Азотування

Азотування - насичення поверхні сталі (титану) азотом. Атомарний азот отримують в основному від розкладення аміаку на поверхні виробу:

NH₃→N+3N. (3.8)

В таблиці 3.4 представлені склади насичуючих середовищ та режими азотування.

У результаті азотування поверхня металу набуває високої твердості (HV 1300) із збереженням її за довготривалих нагрівань до температури 500…600 ⁰С; великих стискуючих напружень, що підвищують опір утомі, високої зносостійкості, корозійної стійкості вуглецевих і низьколегованих сталей.

Таблиця 3.4 - Хімічні склади основних насичуючих середовищ, і режими хіміко-термічної обробки при азотуванні

Склад насичуючого середовища	Режим азотування	Глибина шару, (мм)
Т, °С	t, год
Азотування ізотермічне
	Аміак NH3 тиск, Па: 190–720 ступінь дисоціації, 20–40 %	500–520	6–90	0,1–0,8
30–55	560–580	1–10	0,15–0,4
	20 % NH3 + 80 % N2 (або N2 + H2)	500–520	6–90	0,1–0,8
Азотування двоступінчасте
	20 % NH3 ступінь дисоціації 20–40 %	500–520	15–20	0,5–0,8
40–45	540–560	25–40	0,5–0,8
Азотування з добавками вуглецевмісних газів
	Аміак NH3 + 50 % ендогазу (40 % H2 + 20 % З + 40 % N2)		0,5–3	0,5–0,8

Принцип зміцнення пов’язаний із взаємодією Fe – N. Є в наявності область α – розчину, потрібна для розчинення азоту, а також зміцнюючі фази, здатні викликати дисперсійне зміцнення, і які самі по собі володіють високою твердістю. Процес азотування проводиться при температурі нижче 600⁰С. Процес може вестись і при більш високій температурі, але тоді зменшується ефект дисперсійного зміцнення за рахунок укрупнення зміцнюючої фази.

Зазвичай азотування проводиться при 500…550 ⁰С, рідше – при 600⁰С. Глибина шару залежить від часу азотування (рисунок 3.6). Будова і твердість азотованого шару залежить від температури і часу азотування, а також від компонентного складу оброблюваної сталі – введення у сталь легуючих елементів з підвищеною спорідненістю до азоту (Al, Cr, Mo) стимулює утворення зміцнюючих фаз типу (γ’ і ε) і підвищує твердість азотованого шару (рисунок.3.7 а, б).

Рисунок 3.6 – Глибина азотованого шару при різній температурі і тривалості азотування в аміаку

Рисунок 3.7 – Будова і властивості азотованих шарів: а – вміст азоту і будова азотованого шару; б – твердість азотованих шарів: 1 – сталі 30, 45; 2 – сталі 40Х, 40ХНМА, 18ХНВА; 3 – сталь 38Х2МЮА

Після азотування і повільного охолодження до кімнатної температури фази в дифузійному шарі розміщуються в такому порядку від поверхні:

x > (e + g’) > g’ + (a + g’) > a + g’_надл > серцевина,

де a - фаза - азотистий ферит – твердий розчин азоту в залізі (кількість азоту в ньому значною мірою залежить від температури: за температури 590 ⁰С – 0,10 %, за 200 ⁰С – 0, 004 %);

g’ - фаза, що існує за концентрації азоту 5,3…5,75 % і відповідає нітриду Fe₄N;

e - фаза, що існує за різних температур і інтервалі концентрацій азоту 4,35…11,0 %;

x - фаза, що утворюється за вмісту азоту в шарі не менше 11,1 % і відповідає нітриду Fe₂N.

Процес азотування дуже тривалий, але його перевага в тому, що після нього не потрібно проводити термообробку, відсутнє жолоблення деталей. Скоротити тривалість азотування можна за рахунок прискорення протікання 2-ї стадії ХТО – підвищення концентрації насичуючого елементу на поверхні: це підвищить різницю концентрацій між поверхнею і серцевиною і прискорить дифузію.