазнають невеликої деформації. Азотований шар добре піддається шліфуванню та поліруванню.

Розрізняють два види азотування:

1. Низькотемпературне азотування проводять при температурі нижче за 600 °С в різних насичуючих середовищах. В результаті, незалежно від середовища, переважно дифундує азот, а будова шару визначається діаграмою стану Fe-N. Вуглець (кисень) приймає участь у формуванні поверхневих нітридних зон шару, утворюючи карбонітриди (карбооксиди).

Низькотемпературне азотування проводять в частково дисоційованому аміаку, в сумішах аміаку та азоту, аміаку і попередньо дисоційованого аміаку. Для активації процесу в аміачно-водневу суміш вводять кисень або повітря. Широкого використання знаходять атмосфери на основі частково дисоційованого аміаку і компонентів, які містять вуглець: природний та освітлювальний газ, ендогаз, екзогаз, продукти піролізу триетаноаміну, синтину, гасу, спирту та інші. При рідкому азотуванні використовують розплави цианід-цианатних солей.

2. Високотемпературне азотування проводять при температурах вищих за температуру евтектоїдного перетворення (600-1200 °С). Цей вид азотування використовують для феритних і аустенітних сталей, тугоплавких металів (титану, молібдену, ніобію, ванадію та інших)[1‑3].

1.3.1. Діаграма стану Fe-N

У стабільній системі Fe-N в рівновазі знаходяться a- та g-тверді розчини азоту в залізі та газоподібний азот. Але, як і в системі Fe-C, найбільше значення має не рівноважна, а метастабільна система Fe-N, в якій утворюються наступні фази) [4]:

1) a-фаза – азотистий ферит з ОЦК граткою та періодом (в залежності від вмісту азоту) 0.28664-0.2877 нм. Азот займає октаедричні пори в гратці Fe_a. Розчинність азоту в a-фазі при евтектоїдній температурі складає до 0.004 %. Азотистий ферит є феромагнітним;

2) g-фаза (азотистий аустеніт) має ГЦК гратку з невпорядкованим розміщенням атомів азоту в октаедричних порах. Максимальна розчинність азоту в g-фазі – 2.8 %. При 590 °С g-фаза розпадається внаслідок евтектоїдного перетворення g®a+g΄. B умовах великого переохолодження g-фаза розпадається внаслідок зсувного мартенситного перетворення. Азотистий мартенсит (a΄-фаза) являє собою пересичений твердий розчин азоту в Fe_a і має тетрагональну об’ємоцентровану гратку. При розпаді (відпуску) a΄-фази з неї спочатку виділяється метастабільна a΄΄- фаза, що відповідає нітриду Fe₁₆N₂ (12.5 атомів азоту на 100 атомів заліза), а потім утворюється нітрид Fe₄N. Періоди гратки сполуки Fe₁₆N₂ мають наступні значення: а = 0.572 нм, с = 0.629 нм;

Рис 1.13. Діаграма стану подвійної системи Fe – N

3) g΄-фаза відповідає твердому розчину на базі нітриду Fe₄N. Зона її гомогенності при 590 °С знаходиться в межах 5.30-5.75 % N. g΄-фаза кристалізується в ГЦК гратку з атомів заліза з впорядкованим розташуванням атомів азоту в центрах елементарних кубів (1/2, 1/2, 1/2). Періоди гратки дорівнюють: з боку заліза а = 0.3791 нм та з боку азоту а = 0.3801 нм. g΄-фаза феромагнітна;

4) e-фаза – твердий розчин на основі нітриду Fe_2-3­N, який існує в широкому інтервалі концентрацій – 4.55-11.0 % N. Основа її криста­лічної будови – щільна гексагональна упаковка атомів заліза. Атоми азоту розташовуються в октаедричних порах, які утворюють підгратку типу графіту. При 650 °С e-фаза розпадається за евтектоїдним меха­нізмом на g + g΄-фази. Вміст азоту в евтектоїді – 4.5 %. e-фаза феро­магнітна;

5) x-фаза (Fe₂N) має ромбічну гратку з впорядковано розміщеними атомами азоту. Кристалічну структуру x-фази можна розглядати як спотворену модифікацію гратки e-фази (псевдогексагональна). Область гомогенності x-фази неширока та знаходиться в межах 11.07-11.18 %. Вищий нітрид заліза стійкий в рівновазі з аміаком до 450 °С. При більших температурах він розпадається в атмосфері аміаку навіть при невеликому вмісті водню. При азотуванні сталі або одночасній дифузії в сталь азоту і вуглецю e- і g-фази мають карбонітридний склад. Відношення C: N в e-фазі досягає 1.2-2.25 % (ат.). Вуглець розширює область гомогенності e-фази. Карбонітридна e-фаза порівняно з чисто азотистою є менш крихкою, має вищу твердість (400-450 HV) та високу зносостійкість. x-фаза розчиняє більше вуглецю і може змінювати свій склад від Fe­₈C₃N до Fe₂N.

1.3.2. Технологія азотування

1. 3. 2. 1. Технологія газового азотування

У загальному вигляді технологічний процес виготовлення азотованих виробів можна представити у вигляді наступних послідовних етапів:

1. Попередня термічна обробка з метою надання сталі необхідного комплексу механічних властивостей.

2. Механічна обробка деталі, включаючи шліфування.

3. Захист ділянок, що не підлягають азотуванню.

4. Азотування.

5. Кінцеве шліфування та доведення виробу у відповідності з заданими допусками.

Попередню термічну обробку – гартування і відпуск при 525-680 °С – переважно проводять для грубих заготовок або для деталей малого січення – безпосередньо в прокатних прутках (для діаметрів < 50 мм).

При термообробці хромомолібденоалюмінієвих сталей типу 38Х2МЮА необхідно враховувати, що вони володіють високою схиль­ністю до зневуглецювання.

Перед шліфуванням виробів зі складною конфігурацією слід проводити стабілізуючий відпуск для зняття внутрішніх напружень, які обов’язково виникають у виробі при різанні та можуть бути джерелом підвищених деформацій при азотуванні. Стабілізуючий відпуск проводять при 550-600 °С протягом 3-10 годин з наступним повільним охолодженням (піч - повітря).

Для захисту від азотування окремих ділянок виробу зі сталі найбільш широке розповсюдження отримав метод гальванічного покриття їх оловом. Для місцевого захисту від азотування нержавіючих сталей застосовують хімічні (товщиною 8-10 мкм) або гальванічні (до 30 мкм) нікелеві покриття. Для гарантованого захисту потрібний щільний дрібнозернистий шар нікелю товщиною > 30 мкм.

При високотемпературному (750-800 °С) азотуванні аустенітних високомарганцевих дисперсійно-зміцнених сталей для місцевого захисту запропоновано метод окислення. Нагрів у твердому карбюризаторі або піролізному газі при 650-750 °С 3-12 годин дозволяє одержати щільну оксидну плівку, через яку не проходить азот.

Якщо не потрібно різкої границі між азотованою та неазотованою поверхнями, застосовують рідке скло. Перед азотуванням деталі знежирюють, промивають гарячою водою, після чого занурюють у рідке скло. Потім деталі просушують при 90-120 °С протягом 1.5 год. Плівка рідкого скла повинна бути прозорою, скловидною, без меха­нічних пошкоджень.

Перед азотуванням поверхню виробів потрібно знежирити електрохімічним методом або промивкою в бензині чи інших середовищах для усунення масла, емульсії та ін. Нержавіючі сталі перед азотуванням потребують попередньої обробки для усунення з поверхні плівки окислів, що утруднюють дифузію азоту в метал. Азотування високохромистих сталей без попередньої депасивації (очищення поверхні) призводить до зниження товщини шару та його нерівномірності, а як наслідок цього, до «плямистої» твердості. Усунення окисної плівки проводять травленням у водних розчинах кислот, наприклад HCl, або частіше введенням в робочий простір печі хлористого амонію NH₄Cl чи чотирьоххлористого вуглецю CCl₄. Для виробів із сталей 45Х14Н14В2М і 25Х18Н8В2, що працюють у водному середовищі, необхідно передбачити зняття припуску на азотованих поверхнях, рів­ного 0.02-0.03 мм. При азотуванні конструкційних сталей, схильних до утворення в поверхневому шарі крихких, легко викришуваних фаз, необхідно передбачити припуск в межах 0.05- 0.1 мм.

Азотування виробів із конструкційних нержавіючих і жароміцних сталей частіше проводять при 500-600 °С.

Перепад температур у робочій зоні печі допускається не більше ± 5 °С. Степінь дисоціації аміаку при 500-520 °С складає 20-40 %, при 540-560 °С – 40-60 % і при 600-650 °С – 50-70 %.

Для одержання оптимальних властивостей азотованого шару непотрібно добиватися його великої товщини, коли не тільки знижується границя витривалості, але й зростає деформація (короблення) деталі. При раціональній укладці виробів у піч, мінімальній температурі та товщині шару короблення і деформація невеликі.

Швидкість протікання аміаку повинна бути такою, щоб його дисоціація, що вимірюється дисоціометром, була в необхідних межах.

Застосування різних газових атмосфер для насичення дозволяє оптимізувати будову і склад азотованого шару.

Якщо парціальний тиск азоту атмосфері для азотування підтримувати меншим за тиск дисоціації нітридів основного металу, то шар буде складатися лише із внутрішньої зони – твердого розчину азоту в основному металі, його нітридів та нітридів легуючих елементів. При більш високому парціальному тиску азоту утворюється композиційний шар, на поверхні якого розміщується суцільна зона нітридів ос­нов­ного металу. У цьому випадку, окрім підвищення границі витривалості, досягається висока корозійна стійкість та зносостійкість, задиростійкість, припрацювання поверхонь, що труться.

Азотний потенціал атмосфери можна регулювати, розбавляючи аміак азотом, інертним газом, воднем або попередньо дисоційованим аміаком.

Найбільш легко проводити азотування в суміші попередньо дисоційованого аміаку зі свіжим аміаком (5-15 %). В такій атмосфері утворюється шар із структурою тільки азотистого a-твердого розчину. Для зниження крихкості шару та економії аміаку рекомендується азотування в аміаку, який розбавлений азотом (азотним газом N₂ + 4 % H₂) до 70-80 %.

Введення в аміачно-водневу атмосферу кисню, повітря, вуглекислого газу та їх сумішей пришвидшує процес насичення сталі азотом. В суміші аміаку і кисню (4 л на 100 л NH₃) швидкість азотування збільшується в 2 рази порівняно зі звичайним азотуванням в аміаку.

У процесі газового азотування можуть виникати наступні дефекти: деформації і короблення, крихкість і жолоблення, зменшена і плямиста твердість азотованого шару, зменшена товщина шару.

1.3.2.2. Азотування в тліючому розряді та в електростатичному полі

Один із способів інтенсифікування процесу азотування – використання різних електричних газових розрядів.

Найбільше поширення в даний час отримало азотування йонізованим азотом у плазмі тліючого розряду (іонне азотування).

Іонне азотування має наступні переваги перед стандартним газовим процесом: більшу швидкість насичення (в 1.5-2 рази); можливість проведення регульованих процесів азотування з оптимізацією дифузійних шарів за фазовим складом та будовою з врахуванням умов експлуатації деталей; мінімальні деформації виробів у процесі обробки і високий клас чистоти поверхні; відсутність необхідності в попередній депасивуючій обробці (при азотуванні жаростійких і корозійностійких сталей); значне зменшення загального часу нагрівання та охолодження садки; більшу економічність процесу, підвищення коефіцієнта використання електроенергії, зменшення витрат насичуючих газів.

Суть іонного азотування полягає в наступному. В розрідженій атмосфері, в якій присутній азот, між катодом (деталлю) і анодом збуд­жується тліючий розряд. Іони газу, бомбардуючи поверхню катоду, нагрівають її до температури насичення. Температура азотування становить 470-580 °С, розрідження – 130-1300 Па, робоча напруга коливається від 400 до 1000 В, тривалість процесу – від декількох хвилин до 24 год.

Як азотомісткі гази, використовують аміак, азот і суміш азоту з воднем. В азотній плазмі присутність кисню не допускається, тому що при цьому зменшується активність робочої атмосфери; водень не­значно впливає на ріст шару.

Іонне азотування можна вести також у вільній від водню плазмі. Для регулювання складу нітридної зони за вуглецем в нітридну атмосферу вводять гази, які містять азот.

Процес іонного азотування проводиться в дві стадії: 1) очищення поверхні катодним розпиленням; 2) власне насичення.

Іонне азотування дозволяє оптимізувати шари за структурою та фазовим складом.

Один з недоліків пічного азотування – окрихчення поверхні. Іонне азотування дозволяє отримати шар з регульованим фазовим складом і будовою, забезпечує широкий діапазон пластичності зміцнених матеріалів.

1.3.2.3. Нітрогартування

Суміщення азотування з гартуванням дає великий ефект на високовуглецевих сталях.

Цей процес забезпечує високу твердість, підвищення границі витривалості та зносостійкості, а також високу корозійну стійкість високовуглецевих сталей.

Нітрогартування проводять за двома технологічними варіантами:

1) попереднє азотування в інтервалі 500-700 °С з наступним нагрівом під гартування в нейтральному середовищі або в ендотермічній атмосфері: гартування, обробка холодом і низькотемпературний відпуск;

2) азотування, поєднане з нагрівом під гартування в атмосфері, що містить активний азот; гартування, обробка холодом, низькотемпературний відпуск.

Нітрогартування дозволяє в 1.5-2.5 рази підвищити зносостійкість високовуглецевої сталі в умовах сухого тертя порівняно із стандартною термообробкою.

Метод нітрогартування дає хороші результати в поєднанні з поверхневим індукційним нагрівом. Азотовані деталі з вуглецевих сталей для підвищення поверхневої твердості нагрівають струмами високої частоти (СВЧ) до температури аустенітизації (870-900 °С) на товщину 1.1-1.6 мм з наступним швидким охолодженням, яке забезпечить одержання азотистого мартенситу в шарі.

Після гартування азотованих деталей рекомендується відпуск протягом 1 год при 200 °С. Твердість шару після гартування – 62 HRC.

Процес азотування з наступним індукційним гартуванням сприяє також збільшенню опору корозії, тому що при короткочасній аутенітизації азот і вуглець не встигнуть видалитися з шару та на обробленій поверхні сталі зберігається антикорозійна карбонітридна e-фаза.

1.3.2.4. Газове азотування з додатками газів, які містять вуглець

Азотиста e-фаза (9-11 % N), особливо при виділенні надлишкової g¢-фази, має високу крихкість. Підвищити пластичність, щільність та експлуатаційні характеристики поверхневого шару можна газовим азотуванням з додаванням газів, які містять вуглець. Вуглець прак­тично не розчиняється в підшарі, а приймає участь лише у формуванні поверхневої карбонітридної зони. Після нітроцементації при 570°С в поверхневій зоні карбонітридного шару, одержаного на сталях марок 20, 40Х, 38Х2МЮА, вміст азоту сягає 5.0-6.0 % і вуглецю – 2.5 %.

Газове азотування при 570 °С протягом 0.5-6.0 год проводять в наступних середовищах:

1) NH₃ + 50 % ендогазу (40 % H₂ + 20 % СО + 40 % N₂);

2) NH₃ + 50 % екзо- або ендогазу (20 % H₂ + 20 % СО + 60 % N₂) з точкою роси 0 °С;

3) NH₃ + екзогаз (90 % N₂ + 10 % СО₂);

4) NH₃ + 50 % С₃H₈;

5) 50 % продуктів піролізу гасу, спирту або синтину + 50 % NH₃.

1.3.2.5. Азотування в рідких середовищах

Процес азотування одержав поширення в різних галузях машинобудування для зміцнення деталей широкої номенклатури, які працюють на зношування в умовах знакозмінних згинальних навантажень.

Відмінною особливістю процесу азотування в рідких середовищах є продувка розплаву повітрям (киснем), що дозволяє регулювати азотний потенціал розплаву.

Перевага рідкого азотування – незначні деформації та зміни розмірів деталей після обробки, які легко враховуються технологічними допусками.

Для очистки охолоджених деталей від налиплих солей вони промиваються в гарячій воді (80 °С) і висушуються.

Після рідкого азотування можливе лише полірування.

Твердість азотованого шару, одержаного на вуглецевих сталях, становить 200-300 HV, на легованих конструкційних – 350-700 HV, на високохромистих (12-17 % Сr) та аустенітних хромонікелевих сталях (12Х18Н9Т) – 700-1100 HV. Твердість азотованого шару на сталі 38Х2МЮА дорівнює 960-1000 HV.

Азотування нержавіючих і жароміцних сталей значно підвищує їх зносостійкість і задиростійкість без суттєвого зниження корозійної стійкості.

Добре азотуються сірий, ковкий і високоміцний магнієвий чавуни.

Азотування підвищує теплостійкість і задиростійкість штампових сталей, а також усуває налипання рідкого металу на робочу по­верхню прес-форми.

Після рідинного азотування часто визначають пористість карбонітридної зони. Для цього краплю 10%-ного водного розчину мідно­амонієвого хлориду (реактив Уоккера) наносять на контрольовану поверхню. При якісній карбонітридній зоні голубий колір реактиву зберігається як мінімум 2 хв. Якщо перехідна зона мала або пориста, то реактив червоніє в зв’язку із заміщенням іонів міді в розчині іонами заліза і випаданням червоної міді в осад.

1.3.3. Структура поверхневого шару

Послідовність утворення шару при азотуванні показано в табл.1.19 і на рис.1.14 та полягає в наступному. Спочатку на поверхні утворюється шар ненасиченого a-розчину. З часом t на поверхні досягається концентрація насиченості Сmax. Повна товщина a-фази мікроструктурно не виявляється. Звичайно, за товщину шару приймають зону g¢-фази. Подальше надходження із зовнішнього середовища азоту призводить до пересичення a-фази, так як хімічний потенціал азоту в газовому середовищі вищий, ніж в насиченому a-розчині. Це викликає перекристалізацію a ®g¢.

Частіше перші кристали g¢-фази утворюються в місцях виходу границь зерен a-розчину на поверхню. Оскільки пересичення є лише на поверхні, g¢-фаза утворює суцільний шар, який з плином часу росте. Утворення g¢-фази призводить до стрибкоподібного підвищення концентрації на величину, що відповідає ширині двофазної області a+g¢ в системі Fe-N. Пізніше проходить дифузія азоту від поверх-ні до границі розділу фаз g¢-a.

Завдяки дифузії азоту в g¢-фазі, на границі розділу фаз в a-розчині буде зберігатися концентрація насичення. В процесі дифузії шар g¢-фази потовщується і фронт перекристалізації a®g¢ переміщується в глибину виробу. Розподіл концентрації азоту по товщині шару для цього періоду формування покриття відповідає кривій t₃ на рис.1.14.

Рис.1.14. Залежність зміни концентрації азоту по товщині шару h

з часом азотування при температурі нижче за евтектоїдну

Таблиця 1.19.

Послідовність утворення фаз у шарі та його будова

в рівноважному стані після азотування при різних температурах

Т, °C	Послідовність утворення фаз	Будова шару
400-590	a®aN®g¢®e	e+g¢®g¢®aN+g¢над®a
590-680	a®aN®gN®g¢®e	e+g¢®g¢®aN+g¢®aN+g¢над®a
680-910	a®aN®gN®e	e+g¢®aN+g¢®aN+g¢над®a
³ 910	g®gN	a+g¢

Примітка: 1. a_N – азотистий ферит, g_N – азотистий аустеніт. 2. При розпаді g_N крім евтектоїда утворюється a_{N над} (доевтектоїдна зона) або g¢_над (заевтектоїдна зона).

По досягненні границі насичення в g¢-розчині на поверхні утворюються зародки гексагональної e-фази, стійкої при більш високих концентраціях азоту.

Двофазні області a+g¢ і e+ g¢ утворюються в процесі охолодження при розпаді a-, g- і e-фаз.

Швидкість дифузії азоту в g-фазі в 50 разів нижча, ніж в a-фазі. Енергія активації в g-фазі приблизно в два рази більша, ніж в a-фазі.

В ізотермічних умовах насичення найбільшу товщину в шарі мають відповідно a-, g¢- і e-фази. Навпаки, g¢-фаза одержує незначний розвиток і виявити її можна лише після тривалого азотування.

При азотуванні легованих феритних сталей утворюються ті ж самі фази, що і при насиченні азотом заліза (див. табл.1.19). Але легування змінює склад фаз і температурні границі їх утворення.

В ізотермічних умовах азотування легованих сталей інколи спостерігаються два підшари e-фази, які мають границю розділу.

За нітридною зоною при азотуванні нижче за евтектоїдну температуру знаходиться шар a-фази, який є основною частиною шару. При низьких температурах азотування (500-550 °С) зона a-фази на легованому фериті не виявляється і складається із світлих зерен фериту (рис.1.15). Після азотування при високих температурах (вище за 600 °С) a-фаза виявляється у вигляді більш темно травленого шару з різким переходом до світлих зерен фериту основи. В цій частині азотованого шару вихідні зерна фериту зберігаються (рис.1.15). Ступінь потемніння зерен збільшується із збільшенням вмісту легуючих елементів у сталі.

Рис.1.15. Мікроструктура азотованого шару на залізі (а),

залізі легованому ванадієм (б, в) і алюмінієм (г). ×300;

а - 600°С, 6 год; б, в - 700°С, 6 год

Таким чином, властивості азотованого шару визначаються струк­турою, яка сформувалася в процесі насичення сталі азотом, і перетвореннями, які протікають в аустеніті та фериті при охолодженні.

1.3.4. Властивості та практичне застосування

Азотування застосовується для покращання властивостей широкої гами матеріалів, зокрема сталей, чавунів та тугоплавких металів.

Конструкційні сталі піддають азотуванню для підвищення їх границі витривалості.

Надрізи, подряпини, отвори, які понижують границю витривалості, після азотування практично не завдають негативної дії. Вплив азотування тим сильніший, чим менші розміри поперечного січення та вищі конструктивні або технологічні концентратори напруження. Після азотування границя витривалості колінчастих валів авіаційного двигуна із сталі 18Х2Н4МА збільшується на 25-60 %. Основною причиною підвищення границі витривалості є створення в азотованому шарі залишкових напружень стиску, величина яких на поверхні досягає 500-1000 МПа. В перехідній зоні виникають напруження розтягу, що дорівнюють 200-300 МПа.

Границя витривалості азотованих виробів тим більша, чим вища міцність серцевини.

Максимальне значення границі витривалості досягається при порівняно невеликій глибині шару (0.15-0.20 мм).

Чим вища температура азотування, тим нижча границя витривалості. Це пов’язано зі знеміцненням серцевини і зменшенням залишкових напружень стиску. Якщо при 500 °С максимальні напруження стиску на поверхні сталі 18Х2Н4МА становить 850 МПа, то при 600°С – 650 МПа.

Оптимальною для азотування є температура 500-520 °С. Вона забезпечує максимальне значення границі витривалості та мінімальне жолоблення деталей.

Мартенситно-старіючі сталі характеризуються низькими зносостійкістю та границею витривалості. Азотування є перспективним методом підвищення цих властивостей.

Мартенситно-старіючі сталі, що піддаються азотуванню, можна розділити на три групи: 1) високоміцні сталі з s_в = 1800-2100 МПа типу Н18К9М5Т; 2) нержавіючі високоміцні сталі; 3) низьколеговані сталі з міцністю s_в = 1000-1500 МПа.

Сталі феритного, мартенситного та аустенітного класів піддають азотуванню для підвищення твердості, зносостійкості та ерозійної стійкості. Після азотування їх найбільш широко використовують в енергомашинобудуванні.

Сталі з високим вмістом хрому необхідно піддавати спеціальній обробці для зняття оксидної плівки, яка заважає процесу насичення азотом. Цю обробку проводять шляхом травлення в кислотах, за допомогою піскоструменевої очистки або в процесі азотування сталі.

На рис.1.16 показаний вплив температури азотування протягом 48 год на товщину і твердість шару на сталі типу Х13 з різним вмістом вуглецю.

Сталі з ГЦК граткою (g-фаза) азотуються гірше, ніж сталі з ОЦК граткою (a-фаза). Чим вища степінь легованості сталі, тим важче проходить процес азотування.

Для отримання зносостійкого шару феритні та аустенітні високохромисті сталі частіше азотують при 560-600 °С.

Азотування збільшує зносостійкість і зменшує коефіцієнт тертя феритних і аустенітних сталей при нормальній і підвищеній температурах. Корозійна стійкість поверхневого шару нержавіючих феритних і аустенітних сталей в результаті азотування погіршується.

Азотування більшості аустенітних сталей дозволяє одержати шар товщиною не більше 0.12-0.15 мм.

Азотування сильно понижує жароміцність сталей.

Рис.1.16. Зміна мікротвердості Н_m і фазового складу по товщині шару на сталі типу Х13 після азотування при 540°С (а) і 620°С (б):

1 – 40Х13; 2 – 30Х13; 3 – 12Х13; 4 – 08Х13

Перспективним є високотемпературне азотування при контактному або електродуговому нагріванні. При електронагріві дисоціація аміаку протікає тільки на поверхні нагрітого зразка і високий азотистий потенціал атмосфери зберігається навіть при 800-850 °С.

Твердість азотованого шару при контактному нагріві вища, чим при пічному.

Піддають азотуванню й інструментальні сталі. Короткочасне азотування ріжучого і накатного інструменту (свердл, мітчиків, накатників та інше) із швидкоріжучої сталі збільшує його стійкість в 1.5-2.0 рази.

Найкращий комплекс механічних властивостей, зносостійкості та теплостійкості для інструменту зі швидкоріжучої сталі забезпечується при товщині шару 0.010-0.025 мм, яка може бути отримана азотуванням при 510-520 °С: дрібного інструменту (діаметром < 15 мм) протягом 15-20 хв, більшого (16-30 мм) – 25-35 хв і великого – 60 хв. Можна вести процес при 560 °С протягом 10-20 хв.

Після вказаних режимів азотування утворюються шари з високими твердістю –1340-1460 HV і теплостійкістю (700 HV зберігається до 700 °С). Твердість азотованого шару тим вища, чим більш легований твердий розчин.

Добре азотуються сталі, які містять 12 % Cr (Х12М, Х12Ф1). Азотування проводять при 510-520 °С протягом 8-12 год. В результаті утворюється шар товщиною 0.08-0.12 мм і твердістю 1100-1200 HV. Він має теплостійкість до 650-660 °С і більшу зносостійкість, ніж шар на швидкоріжучій сталі.

У штампових сталях, які володіють підвищеною в’язкістю, товщина азотованого шару може сягати 0.20-0.25 мм.

Найкраще поєднання міцності, в’язкості та розжаростійкості азотовані штампи мають після гартування з пониженої температури (1000-1050 °С) і відпуску при 560-600 °С. Після гартування з температур 1100-1200 °С і відпуску при 560-580 °С твердість і міцність збільшуються, а в’язкість знижується.

Чавуни піддають азотуванню для підвищення твердості, зносостійкості, границі витривалості та корозійної стійкості.

При азотуванні сірих і білих чавунів, в тому числі легованих хромистих та хромонікелевих, які не містять алюмінію, твердість збіль­шується незначно.

Азотування широко використовують для поверхневого зміцнення високоміцного магнієвого чавуну.

На литому магнієвому чавуні азотований шар має високу, але нерівномірну твердість. Розкид твердості характерний для чавунів з перлітною та з ферито-перлітною структурою. Це можна усунути, збіль­шуючи час азотування.

Для забезпечення рівномірної та високої твердості після азотування магнієвий чавун з перлітною і ферито-перлітною основами необхідно піддавати гомогенізуючому відпалу при 720-740 °С протягом 1-15 год.

Елементи Mn, Si, Mg, Cr, Ge, Mo, W, Ni збільшують твердість азотованого шару на чавуні та зменшують його глибину. Алюміній збільшує твердість, не понижуючи глибини шару.

Азотований високоміцний чавун має високу зносостійкість в умовах граничного та сухого тертя ковзання.

Зносостійкість азотованих колінчастих валів з високоміцного чавуну, які працюють у парі з вкладкою, в 2.5-5.0 раз вища порівняно з неазотованою парою.

Підвищення температури азотування від 560 до 670 °С спричинює зменшення тимчасового опору та збільшення пластичності ферито-перлітного чавуну внаслідок сфероїдизації цементиту і розпаду перліту. Тому температура азотування не повинна бути вищою за 560-580 °С.

В останні роки процес азотування почав використовуватися і стосовно тугоплавких металів – Ti, Mo, Nb, V та їх сплавів. Азотуванням можна збільшити твердість, зносостійкість поверхні, а в деяких випадках і жароміцність.

Титан і його сплави азотують при 850-950 °С в атмосфері азоту, розбавленого аргоном (при парціальному тиску 0.5-4.0 кПа), або рідше в аміаку.

Добре азотуються сплави ВТ4, ВТ5, ВТ8, ВТ10, ВТ14, гірше ВТ1, ВТ3.

Азотування підвищує здатність титану і його сплавів чинити опір зношуванню. Після азотування титану в аміаку він окрихчується (водневе окрихчення), тому використовувати аміак не доцільно. Процес необхідно вести при низьких температурах і, наскільки можливо, менший час. Азотування в азоті при 850°С не викликає сильного зниження пластичності титану, але понижує ударну в’язкість сплавів.

При азотуванні молібдену можливе утворення трьох нітридів – Мо₂N, Mo₃N, MoN. При азотуванні сплавів молібдену утворюються нітриди легуючих елементів, наприклад, ТіN і ZrN (сплави ЦМ-2А, МЛТ, МТ). Молібден можна азотувати в атмосфері дисоційованого аміаку і в азоті. Азотований шар утворюється у вигляді білої полоси нітридів молібдену (не травиться) і дифузійного підшару (травиться на темно), який складається з a-твердого розчину азоту в молібдені, його нітридів і нітридів легуючих елементів.

Процес азотування можна прискорити використанням контактного електронагріву або плазми тліючого розряду.

Азотування – ефективний спосіб підвищення жароміцності молібденових сплавів на 50-100 % при температурах випробування 1000-1400°С.

Але нітридні покриття на молібдені і його сплавах не жаростійкі. Тому перед використанням азотованого молібдену в окислювальній атмосфері необхідно нанести на нього захисне покриття.

При азотуванні ніобію поряд з a-розчином можливе утворення нітридів Nb₄N₃, Nb₂N і NbN. При азотуванні сплавів ніобія утворюються нітриди легуючих елементів (Zr, Hf, Mo та інші). Азотування ніобію можна вести в аміаку, а також в азоті, очищеному від кисню та вологи. При азотуванні в аміаку за інших однакових умов формується більш глибокий шар.

Азотований шар на ніобії та його сплавах виявляється у вигляді нетравленої полоси нітридів ніобію та підшару, який складається з малоазотистого a-розчину і нітридів Nb₂N в нелегованому ніобії. А в сплавах з титаном, гафнієм та ін. – із a-твердого розчину і нітридів ТіN і HfN.

Азотування з наступним гомогенізуючим відпалом при 1450-1580 °С сприяє рівномірному розподіленню азоту по перетині виробу. Азот у твердому розчині підвищує міцність ніобію. Поява нітридів не збільшує міцності, але їх виділення по границях зерен окрихчує ніобій і його сплави.

Жароміцність ніобію після азотування збільшується на 25-30 % при температурах до 1000 °С.

Азотовані вироби корозійностійкі в сірчаній, оцтовій та ортофос­форній кислотах і лугах. Тому азотуванню потрібно піддавати деталі, які працюють на зношування в хімічно активних середовищах, а також для підвищення їх жаростійкості.

Дата добавления: 2015-07-18