Структура и износостойкость азотированных конструкционных сталей и сплавов

 
 
 
C.А. Герасимов, Л.И. Куксенова,  
В.Г. Лаптева 
 
 
 
СТРУКТУРА 
И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ 
азотированных  
конструкционных 
сталей и сплавов 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
Москва 2014 

УДК 621.785.53:620.186:620.178.16:669.018.29 
ББК 34.431 
Г37 

Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук, проф. О.Ю. Елагина 
д-р техн. наук, проф. В.Г. Павлов 
 
           Герасимов С. А. 
    Структура и износостойкость азотированных конструкционных сталей 
и сплавов  / С. А. Герасимов, Л. И. Куксенова, В. Г. Лаптева. — 2-е изд., 
испр. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. —  518, [2] с. : ил.  

ISBN 978-5-7038-3933-1 

Изложены закономерности формирования структуры поверхностного слоя 
при азотировании сталей и сплавов перлитного, мартенситного и аустенитного 
классов в зависимости от их химического состава, плотности дефектов строения 
матрицы и температурно-временных параметров технологического процесса. 
Описаны механизмы влияния строения азотированного слоя на твердость сталей и 
их износостойкость. Установлены основные структурные факторы, влияющие на 
износостойкость сталей и контактную долговечность изделий из них. Рассмотрены принципы управления структурными факторами для достижения оптимальных 
значений износостойкости и контактной долговечности. Представлены результаты 
экспериментальных исследований износостойкости конструкционных материалов 
при трении в разных условиях. С позиций эксплуатационных требований изложена проблема выбора конструкционных материалов для узлов трения технологического оборудования. В приложении представлен обширный справочный материал 
по триботехническим характеристикам конструкционных материалов. 
Для научных и инженерно-технических работников, конструкторов, технологов, занимающихся вопросами химико-термической обработки, трения и 
износа изделий машиностроения, может быть полезна преподавателям, аспирантам и студентам вузов. 
 
 
УДК 621.785.53:620.186:620.178.16:669.018.29          
                                                 
  ББК 34.431 

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 Герасимов С.А., Куксенова Л.И.,  
                                              Лаптева В.Г., 2012 
 Герасимов С.А., Куксенова Л.И.,  
    Лаптева В.Г, 2014, с изменениями 
 
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-3933-1                      
 
    МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 

Г37 

Посвящается светлой памяти наших Учителей —  
И.И. Сидорину,  Г.Ф. Косолапову, Л.М. Рыбаковой 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В настоящее время для увеличения срока службы машин, оборудования и 
приборов, снижения их металлоемкости, сокращения численности персонала, 
занятого эксплуатацией, большое внимание уделяется решению трибологических проблем на основе методов химико-термической обработки и разнообразных методов модифицирования поверхности изделий. 
Азотирование широко применяют при обработке различных изделий машиностроения. При этом повышаются прочность, твердость, износостойкость, сопротивление усталости, коррозионная стойкость. Азотирование — один из 
наиболее распространенных методов обработки, использование которого в промышленно развитых странах постоянно расширяется. Как показывает практика, 
применение азотирования особенно эффективно для разнообразных сопряжений, 
где основной причиной разрушения поверхностей является трение.  
Решение проблемы износостойкости конструкционных материалов связано с изучением закономерностей структурных превращений как в поверхностных слоях при химико-термической обработке изделия, так и в зоне контактного взаимодействия при эксплуатации, что в совокупности позволяет 
разрабатывать усовершенствованные методы снижения потерь на трение и 
износ. В связи с этим исследования структурных изменений в поверхностных 
слоях изделий из конструкционных материалов триботехнического назначения вызывают глубокий теоретический интерес и имеют важнейшее практическое значение. 
Монография состоит из двух основополагающих частей. В первой части 
описаны новые впервые систематизированные на основе экспериментальных 
и теоретических исследований модели структурного состояния азотированного слоя в сталях перлитного, мартенситного и аустенитного классов. Рассмотрена аналогия формирования этого состояния с фундаментальными 
представлениями о структуре, возникающей при старении пересыщенных 
твердых растворов. По результатам экспериментального исследования разных конструкционных сталей и сплавов электронно-микроскопическими, 
рентгеновскими и другими методами в зависимости от технологических  
параметров предварительной термообработки, азотирования и химического  
состава разработаны принципы управления структурными факторами, определяющими высокий уровень износостойкости и контактной выносливости 
азотированных сталей и сплавов. 
Вторая часть монографии в большей степени посвящена прикладному аспекту азотирования. Представлены научно обоснованные структурные факторы азотированных конструкционных сталей и сплавов, ответственные за 
износостойкость и контактную выносливость. Проведены систематические 

Предисловие 

4 

исследования, которые позволили решить важную научно-техническую проблему увеличения ресурса работы азотированных деталей, работающих в 
условиях трения и контактной усталости. Как следствие, появилась возможность применить на практике азотирование для упрочнения высоконагруженных зубчатых колес с контактной выносливостью, соизмеримой с контактной выносливостью цементованных зубчатых колес, при этом исключить 
необходимый в последнем случае процесс зубошлифования, что привело к 
сокращению трудоемкости их изготовления. 
Особое место во второй части занимает большой объем экспериментальных 
данных по сравнительной оценке износостойкости разных конструкционных 
материалов с традиционными термическими и химико-термическими видами 
упрочнения поверхностных слоев. В приложении приведены паспорта, которые 
основаны на результатах исследования узлов трения скольжения технологического оборудования, полученных на машинах трения и стендах при возвратнопоступательном, вращательном и возвратно-вращательном движении в разных 
смазочных средах.  
Для автоматизированного выбора материалов узлов трения скольжения 
технологического оборудования разработана база данных (БД) триботехнических характеристик, полученных на разных машинах трения и стендах. Информационно-поисковая система содержит сведения о более чем 500 сочетаниях материалов, работающих в разных условиях нагружения и смазки. Использование БД освобождает пользователя от просмотра и анализа обширной 
литературы по изучаемой проблеме, дает возможность свести выбор материалов к рассмотрению предложенных базой, наметить области исследований, 
имеющие пробелы по использованию условий минимальных потерь на трение, устранить возможность повторений в исследовательских работах. 
Авторами монографии являются ведущие специалисты в области материаловедения в машиностроении. Монография представляет собой фундаментальный 
труд, в котором содержатся методологические основы процесса азотирования и 
принципы управления структурными факторами на микро-, суб- и наноуровнях, 
позволяющие обеспечивать высокий уровень износостойкости конструкционных 
материалов и контактной долговечности изделий из них. 
Авторы благодарны всем, кто способствовал выходу в свет данной монографии. Среди них прежде всего ученики и коллеги, чьи результаты исследований были использованы в данном издании: коллектив кафедры материаловедения МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также сотрудники Лаборатории методов и 
технологий упрочнения Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института машиноведения им. А.А. Благонравова Российской 
академии наук (ИМАШ РАН) — кандидат технических наук М.С. Алексеева, 
научный сотрудник И.А. Хренникова, инженер Н.Л. Борейко, оказавшие неоценимую помощь в научно-организационной работе по созданию книги. 
Авторы будут признательны за все замечания и предложения, которые 
можно направлять в Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана по адресу: 
Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5 или press@bmstu.ru  
 

 

КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК 

Современное машиностроение характеризуется сложными условиями 
эксплуатации машин, связанными с высоким уровнем действующих напряжений, вибрациями, широким температурным интервалом, агрессивными 
средами и др. В связи с этим необходимо соблюдение особых требований к 
сталям и сплавам, из которых изготовлены детали, для обеспечения надежности и ресурса их работы, что во многом зависит от износостойкости конструкционных материалов. 
Статистика показывает, что большинство машин (85…90 %) выходят из 
строя не из-за поломки, а в результате износа поверхностей отдельных деталей — подшипников, валов, зубчатых передач, гильз цилиндров и других пар 
трения. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машины в несколько 
раз превышают ее стоимость: для автомобилей — примерно в 6 раз, для самолетов — до 5 раз, для станков — до 8 раз. На ремонт автомобилей, тракторов и других машин затрачивается почти в 4 раза больше производственных 
мощностей, чем на их изготовление. 
Азотирование — один из эффективных и распространенных технологических методов поверхностного упрочнения, повышающих сопротивление изнашиванию разнообразных деталей машин, эксплуатирующихся при относительно небольших контактных нагрузках. В станкостроительной промышленности 
азотируют шпиндели, ходовые винты, направляющие станков, зубчатые колеса 
и другие детали, для которых нецелесообразно использовать иные виды поверхностного упрочнения (например, цементацию). В автотракторной промышленности азотируют детали топливной аппаратуры — плунжерные пары, 
форсунки распылителя, валики и другие пары трения. В судостроительной, 
авиационной отраслях машиностроения, турбостроении азотирование широко 
применяют для крупногабаритных зубчатых колес, работающих при небольших контактных напряжениях. 
Азотирование конструкционных сталей и сплавов имеет давнюю историю, в которой можно выделить несколько периодов [1]. Истоки начального 
периода относятся к ХVIII в, когда была доказана принципиальная возможность воздействия азота на свойства железа. Еще не были установлены какиелибо закономерности, однако впервые были получены образцы железа с содержанием 11,5 % азота и найденное химическое соединение описано формулой Fe2N. Также было выявлено повышение коррозионной стойкости, 
определены теплота образования и структура нитрида, обнаружены снижение 
вязкости железа и стали при наличии в них весьма малого количества азота и 
повышение твердости стали при нагреве ее в смеси аммиака и ацетилена.  

Краткий исторический очерк 

6 

Систематические же исследования процесса насыщения металлов и сплавов 
азотом и развитие технологий азотирования начались только в ХХ веке. 
Первый важный период развития азотирования в нашей стране (1905—
1940 гг.) характеризуется проведением системных исследований в этой области. Так, получили развитие научные основы процесса азотирования: теория 
чистой (атомной) и реакционной (реактивной) диффузии, представления о 
механизме образования структуры и фазового состава диффузионного слоя, 
началось изучение влияния температуры обработки на структуру и свойства 
диффузионного слоя. Разработаны первые промышленные технологические 
процессы азотирования, режимы ступенчатого азотирования, процесс антикоррозионного азотирования. С этим периодом связаны имена Н.П. Чижевского, являющегося основоположником процесса азотирования, Н.А. Минкевича, И.Е. Конторовича, С.Ф. Юрьева, А.В. Смирнова, Д.А. Прокошкина, 
В.И. Просвирина, И.Ф. Афонского, А.В. Рябченкова, В.Д. Яхнина и др. 
Н.П. Чижевский впервые показал, что аммиак начинает взаимодействовать с железом уже при температуре 200 °С, а оптимальным является диапазон значений температуры азотирования 400…600 °С. Исследуя нитриды 
разных элементов (Fe, Mn, Si, Al), он установил, что при азотировании идут 
два основных процесса: образование нитридов и их распад. Работы Чижевского создали основу технологий азотирования и предпосылки их промышленной реализации.  
Н.А. Минкевичем и другими учеными [3, 4, 5] были проведены исследования процесса азотирования применительно к условиям промышленного 
производства, предложены отечественные нитроллои — стали для азотирования, содержащие в своем составе алюминий и хром, и показано, что при 
азотировании сталей, легированных Cr, W, Mo, Al, формируется поверхностный слой высокой твердости, прочно связанный с сердцевиной. В этот период были решены принципиальные проблемы для реализации технологического процесса в промышленности: установлены диапазоны изменения параметров технологического процесса и требования к химическому составу сталей, 
что, по существу, обусловило формирование промышленного технологического процесса.   
Второй период (1940—1960 гг.) связан с обоснованием классического  
газового азотирования. В промышленности стали широко применять стабильные технологические процессы азотирования, были разработаны эффективные комбинированные способы совмещения процессов азотирования и 
закалки (нитрозакалка). Над решением этих проблем работали Ю.М. Лахтин, 
Г.Ф. Косолапов, А.Н. Минкевич, А.В. Белоручев, А.А. Юргенсон, Б.Н. Арзамасов, Я.Д. Коган. 
Успехи в развитии технологии газового азотирования достигнуты благодаря фундаментальным исследованиям Ю.М. Лахтина [6], в которых были 
определены коэффициенты диффузии азота во всех фазах сплавов Fe — N, 
что позволило оценивать скорость роста каждой из них. Важными являются 
исследования влияния концентрации углерода и легирующих элементов на 
скорость диффузии азота, фазовый состав и структуру азотированного слоя. 

Краткий исторический очерк 

7 

Было показано, что при использовании легирующих элементов Cr, Ni, Mn, 
Mo уменьшается коэффициент диффузии азота в феррите, а формирование 
диффузионного слоя на легированном феррите подчиняется той же схеме, 
что и на чистом железе.  
В этот период интенсивно развивалась технология комбинированной обработки (нитрозакалки), которую проводили двумя основными способами:  
1) азотирование в диапазоне изменения температуры 500…750 °С, нагрев под 
закалку в нейтральной среде, закалка, обработка холодом и низкотемпературный отпуск; 2) азотирование, совмещенное с нагревом под закалку в азоте, закалка, обработка холодом, низкотемпературный отпуск. После обработки по технологиям нитрозакалки твердость поверхностного слоя выше, чем 
твердость, достигаемая при классическом газовом азотировании, что связано 
с образованием азотистого мартенсита. Нитрозакалка приводит к повышению 
износостойкости и предела выносливости высокоуглеродистых сталей.   
Третий период (1960—1980 гг.) характеризуется изучением большого  
количества технологических процессов, объединенных общим названием 
«низкотемпературная химико-термическая обработка» (НХТО). Достигнуто 
качественное изменение процесса насыщения: одновременно с азотом поверхностный слой стали насыщать и углеродом. Уточнена модель структуры 
азотированного слоя, введено понятие азотного потенциала атмосферы.  
Разработан процесс ионного азотирования и соответствующее оборудование.  
В этот период наибольшие успехи достигнуты А.А. Бабад-Захряпиным,  
А.А. Поповым, А.В. Белоцким, Е.Л. Гюлихандановым, В.М. Зинченко,  
С.А. Герасимовым, Г.Н. Неустроевым, В.Н. Глущенко, А.К. Тихоновым. 
Процесс НХТО включает в себя классическое газовое азотирование, методы кратковременного газового азотирования (в которых используются углеродсодержащие газы), обработку в плазме тлеющего разряда (ионное азотирование), обработку в углеродсодержащих расплавах солей (жидкостное 
азотирование). Кратковременное газовое азотирование проводили в частично 
диссоциированном аммиаке, смеси аммиака и азота, аммиака и предварительно диссоциированного аммиака, в смесях аммиака с кислородсодержащими и углеродсодержащими газами [7—12]. Разбавление аммиака азотом 
привело к уменьшению хрупкости и увеличению толщины диффузионного 
слоя. Следует отметить, что процессы низкотемпературной нитроцементации 
имеют преимущества перед классическим газовым азотированием.  
Начались исследования научных основ процесса азотирования в плазме 
тлеющего разряда, разработки промышленных технологий и соответствующего оборудования. Были изучены характеристики тлеющего разряда на 
установках для химико-термической обработки и их влияние на химические 
процессы взаимодействия азота с железом и легирующими элементами сталей и сплавов. Как показали исследования, ионное азотирование создает такое же качество диффузионного слоя, что и классическое газовое азотирование, но за меньшее время (в 2—3 раза). 
В жидких средах НХТО осуществляется за короткое время, при этом получаются слои небольшой толщины, но обладающие высокой усталостной 

Краткий исторический очерк 

8 

прочностью, износостойкостью, коррозионной, кавитационной и теплостойкостью [13]. Однако применение этой технологии ограниченно из-за необходимости использования цианистых соединений и сложности организации 
крупносерийного производства. 
В этот период Г.Ф. Косолаповым и С.А. Герасимовым были проведены 
фундаментальные исследования субмикроструктуры в процессе формирования строения и комплекса свойств азотированного слоя [14]. Изучена структура диффузионного слоя, которая при азотировании легированных сталей 
образуется по механизму прерывистого распада пересыщенных твердых растворов, подобному механизму, реализуемому в стареющих сплавах. Так, высокая износостойкость азотированной стали достигается, если диффузионная 
зона имеет гетерогенную структуру с некогерентными включениями нитридов. Таким образом, впервые были изучены особенности тонкой структуры 
диффузионного слоя, позволяющего создать дополнительные резервы повышения эксплуатационных свойств азотированных изделий. 
Одновременно начинается интенсивное исследование процесса азотирования 
при высоких значениях давления и в широком диапазоне изменения температуры — появляется новое направление в химико-термической обработке, названное газобарическим азотированием [15], проводящееся в диапазонах изменения 
значений температуры 400…2 000 °С и давления 10…200 МПа.  
В четвертом периоде (1980-е гг.) появляются новые направления развития 
НХТО — их автоматизация осуществляется с помощью программ компьютерного моделирования диффузионных процессов. Предложена концепция 
насыщения в новых атмосферах — продуктах неполного каталитического 
окисления аммиака. Получили развитие дуплексные процессы на основе азотирования и азотирование при высоком давлении. Этот период связан с именами А.В. Супова, Т.А. Панайоти, Э.С. Цирлина, А.А. Булгача, О.И. Бутенко, 
В.А. Александрова, В.Я. Сыропятова, С.С. Кипарисова, Ю.В. Левинского. 
Особенность этого периода — применение НХТО в процессах комбинированного упрочнения поверхности, суть которого состоит в совмещении  
методов обработки поверхности, обеспечивающих создание твердой подложки и нанесение на нее химическим (CVD) или физическим (PVD) методами 
высокотвердых покрытий разного функционального назначения. В работе 
О.В. Чудиной [16] показана перспективность применения азотирования  
сталей после предварительного лазерного легирования поверхности.  
Под руководством С.А. Герасимова продолжены фундаментальные исследования структуры и свойств азотированного слоя. Сформулированы новые представления о механизме формирования структуры диффузионного 
слоя и фазовых превращений в нем. В зависимости от химического состава 
сталей, плотности дефектов строения матрицы и температурно-временных 
параметров азотирования в диффузионном слое образуются три типа нитридных выделений, различающихся размерами, морфологией и взаимодействием 
с кристаллической решеткой матричной фазы: первый (при низкой температуре азотирования ~500 °С) — тонкие, однослойные по азоту зародыши фазы, 
полностью когерентные с решеткой матрицы; второй (при более высокой 

Краткий исторический очерк 

9 

температуре ~540 °С) — полукогерентные выделения; третий (при температуре 560…580 °С) — с нарушенной когерентностью. 
В сталях перлитного и аустенитного классов преимущественным является 
гомогенное зарождение нитридных частиц, в сталях мартенситного класса — 
гетерогенное зарождение. В сталях мартенситного класса при низкой температуре азотирования одновременно присутствуют когерентные зародыши 
нитридной фазы размерами в несколько нанометров и некогерентные, образующиеся на дефектах кристаллического строения, размером 10…15 нм. При 
азотировании сталей всех классов независимо от их химического состава и 
режимов насыщения образуются нитридные частицы с одинаковой гранецентрированной кристаллической решеткой с периодом, зависящим от атомного 
радиуса легирующего элемента. В состав нитридных фаз на ранних стадиях 
их образования входят атомы всех элементов, присутствующих в стали. С 
повышением температуры азотирования происходит постепенное изменение 
состава нитридов: обеднение их атомами железа и обогащение нитридообразующими элементами. Этот процесс продолжается вплоть до образования 
мононитридов легирующих элементов. При этом комплексное легирование 
нитридообразующими элементами сталей перлитного, мартенситного и 
аустенитного классов уменьшает размер выделившихся в азотированном слое 
частиц нитридов, что связано с изменением коэффициентов диффузии легирующих элементов и азота. 
Строение азотированного слоя влияет на твердость сталей всех классов. В 
азотированных сталях реализуются механизмы упрочнения, имеющие место 
при дисперсионном твердении в стареющих сплавах. При образовании когерентных зародышей нитридной фазы достигается значительная микродеформация, осуществляется механизм перерезания частиц дислокациями, что 
определяет достижение максимальной твердости. При образовании некогерентных частиц нитридов реализуется механизм огибания частиц дислокациями. Микродеформация кристаллической решетки твердого раствора при 
этом значительно (в 1,5—2 раза) меньше, чем в случае образования когерентных выделений, поэтому ниже и достигаемая максимальная твердость. 
Существенный результат состоит в определении природы зернограничных выделений в диффузионном слое. Считалось, что они являются нитридами (карбонитридами) железа, обогащенными легирующими элементами, 
увеличение размера и объемной доли которых значительно ухудшает свойства азотированных деталей. Согласно исследованиям С.А. Герасимова, зернограничные выделения в диффузионном слое представляют собой феррит. 
Также установлено, что именно наличие феррита с высокой плотностью нитридов легких элементов охрупчивает границы зерен и снижает ударную вязкость азотированных сталей. Феррит, обладающий высоким коэффициентом 
диффузии, является проводником азота по границам зерен. 
Таким образом, эти и многие другие исследования структуры и свойств 
азотированных конструкционных сталей и сплавов, представленные в монографии, послужили основой технологических решений, повышающих эффективность НХТО. 

Краткий исторический очерк 

10 

Как показывает опыт эксплуатации, азотирование наиболее широко применяют в тех случаях, когда основной причиной изнашивания сопряженных 
деталей является сила трения. Под действием силы трения происходит многократная пластическая деформация в зоне контакта, которая вызывает 
структурные изменения, приводящие к образованию и распространению 
трещин и разрушению поверхностного слоя. 
Важный критерий износостойкости азотированных сталей — высокая 
твердость поверхностного слоя. Считается, что при более высокой твердости 
слоя, его износостойкость повышается. Этот принцип лежит в основе выбора 
химического состава сталей и режимов азотирования. В то же время анализ 
работ, посвященных вопросам трения и изнашивания различных материалов, 
показывает, что не всегда следует стремиться к получению высокой твердости для обеспечения максимальной износостойкости, так как структура материала, отвечающая максимальной твердости и максимальной износостойкости, может быть разной. 
Ресурс работы многих узлов современных машин в значительной степени 
определяется и другим видом износа — контактной усталостью. Контактная 
усталость — основной вид изнашивания подшипников качения, кулачковых 
механизмов, зубчатых колес, работающих при больших контактных нагрузках. Высоконагружаемые зубчатые колеса выходят из строя главным образом 
по причине хрупкого выкрашивания поверхностного слоя. Развитие контактных повреждений приводит к увеличению шума, динамических нагрузок, 
опасности заедания и в конечном счете поломке. Практика показывает, что 
критерием работоспособности высоконагруженных деталей машин является 
контактная выносливость. От уровня допускаемых контактных напряжений 
зависят габариты и масса деталей. Увеличение допускаемых контактных 
напряжений актуально в авиационной, судостроительной промышленности, в 
транспортном машиностроении.  
Известно, что контактная выносливость материала повышается с увеличением его твердости. В связи с этим высоконагружаемые зубчатые колеса  
в настоящее время изготавливают из легированных цементуемых сталей  
с твердостью поверхности 59—65 НRС. Однако следует отметить, что цементация приводит к большим деформациям. Для некоторых типов зубчатых  
колес процент брака в результате значительной деформации достигает  
50 % и более. Для получения необходимых геометрических размеров после 
цементации проводят зубошлифование, являющееся дорогостоящей технологической операцией. Для большинства высокоточных зубчатых колес  
трудоемкость операции зубошлифования составляет 30…50 % от общей трудоемкости их изготовления. Эффективно устраняя деформацию после химико-термической обработки, эта операция вследствие интенсивного тепловыделения в зоне резания часто вызывает в поверхностном слое зубьев необратимые структурные изменения (прижоги), снижающие эксплуатационные 
свойства зубчатых колес. 
Для повышения качества поверхностного слоя зубчатых колес после зубошлифования применяют дополнительную операцию — обдувку дробью.