Podstawy azotowania: azotowanie gazowe i plazmowe bez hartowania

Inna zasada utwardzania

W przeciwieństwie do nawęglania azotowanie nie opiera się na przemianie fazowej. Części są nagrzewane do mniej więcej 500–580 °C — poniżej temperatur odpuszczania i przemiany stali — w środowisku dostarczającym azot (gaz amoniakalny lub plazma azotowa). Azot dyfunduje do środka i tworzy drobne, twarde azotki z pierwiastkami stopowymi w stali. Ponieważ nic nie jest hartowane później, odkształcenia są minimalne, a części gotowe mogą być poddane obróbce.

Dwie strefy

Powierzchnia azotowana ma dwa odrębne regiony:

• Warstwa związków („warstwa biała”) — cienka powłoka powierzchniowa azotków żelaza, zazwyczaj o grubości od kilku mikrometrów do kilku dziesiątek mikrometrów. Jest bardzo twarda, opiera się zatarciu i korozji, ale może być krucha; na częściach precyzyjnych lub obciążonych zmęczeniowo jest często ograniczana lub usuwana przez docieranie.
• Strefa dyfuzyjna — pod nią azot w roztworze oraz wydzielenia azotków stopowych stopniowo podnoszą twardość z powrotem do poziomu rdzenia. Całkowite głębokości warstwy wynoszą zazwyczaj około 0.2–0.7 mm, znacznie płytsze niż warstwy nawęglane, ponieważ niższa temperatura spowalnia dyfuzję, a cykle już trwają dziesiątki godzin.

Twardość powierzchni zależy silnie od stali: gatunki zawierające aluminium i chrom mogą przekroczyć mniej więcej 1000 HV, podczas gdy zwykłe stale węglowe zyskują niewiele więcej niż ochronę powierzchni — brakuje im pierwiastków azotkotwórczych.

Stale, które dobrze się azotują

Stale do azotowania są celowo stopowane aluminium, chromem, molibdenem i wanadem:

• 1.8550 (31CrMoV9) — klasyczna dedykowana stal do azotowania, dostarczana wstępnie utwardzona.
• 4140 / 42CrMo4 — szeroko azotowana na wały i koła zębate tam, gdzie umiarkowana twardość warstwy wystarcza.
• H13 (1.2344) — matryce do pracy na gorąco są rutynowo azotowane (lub azotonawęglane), aby opierać się przywieraniu i pękaniu cieplnemu w eksploatacji przy odlewaniu ciśnieniowym.
• Gatunki nierdzewne i maraging mają własne warianty niskotemperaturowe, aby uniknąć pogorszenia odporności na korozję lub struktury starzonej.

Zasady procesu, które mają znaczenie

1. Najpierw wstępne utwardzanie. Rdzeń jest hartowany i odpuszczany przed azotowaniem, a finalna temperatura odpuszczania musi znajdować się bezpiecznie powyżej temperatury azotowania — w przeciwnym razie sam cykl nadmiernie odpuszcza rdzeń.
2. Odprężanie po obróbce zgrubnej, aby cykl azotowania nie musiał wykonywać dwóch zadań.
3. Gazowe a plazmowe. Azotowanie gazowe jest ekonomicznym standardem wsadowym. Azotowanie plazmowe (jonowe) oferuje lepszą kontrolę warstwy białej, łatwiej działa na gatunkach nierdzewnych i może mechanicznie maskować obszary, przy wyższym koszcie wyposażenia.
4. Brak hartowania oznacza brak ratunku. Wady powierzchni, odwęglenie lub miękki rdzeń na wejściu nadal będą obecne na wyjściu — jakość przygotowania decyduje o rezultacie.

Azotowanie a nawęglanie

Te dwa procesy warstwowe są uzupełnieniem, a nie konkurentami. Nawęglanie daje głębsze warstwy (zwykle klasy 0.5–2 mm), wyższą nośność i niższy koszt jednostkowy przy kołach zębatych o dużej skali produkcji, ale wymaga hartowania, z odkształceniami i szlifowaniem wykańczającym, które po nim następują. Azotowanie daje płytsze warstwy i niższe limity obciążenia kontaktowego, ale część może być obrobiona wykańczająco przed obróbką i wychodzi wymiarowo stabilna, z lepszą odpornością na korozję i zachowaniem przy zatarciu. Czynnikami decydującymi są zwykle wymagana głębokość warstwy, tolerancja odkształceń oraz to, czy dana stal zawiera pierwiastki azotkotwórcze, od których zależy azotowanie.