Основи азотування: газове та плазмове азотування без загартування

Інший принцип зміцнення

На відміну від цементації, азотування не покладається на фазове перетворення. Деталі нагрівають приблизно до 500–580 °C — нижче температур відпуску та перетворення сталі — у середовищі, що постачає азот (газоподібний аміак або азотна плазма). Азот дифундує всередину й утворює дрібні, тверді нітриди з легувальними елементами сталі. Оскільки після цього нічого не гартується, деформація мінімальна, і готові деталі можна обробляти.

Дві зони

Азотована поверхня має дві різні ділянки:

• Шар сполук («білий шар») — тонка поверхнева плівка нітридів заліза, зазвичай завтовшки від кількох мікрометрів до кількох десятків мікрометрів. Вона дуже тверда, стійка до задирів і корозії, але може бути крихкою; на прецизійних або навантажених втомою деталях її часто обмежують або видаляють притиранням.
• Зона дифузії — під нею азот у твердому розчині та виділення нітридів легуючих елементів поступово підвищують твердість назад до рівня серцевини. Загальна глибина шару зазвичай становить приблизно 0.2–0.7 mm, значно менше, ніж у цементованих шарів, оскільки нижча температура сповільнює дифузію, а цикли вже тривають десятки годин.

Твердість поверхні сильно залежить від сталі: марки, що містять алюміній і хром, можуть перевищувати приблизно 1000 HV, тоді як звичайні вуглецеві сталі отримують небагато більше, ніж захист поверхні, — їм бракує нітридоутворювальних елементів.

Сталі, які добре азотуються

Сталі для азотування навмисно легують алюмінієм, хромом, молібденом і ванадієм:

• 1.8550 (31CrMoV9) — класична спеціалізована сталь для азотування, постачається попередньо загартованою.
• 4140 / 42CrMo4 — широко азотуються для валів і шестерень, де достатньо помірної твердості шару.
• H13 (1.2344) — штампи для гарячої обробки регулярно азотують (або нітроцементують), щоб протистояти налипанню та термічному розтріскуванню під час лиття під тиском.
• Нержавіючі та мартенситно-старіючі марки мають власні низькотемпературні варіанти, щоб не погіршити корозійну стійкість або зістарену структуру.

Правила процесу, які мають значення

1. Спочатку попереднє загартування. Серцевину гартують і відпускають перед азотуванням, а кінцева температура відпуску має безпечно перевищувати температуру азотування, — інакше сам цикл надмірно відпустить серцевину.
2. Знімайте напруження після чорнової механічної обробки, щоб цикл азотування не мусив виконувати дві роботи.
3. Газове проти плазмового. Газове азотування — економічний стандарт для партій. Плазмове (іонне) азотування забезпечує кращий контроль білого шару, легше працює на нержавіючих марках і може механічно маскувати ділянки, за вищої вартості обладнання.
4. Відсутність загартування означає відсутність порятунку. Дефекти поверхні, зневуглецювання або м’яка серцевина на вході все ще будуть на виході — якість підготовки визначає результат.

Азотування проти цементації

Ці два процеси поверхневого зміцнення є доповненням, а не конкурентами. Цементація дає глибші шари (зазвичай класу 0.5–2 mm), вищу несучу здатність і нижчу собівартість одиниці на шестернях великого обсягу, але вона потребує загартування, з деформацією та чистовим шліфуванням, що йдуть за ним. Азотування дає неглибші шари та нижчі межі контактного навантаження, але деталь можна остаточно обробити перед обробкою, і вона виходить стабільною за розмірами, з кращою корозійною стійкістю та поведінкою щодо задирів. Вирішальними факторами зазвичай є потрібна глибина шару, допуск на деформацію та те, чи містить відповідна сталь нітридоутворювальні елементи, від яких залежить азотування.