Азотирование стали: газовое и ионное, стали, белый слой, глубина, чертёж и контроль

Что такое азотирование

Азотирование — химико-термическая обработка, при которой поверхностный слой насыщается азотом. По лекциям ТПУ при газовом процессе детали загружают в герметичную печь и подают аммиак. При нагреве он диссоциирует, атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь. Кроме твёрдости и износостойкости растёт коррозионная стойкость.

Главное отличие от цементации и закалки ТВЧ — после азотирования деталь не закаливают. Процесс идёт ниже критических точек стали, фазового превращения сердцевины нет. Отсюда минимальные деформации и возможность азотировать готовые детали. Цена этого — тонкий слой и долгий процесс.

Лахтин отмечает ещё одно достоинство: азотированный слой сохраняет твёрдость при нагреве. У 38ХМЮА при 400 °C твёрдость ещё около 600 HV, а выше 400–450 °C она резко падает — это предел рабочих температур.

Газовое и ионное азотирование

По лекциям ТПУ при ионном азотировании между деталью-катодом и анодом возбуждают тлеющий разряд. Сначала 5–60 мин идёт катодное распыление при напряжении 1100–1400 В и давлении 0,1–0,2 мм рт. ст., затем идёт насыщение. Рабочее напряжение — 400–1100 В.

RÜBIG подчёркивает два практических плюса плазменного процесса. Первый — участки, которые азотировать не нужно, закрывают механическими экранами. Второй — управление строением слоя: на зубчатых венцах слой соединений можно получить на рабочей поверхности зуба и не получать во впадине, где из-за микропористости он может стать очагом трещины.

Стали под азотирование

Азотировать можно почти любую сталь, но высокую твёрдость дают только стали с элементами, образующими стойкие дисперсные нитриды: алюминием, хромом, молибденом, титаном. На углеродистых сталях слой, по лекциям ТПУ, получается невысокой твёрдости и хрупким.

ГОСТ 21354-87 приводит значения для расчёта зубчатых колёс; твёрдость сердцевины у них 24–40 HRC. Состав 38ХМЮА у Лахтина совпадает с 38Х2МЮА по таблице 1 ГОСТ 4543-2016: углерод 0,35–0,42 %, хром 1,35–1,65 %, молибден 0,15–0,25 %, алюминий 0,70–1,10 %.

Сталь 38Х2МЮА даёт самый твёрдый и износостойкий слой, но у неё есть минусы. По Лахтину она склонна к обезуглероживанию, чувствительна к колебаниям состава в пределах марки, полностью прокаливается лишь до диаметра около 50 мм, а слой при алюминии на верхнем пределе хрупок. Стали без алюминия технологичнее и прочнее в сердцевине; их применяют там, где хватает меньшей твёрдости, в том числе для деталей с острыми кромками и нешлифуемых. В станкостроении, по Лахтину, для шпинделей, опор качения и ходовых винтов используют 40Х, 40ХФА, 18ХГТ. О стали 40ХН — в статье «Сталь 40ХН».

Строение слоя и белый слой

По Лахтину на 38ХМЮА при азотировании ниже эвтектоидной температуры на поверхности образуется ε-фаза, при охлаждении из неё выделяется γ′-фаза. Этот слой сплошных нитридов под микроскопом выглядит белым нетравящимся слоем — в ISO 18203 его толщину называют CLT, compound layer thickness. Ниже лежит основная часть слоя — диффузионная зона: азотистый α-твёрдый раствор с мелкими нитридами. Сердцевина сохраняет сорбит отпуска после улучшения.

Толщина и свойства слоя по Лахтину:

• белый слой при 520 °C — не более 0,02–0,025 мм, при 600 °C — 0,03–0,05 мм;
• наибольшая твёрдость — при 500–520 °C, при 600 °C она падает до 750–800 HV;
• общая толщина растёт по параболическому закону: выдержка больше 90–100 ч слой почти не увеличивает, наибольшая толщина на 38ХМЮА — не более 1,0 мм;
• минимальная выдержка — 8–10 ч при 520 °C, 5–6 ч при 550 °C, 1–3 ч при 600 °C.

Лекции ТПУ дают порядок средней скорости газового азотирования — около 0,01 мм/ч. Слой 0,4 мм — это порядка 40 ч в печи.

Развитие белого слоя и особенно нитридной сетки по границам зёрен нежелательно: слой становится хрупким. Лахтин связывает с грубой нитридной сеткой на крупнозернистой стали точечное выкрашивание («сыпь») после шлифования. ГОСТ 21354-87 для азотированных колёс снижает табличный предел выносливости на 20 %, если в диффузионном слое есть замкнутая нитридная сетка или ε-фаза.

Подготовка: улучшение и чистовая обработка

Азотирование по лекциям ТПУ проводят на готовых деталях, прошедших окончательную механическую обработку и улучшение — закалку с высоким отпуском. Маршрут: черновая обработка → улучшение → чистовая обработка → азотирование.

Требования Лахтина к подготовке 38ХМЮА:

• закалка с 930–950 °C в воде для крупных изделий или в масле;
• температура отпуска на 50–100 °C выше максимальной температуры азотирования — обычно 600–650 °C, иначе сердцевина разупрочнится в печи;
• припуск 2–3 мм на заготовке, чтобы полностью снять обезуглероженный слой: он вызывает «шелушение» азотированной поверхности;
• для деталей малой жёсткости перед окончательной механической обработкой — стабилизирующий отпуск 3–10 ч при 550–600 °C с медленным охлаждением.

Для сравнения: ГОСТ 4543-2016 нормирует механические свойства 38Х2МЮА на образцах после закалки с 940 °C и отпуска при 640 °C.

Деформации при азотировании малы, но не нулевые: Лахтин прямо пишет, что изделия из 38ХМЮА к ним склонны. RÜBIG объясняет преимущество азотирования так: деталь не закаливают, фазовых превращений нет, а напряжения от нагрева снимаются постепенно. Если размеры критичны, заложите это в допуски и сделайте пробную партию.

Как указать на чертеже

ГОСТ 2.310-2022 требует задавать результат: глубину слоя h и твёрдость диапазоном «от … до». Для тонкого слоя твёрдость задают в HV — шкала Роквелла C его продавит. Формат записи в технических требованиях — как в стандарте для других видов обработки, например: «Азотировать h 0,3 … 0,5 мм; 700 … 900 HV». Конкретные значения выбирают по стали и назначению.

Что уточнить в требовании или заказе:

• по какому критерию считать h — по NHD ISO 18203 или по общей толщине слоя;
• нагрузку при измерении твёрдости поверхности — она влияет на результат;
• допустим ли белый слой и какой толщины, нужна ли его проверка;
• участки без азотирования — их отмечают на чертеже и защищают при обработке;
• требования к твёрдости сердцевины после улучшения.

Почему нельзя проверить азотированный слой по HRC, объясняет статья «Твёрдость HRC, HB, HV».

Контроль глубины слоя

Национального ГОСТ на определение глубины азотированного слоя, идентичного ISO, мы не нашли. Международный метод — ISO 18203 (редакция 2016 года заменила ISO 4970, в 2026 году вышла новая редакция). Для азотирования он вводит NHD — расстояние от поверхности до точки, где твёрдость на 50 HV выше твёрдости сердцевины.

Пример. Три замера в сердцевине: 312, 318 и 305 HV. Среднее 311,7 HV, округляем до 310 HV, предел — 360 HV. На профиле на глубине 0,30 мм 390 HV, на 0,35 мм — 345 HV. Между точками: 0,30 + 0,05 · (390 − 360) / (390 − 345) ≈ 0,33 мм — это NHD.

Замеры ставят на поперечном шлифе по правилам ISO 18203: отпечатки Виккерса или Кнупа при нагрузке обычно 0,9807–2,942 Н, первый — не ближе 2,5 диагонали от края, шаг — не менее трёх диагоналей. Толщину белого слоя меряют под микроскопом на травлёном шлифе. Для тонких слоев по согласованию допускаются ступенчатый или косой шлиф, но стандарт оговаривает, что результат может отличаться от поперечного сечения.