Химико-термическая обработка стали. Технология азотирования стали. Назначение. Область применения

Химико-термической обработкой (ХТО) называется термическая обработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.

Химико-термическая обработка является одним из наиболее распространенных видов обработки материалов с целью придания им эксплуатационных свойств.. Насыщение поверхностных слоев стали бором называется борирование,.

Процесс химико-термической обработки представляет собой многоступенчатый процесс, который включает в себя три последовательные стадии:

1. Образование активных атомов в насыщающей среде вблизи поверхности или непосредственно на поверхности металла. Мощность диффузионного потока, т. е. количество образующихся в единицу времени активных атомов, зависит от состава и агрегатного состояния насыщающей среды, которая может быть твердой, жидкой или газообразной, взаимодействия отдельных составляющих между собой, температуры, давления и химического состава стали.

2. Адсорбция (сорбция) образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения. Адсорбция является сложным процессом, который протекает на поверхности насыщения нестационарным образом. Различают физическую (обратимую) адсорбцию и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При химико-термической обработке эти типы адсорбции накладываются друг на друга. Физическая адсорбция приводит к сцеплению адсорбированных атомов насыщающего элемента (адсорбата) с образовываемой поверхностью (адсорбентом) благодаря действию Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения, и для нее характерна легкая обратимость процесса адсорбции — десорбция. При хемосорбции происходит взаимодействие между атомами адсорбата и адсорбента, которое по своему характеру и силе близко к химическому.

3. Диффузия — перемещение адсорбированных атомов в решетке обрабатываемого металла. Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом материале и достаточно высокой температуре, обеспечивающей энергию необходимую для протекания процесса.

Под азотированием подразумевается процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стального изделия или детали азотом при нагреве в соответствующей среде. Целью азотирования являются повышение твердости поверхности изделия, выносливости и износостойкости, стойкости к появлению задиров и кавитационным воздействиям, повышение коррозионной стойкости в водных средах и атмосфере.

Азотированию подвергаются самые разнообразные по составу и назначению стали — конструкционные и инструментальные, жаропрочные и коррозионностойкие, спеченные порошковые стали, а также ряд тугоплавких материалов.

Азотирование проводится при нагреве деталей в атмосфере аммиака (NH₃) при температуре 500—700° С. Для азотирования детали нагревают в специальной герметически закрытой печи, через которую пропускают аммиак (NH₃). При нагревании аммиак разлагается по реакции:

NH₃→N• + 3H•

Проникновение азота в поверхностный слой стальной детали в процессе азотирования вначале приводит к образованию азотистого феррита (фаза α), который при температуре 591 °С содержит 0,1 % N, а при комнатной температуре - 0,01 %. При дальнейшем растворении азот в феррите не растворяется и образуется нитрид железа состава Fe₄N (γ' фаза), представляющий собой твердый раствор внедрения с гранецентрированной кубической решеткой. При достижении азотом предельного насыщения образуется еще один вид нитридов состава Fe₂N. Такая фаза получила название ε-фазы. Это тоже твердый раствор внедрения, но имеющий гексагональную кристаллическую решетку.

Таким образом, при температурах ниже 591 °С в азотированном слое будут располагаться следующие фазы (от поверхности к сердцевине): ε - γ' - α

При температурах выше 591 °С в начале азотирования также будет образовываться α-фаза, но при дальнейшем повышении концентрации азота появится азотистый аустенит (γ-фаза). При наступлении предельного насыщения аустенита азотом будут появляться нитриды, представляющие собой γ' и ε фазы. Таким образом, при температурах выше 591 °С в азотированном слое будут располагаться следующие фазы (от поверхности к сердцевине): ε - γ' - γ - α.

Образующийся атомарный азот (N•) поглощается поверхностью стали и проникает (диффундирует) в глубину детали. Если главным требованием, предъявляемым к азотированному слою, является высокая твердость и износостойкость, то применяют сталь, содержащую алюминий. Наиболее распространенной маркой стали является сталь 38ХМЮА. Эта сталь, кроме железа и углерода (0,35— 0,42%), содержит хром (1,35—1,65%), молибден (0,15—0,25%), алюминий (0,7—1,1%). Для азотирования используются как углеродистые, так и легированные с концентрацией углерода 0,3…0,5 %. Наибольшее распространение получили стали, легированные такими элементами, как хром, алюминий, молибден. Эти стали называются нитраллоями. При азотировании таких сталей в их поверхностном слое образуются нитриды хрома, молибдена и алюминия, которые, выделяясь в дисперсном виде, препятствуют движению дислокаций, что, в свою очередь, способствует повышению твердости и износостойкости. Кроме того, молибден способствует устранению явления отпускной хрупкости, возникающей в результате медленного охлаждения после азотирования.

Азотирование длится очень долго — до 90 часов, что является его основным недостатком. Глубина азотированного слоя получается обычно 0,3—0,6 мм.. На поверхности образуется слой нитридов, а глубже — сорбитообразная структура. Твердость и глубина азотированного слоя зависят от температуры. Чем выше температура азотирования, тем глубже слой, но меньше твердость.

Если азотированию должна подвергаться не вся поверхность детали, а только некоторые ее части, то места, не подлежащие азотированию, предохраняются от проникновения в них азота покрытием тонким (0,01—0,015 мм) слоем олова.

Общий технологический процесс азотирования состоит из следующих операций: предварительная токарная обработка;

· улучшение (закалка и высокотемпературный отпуск);

· чистовая обработка;

· азотирование;

· окончательное шлифование.

Азотирование проводят по одноступенчатому режиму при температуре 500—520° С с выдержкой до 90 ч или по двухступенчатому режиму—при 500—520° С (15—20 ч) и при 550—570° С (20—25 ч).

Антикоррозионному (декоративному) азотированию подвергают любые стали, в том числе и простые углеродистые, при температуре 600— 700° С, с выдержкой 0,5—1 ч.