8.5 Азот как легирующий элемент

Влияние азота на сталь подобно влиянию углерода. Однако из-за того, что в нелегированные и низколегированные стали не удается в про­цессе плавки ввести азот в значительных количествах и удержать его после затвердевания, безуглеродистые легированные азотом стали не нашли применения. В углеродистых сталях азот увеличивает прокаливаемость, снижает чувствительность к перегреву, повышает ста­бильность карбидов, вследствие чего становится возможным применение иногда стали (или чугуна) с содержанием азота до 0,02%. Преимуще­ства азота как стабилизирующего аустенит элемента проявляются в вы­соколегированных, особенно в полуферритных и ферритных хромистых сталях.

Замечательной особен­ностью всех аустенитных сталей с азотом является повышение предела текучести, причем не только при комнатной, но и при повышенных температурах.

В аустенитных сплавах азот повыша­ет стабильность аустенита и частично может заменить никель; одновре­менно увеличиваются предел текучести и предел прочности, в том числе при нагревании. Особенно заметным становится измельчение зерна под влиянием азота в сталях, чувствительных к перегреву.

8.6 Повышение поверхностной твердости путем азотирования

Общие замечания

Поглощение азота подобно поглощению углерода при цементации с тем отличием, что азот поглощается, вообще говоря, в больших количе­ствах и при этом образуется хрупкий слой нитридов. Под влиянием азота область -фазы сдвигается в сторону более низких температур и перлитная точка оказывается уже при 585° С. При азотировании в ин­тервале между 585° С и точкой вначале обогащается азотом α - раствор, который, наконец, превращается в раствор ; этот процесс аналоги­чен цементации чистого железа между На рис. 27 видно, что содержание азота сравнительно быстро падает в направлении от поверх­ности к сердцевине.

При температурах, когда еще образуется -раствор или вообще структура стали соответствует -состоянию, диффузия азота использует­ся для одновременного насыщения стали азотом и углеродом, т. е. при цианировании, а также для азотирования аустенитной стали. Наивысшая поверхностная твер­дость получается в результате азотирова­ния в области α -фазы. При этих темпера­турах толщина наружного хрупкого слоя нитридов очень мала, и при изготовлении шлифов он большей частью отскакивает. Незначительная шлифовка азотированных деталей полностью удаляет этот тон­чайший хрупкий слой. Проникающий в сталь под этот слой азот выделяется в виде нитридов и обусловливает диспер­сионное твердение. Повышение поверхностной твердости в результате диффузии азота и образования нитридов в немецкой литературе обозначается тер­мином «Nitrierhartung», т. е. твердением при азотировании. В противоположность цементации в данном случае по­следующей закалки не требуется.

8.7 Азотируемые стали в технике

При введении азота в сплав с элементами, обладающими особенным сродством к азоту, из твердого раствора выделяются специальные ни­триды. Высокую твердость азотированного слоя можно объяснить как мелкодисперсностью образующихся при сравнительно низких темпера­турах нитридов, так и их естественной твердостью. Так как азотиро­ванные слои очень тонки, твердость их определяют при малых нагрузках (по Виккерсу или же методом микротвердости).

Рис. 28. Поверхностная твердость азотированных железо-хромистых и железоалгоминиевых сплавов:

1- железохромистые сплавы, азотированные 12 ч при 570°С;

2-железоалюминиевые сплавы, азотированные при 550°С (а- 46 ч; б - 12 ч);

3- истинное повышение твер­дости железохромистых сплавов

Рис. 29. Поверхностная твердость азотированных железо-хромистых и железоалюминиевых сплавов:

1. железохромистые сплавы, азотированные 12 ч при 570° С;

2. железоалюминиевые сплавы, азотированные при 550° С (а— 46 ч; б — 12 ч);

3- истинное повышение твер­дости железохромистых сплавов

Наибольшее повышение твердости вызывают нитридообразующие элементы –хром, алюминий и титан. За ними следует ванадий, сродство которого к азоту также хоро­шо известно. Благоприятны также добавки молибдена (рис. 28 и 29).

На базе сочетаний хром — алюминий, хром — молибден — алюминий, хром — никель — алюминий, хром — ванадий — молибден, хром — воль­фрам — ванадий и т. д. разработан ряд специальных марок азотируе­мой стали, у которых можно получать желательные механические свой­ства в сердцевине при значительно повышенной твердости на поверхно­сти. Для облегчения обрабатываемости резанием в сталь иногда добавляют фосфор и серу, а также селен (например, в нитралой EZ).

Высокое качество азотированного слоя получается в том случае, когда специальные стали азотируются в улучшенном состоянии и прак­тически не содержат в структуре доэвтектоидного феррита. При исходном отож­женном состоянии с повышенным содер­жанием феррита в общем случае полу­чается более хрупкий азотированный слой с худшим переходом к сердцевине. Кроме того, слишком мягкая сердцевина оказывается недостаточно прочной под­ложкой для тонкого слоя. При любых ус­ловиях необходимо избегать обезуглеро­живания поверхности.

Прочность сердцевины можно повы­сить, если легировать сталь такими эле­ментами, которые при азотировании вы­зывают дисперсионное твердение. Для этого наиболее подходящей добавкой бы­ла бы медь, но она неблагоприятно влия­ет на азотирование. Иную возможность представляет комбинация никеля и алюминия. Например, в стали нитралой N прочность сердцевины при азотировании сильно повышается. При обработке стали необходи­мо производить отпуск при температуре выше 600° С, так как после дис­персионного твердения сталь с трудом поддается обработке.

Действие азотирования металлографически выражается лишь в по­вышенной протравливаемости структуры, получаемой после улучшения, в остальном структура остается неизменной. Только на самой наружной кромке можно наблюдать слой нитридов, легко выкрашивающийся при изготовлении шлифа, а также и выделения нитридов по границам зерен (рис. 31).

Рис. 31. Структура кромки азотированной специальной стали (32АlСгМо4). Азотиро­вано 12 ч при 500°С

Х200

При изгибе азотированных образцов, так же как и цементованных, в твердом поверхностном слое возни­кают характерные не распространяю­щиеся в вязкой сердцевине трещины.

Азотирование можно с успехом при­менять также для повышения поверхностной твердости аустенитной стали, однако лишь тогда, когда поверхность их перед азотированием или в процес­се его активизируется, что достигается травлением или добавлением к приме­няемому для азотирования аммиаку хлоридов соляной кислоты и других веществ. Аустенитную сталь азотиру­ют при 500—600° С в зависимости от химического состава. Повышение по­верхностной твердости легко сминаю­щейся аустенитной стали в ряде слу­чаев имеет немаловажное значение, например для штоков клапанов авиа­ционных моторов. При азотировании подобной стали основная масса обедняется хромом вследствие образования нитридов хрома, и ее корро­зионная стойкость ухудшается.