Модификация поверхности сталей в процессе азотирования

Схематически процесс насыщения железа азотом может быть представлен следующим образом.

Атомарный азот диффундирует в a - фазу, насыщая ее до предела растворимости. При дальнейшем насыщении на поверхности металла образуются фазы со структурой e - и g^/ - нитридов. Последние, являются фазами переменного состава. Они способны растворять также и некоторое количество углерода и могут рассматриваться как карбонитридные фазы типа Fe_2-3(C, N) и Fe₄(C, N), имеющие структуру нитридов. Зона диффузионного слоя состоит из a - фазы с вкраплениями высокодисперсных нитридов.

По мере роста концентрации азота в a - железе наблюдается следующая смена фаз:

1) a-Fe(N) – твердый раствор азота в кристаллической решетке a-Fe + сегрегации азота на дефектах кристаллической решетки (дислокациях, субграницах, внутрифазных и межфазных границах);

2) a-Fe(N) + a^//-Fe (Fe₁₆N₈) – продукты распада твердого раствора, в результате которого в a-Fe(N) образуются дисперсные частицы второй фазы состава Fe₁₆N₂;

3) при дальнейшем повышении концентрации азота образуется g^/ - фаза (Fe₄N), имеющая гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку;

4) далее с ростом концентрации азота образуется e - фаза (Fe_2-3N), имеющая гексагональную плотноупакованную (ГПУ) решетку;

5) дальнейшее увеличение концентрации азота приводит к образованию x - фазы (Fe₂N), имеющей ромбическую решетку.

Механизм формирования азотированного слоя на поверхности стали подчиняется общему правилу, согласно которому в диффузионном слое образуются однофазные зоны в соответствии с монофазными областями диаграммы состояния Fe – N, пересекаемым изотермой при данной температуре насыщения (рис.1.) [6]. Диффузионные слои образуются в той же последовательности, что и однофазные области на диаграмме состояния при заданной температуре. К примеру, строение азотированного слоя при температуре азотирования Т £ 590°С при перемещении от поверхности обработки вглубь образца выглядит следующим образом – слой, сформированный e - фазой сменяется слоем, состоящим из g^/ - фазы и, далее, слоем a - Fe(N) фазы, переходящим в слой исходного (a-Fe) материала. Схематически это выглядит следующим образом: e Þ g^/ Þ a-Fe(N) Þ a-Fe.

При медленном охлаждении от температуры азотирования возможен распад образовавшихся фаз по следующей схеме:

e + g^/(избыточная) Þ g^/ Þ a-Fe(N) + g^/(избыточная) Þ a-Fe(N) + Fe₁₆N₂ Þ a-Fe.

Рис. 1. Диаграмма состояния системы Fe-N.

Следовательно азотированный слой состоит из нитридной зоны (e + g^/, g^/) и подслоя твердого раствора a-Fe(N), из которого при медленном охлаждении выделяется g^/-фаза или a^//- фаза (Fe₁₆N₂) соответственно равновесной диаграмме состояния (присутствие дефектов кристаллического строения во внимание в данном случае не принималось). Эту часть азотированного слоя часто называют зоной внутреннего азотирования.

Несмотря на то, что азот легко усваивается поверхностью материала и сравнительно быстро диффундирует, образуя слои значительной толщины, эффект азотирования существенно зависит от химического состава сплавов на основе железа и стали. В технически чистом железе твердость зоны внутреннего азотирования повышается незначительно. В системе Fe – N зоны внутреннего азотирования обладают следующей твердостью: 150-300 HV (a-фаза); 550 HV (g¢ -фаза); 400 HV (e–фаза). Это объясняют тем, что концентрация азота в твердом растворе на основе железа мала, а выделяющиеся в процессе охлаждения нитриды имеют сравнительно большие размеры.