Азотирование стали: технология, марки и глубина слоя

Шпиндель станка, гильза цилиндра, шестерня насоса, пресс-форма, ходовой винт — детали, которые должны годами сохранять точные размеры и при этом не изнашиваться. Закалка их коробит, цементация требует шлифовки после себя, а азотирование позволяет получить очень твёрдую поверхность почти без изменения геометрии. Разберём, как идёт процесс, какие стали азотируют и почему именно 38Х2МЮА стала классикой, какую твёрдость и глубину можно получить, чем отличаются газовое, ионное азотирование и нитроцементация и что подготовить к заказу.

Что происходит при азотировании

Азотирование — насыщение поверхности стали азотом при относительно низкой температуре. Деталь выдерживают в среде, отдающей атомарный азот, — в газовом процессе это аммиак, который разлагается на поверхности металла. Азот диффундирует вглубь и образует с железом и легирующими элементами очень твёрдые нитриды. Принципиальное отличие от цементации и закалки: процесс идёт ниже температуры фазовых превращений стали, без нагрева до аустенита, поэтому после азотирования не нужна закалка, а деталь почти не меняет размеры и форму.

Получившийся слой обычно состоит из двух зон. Снаружи — тонкий нитридный, так называемый белый слой, твёрдый и стойкий к коррозии, но хрупкий. Под ним — диффузионная зона, где азот растворён в металле и выделился в виде мелких нитридов; именно она обеспечивает основную твёрдость и сопротивление усталости.

Какие стали азотируют

Высокую твёрдость слоя дают элементы, которые образуют прочные нитриды: алюминий, хром, молибден, ванадий, титан. Углеродистая сталь без этих элементов после азотирования набирает лишь умеренную твёрдость.

Сталь	Почему азотируют	Типичные детали
38Х2МЮА	алюминий, хром и молибден дают самую высокую твёрдость слоя	шпиндели, гильзы, прецизионные валы, детали топливной аппаратуры
40Х, 40ХН2МА, 30ХГСА	хром даёт хорошую твёрдость, сердцевина прочная после улучшения	валы, шестерни, шлицевые детали
4Х5МФС и другие штамповые стали	повышение стойкости к износу и налипанию	пресс-формы, матрицы литья под давлением
Нержавеющие 12Х18Н10Т, 20Х13	повышение износостойкости поверхности	детали арматуры, плунжеры, штоки
Серый и высокопрочный чугун	износостойкость трущихся поверхностей	гильзы, направляющие

Нержавеющие стали азотировать сложнее: их пассивная плёнка мешает азоту проникнуть в металл, поэтому перед процессом её разрушают, а ионное азотирование справляется с этим легче газового. Нужно помнить, что азотированный слой нержавейки, особенно при высокой температуре процесса, теряет часть коррозионной стойкости.

Температура, время и глубина слоя

Классическое газовое азотирование ведут при 500–560 °C, а длительность процесса составляет от 20 до 90 часов в зависимости от требуемой глубины слоя. Для стали 38Х2МЮА справочники приводят наглядную зависимость: наибольшая твёрдость слоя, около 1100–1200 HV, достигается при азотировании при 500–520 °C, а при 600 °C она снижается примерно до 750–800 HV. Повышение температуры ускоряет процесс, но слой получается мягче. Поэтому применяют и двухступенчатые режимы: сначала при более низкой температуре формируют твёрдую поверхность, затем при более высокой ускоряют рост слоя вглубь.

Глубина азотированного слоя невелика — как правило, десятые доли миллиметра. На практике для 38Х2МЮА получают около 0,3–0,5 мм, а слой глубже 0,6 мм требует очень продолжительного процесса. Это главное ограничение метода: азотированная поверхность не выдерживает больших контактных нагрузок на мягком основании, поэтому сердцевину обязательно упрочняют заранее.

Подготовка детали

• Улучшение до азотирования. Заготовку закаливают и отпускают, причём температура отпуска должна быть выше температуры последующего азотирования. Тогда при азотировании структура и размеры сердцевины уже не меняются, а твёрдый слой опирается на прочную основу;
• Механическая обработка почти в размер. Поскольку деталь после азотирования почти не коробится, её обрабатывают окончательно или с минимальным припуском, а после процесса только доводят;
• Стабилизирующий отпуск для точных деталей после черновой обработки — чтобы снять напряжения, которые иначе проявятся при нагреве в печи;
• Защита участков. Места, которые не должны азотироваться, — резьбы, участки под последующую обработку — защищают: в газовом процессе, например, лужением или специальными пастами, в ионном — экранами;
• Чистота поверхности. Деталь тщательно обезжиривают: следы масла и окалины дают пятна без слоя.

Газовое, ионное азотирование и нитроцементация

Процесс	Как идёт	Особенности
Газовое азотирование	нагрев в печи в аммиаке	отработанная технология, большие садки, долгий цикл
Ионное (плазменное) азотирование	деталь — катод в тлеющем разряде в азотсодержащем газе	можно вести при более низкой температуре, легко экранировать участки, хорошо работает с нержавейкой
Нитроцементация в ферритной области (азотирование с углеродом)	одновременное насыщение азотом и углеродом при температуре около 570 °C	короткий цикл — часы, тонкий слой, хорошая стойкость к износу и коррозии; применяется для массовых деталей

Азотирование, ТВЧ или цементация

Азотирование выигрывает там, где важны стабильность размеров и износостойкость, но нагрузка не ударная и не слишком высокая. Закалка ТВЧ даёт более толстый слой и подходит для валов и шлицев с большими контактными нагрузками, а цементация — для зубчатых колёс трансмиссий с тяжёлым контактом и ударами. Подробно эти способы разобраны в статьях о закалке ТВЧ и о цементации стали.

Параметр	Азотирование	Закалка ТВЧ	Цементация
Температура процесса	около 500–560 °C	выше точки закалки, секунды	900–950 °C
Нужна ли закалка после	нет	сама является закалкой	да
Глубина слоя	десятые доли мм	от долей до нескольких мм	до 1,5–2 мм
Коробление	минимальное	небольшое	заметное
Типичные детали	шпиндели, гильзы, пресс-формы	шейки валов, шлицы	шестерни, валы-шестерни

Как задать азотирование в чертеже

Требования к упрочнённому слою записывают по правилам ГОСТ 2.310-2022: глубину слоя обозначают буквой h, глубину и твёрдость указывают предельными значениями, например «Азотировать h 0,3 … 0,5; ≥ 900 HV». Твёрдость азотированного слоя задают и контролируют по Виккерсу при малой нагрузке, а не по Роквеллу: шкала HRC продавливает тонкий слой и показывает твёрдость основы. Полезно сразу указать требования к сердцевине после улучшения и зоны, которые азотировать нельзя.

Контроль качества

Твёрдость поверхности измеряют по Виккерсу, глубину слоя — на поперечном шлифе контрольного образца по падению твёрдости или по микроструктуре. Отдельно оценивают толщину и сплошность белого слоя и отсутствие хрупкой сетки нитридов по границам зёрен, которая делает слой склонным к выкрашиванию. Подробнее о методах измерения твёрдости — в статье о твёрдости стали.

Миф: азотированную деталь можно потом обработать как угодно — слой ведь очень твёрдый и толстый. На деле слой азотирования тонкий, обычно десятые доли миллиметра, а самый твёрдый его участок — у самой поверхности. Грубая шлифовка или правка после процесса легко снимают или повреждают слой, и деталь теряет износостойкость. Поэтому окончательную механическую обработку выполняют до азотирования, оставляя лишь минимальный припуск на доводку, а сердцевину заранее улучшают с отпуском выше температуры азотирования.

Частые вопросы

При какой температуре проводят азотирование?

Классическое газовое азотирование — при 500–560 °C. Для 38Х2МЮА наибольшую твёрдость слоя дают режимы около 500–520 °C, при более высокой температуре слой растёт быстрее, но получается мягче.

Какая глубина азотированного слоя?

Как правило, десятые доли миллиметра — для 38Х2МЮА на практике около 0,3–0,5 мм. Слой глубже 0,6 мм требует очень длительного процесса.

Нужна ли закалка после азотирования?

Нет. Азотирование идёт без нагрева до температур закалки, твёрдость дают нитриды. Заготовку улучшают заранее, до механической обработки.

Почему для азотирования выбирают 38Х2МЮА?

Алюминий, хром и молибден образуют с азотом очень твёрдые нитриды. Поэтому после азотирования эта сталь получает поверхностную твёрдость около 1100–1200 HV, недоступную для углеродистых сталей.

Можно ли азотировать нержавейку?

Да, но сложнее: пассивную плёнку перед процессом разрушают, а лучше всего с нержавейкой работает ионное азотирование. Нужно учитывать, что азотированный слой может хуже сопротивляться коррозии, чем исходная сталь.

Чем ионное азотирование отличается от газового?

При ионном азотировании деталь служит катодом в тлеющем разряде. Процесс легче регулировать, можно экранировать участки и работать при более низких температурах. Газовое азотирование ведут в печи в аммиаке, оно проще и подходит для больших садок.

Нитрид: азотирование насыщает поверхность азотом при 500–560 °C без последующей закалки, поэтому деталь почти не коробится; твёрдость дают нитриды алюминия, хрома и молибдена — у 38Х2МЮА до 1100–1200 HV при режимах около 500–520 °C; слой тонкий, обычно 0,3–0,5 мм, сердцевину заранее улучшают с отпуском выше температуры процесса, а твёрдость слоя контролируют по Виккерсу.

Практика МТМ: изготавливаем точные детали под азотирование и другие виды упрочнения: токарная и фрезерная обработка почти в размер, термообработка — улучшение заготовок, — и финишная шлифовка. Заготовки — стальной круг 40Х и других конструкционных марок, инструментальная и нержавеющая сталь. Возможность азотирования конкретной детали и требуемую глубину слоя уточняйте у технолога. О выборе стали для вала — в статье о стали для валов. Отправить чертёж можно через форму на сайте или по телефону +7 (812) 409-45-58.