Азотирование стали: процесс, виды и преимущества поверхностного упрочнения

Азотирование — это высокоэффективный вид химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали азотом. Данная технология обеспечивает уникальный комплекс эксплуатационных характеристик, недостижимый для других методов упрочнения. В результате азотирования поверхностный слой приобретает исключительную твердость, достигающую 72 HRC или 1200 HV. Кроме того, значительно повышаются усталостная прочность, износостойкость, коррозионная стойкость и теплостойкость обработанных деталей. Ключевым преимуществом процесса является минимальная деформация изделий, что позволяет применять азотирование в качестве финальной операции.

Процесс газового азотирования проводят в специальных герметичных печах при температурах 500–520 °C в течение от 8 до 90 часов. Глубина получаемого азотированного слоя варьируется от 0,1 до 0,8 мм. В качестве активной среды используется аммиак (NH₃), который при нагреве диссоциирует по реакции: 2NH₃ → 3H₂ + 2N_ат. Образовавшийся атомарный азот поглощается поверхностью стали и диффундирует вглубь. В поверхностном слое азот образует химические соединения — нитриды (Fe₂N, CrN, MoN, AlN), которые и обеспечивают высокую твердость. Микроструктура слоя включает неподдающуюся травлению зону нитридов и расположенную глубже сорбитообразную структуру.

На практике применяют одноступенчатый и двухступенчатый режимы азотирования. Одноступенчатый режим при температуре 500–520 °C используется для упрочнения инструмента из быстрорежущей стали, такого как метчики, сверла и фрезы, увеличивая его стойкость в 2–3 раза. Двухступенчатый режим предназначен для штампов горячей штамповки: первая ступень при 500–510 °C (8–10 ч), вторая — при 570–590 °C (18–20 ч). Этот режим сокращает общее время процесса вдвое и обеспечивает получение менее хрупкого слоя. Азотированию для повышения твердости подвергают ответственные детали из сталей марок 38ХМЮА, 38ХВФЮА, 18Х2Н4ВА.

Важной особенностью азотирования является то, что это последняя операция в технологической цепи. Перед ним проводят всю механическую обработку и термообработку, включая закалку, отпуск и шлифование. После азотирования допускается лишь финишная доводка с минимальным съемом металла (до 0,02 мм на сторону). Для придания коррозионной стойкости любым сталям применяют антикоррозионное азотирование при 600–700 °C в течение 1–2 часов, которое часто совмещают с закалкой для сталей У8, У10.

В промышленности широко используется жидкостное азотирование в расплавах цианистых солей (40% KCN, 60% NaCN) при 570 °C в течение 1–3 часов. Через расплав пропускают кислород, что способствует образованию на поверхности тонкого слоя карбонитрида железа Fe₃(CN), обладающего высоким сопротивлением износу и коррозии. Твердость слоя для углеродистых сталей достигает 350 HV, для легированных — 1100 HV. Недостатками метода являются токсичность и высокая стоимость солей. Для защиты участков поверхности от азотирования применяют гальваническое лужение (нанесение олова), обмазки на основе жидкого стекла или химическое никелирование.

Современной и высокоэффективной альтернативой является ионное азотирование (азотирование в плазме тлеющего разряда). Процесс проводят в вакуумной камере в азотосодержащей атмосфере, где деталь является катодом, а стенки камеры — анодом. Под действием высокого напряжения (500–1000 В) происходит ионизация газа, и ионы азота с большой энергией бомбардируют изделие, нагревая его и насыщая поверхность. Ионное азотирование обеспечивает глубокую очистку поверхности от окисных пленок, что особенно важно для коррозионно-стойких сталей.

Ионное азотирование обладает значительными преимуществами: сокращение длительности процесса в 2–3 раза, минимальная деформация, возможность точного контроля свойств слоя и упрощенная обработка нержавеющих сталей. Толщина слоя может достигать 1 мм и более при твердости 500–1500 HV. Этому методу подвергают детали насосов, форсунок, ходовые винты и валы. Также существует технология азотирования в магнитном поле, которая ускоряет диффузию и позволяет получать более глубокий упрочненный слой.

Сравнительный анализ цементации и азотирования выявляет их ключевые различия. Азотирование является более длительным процессом, но обеспечивает в 1,5–2 раза больше поверхностную твердость. Цементированный слой получается более глубоким и лучше выдерживает высокие ударные нагрузки. Главное преимущество азотированного слоя — его высокая теплостойкость; он сохраняет твердость при нагреве до 600–650 °C, тогда как цементированный слой разупрочняется уже при 180–250 °C. Это определяет область применения каждого метода для различных эксплуатационных условий.