8.8 Свойства азотированного слоя

. Глубина азотирования

Т

Рис. 32. Зависимость глубины азотирова­ния от времени для стали с 0,30%С: Температура азотирова­ния 500° С

ак как при относительно низких температурах азотирования (500— 550° С) азот проникает в железо очень медленно и, кроме того, раство­римость его в железе очень мала (при 500° С около 0,04%), для получения высокой поверхностной твердости азотированием требуется срав­нительно много времени. При этом азотированный слой достигает не­значительной глубины (рис. 32). Повышение температуры азотирова­ния не приводит к существенным ре­зультатам. Как показано из опытов наивысшая поверхностная твердость получается при 500° С. При 520—540° С азотированный слой более глубокий и имеет более низкую твердость на по­верхности. При температуре азотиро­вания свыше 560° С нитриды настоль­ко грубы и азот проникает в сердцеви­ну настолько глубоко, что поверхност­ная твердость оказывается совершенно недостаточной. Поэтому при выборе температуры азотирования нужно об­ращать внимание главным образом на устойчивость материала сердцевины против отпуска, чтобы при продолжи­тельном азотировании она не утратила необходимой прочности. В проти­воположность цементации при азотировании не удается существенно из­менять глубину слоя. Срок службы азотированного слоя можно повысить

Рис. 33. Влияние температуры азотирования на распределение твердости двух сортов стали: азотировано 48с в NH₃

не увеличением глубины азотирования, а повышением прочности сердце­вины.

Не было недостатка в опытах по изысканию методов ускорения азо­тирования . Наиболее известны попытки использовать влияние высоко­частотных колебаний на ионизированный газ и тем самым ускорить процесс диффузии, однако этим путем не удалось достигнуть сколько-нибудь существенных результатов. При малой продолжительности азо­тирования удавалось заметить некоторое ускорение диффузии, что, одна­ко, следует объяснить активированием поверхностной реакции; при большей глубине слоя этот способ не показал заметного преимущества. То же самое относится к применению газового разряда при азотирова­нии. Положительно заряженные ионы азота, обладающие высокой кинетической энергией, попадают на поверхность детали, являющуюся катодом, разогревая ее. Вследствие высокой активации происходит сравнительно быстрое поглощение азота, однако это мало влияет на собственно диффузию азота в глубину материала .

Некоторого увеличения глубины азотирования можно достигнуть, применяя двойной цикл — сначала при 480—500° С, затем при 500— 520° С. Если повторное азотирование проводится при достаточно низкой температуре, когда нитриды еще не способны к коагуляции (ниже порядка ~520°С), то наивысшая твердость заметно не снижается. Повторное азотирование при более низких температурах не дает положительных результатов. Следует иметь в виду, что детали, азотированный слой которых в эксплуатации срабатывается или утоняется (например, пресс-формы при многократном использовании), лишь тогда могут быть восстановлены повторным азотированием, когда первоначальный азоти­рованный слой полностью удаляется.

Важно также, чтобы при азотиро­вании поверхность была чистой и блестящей, без жирных пятен и ржавчины и т. п., которые затрудняют поглощение азота.

Азотирование спеченных железных образцов дает более глубокий слой Однако практическое применение таких азотированных мате­риалов ограничено из-за их высокой хрупкости и малой прочности сердцевины. Они применяются большей частью в тех случаях, когда де­таль работает на истирание без высоких давлений.

Кроме азотирования с целью получения твердой поверхности, при­меняют также и мягкое азотирование. Это - азотирование при повы­шенных температурах, когда требуются малое трение и высокие корро­зионные свойства.

Твердость

Азотированный слой обладает твердостью, превышающей твердость мартенсита закаленной цементированной углеродистой стали (рис. 34). Такая высокая твердость необходима, когда изделия подвергаются боль

Рис. 34. Сравнение кривых твердости поверхностного слоя закаленной и цементованной стали: 1- азотирование; 2 - цементация

шому износу. Кроме того, азотированный слой сохраняет свою твердость при нагревании до температуры образования нитридов, т. е. примерно до 500° С.

Таким образом, азотированная сталь обладает тем преимуществом, что в широком интервале температур остается твердой и стойкой против износа различного вида. По этой причине азотируют даже быстрорежу­щую и инструментальную сталь, в частности работающий в условиях сильного износа инструмент и пресс-формы для пластмасс, а также детали, работающие в условиях износа при повышенных темпе­ратурах, как гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, авиа­ционных моторов, пулеметные стволы и т. д.

Коррозионная стойкость

Наружная зона азотированных слоев отличается известной стойкостью против коррозии, так как нитриды, будучи ста­бильными соединениями, обладают довольно хорошей химической стойкостью. Однако стойкость азотированной поверх­ности против коррозии достаточна толь­ко при воздействии слабой агрессивной среды, причем лишь в том случае, когда образуется нитридный слой, ко­торый не будет выкрашиваться.

Этот факт имеет большое значение для повышения стойкости азотированных деталей при знакопеременном напряжении (усталостном напряжении).

Влияние азотирования на циклическую прочность

Азотирование, как и цементация и по тем же причинам, повышает усталостную прочность при знакопеременном неоднород­ном напряжении (изгиб или кручение). Так как излом усталости при малой глубине азотированного слоя большей частью начинается в месте перехода его к сердцевине, а не с поверхно­сти, то азотирование снижает чувствительность к поверхностным дефек­там, а при небольшой глубине дефектов (например, рисок) такая чувст­вительность вообще отсутствует, особенно когда дефекты имеются перед азотированием и также подвергаются азотированию.

Технология азотирования

Преимущества применения азотированной стали заключаются в эко­номичности процесса азотирования. Технология процесса состоит в сле­дующем. После улучшения на желаемую прочность заготовки обрабаты­вают до окончательных размеров, обязательно полностью удаляя окис­ленный или обезуглероженный слой. Затем детали азотируют в газовом разряде или загружают в печь и медленно нагревают в струе аммиака до 500° С, иногда в условиях газового разряда, выдерживают при этой температуре обычно от одних до четырех суток и медленно охлаждают в потоке аммиака. Выгружаемые из печи детали должны обладать ко­нечной прочностью и твердостью. Азотированные детали, очевидно, не требуют никакой закалки, в противоположность цементированным. Азо­тирование не приводит к какому-либо короблению при условии, если подлежащие такой обработке детали не будут иметь остаточных напря­жений.

Улучшенные, свободные от напряжений и обработанные в размер детали благодаря увеличению объема в процессе поглощения азота уве­личивают толщину на 0,02-0,03 мм, что можно заранее учесть. При од­ностороннем азотировании очень тонкие детали могут получить искрив­ление. Это незначительное формоизменение более или менее равномерно.

Быстрорежущую сталь обычно азотируют не в струе аммиака, а в жидкой цианистой ванне. При этом процессе закален­ная сталь подвергается отпуску. В зависимости от желаемой толщины слоя и поверхностной твердости азотирование длится 1 —10 ч при 500— 550° С. Образующийся при этом слой имеет глубину до 0,1 мм.

Покрывая отдельные участки деталей оловом, никелем и т. д., мож­но защитить их от азотирования. Можно также лудить всю деталь и снять полуду в местах, подлежащих азотированию.