Азотирование - процесс насыщения поверхностного слоя детали азотом, с целью повышения твёрдости, износоустойчивости, предела усталости и коррозионной стойкости.

Процесс азотирования

Для азотирования используется специальная муфельная печь с герметически закрывающейся дверцей и возможностью создавать внутри температуру 600–500 градусов по Цельсию. Когда поверхность помещенной в печь заготовки достигнет этой температуры, некоторое время ее поддерживают при таком нагреве. Затем в камеру начинают подавать аммиак (2NH₃), закачивая его под давлением. При повышенной температуре происходит распад аммиака на такие компоненты, как 2N и 6H. Высвободившиеся атомы азота начинают диффундировать в сталь и образовывать в поверхностном слое так называемые нитриды. Именно эти вещества, обладая высокой степенью твердости, усиливают металл, покрывая последний слой азотом.

Важно закрепить полученный результат, то есть предотвратить возможность окисления полученного слоя стали. Для этого избегают быстрого охлаждения нагретой детали, позволяя остывать ей постепенно вместе с охлаждением камеры муфельной печи.

Типы сред при азотировании

Процесс азотирования стали в реальности проводят не по одной, а по нескольким технологиям, отсюда разнообразие видов азотирования. Это связано с тем, что для одних типов металлов более эффективно усваивается азот в одной среде, для других – в другой. Но это не главное. Среда позволяет получить определенное качество поверхности либо изменить скоростной режим выполнения операции по азотированию стали.

Наиболее распространенные технологии:

• диффузия азота в среде газовой на основе пропана с аммиаком;
• диффузия азота при использовании разряда тлеющего;
• диффузия азотная в среде жидкого характера. 

Аммиачно-пропановая среда	Наиболее часто используемая среда. Соотношение компонентов смеси берется равнозначным, температуру по шкале Цельсия доводят до 570 градусов, обработку проводят на протяжении 3 часов. Полученный поверхностный слой можно охарактеризовать как высокопрочную твердую поверхность с отличной износостойкостью, и это несмотря на маленькую толщину нитридов. В численных единицах твердость изделия возрастает до показателей 1100–600 HV.
Тлеющий разряд	Тлеющий разряд – это среда разряженного состояния при ионно-плазменном азотировании. Особенностью этого метода является то, что, кроме помещения заготовки в печь муфельную, где происходит нагнетание температуры, к этой заготовке подключают электрический контакт с отрицательным потенциалом, положительным же электродом выступает сама печь муфельная. Ионное азотирование создает ионный поток между печью и изделием, который приобретает вид плазмы, и состоит она из элементов NH₃ или N₂. Таким образом, в поверхностный слой начинают диффундировать азотные молекулы, эффективно насыщая его. Плазменное азотирование проходит в два этапа: Очищение поверхности заготовки путем распыления катода. Непосредственное насыщение стали азотом. Основное преимущество метода в том, что при ионном плазменном насыщении процесс можно ускорить в несколько раз.
Жидкая среда	В качестве жидкой среды применяется расплав солей цианистых, компоненты которых под действием принципа диффузии проникают в рабочий поверхностный слой металла. Условия для протекания процесса определяются высокой температурой до уровня 570 градусов по Цельсию и длительностью проведения обработки, которая может продолжаться до 3 часов (самое меньшее – 30 минут насыщения). Такой метод имеет высокую эффективность, но гораздо реже применяется по причине опасности для здоровья и высоких материально-технических затрат.

 

Какие материалы подвергают азотированию

Нитриды железа обладают сравнительно невысокой твердостью и незначительно повышают ее в стали. Следовательно, для азотирования применяют легированные стали, содержащие алюминий, хром и молибден, такие как 38ХМЮА, 18Х2Н4ВА и др.

Азотированию подвергают также детали из коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных сталей, работающих на трение в агрессивных средах и при высоких температурах; матрицы и пуансоны для горячей штамповки, пресс-формы из инструментальных сталей для литья под давлением (Х12Ф1, ЗХ2В8Ф и др.); пружины из сталей 50ХФА, 60С2. Для азотирования целесообразно применять стали, содержащие титан.

Если азотирование проводится с целью повышения коррозионностойкости, то этому процессу подвергаются также и углеродистые стали.

Свойства стали после азотирования

Твердость углеродистой стали после обработки составляет 200..250 HV.

Твердость легированной стали — 600..800 HV.

Для сталей, имеющих в своем составе алюминии, хром и молибден, твердость составит от 1200 HV и выше.

Все легирующие компоненты, которые имеются в стали, повышают показатели твёрдости слоя, но также уменьшают его толщину.

Больше всего на толщину слоя оказывают непосредственное влияние:

• вольфрам;
• молибден;
• хром;
• никель.

Преимущества и недостатки азотирования

Преимущества	Недостатки
Азотирование придает поверхности детали особо высокую твердость и износостойкость, которые сохраняются при нагреве до 550—600°С. Это важное преимущество азотированных деталей в сравнении с цементованными, которые могут сохранять высокую твердость лишь до 200—250°С.	Большая длительность процесса (до двух суток).
Азотирование повышает устойчивость стали к коррозии.	Для азотирования применяют дорогие легированные стали, азотированные детали получаются в 2—3 раза дороже, чем обычные
После азотирования не требуется закалка, температура процесса на 350—400°С ниже, чем при цементации. В результате коробление деталей при азотировании получается меньшим.