Азотирование стали
Лахтин Ю.М., Коган Я.Д.
Машиностроение, 1976 г.
ГАЗОВОЕ АЗОТИРОВАНИЕ СТАЛИ И ЧУГУНА
Азотированию можно подвергать любые стали перлитного, ферритного, аустенитного и карбидного классов. Когда требуется высокая твердость и износостойкость, применяют Сг—Mo—А1 сталь 38ХМЮА. В последние годы для изделий, упрочняемых азотированием, чаще используют конструкционные улучшаемые стали, не содержащие алюминия, например стали 40Х, 40ХФА, 18ХГТ, 20ХЗМВФ, 30ХЗМФ1, 38ХНМФА, 40ХГМ, 20ХЗВА, 20ХН2МФ, 18Х2Н4ВА и др.
Азотирование широко применяется для упрочнения коррозионностойких и жаропрочных сталей, мартенситностареющих сталей, а в последнее время и для улучшения режущих свойств инструментальных сталей (Р18, Р9, Х12М, Х12Ф1, Х6ВФ и др.).
§ 1. АЗОТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
Если главными требованиями, предъявляемыми к азотированному слою, являются высокие твердость и износостойкость, то применяют сталь 38ХМЮА.
Сталь38ХМЮА (0,35—0,42%С, 1,35—1,65%Сr, 0,15—0,25% Мо и 0,7—1,1 %А1) была разработана в Советском Союзе в начале 30-х годов [129]. Сталь широко используют для изготовления зубчатых колес, гильз цилиндров, червяков, шпинделей, втулок и других деталей, упрочняемых азотированием. Предварительную термическую обработку — закалку и отпуск проводят в заготовках, а для деталей малого сечения — в прутках (до 50 мм).. При проведении термической обработки стали 38ХМЮА необходимо учитывать, что она склонна к обезуглероживанию. Вследствие этого заготовки должны иметь достаточные припуски на обработку (2—3 мм), которые гарантировали бы полное удаление обезуглероженного слоя. Наличие обезуглероженного слоя недопустимо, так как он служит причиной «шелушения» азотированной поверхности. Закалку проводят с 930—950° С в воде (для крупных изделий) или масле. Температура отпуска должна на 50—100° С превышать максимальную температуру азотирования (обычно составляет 600—650° С). Для деталей малой жесткости перед окончательной механической обработкой проводят стабилизирующий отпуск в течение 3—10 ч при 550—600° С с последующим медленным охлаждением. Сталь 38ХМЮА обеспечивает наибольшую твердость азотированного слоя до HV1100—1200. В случае
азотирования стали 38ХМЮА при температурах ниже эвтекr-тоидной на поверхности диффузионного слоя (рис. 32) образуется ε-фаза, которая при охлаждении претерпевает распад с выделением легированной γ'-фазы (Fe, М)4 N. Непосредственно к слою сплошных нитридов, выявляемых под микроскопом в виде белого нетравящегося слоя, прилегает область, в которой рентгеновский анализ фиксирует трехфазное состояние. Одновременное присутствие ε- и α-фаз объясняется продвижением ε-фазы по границам зерен. Основная часть слоя, выявляемая в виде более сильно травящейся зоны, состоит из азотистой α-фазы, обедненной легирующими элементами, карбидов М3С, избыточной γ'-фазы [(Fe, М)]4 N и возможно сложного нитрида легирующих элементов с решеткой В1. Концентрация азота в α-фазе достигает 0,3—0,5%.
Температура и длительность азотирования влияют на толщину азотированного слоя (рис. 33, а) и твердость (рис. 33, б). Наивысшая твердость HV1100—1200 достигается при температуре азотирования 500— 520° С. С повышением температуры твердость сильно снижается и при 600° С составляет HV750—800. Высокая твердость на поверхности азотированного слоя достигается за короткиепромежутки времени (15—30 мин), но следует иметь в виду, что при испытании на приборе Виккерса даже при малой нагрузке (5 кгс) твердость при коротких выдержках оказывается пониженной. Это объясняется продавливанием алмазным индентером тонкого диффузионного слоя. При практическом проведении процесса азотирования очень короткие выдержки рекомендовать не следует, так как всегда необходимо распространение высокой твердости на некоторую толщину. Чем выше температура диффузии, тем меньше время азотирования для получения упрочненного слоя. Минимальная выдержка при 520° С должна быть 8—10 ч, при 550° С — 5—6 ч и при 600° С — 1—3 ч.
Изменение общей толщины слоя при данной температуре подчиняется параболическому закону.. Начальная скорость диффузии максимальна. Увеличение продолжительности более 90—100 ч практически не вызывает увеличения технической толщины слоя. Максимальная толщина слоя на стали. 38ХМЮА не превышает 1,0 мм. Толщина зоны сплошных нитридов при 520° С не превышает 0,02—0,025 мм, возрастая до 0,03—0,05 мм в случае азотирования при 600° С. Развитие зоны сплошных нитридов и особенно нитридной сетки нежелательно, так как это сопровождается хрупкостью слоя. Однако следует иметь в виду, что при повышении температуры азотирования до 560—600° С, несмотря на увеличение зоны ε-фазы, хрупкость снижается. Это объясняется уменьшением содержания азота в ε-фазе с 9,5—11,0% в случае азотирования при 500—520° С до 7—7,5% Ν2при 600° С за счет интенсивной диффузии его с поверхности в глубь матрицы при высоких температурах.
Характер изменения твердости по толщине азотированного слоя после насыщения азотом при различных температурах дан на рис. 34. Чем выше температура азотирования, тем менее резко падение твердости по толщине диффузионного слоя.
Результаты процесса азотирования (твердость и толщина слоя) мало зависят от предварительной термической обработки [66].
Как указывалось ранее, азотированный слой на стали 38ХМЮА обладает наиболее высокой износостойкостью после насыщения его азотом при температурах выше эвтектоидной [39]. В связи с этим для сокращения длительности процесса и повышения износостойкости изделия из стали 38ХМЮА нужно азотировать при 620° С. Однако этот процесс может быть рекомендован только для изделий простой формы, не склонных к деформациям и не работающих в условиях усталости. Достоинство азотированного слоя — сохранение высокой твердости при нагреве до высоких температур.
Эта особенность азотированного слоя расширяет область применения азотирования и дает хорошие результаты в борьбе с износом деталей, работающих при повышенных температурах. Твердость по толщине азотированного слоя с повышением температуры испытания уменьшается (рис. 35) [84]. Нагрев стали 38ХМЮА до 400° С хотя и сопровождается понижением твердости, но она еще сохраняется на достаточно высоком уровне — —HV600. Дальнейшее повышение температуры приводит к резкому падению твердости, что не позволяет использование азотированной стали 38ХМЮА при температурах выше 400—450° С.
Коэффициент трения азотированной стали снижается с, 0,7 при 20° С до 0,1 при 600° С; износ незначителен и составляетпри 560° С на стали 38ХМЮА 1,7 мг/м-см2. В результате азотирования значительно повышается задиростойкость как при комнатной, так ипри повышенных (400—500° С) температурах. Азотирование стали 38XMIOAпри условии удаления шлифованием с поверхности хрупкой ε-фазы значительно повышает кавитационную стойкость [129].
Для изготовления сильно нагруженных крупных деталей сталь 38ХМЮА не пригодна. Полная прокаливаемость этой стали достигается лишь при диаметре, не превышающем 50 мм. Кроме того, механические свойства стали 38ХМЮА сравнительно невысокие.
Наличие в стали 38ХМЮА алюминия усложняет технологию производства обработки и азотирования стали.
Сталям с высоким содержанием алюминия свойственны следующие дефекты металл ур гического характера: столбчатый излом, загрязненность неметаллическими включениями, образование мелких трещин и волосовин в прокате, развитие свищей в поковках и т. д.
При горячей механической обработке стали типа 38ХМЮА иногда проявляют склонность к перегреву, вызывающему снижение сопротивления хрупкому разрушению. Высокое качество азотированного слоя достигается в стали, не содержащей доэвтектоидного феррита. При термической обработке стали типа 38ХМЮА весьма чувствительны к изменению состава в пределах марки. В зависимости от соотношения между содержанием углерода, хрома, молибдена и алюминия сталь 38ХМЮА обладает либо недостаточной закаливаемостью и прокаливаемостью, либо проявляет склонность к образованию трещин при закалке в воде. Обусловленные повышенным критическим интервалом высокие температуры нагрева (950—975° С) при термической обработке вызывают интенсивное обезуглероживание, а как следствие этого — увеличение припусков, удаляемых при обработке резанием. Азотированный слой на стали 38ХМЮА, содержащей алюминий на верхнем пределе, обладает большой хрупкостью.
После шлифования и хонингования на азотированной поверхности стали 38ХМЮА нередко можно наблюдать точечное выкрашивание слоя («сыпь») на глубину до 0,05 мм. Чаще «сыпь» образуется по грубой нитридной сетке, которая возникает, если сталь имеет крупное зерно (см. рис. 32). Понижение температуры закалки с 950 до 900° С уменьшает склонность к образованию «сыпи», шлифовочным трещинам и сколу слоя. Чем меньше твердость и содержание азота в диффузионном слое, тем выше сопротивление его хрупкому разрушению.
Высокочастотный нагрев, приводящий к образованию мелкого зерна (8—12 баллов), устраняет «сыпь» на шлифованной поверхности. Образование сыпи связывают с остаточными напряжениями в азотированном слое. Чем меньше сжимающие напряжения (меньше сечение и твердость сердцевины, выше температура азотирования и т. д.), тем меньше вероятность образования «сыпи».
Изделия из стали 38ХМЮА в процессе азотирования обнаруживают большую склонность к деформациям.
В тех случаях, когда изделия подлежат финишной механической обработке после азотирования, может быть выгодным получить диффузионный слой с несколько пониженной твердостью на поверхности, но более плавно спадающей по его толщине твердостью.
Таким преимуществом обладает, например, сталь 38ХВФЮА (0,35—0,42% С, 1,5—1,8% Сr, 0,2—0,4% W), содержащая пониженное количество алюминия (0,4—0,7% А1). Твердость этой стали HV900—950. Азотированный слой на стали 38ХВФЮА нехрупок.
Для изготовления деталей, допускающих меньшую твердость упрочненных поверхностей, широко применяют азотируемые стали, не содержащие алюминия. Стали без алюминия технологичнее, имеют более высокие механические свойства, чем сталь 38ХМЮА, но пониженную твердость азотированного слоя HV650—900. Азотированный слой на сталях без алюминия. имеет высокую износостойкость и сопротивление хрупкому разрушению. Снижение хрупкости азотированного слоя позволяет применять азотирование при изготовлении деталей, имеющих острые кромки и вырезы, а также нешлифуемых деталей. Так, например, в станкостроении для шпинделей, опор качения и ходовых винтов используют стали 40Х, 40ХФА, 18ХГТ, а для гильз, накладных направляющих планок, ходовых винтов пар качения — стали 40ХФА, 20ХЗВА, 20ХЗМВФ.