Цементация, нитроцементация и азотирование стальных изделий

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

ЦЕМЕНТАЦИЯ, НИТРОЦЕМЕНТАЦИЯ 
И АЗОТИРОВАНИЕ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся 
по направлениям подготовки
22.03.01, 22.04.01 — Материаловедение и технологии материалов,
22.03.02, 22.04.02 — Металлургия

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2021

УДК 621.785.53:669=194(075.8)
ББК 34.327я73
          Ц36
Авторы:
М. В. Майсурадзе, М. А. Рыжков, С. В. Беликов, О. Ю. Корниенко, 
М. С. Карабаналов, А. Ю. Жиляков

Рецензенты:
И. Н. Веселов, канд. техн. наук, директор Екатеринбургского филиала 
ОАО «Российский научно-исследовательский институт трубной про-
мышленности»;
старший научный сотрудник лаборатории прецизионных сплавов и ин-
терметаллидов Института физики металлов им. М. Н. Михеева УрО РАН, 
канд. техн. наук А. Ю. Калетин

Научный редактор — д-р техн. наук, проф. А. А. Попов

Ц36

     Цементация, нитроцементация и азотирование стальных изделий : учеб-
ное пособие / М. В. Майсурадзе, М. А. Рыжков, С. В. Беликов, О. Ю. Кор-
ниенко, М. С. Карабаналов, А. Ю. Жиляков ; М-во науки и высшего об-
разования РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2021. — 102 с.

ISBN 978-5-7996-3199-4

В учебном пособии изложены современные представления о наиболее рас-
пространенных технологиях поверхностного упрочнения стальных изделий мето-
дами химико-термической обработки — цементации, нитроцементации и азоти-
рования, а также применяемом промышленном оборудовании. Материал пособия 
может быть рекомендован для студентов и аспирантов материаловедческих спе-
циальностей.

Библиогр.: 12 назв. Рис. 39. Табл. 11.

УДК 621.785.53:669=194(075.8)
ББК 34.327я73

ISBN 978-5-7996-3199-4 
© Уральский федеральный

 
     университет, 2021

Оглавление

Введение .............................................................................................. 5

Глава 1. Цементация и нитроцементация ............................................ 8
1.1. Глубина упрочненного слоя и глубина диффузионного слоя .... 10
1.2. Прокаливаемость при цементации ........................................... 11
1.3. Марки цементуемых сталей ....................................................... 15
1.4. Выбор глубины упрочненного слоя .......................................... 16
1.5. Технология газовой цементации ............................................... 17
1.6. Химические основы процесса цементации .............................. 19
1.7. Коэффициент легирования стали ............................................. 23
1.8. Диффузия углерода .................................................................... 25
1.9. Образование карбидов и сажи ................................................... 26
1.10. Контроль углеродного потенциала .......................................... 27
1. 11. Газоанализаторы ..................................................................... 29
1.12. Режимы цементации ................................................................ 32
1.13. Микроструктура цементованных сталей ................................. 36
1.14. Размер аустенитного зерна ...................................................... 43
1.15. Остаточные напряжения и усталостные свойства .................. 44
1.16. Нитроцементация .................................................................... 48
Вопросы для самоконтроля к главе 1 ............................................... 51

Глава 2. Азотирование ....................................................................... 52
2.1. Подготовка к азотированию ...................................................... 55
2.2. Технология азотирования .......................................................... 58
2.3. Физико-химические основы азотирования .............................. 60
2.4. Карбонитрирование ................................................................... 62
2.5. Азотный потенциал и состав атмосферы .................................. 64
2.6. Вакуумные процессы ................................................................. 66
2.7. Процессы при высоком давлении ............................................. 66
2.8. Ионное азотирование ................................................................ 66
2.9. Азотирование в расплавах солей ............................................... 69
2.10. Окончательное оксидирование ............................................... 70
2.11. Феррито-аустенитное карбонитрирование ............................. 70
2.12. S-фазное азотирование коррозионно-стойких сталей ........... 72

♦ Оглавление

2.13. Промышленные процессы азотирования 
           и карбонитрирования .............................................................. 73
2.14. Физико-химические особенности азотирования ................... 75
2.15. Образование светлого слоя и диффузионной зоны ................ 76
2.16. Деформация.............................................................................. 79
2.17. Оценка результатов азотирования ........................................... 81
Вопросы для самоконтроля к главе 2 ............................................... 84

Глава 3. Оборудование для цементации и азотирования .................... 85
3.1. Печи для газовой цементации ................................................... 85
3.2. Печи для азотирования .............................................................. 94
Вопросы для самоконтроля к главе 3 ..............................................100

Рекомендуемая литература ...............................................................101

ВВЕДЕНИЕ

П

оверхностное упрочнение металлических изделий широко 
используется в современном машиностроении, поскольку 
позволяет получить уникальное сочетание высокой прочности, 
износостойкости, коррозионной стойкости на поверхности и высокой 
вязкости и пластичности в сердцевине деталей. При этом достижение 
необходимых характеристик поверхностного слоя достигается 
как за счет изменения его химического состава, так и за счет изменения 
фазового и структурного состояния по сравнению с сердцевиной.
Химико-термическая обработка (поверхностное легирование) — 
вид термической обработки, сочетающий термическое и химическое 
воздействие для изменения химического состава, структуры и свойств 
поверхностных слоев металлов и сплавов. В первом приближении химико-
термическая обработка сводится к диффузионному насыщению 
(легированию) поверхностного слоя стали неметаллами (углеродом, 
азотом, бором, кремнием и др.) или металлами (хромом, алюминием 
и др.) в процессе выдержки при определенной температуре в активной 
среде. Взаимодействие металла и насыщающей среды происходит 
на поверхности нагретого до определенной температуры изделия.
При химико-термической обработке одновременно протекают 
несколько процессов:

1. Переход насыщающего элемента в окружающей среде или в отдельном 
реакционном объеме в атомарное ионизированное состояние. 
Насыщающая атмосфера должна обеспечивать высокую концентрацию 
диффундирующего элемента на поверхности обрабатываемого 
металла (изделия). Количество атомов, поступающих из насыщающей 
среды в металл, в основном определяется скоростью химических 
реакций (или испарения), связанных с выделением насыщающего вещества.


2. Адсорбция атомов (ионов) на поверхности металла с образованием 
химических связей между ионами насыщающего элемента и ос-

♦ ВВЕДЕНИЕ

новного металла (хемосорбция). Адсорбция — экзотермический процесс, 
приводящий к уменьшению свободной энергии.

3. Диффузия адсорбированных атомов от поверхности вглубь обрабатываемого 
металла (изделия). При этом образуется так называемый 
диффузионный слой — слой материала у поверхности насыще-
ния, отличающийся от исходного по химическому составу, структуре 
и свойствам. Поверхностью насыщения называют поверхность дета-
ли или ее часть, которые при химико-термической обработке взаимо-
действуют с окружающей средой.
Концентрация диффундирующего элемента уменьшается от по-
верхности вглубь металла (изделия). Как следствие этого изменяются 
структура и свойства. Изменение концентрации по толщине диффу-
зионного слоя определяют методами послойного химического и спек-
трального анализа (оптического и рентгеновского), а также с помо-
щью радиоактивных изотопов.
В большинстве случаев диффузионный слой имеет сложное стро-
ение. При насыщении железа различными элементами строение слоя 
подчиняется общему правилу, согласно которому диффузия вызывает 
образование однофазных слоев, состав которых соответствует одно-
фазным областям диаграммы фазового равновесия Fe–Ме, где Ме — 
любой другой элемент, пересекаемым изотермами насыщения. Фазы 
в диффузионном слое располагаются в той же последовательности, что 
и однофазные области на диаграмме состояний. При переходе от од-
ной фазы к другой отмечается скачок концентрации, равный ширине 
двухфазной области диаграммы фазового равновесия, — двухфазные 
области в диффузионном слое не образуются.
Основная характеристика диффузионного слоя — его толщина. 
Различают общую и эффективную толщину диффузионного слоя.
Общая толщина диффузионного слоя — кратчайшее расстояние 
от поверхности насыщения до сердцевины, определяемое установ-
ленным методом по значению базового параметра (критерию изме-
нения какого-либо свойства в зависимости от расстояния от поверх-
ности насыщения). Базовым параметром может служить структура, 
изменение концентрации диффундирующего элемента или какое-ли-
бо свойство — обычно твердость.
Эффективная толщина диффузионного слоя (наиболее часто ис-
пользуется при контроле качества после химико-термической обра-
ботки) — часть общей толщины диффузионного слоя, определяе-

ВВЕДЕНИЕ  ♦

мая кратчайшим расстоянием от поверхности насыщения до участка 
с определенным значением базового параметра.
Сердцевина — материал, не затронутый воздействием насыщаю-
щей среды. Прилегающая к сердцевине часть диффузионного слоя, 
ширина которой определяется разностью общей и эффективной тол-
щины, названа переходной зоной диффузионного слоя.
Толщина диффузионного слоя зависит: от состава обрабатывае-
мого металла (сплава), температуры насыщения, продолжительности 
процесса, концентрации диффундирующего элемента на поверхности 
и характера образующегося твердого раствора. Чем выше концентра-
ция диффундирующего элемента на поверхности, тем больше толщи-
на слоя при данной температуре и продолжительности процесса насы-
щения. Скорость диффузии элемента, образующего с обрабатываемым 
металлом твердые растворы внедрения, значительно выше, чем эле-
мента, образующего твердые растворы замещения.
Поэтому при поверхностном легировании стали металлами, обра-
зующими с железом твердые растворы замещения (Cr, Al, Mo, W и др.), 
увеличивают температуру и длительность процесса, однако толщина 
образующегося слоя в этом случае меньше, чем при насыщении азо-
том или углеродом. Диффузия протекает быстрее в α-Fe, чем в γ-Fe.
В настоящем учебном пособии изложены современные представ-
ления о технологических особенностях наиболее широко используе-
мых в промышленности методах химико-термической обработки — 
цементации, нитроцементации и азотирования.
За последние десятилетия были разработаны разнообразные технологические 
процессы и установки, позволяющие значительно усовершенствовать 
известные способы поверхностного упрочнения. Повсеместно 
внедряются современные системы контроля над соблюдением 
параметров термической и химико-термической обработки. Все это 
обеспечивает более стабильный уровень качества деталей и надежность 
применяемых технологических режимов. Поэтому материал, 
представленный в пособии, рекомендуется использовать для более 
углубленного изучения материала совместно с классическими учебниками, 
монографиями и справочниками, в которых подробно описаны 
основные физические, термодинамические и металловедческие предпосылки 
рассматриваемых процессов химико-термической обработки.

Глава 1. Цементация и нитроцементация

Ц

ементация — это обработка деталей в науглероживающей атмосфере 
при высокой температуре (обычно 850…950 °C), результатом 
которой является повышение содержания углерода 
в поверхностном слое изделия. Обычно толщина науглероженного 
(цементованного) слоя составляет около 2,0 мм, но она может быть существенно 
больше. Цементация является одной из наиболее распространенных 
операций химико-термической обработки. Она применяется 
для таких деталей машин, как оси, зубчатые колеса, подшипники, 
а также для деталей, подвергающихся износу и тяжело нагруженных.
Цементованные детали имеют твердую науглероженную поверхность 
и более мягкую и вязкую сердцевину. Это обеспечивает очень 
хорошее сочетание свойств: высокую прочность, износостойкость поверхности 
и вязкость сердцевины.
После цементации деталь подвергают упрочняющей закалке. Для 
того чтобы сформировался твердый поверхностный слой, аустенит 
в процессе закалки должен превратиться в мартенсит, твердость которого 
определяется содержанием углерода. Это требует достаточно 
быстрого охлаждения при закалке в зависимости от прокаливаемо-
сти стали. Прокаливаемость определяется химическим составом стали 
и увеличивается с повышением содержания легирующих элементов (
за исключением кобальта). При цементации в поверхностном слое 
обычно формируются сжимающие напряжения, что повышает усталостную 
прочность деталей.
Метод изменения содержания углерода в стали посредством его 
диффузии через поверхность известен более двух столетий. Изначально 
в качестве карбюризатора (науглероживающей среды) использовали 
кости и древесный уголь. Детали просто помещали в закрытое пространство 
вместе с карбюризатором и повышали температуру, чтобы 
начался процесс диффузии. Наличие атмосферного кислорода, реагирующего 
с карбюризатором, обеспечивало образование атмосферы, 
обогащенной газом СО, что позволяло протекать процессу цемента-

♦

ции. Позднее были разработаны специальные порошки, которые позволили 
в некоторой степени контролировать процесс насыщения. 
Но до начала XX в. каких-либо научных исследований процесса цементации 
не производилось.
В XX в. для цементации сталей использовались расплавы цианистых 
солей. Этот метод широко применялся в промышленности, 
но в настоящее время от него отказались из-за высоких материальных 
затрат и вредности процесса. Со времен Второй мировой войны 
начались разработки методов газовой цементации, которая в насто-
ящее время является основным способом науглероживания поверх-
ности. Кроме того, в 1980-е гг. были разработаны методы вакуумной 
и плазменной цементации.
Эмпирические зависимости, которые использовались ранее для 
определения необходимой глубины диффузионного слоя и микро-
структуры, сейчас заменяются комплексными компьютерными рас-
четами, обеспечивающими достаточно высокую точность и повторя-
емость результатов. Также производственные процессы стали более 
экономичными и безопасными для окружающей среды.
Рассмотрим основные понятия, связанные с процессом цемента-
ции сталей:

1. Содержание углерода в поверхностном слое — содержание угле-
рода на поверхности стали после цементации.

2. Исходное содержание углерода — содержание углерода в стали 
до цементации.

3. Прокаливаемость — глубина проникновения закаленной зоны 
(см. ГОСТ 5657).

4. Поверхностная твердость — твердость цементованного слоя, вы-
раженная в единицах HRC или HV.

5. Твердость сердцевины — твердость основного металла с исход-
ным содержанием углерода, обычно выраженная в единицах HV.

6. Глубина закаленного слоя после цементации — согласно ГОСТ 
33439 — это расстояние по нормали от внешней поверхности изде-
лия до границы слоя, твердость которого по Виккерсу равна 550 HV 
(но в некоторых случаях используется более высокое или более низ-
кое значение пороговой твердости).

7. Глубина диффузионного слоя — расстояние от поверхности 
до точки с содержанием углерода, соответствующим исходному со-
держанию углерода в стали.

♦ Глава 1. Цементация и нитроцементация

8. Профиль твердости — график изменения твердости от поверх-
ности до сердцевины.

9. Профиль концентрации углерода — график изменения содер-
жания углерода от поверхности до сердцевины.
10. Пороговое содержание углерода — содержание углерода в точ-
ке, соответствующей глубине упрочненного слоя, обычно 0,30 мас. %.

1.1. Глубина упрочненного слоя и глубина диффузионного слоя

Важно различать глубину упрочненного слоя и глубину диффузи-
онного слоя. Глубина упрочненного слоя определяется по профилю 
твердости (в соответствии с ГОСТ 33439) и соответствует точке, в ко-
торой твердость составляет 550 HV (рис. 1.1). Для сталей, обычно ис-
пользуемых при цементации, такое значение твердости соответству-
ет содержанию углерода около 0,30 мас. % (в случае, когда скорость 
охлаждения при закалке и прокаливаемость стали обеспечивают образование 
практически 100 % мартенсита на интересующей глубине 
от поверхности изделия).

350
450
550
650
750
850

0
0,5
1
1,5
2
2,5
3

HV

Расстояние от поверхности, мм

Рис. 1.1. Определение глубины упрочненного слоя согласно ГОСТ 33439

Глубина упрочненного слоя, в первую очередь, определяется содержанием 
углерода, а также прокаливаемостью стали, интенсивностью 
охлаждения при закалке и размером детали. Другими словами, 
не существует простой и прямой взаимосвязи между глубиной диффузионного 
слоя и глубиной упрочненного слоя.

1.2. Прокаливаемость при цементации ♦

                     а                                                      б

Рис. 1.2. Внешний вид упрочненного слоя на поверхности излома  
образца-свидетеля (а) и на травленой поверхности шлифа (б)

Глубина упрочненного слоя также может быть приблизительно 
определена при помощи оптического микроскопа путем ее измерения 
на поверхности излома образца-свидетеля или на травленой поверхности 
микрошлифа (рис. 1.2).

1.2. Прокаливаемость при цементации

Термин «прокаливаемость при цементации» важен для понимания 
того, каким образом формируются свойства готового изделия в зависимости 
от параметров процесса цементации и химического состава 
стали. Прокаливаемость цементованной детали можно условно разделить 
на прокаливаемость собственно цементованного слоя и прока-
ливаемость сердцевины. Совместный анализ кривых прокаливаемо-
сти стали по Джомини и термокинетических диаграмм превращения 
переохлажденного аустенита дает достаточно полную картину прока-
ливаемости сердцевины детали. Однако о прокаливаемости цементо-
ванного слоя имеется гораздо меньше информации. Атлас диаграмм 
превращения аустенита в сталях является хорошим источником информации, 
т. к. содержит термокинетические диаграммы превращения 
аустенита для ряда цементованных сталей с разным содержанием 
углерода.
Такие легирующие элементы, как Ni, Mn, Cr и Mo, в возрастающем 
порядке повышают прокаливаемость стали. Повышение про-

♦ Глава 1. Цементация и нитроцементация

каливаемости определяется соотношением содержания легирующих 
элементов и углерода, что в некотором смысле делает прокаливае-
мость цементованного слоя независимой от прокаливаемости сердцевины.

Таким образом, в зависимости от количественного соотношения 
легирующих элементов и углерода, можно получить различную про-
каливаемость цементованного слоя при одинаковой прокаливаемо-
сти сердцевины. Это означает, что прокаливаемость при цементации 
для каждой марки стали имеет различную величину и для достижения 
уровня твердости 550 HV на требуемом расстоянии от поверхности для 
разных марок стали (и для деталей разного размера) потребуется различное 
содержание углерода. Кроме того, на прокаливаемость цемен-
тованного слоя будут оказывать влияние температура нагрева под закалку 
и условия закалочного охлаждения.
Увеличение прокаливаемости при введении в сталь таких элементов, 
как Cr и Mo, наблюдается при содержании углерода до 0,50 мас. %. 
При более высоком содержании углерода прокаливаемость уменьшается, 
причем, для Cr в большей степени, чем для Mo. Для обычных 
низколегированных цементуемых сталей это явление в некоторых 
случаях приводит к пониженному уровню поверхностной твердости 
(с учетом содержания остаточного аустенита). При изучении микро-
структуры поверхности в данном случае можно наблюдать не только 
мартенсит, но также бейнит и перлит, несмотря на то, что содержа-
ние углерода и скорость охлаждения вблизи поверхности максималь-
ны. Это связано с уменьшением устойчивости аустенита стали вбли-
зи поверхности из-за высокого содержания углерода (устойчивость 
аустенита непосредственно на поверхности может быть еще мень-
ше из-за внутреннего окисления легирующих элементов и обезугле-
роживания). На некотором расстоянии от поверхности содержание 
углерода снижается, а устойчивость переохлажденного аустенита по-
вышается. Это явление связано с тем, что такие легирующие элемен-
ты, как Cr и Mo, при высоком содержании углерода образуют карби-
ды при стандартных температурах нагрева под закалку (820…850 °C). 
При этом твердый раствор аустенита обедняется как по углероду, так 
и по Cr и Mo, в результате чего снижается прокаливаемость. Данный 
эффект уменьшается с увеличением температуры нагрева под закал-
ку и исчезает при температуре полного растворения карбидов. Вли-
яние степени растворения карбидной фазы в аустените на прокали-