Азотирование

Азотирование — это химикотермическая обработка, при кото­рой происходит диффузионное насыщение поверхностного слоя азо­том. В результате азотирования обеспечиваются высокая твердость поверхностного слоя (до 72 HRC_э), высокие усталостная прочность, теплостойкость, минимальная деформация, большая устойчивость против изнашивания и коррозии. Азотирование проводят при тем­пературах 500-520 °С в течение 8-90 ч. Глубина азотированного слоя — 0, 1-0, 8 мм. По окончании процесса азотирования детали охлаждают до 200-300 °С вместе с печью в потоке аммиака, а затем на воздухе. Повышение температуры ускоряет процесс, но снижает твердость азотированного слоя.

Для нагрева деталей служат специальные герметичные печи, в которые подают аммиак NH₃. При нагреве аммиак разлагается: 2NH₃ → ЗН₂ + 2N_aт. Атомарный азот N поглощается поверхностью стали и проникает в глубь ее. В поверхностном слое азот образу­ет химические соединения — нитриды (железа Fe₂N, хрома CrN, молибдена MoN, алюминия A1N), которые придают стали боль­шую твердость (до 1200 HV). Поверхностный слой не поддается травлению. Глубже него находится сорбитообразная структура.

Азотирование проводят по одноступенчатому и двухступенчато­му режимам. По одноступенчатому режиму азотируют инструмент из быстрорежущей стали (метчики, зенкеры, сверла, фрезы). Стойкость такого инструмента после обработки увеличивается в два-три раза. Двухступенчатое азотирование применяют для упрочне­ния штампов горячей штамповки и штамповых вставок. Стой­кость штампового инструмента в результате азотирования по­вышается в 1, 5-2 раза. Двухступенчатый режим азотирования позволяет сократить время обработки деталей в два раза. На пер­вой ступени процесс ведут при 500-510 °С с выдержкой 8-10 ч, на второй ступени — при 570-590 °С в течение 18-20 ч. Детали охлаждают вместе с печью до 200 °С. При двухступенчатом режи­ме азотированный слой получается с меньшей хрупкостью.

Азотированию в целях повышения твердости поверхности под­вергают зубчатые колеса, гильзы, валы и другие детали из сталей 38ХМЮА, 38ХВФЮА, 18Х2Н4ВА, 40ХНВА и др.

Азотирование — последняя операция в технологическом про­цессе изготовления деталей. Перед азотированием проводят пол­ную термическую и механическую обработку (даже шлифование), после азотирования допускается только доводка со съемом метал­ла до 0, 02 мм на сторону. Антикоррозионное азотирование лю­бых сталей выполняют на небольшую глубину при температурах 600-700 °С в течение 1-2 ч. Такое азотирование часто совмеща­ют с закалкой при 770-850 °С (стали У8, У10 и др.) с выдержкой 10-15 мин и охлаждением в воде или масле.

В ряде отраслей промышленности используют ионное азотиро­вание, ионитрирование или азотирование в плазме тлеющего раз­ряда. Благодаря своим преимуществам эти виды азотирования постепенно вытесняют газовое азотирование.

Ионное азотирование осуществляют в герметичном контейнере, в котором создается разреженная азотосодержащая атмосфера. Для этой цели применяют чистый азот, аммиак или смесь азота и водорода. Размещенные внутри контейнера детали подключают к отрицательному полюсу источника постоянной электродвижущей силы. Они выполняют роль катода. Анодом служит корпус кон­тейнера. Между анодом и катодом включают высокое напряжение (500-1000 В) — происходит ионизация газа. Образующиеся положи­тельно заряженные ионы азота устремляются к отрицательному по­люсу — катоду. Электрическое сопротивление газовой среды вблизи катода резко возрастает, вследствие чего почти все напряжение, пода­ваемое между анодом и катодом, падает на сопротивление вблизи катода (на расстоянии нескольких миллиметров от него). Возле ка­тода создается высокая напряженность электрического поля. Ионы азота, входя в эту зону высокой напряженности, приобретают боль­шие скорости и, ударяясь о деталь (катод), внедряются в ее поверх­ность. Высокая кинетическая энергия, которой обладали ионы азота, переходит в тепловую. Деталь за короткое время (15-30 мин) разо­гревается до 470-580 °С, происходит диффузия азота в глубь металла, т. е. азотирование. При соударении ионов с поверхностью детали ионы железа выбиваются с ее поверхности, за счет чего обеспечивает­ся очистка поверхности от окисных пленок, препятствующих азоти­рованию. Это особенно важно для азотирования коррозионно-стой­ких сталей, у которых пассивирующая пленка обычными способами удаляется с большим трудом.

Ионное азотирование по сравнению с азотированием в печах поз­воляет сократить общую продолжительность процесса в два-три раза, уменьшить деформацию деталей за счет равномерного нагрева, со­здает возможность регулирования процесса в целях получения азо­тированного слоя с заданными свойствами. Азотирование коррози­онно-стойких сталей и сплавов достигается без дополнительной депассивирующей обработки. Достигается толщина азотированного слоя 1 мм и более, твердость поверхности — 500-1500 HV. Ионному азотированию подвергают детали насосов, форсунок, ходовые винты станков, валы и многое другое.