Механизм образования азотированного слоя

В сплавах железа с азотом образуется следующие фазы (рис.5): твердый раствор азота в α-железе (α-фаза); γ´-фаза - твердый раствор на основе нитрида железа Fe₄N (5,7 - 6,1% N); ε-фаза - твердый раствор на базе нитрида железа Fe₃N (8 - 11,2% N). В сплавах с 11,35% N при 450 ˚С возможно образование ξ-фазы Fe₂N.

При температуре выше 591 ˚С существует γ-фаза, представляет собой твердый раствор азота в γ-железе. При 591 ˚С γ-фаза претерпевает эвтектоидный распад. Азотистый эвтектоид содержит 2,35% N и состоит из α-γ̒-фаз.

Рис.5. Диаграмма состояния Fe - N (а) и изменение содержания азота (б) и микроструктуры (в х 250) по толщине азотированного слоя, полученного при 600 ˚С на железе.

Азотирование проводят в атмосфере аммиака, который при нагреве диссоциирует [4] по уравнению 2NH₃ → 2N + 6H.

Образовавшийся атомарный азот диффундирует в железо. Если выполнять азотирование при температуре ниже эвтектоидной (591 ˚С), то в начальный момент насыщения на поверхности стали образуется α-фаза (рис.5, а). По достижении предела насыщения α-фазы начинается образование следующей фазы, стабильной при данной температуре, а именно γ´-фазы. При дальнейшем насыщении азотом образуется ε-фаза. Следовательно, в результате диффузии в азотированном слое располагаются в поверхностной зоне наиболее богатая азотом ε-фаза, несколько ниже γ´ - и α-фаза.

С понижением температуры ε - и α-фазы в соответствии с диаграммой состояния (см. рис.6, в) распадаются, выделяя избыточную γ´-фазу. В связи с этим после медленного охлаждения фазы в диффузионном слое можно расположить в следующем порядке от поверхности к сердцевине: ε + γ´II → γ´ → α+ γ´II → α → сердцевина (с исходной структурой).

При выполнении азотирования выше эвтектоидной температуры, например tд (рис.6), сначала возникает α-фаза, затем по достижении ее предела насыщения образуется γ-фаза, после насыщения которой на поверхности появляется γ´-фаза, и, наконец, ε-фаза. Таким образом, при температуре диффузии азотированный слой состоит из следующих фаз (от поверхности к сердцевине): ε → γ´ → γ´ → α. При медленном охлаждении ε - и α-фазы распадаются и выделяют избыточную γ´-фазу (Fe₄N), а γ-фаза претерпевает эвтектоидное превращение, распадаясь на эвтектоидную структуру α + γ´. Тогда при 20 ˚С азотированный слой будет состоять из ε + γ´ → γ´ → α + γ´ (эвтектоид) → α + γ´II → α (см. рис. 6).

Переход от одной фазы к другой сопровождается резким перепадом концентрации азота, так как двухфазные слои (ε + γ´ или α + γ´) при температуре насыщения железа азотом существовать не могут (см. рис.5). При насыщении легированных сталей при температуре диффузии могут образовываться многофазные слои.