Качество процесса цементации оценивается по эффективной толщине цементованного слоя, которая определяется по одному из двух показателей — твердости или структуре слоя. Структура поверхностного слоя цементованной стали состоит из нескольких зон: поверхностной — заэвтектоидной (перлит + цементит), эвтектоидной — перлитной и доэвтектоидной — перлитоферритной. Эффективную толщину цементованного слоя по структуре принято измерять на металлографических шлифах в отожженном состоянии при увеличениях от 100 до 500 раз.
В случае, когда за критерий оценки толщины цементованного слоя принимается твердость или микротвердость после цементации, то оценка ведется на термически обработанных образцах, а за конец цементованного слоя принимается зона с твердостью 50 HRCЭ или 540–600 Н
Под азотированием подразумевается процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стального изделия или детали азотом при нагреве в соответствующей среде. Целью азотирования являются повышение твердости поверхности изделия, выносливости и износостойкости, стойкости к появлению задиров и кавитационным воздействиям, повышение коррозионной стойкости в водных средах и атмосфере.
Азотированию подвергаются самые разнообразные по составу и назначению стали — конструкционные и инструментальные, жаропрочные и коррозионностойкие, спеченные порошковые стали, а также ряд тугоплавких материалов (табл. 2).
Азотирование проводится при температурах значительно ниже температур цементации и температур фазовых превращений, поэтому иногда этот процесс называют низкотемпературной химико-термической обработкой или низкотемпературным азотированном. Температура процесса азотирования обычно не превышает 600 °С. Однако следует отметить, что в последние годы все большее распространение получает процесс высокотемпературного азотирования (600–1200 °С). Этот процесс применяют для насыщения азотом поверхностей деталей из ферритных и аустенитных сталей, ряда тугоплавких металлов — титана, молибдена, ниобия, ванадия и т. д.
Таблица 2. Составы основных насыщающих сред и режимы химико-термической обработки при азотировании
| Состав насыщающей среды | Режим азотирования | Глубина слоя, (мм) | ||
| Т, °С | τ, ч | |||
| Азотирование изотермическое | ||||
| 1 | Аммиак NH3 давление, Па: 192,4–721,5 степень диссоциации, 20–40 % | 500-520 | 6-90 | 0,1-0,8 |
| 30–55 | 560–580 | 1–10 | 0,15–0,4 | |
| 2 | 20 % NH3 + 80 % N2 (или N2 + H2)*1 | 500–520 | 6–90 | 0,1–0,8 |
| Азотирование двухступенчатое | ||||
| 3 | 20 % NH3 степень диссоциации 20–40 % | 500–520 | 15–20 | 0,5–0,8 |
| 40–45 | 540–560 | 25–40 | 0,5–0,8 | |
| Азотирование с добавками углеродсодержащих газов | ||||
| 4 | Аммиак NH3 + 50 % эндогаза (40 % H2 + 20 % СО + 40 % N2)*2 | 570 | 0,5–3,0 | |
| 5 | Аммиак NH3 + 50 % эндо-экзогаза (20 % H2 + 20 % СО + 60 % N2) | |||
| 6 | Аммиак NH3 + 50 % экзогаз (10 % СО + 90 % N2) в отношении 1 к 2 | |||
| 7 | 58,6 % N2 + 17,9 % H2 + 14,3 % NH3 + 3,5 % СО + 2,2 % СО2 + 3,5 % Н2О | |||
| 8 | Аммиак NH3 + 50 % С2Н8 (пропана)*3 | 570 | 2–10 | |
| 9 | Продукты пиролиза керосина, спирта (50 %) + Аммиак NH3 (50 %) | 570 | 1–6 | |
| Азотирование антикоррозийное *4 | ||||
| 10 | Аммиак NH3 давление, Па: 192,4–721,5, степень диссоциации, %: 40–60 | 600–700 | 0,25–10 | 0,02–0,08 |
Примечание:
*1 Процесс кратковременного азотирования при 570 °С — вместо жидкого азотирования. Разбавление аммиака азотом уменьшает хрупкость слоя.
*2 Применение эндогаза при температурах ниже 700 °С — взрывоопасно. Требуется принятие специальных защитных мер.
*3 Степень диссоциации аммиака — 30–60 %.
*4 Антикоррозийному азотированию подвергают изделия, изготовленные из углеродистых сталей, работающих в условиях атмосферной коррозии.
Процесс низкотемпературного азотирования проводят, в основном, в газовых средах — смеси азота и аммиака, диссоциированного аммиака и т. д. Для активизации процесса в насыщающую среду могут быть введены кислород или воздух. Достаточно широкое применение нашли среды, где азот-насыщенные среды дополняются углероднасыщенными, — то есть среды, где кроме диссоциированного аммиака присутствуют природный или светильный газ, эндогаз, пары спирта или керосина и т. п.
Для азотирования в жидких средах, которое также называют «мягким азотированием» или «тенифер-процессом» применяют расплавы цианид-цианатных солей или ванны на основе карбамида. Однако жидкое азотирование не получило широкого распространения из-за токсичности процесса, высокой стоимости используемого оборудования и используется, в основном, для обработки инструментов из быстрорежущих или высоколегированных инструментальных сталей. Подогретые инструменты выдерживают в ванне при 530–560 °С в течение 10–100 мин — в зависимости от типа инструмента, а затем охлаждают на воздухе. Необходимо строго следить за химическим составом насыщающего состава, так как полная азотирующая способность ванны устанавливается только в том случае, когда содержание цианатов составляет около 40 % от начального содержания в расплаве цианидов.
Термическая обработка инструментальных сталей после азотирования производится по следующему режиму: закалка с температур 1000–1050 °С и затем, для повышения ударной вязкости, первый отпуск выполняется при температуре 350 °С, а последующие — при 560 °С.
Нитроцементация или цианирование стали — процессы химико-термической обработки, заключающиеся в высокотемпературном насыщении поверхности изделия азотом и углеродом. Причем процесс совместного насыщения поверхности азотом и углеродом в жидких ваннах принято называть цианированием, а насыщение в газообразных средах — нитроцементацией,
Процесс нитроцементации обычно ведут при температурах 820–860 °С в средах эндогазов и эндоэкзогазов с добавками природного газа (метана) и аммиака. Чем больше толщина требуемого слоя насыщения, тем меньше должно быть содержание аммиака и метана и выше температура химико-термической обработки. Для получения слоя толщиной около 0,2 мм при температуре нитроцементации 800–820 °С в атмосферу печи добавляют 6–15 % аммиака и около 5 % метана. Для получения слоя 0,5–1,0 мм температура нитроцементации повышается до 860–880 °С , а содержание аммиака и метана снижаются соответственно до 0,6–1,3 % и 0,5–0,8 %.
Основное назначение процесса нитроцементации — повышение твердости, контактной выносливости, износостойкости и предела выносливости изделий. Основной температурой процесса считается 860 °С. При оптимальных условиях насыщения структура нитроцементованного слоя состоит из мартенсита, небольшого количества равномерно распределенных частиц карбонитридов и 25–30 % остаточного аустенита, обеспечивающего хорошую прирабатываемость. Содержание углерода на поверхности составляет 0,7–0,9 %, азота — 0,3–0,4 %. Эффективная толщина насыщаемого слоя не должна превышать 1 мм, так как при большей толщине в структуре слоя появляются фазы, резко снижающие предел выносливости и контактную выносливость материала.
Цианирование проводят при температурах от 800 до 950 °С в расплавах, содержащих цианистые соли, причем с повышением температуры химико-термической обработки доля углерода в слое растет, а азота — понижается. Структура насыщенного слоя после цианирования оказывается аналогичной структуре слоя после нитроцементации. Химические составы основных расплавов для цианирования приведены в табл. 3.
Таблица 3. Составы ванн и режимы цианирования изделий
| Состав насыщающей среды | Режим цианирования | Глубина слоя, мм | |
| Т,°С | τ, ч | ||
| 50 % NaCN +50 % NaCl (20–25 % NaCN + + 25–30 % NaCl + 25–50% Na2CO3)* | 840 | 0,5 | 0,15–0,2 |
| 840 | 1,0 | 0,2–0,25 | |
| 870 | 0,5 | 0,2–0,25 | |
| 870 | 1,0 | 0,25–0,35 | |
| 10 % NaCN +40 % NaCl + + 50 % BaCl2 (8–12 % NaCN + + 30–55 % NaCl + 10 % Na2CO3 + + 15 % BaCl2) | 840 | 1,0–1,5 | 0,25–0,3 |
| 900 | 1,0 | 0,5–0,6 | |
| 900 | 2,0 | 0,7–0,8 | |
| 900 | 4,0 | 1,0–1,2 | |
| 8 % NaCN +10 % NaCl + + 82 % BaCl2 (3–8 % NaCN + 30 % BaCl2 + + 30 % NaCl + 40 % BaCO2) | 900 | 0,5 | 0,2–0,25 |
| 900 | 1,5 | 0,5–0,8 | |
| 950 | 2,0 | 1,0–1,1 | |
| 950 | 3,0 | 1,0–1,2 | |
| 950 | 5,5 | 1,4–1,6 | |
* В скобках дан рабочий состав ванн для цианирования.