251 / 397
Материаловедение, динамика и прочность машин и механизмов
251
В результате никотрирования под карбонитридным γ' - или (γ'+ε ) - слоем формирует-
ся диффузионная зона, представляющая собой многофазную структуру, состоящую из азоти-
стого твердого раствора основного металла, его нитридов и карбонитридов, а также химиче-
ских соединений легирующих элементов.
Распределение и дисперсность упрочняющих нитридных и карбонитридных фаз явля-
ется многопараметрической функцией и зависит от: концентрации нитридообразующих ле-
гирующих элементов в сталях (влияет на размер частиц); термодинамического потенциала
образования нитридов (влияет на дисперсность частиц); диффузионной подвижности леги-
рующих элементов (влияет на размер частиц). Формирование дисперсных частиц в диффузи-
онных зонах возможно по двум механизмам [1].
Для случая легирования сталей элементами Cr, Mo, Mn, W и др. образование вторых
фаз осуществляется при взаимновстречной диффузии азота-углерода и легирующих элемен-
тов, не связанных в карбиды [1]. Очевидно, что данный механизм наиболее просто реализу-
ется по различным дефектам кристаллической решетки путем кластерных накоплений. Так
как формирование кластеров элементов замещения требует затрат времени, этот вариант уп-
рочнения является длительным.
Второй механизм предусматривает образование нитридов из карбидов основного и
легирующих элементов, подчиняющихся в основном стехиометрическому составу МеС
(элементы Ti, Zr, Hf и т.д.) [1]. Основной вариант такого механизма: нитрид формируется
уже на готовом скоплении легирующего элемента карбида, не требует дополнительной диф-
фузии атомов замещения. Такой механизм может реализоваться в результате прямой реакции
азота с карбидом с образованием соответствующего переходного карбонитрида, и, наконец,
после полного оттеснения углерода, и нитрида Me
m
N
n
. Кинетика процесса сводится к посте-
пенному замещению углерода азотом согласно схеме
Me
a
C
B
+N → Me
a
(C,N)
B
→ Me
m
(N,C)
n
→ Me
m
N
n
(1)
Схема (1) возможна для элементов V, Nb, Zr, Ti и т.д. вследствие однотипности реше-
ток кристаллитов и полной взаимной растворимости соответствующих карбидов и нитридов.
Чем выше концентрация легирующих элементов в твердом растворе, тем больше вероят-
ность образования нитридов по твердорастворному механизму.
Многочисленными исследованиями было показано, что определяющие свойства диф-
фузионных зон в значительной степени влияют на работоспособность никотрированных сло-
ев на сталях [2]. Твердость зон внутреннего азотирования зависит от концентрации примесей
внедрения в твердом растворе, а также природы и морфологии распределения упрочняющих
нитридных и карбонитридных фаз. Высокая твердость и прочность диффузионных зон дос-
тигается у сплавов, легированных нитридообразующими элементами. Выделение из твердого
раствора дисперсных частиц вторых фаз затрудняет движение дислокаций и пластическую
деформацию.
Варьирование температурой и продолжительностью насыщения позволяет фиксиро-
вать в диффузионной зоне различные стадии процесса выделения и, следовательно, разный
уровень твердости. Максимальное упрочнение конструкционных сталей достигается в том
случае, когда в диффузионной зоне образуются однотипные по азоту предвыделения, полно-
стью когерентные с решеткой твердого раствора. При повышении температуры процесса бо-
лее 580°С твердость снижается вследствие коагуляции нитридов и нарушения когерентно-
сти. Высокая твердость диффузионных зон "обязана" не только процессам предвыделения и
образования нитридов, но и большой растворимостью азота в феррите, легированном пере-
ходными металлами [3]. Последнее предопределяет получение высокого уровня искажений,
релаксация которых ниже порога рекристаллизации затруднена.
Исследования распределения микротвердости по глубине азотированных слоев в за-
висимости от температуры и времени обработки показали что, чем выше температура насы-
щения, тем больше при прочих равных условиях толщина диффузионного слоя и более рав-
номерно падение твердости по его сечению. Повышение степени диссоциации аммиака до 60
% не влияло на характер кривой распределения. Наиболее равномерное падение твердости