Moscow, Russian Federation
GRNTI 55.01 Общие вопросы машиностроения
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
GRNTI 55.35 Металлургическое машиностроение
There are considered basic kinds of steel nitride hardening and mechanism of mass transfer in saturating environment and material worked. The stages of a nitride hardening process are described, there are revealed imperfections of existing technologies and a method for steel nitride hardening in hermetically sealed containers is offered. The results of the experiments on two kinds steel 40H and 4H5MFS are shown.
nitride hardening, gas environment, carbon-nitride layer, hardness, strengthening, thermal treatment
При восстановлении размеров деталей машиностроения с большими величинами допустимого изнашивания (более 1 мм) применяют сварочные технологии (наплавка, наварка, напыление и т.п.). Эти технологические операции связаны с локальным нагревом металла до высоких температур (более 900 °С). Это приводит к появлению напряжений растяжения в поверхностных слоях металла, которые существенно снижают усталостную прочность деталей. При эксплуатации на поверхностях таких деталей легко зарождаются, а затем развиваются микротрещины, которые переходят в макротрещины, приводящие в последствии к разрушению детали. Все это сокращает срок службы восстановленных деталей.
Целью данной работы является разработка технологии азотирования для повышения работоспособности деталей, восстановленных
сварочными технологиями.
Восстановление изношенных деталей – это достаточно эффективный и экономически оправданный метод, который хорошо зарекомендовал себя за многие годы применения в промышленности. Поэтому проблема заключается в поиске путей предотвращения преждевременного зарождения микротрещин, которые появляются в результате образования растягивающих напряжений при восстановительных технологиях. Например, для их устранения используют процессы с последующей термической обработкой (отжиг, нормализация) и химико-термические процессы (цементация, нитроцементация, азотирование). В этих случаях удается избавиться от растягивающих напряжений и обеспечить второй жизненный цикл детали.
В частности, широко применяется в промышленности процесс азотирования, который проводят в жидкой, порошковой или газообразной среде, при разных температурах и длительности процесса [1].
Жидкостное азотирование. Проводят в расплаве солей азота при температуре порядка 550…650 ˚С в течение 1…3 ч в специальной ванне. Метод считается наиболее эффективным благодаря быстрому массопереносу, который возможен только в жидкой фазе, когда ионы азота расположены максимально близко к поверхности детали и имеют возможность беспрепятственно восстанавливаться до атомарного состояния на поверхности, адсорбироваться на ней и диффундировать в кристаллическую решетку металла детали.
Порошковое азотирование. Длительность 3…15 ч в зависимости от необходимой толщины слоя и температуры в интервале 520…570 °С. Обладает низкой технологичностью, связанной с необходимостью упаковки деталей в порошковую смесь и их распаковки, а также быстрым снижением насыщающей способности смеси.
Газовое азотирование. Проводят в специальных печах в атмосфере диссоциированного аммиака при температуре 500…600 °С в течение 8…75 ч. Данный метод наиболее распространен на предприятиях во всем мире, так как позволяет полностью автоматизировать процесс. Помимо значительной длительности требует наличия специальных нагревательных установок и очистительного оборудования. Процесс эффективен при массовом производстве.
Ионное азотирование. Является наиболее перспективным, обеспечивает формирование технологичных слоев за приемлемые промежутки времени (6…12 ч), но возникают затруднения при обработке деталей сложной формы и больших размеров. Как правило, насыщающая среда содержит аммиак.
При очевидных различиях все процессы имеют схожую природу и основаны на теории процессов массопереноса в насыщающей среде и в обрабатываемом материале. В насыщающей среде массоперенос осуществляется ионами низших валентностей [2], а в обрабатываемом материале ‒ путем диффузионного перемещения за счет градиента концентраций на поверхности и в глубине материала и термодинамической активности насыщающего элемента [3].
При азотировании механизм массопереноса состоит в том, что ионы азота низших валентностей при достижении обрабатываемой поверхности по реакции диспропорционирования или по электрохимическим законам переходят в ионы высших валентностей, оставляя на поверхности атомы азота, которые адсорбируются поверхностью детали. При диффузии этих атомов образуется слой α-твердого раствора азота в железе.
При достижении значительных концентраций азота на поверхности (более 5,7 % N) в результате реакционной диффузии образуется нитридный слой. Массоперенос азота осуществляется в режиме самоорганизации и на его скорость влияет насыщающая среда и скорость ее перемещения, температура обработки, наличие встречной диффузии в металле основы, возможность атомов материала свободно переходить в насыщающую среду и др.
Таким образом, вне зависимости от среды, процесс азотирования, как и любой процесс химико-термической обработки, протекает в три взаимосвязанные основные стадии:
1) образование насыщающих атомов азота на обрабатываемой поверхности. Скорость образования атомов зависит от агрегатного состояния среды, состава насыщающей среды, характера взаимодействия компонентов среды между собой и с насыщаемой поверхностью, циркуляционных процессов и т.п. Количество атомов азота, образующихся в единицу времени, создает определенную концентрацию на обрабатываемой поверхности и характеризует насыщающую способность среды;
2) адсорбция поверхностью обрабатываемого изделия образовавшихся атомов азота, т.е. образование прочных межатомных связей (ионной, ковалентной, металлической, молекулярной /Ван-дер-Ваальсовской) с атомами обрабатываемой поверхности;
3) диффузия атомов азота вглубь металла с образованием диффузионного слоя. Возникновение диффузионного слоя возможно при постоянной адсорбции поверхностью атомов азота и обеспечении непрерывного диффузионного потока от поверхности. Скорость формирования слоя на первом этапе определяется коэффициентом диффузии атомов азота в твердом растворе, а в случае образования сплошного слоя нитридов ‒ коэффициентом диффузии атомов азота в нитридах.
Из перечисленных методов наиболее технологичным является газовое азотирование, однако, оно основано на применении диссоциированного аммиака. Поэтому основной задачей развития газового азотирования является поиск безаммиачных насыщающих сред или сред с минимальным содержанием аммиака; либо разработка циркуляционных технологий, в которых газовая насыщающая среда полностью герметизирована (закрыта) от внешней атмосферы, а по окончании процесса обработки и последующего охлаждения газовая аммиачная среда переходит в нейтральные формы, и тогда при открывании герметизированной системы аммиак не попадает в атмосферу.
Одной из таких технологий в настоящее время является азотирование в закрытых контейнерах, в которых насыщающая газовая среда образуется в результате взаимодействия компонентов смеси при температуре процесса или их перехода в газовое состояние. По окончании процесса обработки и последующего охлаждения газовая среда переходит вначале в жидкое, а затем в кристаллическое состояние.
Например, при взаимодействии в закрытом объеме порошковой смеси, содержащей технический углерод, красную кровяную соль и фтористый аммоний при нагревании образуется газовая насыщающая смесь для проведения процесса азотирования, которая и обеспечивает массоперенос азота. Охлаждение деталей вместе с остатками смеси и газовой среды в том же закрытом контейнере позволяет избежать попадания соединений азота в атмосферу.
Было проведено азотирование в вышеупомянутой смеси в герметичном металлическом контейнере с плавким затвором на основе кварцевого песка и борного ангидрида (рис. 1). Обработке подвергали образцы из сталей марок 40Х и 4Х5МФС при температуре 550 °С в течение трех часов. Плавкий затвор обеспечивал защиту внутреннего объема контейнера с рабочей смесью и обрабатываемой деталью от кислорода воздуха при 450…600 °С. Нагрев проводился в электрической камерной нагревательной печи.
Нагрев при таком процессе может проводиться в печах любых видов, а также с помощью электроконтактного или ТВЧ нагрева.
Результатом обработки явилось получение на образцах карбоазотированных слоев, которые состояли из двух зон:
- Светлый не травящийся слой нитрида железа. Толщина слоя на стали 40Х – 5…7 мкм, на стали 4Х5МФС – 10…15 мкм. Твердость этого слоя находится на уровне 1200 HV;
- Зона α-твердого раствора азота и углерода в железе с включениями легированных нитридов высокой степени дисперсности. Толщина этого слоя на стали 40Х – 500 мкм, на стали 4Х5МФС – 350 мкм. Твердость непосредственно под слоем нитридов составляла: на стали 40Х – 850 HV, на стали 4Х5МФС –1000 HV.
|
1
2
3
4
5
6 |
Рис. 1. Схема процесса азотирования в порошковой смеси:
1 – корпус контейнера; 2 – обрабатываемая деталь;
3 – направление насыщающего газового потока;
4 – насыщающая порошковая смесь; 5 – плавкий затвор; 6 – поддон
Значение твердости по мере удаления от поверхности к сердцевине плавно снижалось, из чего следует, что по структуре и строению, полученные таким способом слои, идентичны тем, которые получены другими распространенными способами азотирования, а значит они способны обеспечить такую же стойкость, прочность и долговечность восстановленных деталей.
Однако у описанного метода обработки есть свои нюансы, например, характер газовых потоков внутри герметичного контейнера при нагреве. В данном случае газовый поток направлен преимущественно снизу-вверх, поэтому для нижней поверхности насыщающий поток направлен к поверхности детали, а для верхней поверхности – от нее. При таком направлении потока большая толщина азотированного слоя ожидается на нижней поверхности.
В ходе эксперимента данное положение было подтверждено. На рис. 2 показан характер распределения твердости слоя от нижней и верхней поверхности образца стали 40Х. Первые значения твердости на графиках получены на расстоянии 20 мкм от поверхности. Разница в толщине составила 700 мкм. Однако эта величина может изменяться в зависимости от многих факторов: формы обрабатываемой детали; плотности смеси; количества солевой составляющей; отношения объема контейнера к объему детали.
|
1 |
|
2 |
Рис. 2. Распределение твердости по толщине азотированного слоя на нижней горизонтальной плоской поверхности образцов (1) и верхней горизонтальной плоской поверхности образцов (2) стали 40Х
Для получения равномерной толщины покрытия (особенно при обработке плоских деталей) рекомендуется повторная кратковременная обработка с поворотом детали на 1800.
Свойства азотированных деталей также зависят от предварительной термической обработки. После закалки и высокого отпуска наблюдается максимальный эффект от операции азотирования. Такая взаимосвязь наиболее характерна для хромистых сталей. В их структуре в процессе высокого отпуска образуются кластеры с повышенным содержанием хрома, в местах которых при азотировании образуются дисперсные нитриды хрома, что приводит к повышению твердости за счет сильного искажения кристаллической решетки. Так, например, вышеупомянутые эксперименты подтвердили, что твердость азотированной стали 40Х с предварительной закалкой и высоким отпуском на 25…30 % выше, чем с предварительным отжигом.
Предложенный процесс азотирования сталей в герметичных контейнерах как нельзя лучше подходит для единичного и мелкосерийного производства при обработке восстановленных деталей. Этому способствует приемлемая длительность и температура процесса, доступность сырья для получения насыщающей среды, простота и безопасность обслуживания.
1. Lakhtin, Yu.M., Kogan, Ya.D., Shpis, H.-J., Bemer, Z. Theory and Technology of Nitride Hardening. - M.: Metallurgy, 1991. - pp. 320.
2. Krukovich, M.G., Prusakov, B.A., Sizov, I.G. Ductility of Borated Layers. - M.: Physmathlit, 2010, - pp. 384.
3. Krukovich, M.G. Nitride Hardening Modeling // Mi-TOM. - 2004. - No.1. - pp. 24-31.
