Основы азотирования: газовое и плазменное азотирование без закалки

Другой принцип упрочнения

В отличие от цементации, азотирование не полагается на фазовое превращение. Детали нагревают примерно до 500–580 °C — ниже температур отпуска и превращения стали — в среде, поставляющей азот (газ аммиак или азотная плазма). Азот диффундирует внутрь и образует мелкие, твёрдые нитриды с легирующими элементами стали. Поскольку после этого ничего не закаливают, деформация минимальна, а обработке можно подвергать готовые детали.

Две зоны

Азотированная поверхность имеет две отдельные области:

• Соединительный слой («белый слой») — тонкая поверхностная плёнка нитридов железа, обычно толщиной от нескольких микрометров до нескольких десятков микрометров. Он очень твёрд, сопротивляется задирам и коррозии, но может быть хрупким; на прецизионных деталях или деталях, работающих при усталостной нагрузке, его часто ограничивают или удаляют притиркой.
• Диффузионная зона — под ней азот в растворе и выделения нитридов легирующих элементов постепенно повышают твёрдость обратно до уровня сердцевины. Общая глубина слоя обычно составляет примерно 0.2–0.7 mm, намного меньше, чем у цементованных слоёв, потому что более низкая температура замедляет диффузию, а циклы уже длятся десятки часов.

Твёрдость поверхности сильно зависит от стали: марки, содержащие алюминий и хром, могут превышать примерно 1000 HV, тогда как обычные углеродистые стали получают немногим больше, чем защиту поверхности, — им не хватает нитридообразующих элементов.

Стали, которые хорошо азотируются

Азотируемые стали специально легируют алюминием, хромом, молибденом и ванадием:

• 1.8550 (31CrMoV9) — классическая специальная азотируемая сталь, поставляемая предварительно закалённой.
• 4140 / 42CrMo4 — широко азотируется для валов и зубчатых колёс там, где достаточно умеренной твёрдости слоя.
• H13 (1.2344) — штампы для горячей обработки обычно азотируют (или нитроцементируют), чтобы сопротивляться прилипанию и образованию сетки трещин разгара при литье под давлением.
• Нержавеющие и мартенситно-стареющие марки имеют собственные низкотемпературные варианты, чтобы не ухудшать коррозионную стойкость или состаренную структуру.

Правила процесса, которые имеют значение

1. Сначала предварительная закалка. Сердцевину закаливают и отпускают перед азотированием, а окончательная температура отпуска должна находиться безопасно выше температуры азотирования — иначе сам цикл переотпустит сердцевину.
2. Снимайте напряжения после черновой механической обработки, чтобы цикл азотирования не должен был выполнять две задачи.
3. Газовое и плазменное. Газовое азотирование — экономичный стандарт для партий. Плазменное (ионное) азотирование обеспечивает лучший контроль белого слоя, легче работает на нержавеющих марках и позволяет механически маскировать участки, при более высокой стоимости оборудования.
4. Отсутствие закалки означает отсутствие спасения. Дефекты поверхности, обезуглероживание или мягкая сердцевина на входе останутся и на выходе — качество подготовки определяет результат.

Азотирование и цементация

Эти два процесса поверхностного упрочнения являются дополнением друг друга, а не конкурентами. Цементация даёт более глубокие слои (обычно класса 0.5–2 mm), более высокую несущую способность и более низкую удельную стоимость на зубчатых колёсах массового производства, но она требует закалки с последующей деформацией и чистовым шлифованием. Азотирование даёт более мелкие слои и более низкие пределы контактной нагрузки, но деталь можно окончательно обработать резанием перед обработкой, и она выходит стабильной по размерам, с лучшей коррозионной стойкостью и поведением против задиров. Решающими факторами обычно являются требуемая глубина слоя, допуск на деформацию и то, содержит ли данная сталь нитридообразующие элементы, от которых зависит азотирование.