Nauka o materijalima: beleške sa predavanja Aleksejev Viktor Sergejevič
7. Hemijsko-termički tretman: nitriranje, ionsko nitriranje
Hemijsko-termički tretman– nitriranje se koristi za povećanje površinske tvrdoće različitih delova - zupčanika, čaura, vratila itd. izrađenih od čelika 38HMUA, 38HVFUA, 18H2N4VA, 40HNVA itd. Nitriranje– poslednja operacija u tehnološkom procesu izrade delova. Prije nitriranja vrši se potpuna termička i mehanička obrada i ravnomjerno brušenje nakon nitriranja, dozvoljena je samo dorada sa uklanjanjem metala do 0,02 mm po strani. Nitriranje naziva se hemijsko-termički tretman, tokom kojeg dolazi do difuzionog zasićenja površinskog sloja dušikom. Kao rezultat nitriranja, dobijaju se: visoka tvrdoća površinskog sloja (do 72 HRC), visoka čvrstoća na zamor, otpornost na toplotu, minimalna deformacija, veća otpornost na habanje i koroziju. Nitriranje se vrši na temperaturama od +500 do +520 °C u trajanju od 8-9 sati. Na kraju procesa nitriranja, dijelovi se zajedno sa peći hlade na +200–300 °C u struji amonijaka, a zatim na zraku.
Površinski sloj se ne može urezati. Dublje od ovoga je struktura slična sorbitolu. Proces tekućeg nitriranja u rastopljenim cijanidnim solima ima široku primjenu u industriji. Debljina nitriranog sloja je 0,15-0,5 mm.
Nitrirani sloj nije sklon krtom lomu. Tvrdoća nitriranih slojeva ugljeničnih čelika je do 350 HV, legiranih do 1100 HV. Nedostaci postupka su toksičnost i visoka cijena cijanidnih soli.
Brojne industrije koriste ionsko nitriranje, koje ima niz prednosti u odnosu na plinsko i tekuće nitriranje. Jonsko nitriranje se provodi u zatvorenoj posudi u kojoj se stvara razrijeđena atmosfera koja sadrži dušik. U tu svrhu koristi se čisti dušik, amonijak ili mješavina dušika i vodika. Dijelovi smješteni unutar posude povezani su s negativnim polom izvora konstantne elektromotorne sile. Telo kontejnera služi kao anoda. Između anode i katode uključuje se visoki napon (500-1000 V) - dolazi do jonizacije gasa. Nastali pozitivno nabijeni ioni dušika jure na negativni pol - katodu. Visok napon se stvara u blizini katode električno polje. Visoko kinetička energija, koji posjeduju ioni dušika, pretvara se u termalni. Deo se zagreva do +470 do +580 °C za kratko vreme (15-30 minuta), dolazi do difuzije azota duboko u metal, odnosno nitriranja.
U poređenju sa nitriranjem u pećima, ionsko nitriranje omogućava redukciju ukupno trajanje obraditi 2-3 puta, smanjiti deformaciju dijelova zbog ravnomjernog zagrijavanja.
Jonsko nitriranje čelika i legura otpornih na koroziju postiže se bez dodatnog tretmana depasivacije. Debljina nitriranog sloja je 1 mm ili više, površinska tvrdoća je 500-1500 HV. Dijelovi pumpi, injektori, mašinski zavrtnji, osovine i još mnogo toga podvrgnuti su jonskom nitriranju.
Ovaj tekst je uvodni fragment. Iz autorove knjigeObrada metala Prerada metala uključuje dosta veliki broj radova raznih vrsta, ali svaki od njih počinje pripremom površine za obradu. Šta znači obrađivati metalni dio? Prije svega provjerite njegove dimenzije i
Iz autorove knjigeObrada rupa Bušenje metala Možda je teško zamisliti izradu i montažu bilo kojeg mehanizma bez potrebe za bušenjem i daljom obradom rupa. Da, iu drugim oblastima proizvodnje metalnih konstrukcija, bilo da
Iz autorove knjigeToplinska obrada gotovih proizvoda Termička obrada se vrši na gotovom kovanju i služi za promjenu strukture metala. Kvalitet proizvoda i njegova trajnost zavise od njegove pravilne primjene
Iz autorove knjigeObrada signala Prilikom odabira tipa senzorskog uređaja koji se koristi u robotu, potrebno je odlučiti o pitanju očitavanja i obrade signala koji dolazi od njega. Vjui Mnogi senzori su senzori otpornog tipa, što znači da njihov otpor varira u zavisnosti od toga
Iz autorove knjige6. Hemijsko-termički tretman: karburizacija, nitrokarburizacija Za promjenu hemijski sastav, strukturu i svojstva površinskog sloja delova, oni se termički obrađuju u hemijski aktivnoj sredini, tzv. termička obrada. Sa njom
Iz autorove knjige1. Ugljični i legirani konstrukcioni čelici: namjena, termička obrada, svojstva Visokokvalitetni ugljični konstrukcioni čelici koriste se za proizvodnju valjanih proizvoda, otkovaka, kalibriranog čelika, srebrnog čelika, dugog čelika, štancanja i ingota. Ovi čelici
Iz autorove knjigeToplinska obrada Toplinska obrada je proces termičke obrade čija je suština zagrijavanje stakla na određenu temperaturu, održavanje na toj temperaturi i zatim hlađenje određenom brzinom kako bi se promijenila svojstva stakla ili njegov oblik.
Iz autorove knjige6. Termička obrada legura za nakit. Opće odredbe Toplinska obrada uključuje sljedeće osnovne operacije: žarenje, kaljenje, starenje i kaljenje (za crne metale). Upotreba jedne ili druge vrste termičke obrade diktirana je zahtjevima koji
Iz autorove knjige6.1. Termička obrada legura za livenje Prema klasifikatoru legura za nakit (slika 3.36), glavne su plemenite legure na bazi srebra, zlata i platine, kao i legure bakra, aluminijuma i cinka. Povoljni postupci termičke obrade
Iz autorove knjige13. Toplinska obrada legura za nakit Glavni tip termičke obrade legura za nakit je rekristalizacijsko žarenje. Određuje se ili kao međufaza između operacija hladne plastične deformacije, ili kao završna faza - kako bi se
Iz autorove knjige13.1. Toplinska obrada legura na bazi srebra Legure sistema Ag – Cu se termički obrađuju, jer je bakar ograničeno rastvorljiv u srebru i njegova rastvorljivost se menja sa temperaturom sa
Iz autorove knjige13.2. Termička obrada legura na bazi zlata Binarne legure zlato - srebro nisu termički kaljene, jer su srebro i zlato beskonačno rastvorljivi u čvrstom stanju. Efekat očvršćavanja
Iz autorove knjige7.3.1. ELEKTRIČNA EROZIJA OBRADA Električna erozija, tj. Uništavanje kontakata pod uticajem električnih pražnjenja poznato je dugo vremena. Mnogo istraživanja je posvećeno eliminisanju ili barem smanjenju razaranja kontakata Istraživanje fenomena kontrolisanog
Iz autorove knjige38. Hemijsko-termički tretman čelika. Svrha, vrste i opšti obrasci. Difuzijsko zasićenje legura metalima i nemetalima Hemijsko-termički tretman (CHT) - tretman kombinacijom termičkih i hemijskih efekata za promjenu sastava i strukture
A industrijski razvijene industrije danas daju prednost hemijsko-termičkom tretmanu, posebno ionskom plazma nitriranju (u daljem tekstu IPA), koje se s ekonomske tačke gledišta povoljno razlikuje od termalnih tehnologija. Danas se IPA aktivno koristi u mašinstvu, brodogradnji i mašinogradnji, poljoprivrednoj i remontnoj industriji, te za proizvodnju instalacija u energetskoj industriji. Među poduzećima koja aktivno koriste tehnologiju ionsko-plazma nitriranja su velika imena kao što su njemački koncern Daimler Chrysler, automobilski gigant BMW, švedski Volvo, bjeloruska tvornica traktora na točkovima, KamAZ i BelAZ. Osim toga, prednosti IPA-e cijenili su proizvođači alata za presovanje: Skandex, Nughovens.
Procesna tehnologija
Jonsko plazma nitriranje, koje se koristi za radne alate, dijelove strojeva, opremu za štancanje i livenje, osigurava zasićenje površinskog sloja proizvoda dušikom ili mješavinom dušika i ugljika (ovisno o materijalu obratka). Instalacije za IPA rade u razrijeđenoj atmosferi pri pritiscima do 1000 Pa. Komora, koja radi na principu sistema katoda-anoda, snabdjevena je mješavinom dušika i vodonika za preradu lijevanog željeza i raznih čelika ili čistim dušikom kao radnim plinom za rad s titanom i njegovim legurama. Radni predmet služi kao katoda, a zidovi komore služe kao anoda. Pobuđivanje anomalno užarenog naboja inicira formiranje plazme i, kao posljedica toga, aktivnog medija, koji uključuje nabijene ione, atome i molekule radne smjese koji su u pobuđenom stanju. Nizak pritisak osigurava jednoliku i potpunu pokrivenost radnog komada sjajem. Temperatura plazme se kreće od 400 do 950 stepeni u zavisnosti od radnog gasa.
Ion plazma nitriranje zahtijeva 2-3 puta manje električne energije, a kvaliteta površine obrađenog proizvoda nam omogućava da potpuno eliminišemo fazu završnog mljevenja
Film formiran na površini sastoji se od dva sloja: donjeg difuzijskog i gornjeg nitridnog. Kvalitet modificiranog površinskog sloja i ekonomska efikasnost Proces u cjelini ovisi o nizu faktora, uključujući sastav radnog plina, temperaturu i trajanje procesa.
Osiguravanje stabilne temperature ovisi o procesima izmjene topline koji se odvijaju direktno unutar IPA komore. Da bi se smanjio intenzitet procesa izmjene sa zidovima komore, koriste se posebni ekrani koji ne provode toplinu. Omogućavaju značajne uštede u potrošnji energije. Temperatura procesa, zajedno sa trajanjem, utiče na dubinu prodiranja nitrida, što uzrokuje promjene u grafu dubinske raspodjele indikatora tvrdoće. Temperature ispod 500 stepeni su najoptimalnije za nitriranje hladno obrađenih legiranih čelika i martenzitnih materijala, jer karakteristike performansi povećanje bez promjene tvrdoće jezgra i termičkog razaranja unutrašnje strukture.
Sastav aktivnog medija utiče na konačnu tvrdoću i veličinu nitridne zone i zavisi od sastava radnog komada.
Rezultati primjene nitriranja ionskom plazmom
Nitriranje ionskom plazmom omogućava povećanje otpornosti na habanje uz istovremeno smanjenje sklonosti oštećenju metalne strukture zamorom. Postizanje potrebnih površinskih svojstava određeno je omjerom dubine i sastava difuzijskog i nitridnog sloja. Sloj nitrida, na osnovu svog hemijskog sastava, obično se deli na dve faze: „gama” sa visokim procentom jedinjenja Fe4N i „upsilon” sa Fe2N Fe3N. -fazu karakteriše niska plastičnost površinskog sloja sa visokim vrednostima otpora razne vrste korozije, ε-faza daje relativno plastični premaz otporan na habanje.
Što se tiče difuzijskog sloja, susjedna razvijena nitridna zona smanjuje vjerovatnoću stvaranja interkristalne korozije, osiguravajući kvalitet hrapavosti dovoljan za aktivno trenje. Dijelovi s ovim omjerom slojeva uspješno se koriste u mehanizmima vezanim za habanje. Isključivanje nitridnog sloja omogućava sprečavanje uništenja kada se sila opterećenja konstantno mijenja pod uvjetima dovoljno visokog tlaka.
To. Nitriranje ionskom plazmom se koristi za optimizaciju otpornosti na habanje, toplinu i koroziju s promjenama u izdržljivosti i hrapavosti, što utiče na vjerovatnoću ogrebotina površinskog sloja.
Prednosti nitriranja jonskom plazmom
Nitriranje ionskom plazmom u dobro funkcionirajućem tehničkom procesu daje minimalne varijacije u površinskim svojstvima od dijela do dijela s relativno niskim energetskim intenzitetom, što IPA čini privlačnijim od tradicionalnog plinskog nitriranja, nitrougljičenja i cijanizacije u peći.
Jonsko plazma nitriranje eliminiše deformaciju obratka, a struktura nitriranog sloja ostaje nepromenjena čak i kada se deo zagreje na 650 stepeni, što uz mogućnost finog podešavanja fizičkih i mehaničkih svojstava omogućava upotrebu IPA za riješiti širok spektar problema. Osim toga, ionsko plazma nitriranje je odlično za obradu čelika različitih razreda, jer radna temperatura proces u mješavini dušika i ugljika ne prelazi 600 stupnjeva, što eliminira oštećenje unutrašnje strukture i, čak i obrnuto, pomaže u smanjenju vjerojatnosti kvarova od zamora i oštećenja zbog visoke krhkosti nitridne faze.
Za povećanje antikorozivnih svojstava i površinske tvrdoće metodom ionsko-plazma nitriranja, prikladni su radni komadi bilo kojeg oblika i veličine s prolaznim i slijepim rupama. Zaštita ekrana od nitriranja nije složeno inženjersko rješenje, pa je obrada pojedinačnih dijelova bilo kojeg oblika laka i jednostavna.
U poređenju sa drugim metodama jačanja i povećanja intergranularne otpornosti, IPA se odlikuje višestrukim smanjenjem trajanja tehničkog procesa i dvostrukim smanjenjem potrošnje radnog gasa. To. Za nitriranje ionskom plazmom potrebno je 2-3 puta manje električne energije, a kvalitet površine obrađenog proizvoda omogućava potpuno eliminaciju faze završnog mljevenja. Osim toga, moguće je provesti obrnuti proces nitriranja, na primjer prije mljevenja.
Epilog
Nažalost, čak i u poređenju sa susjednim zemljama, domaći proizvođači rijetko koriste nitriranje ionsko-plazma metodom, iako su ekonomske i fizičko-mehaničke prednosti vidljive golim okom. Uvođenje ionsko-plazma nitriranja u proizvodnju poboljšava uslove rada, povećava produktivnost i smanjuje troškove rada, dok se vijek trajanja prerađenog proizvoda povećava 5 puta. U pravilu, problem izgradnje tehničkih procesa korištenjem instalacija za IPA nailazi na problem finansijski plan, iako nema subjektivno realnih prepreka. Nitriranje ionskom plazmom, uz prilično jednostavan dizajn opreme, izvodi nekoliko operacija odjednom, čija je provedba drugim metodama moguća samo u fazama, kada cijena i trajanje naglo rastu. Osim toga, postoji nekoliko kompanija u Rusiji i Bjelorusiji sa kojima sarađuje stranih proizvođača opreme za IPA, što kupovinu ovakvih instalacija čini dostupnijom i jeftinijom. Očigledno glavni problem sastoji se samo u banalnom donošenju odluka, koje će, kao i ruska tradicija, dugo i teško doći do nas.
Pravilnim sastavom i načinom nanošenja premaza otpornih na habanje, performanse reznog alata mogu se značajno poboljšati. Međutim, zbog nepromijenjenih svojstava premaza unutar jednog sloja na sučelju sa instrumentalnom bazom, naglo se mijenjaju fizičko-mehanička i termofizička svojstva (prvenstveno modul elastičnosti i koeficijent toplinskog širenja), što dovodi do stvaranja visokih zaostala naprezanja u premazu i smanjenje čvrstoće njegove adhezivne veze s podlogom, što je najvažniji uvjet za uspješan rad obloženih reznih alata.
Navedeno, kao i promjene kontaktnih i termičkih procesa tokom obrade obloženim alatom, zahtijevaju stvaranje međusloja prijelaza između baze alata i premaza, čime se povećava otpornost obloženog reznog klina na strujna opterećenja.
Najčešća metoda formiranja takvog sloja je ionsko nitriranje. U tom slučaju, nitrirani sloj koji se formira prije nanošenja premaza, u zavisnosti od specifičnih uslova rada alata, mora imati određenu strukturu, debljinu i mikrotvrdoću. U praksi se takvoj obradi obično podvrgavaju alati od brzoreznih čelika.
Slika 4. Šematski dijagram vakuum-lučna instalacija za kombinovanu obradu alata, uključujući ionsko nitriranje i prevlačenje: 1 - meta; 2 - anoda; 3 - ekran; 4 - vakuumska komora; 5 - neutralni atomi; 6 - joni; 7 - elektroni; 8 - obrađeni alati
Za ionsko nitriranje i naknadno premazivanje preporučljivo je koristiti instalaciju zasnovanu na vakuum-lučnom pražnjenju, u kojoj se sve faze kombiniranog očvršćavanja mogu implementirati u jednom tehnološkom ciklusu bez preopterećenja obrađenog alata.
Princip rada takve instalacije je sljedeći (slika 4).
Meta se isparava pomoću katodnih mrlja vakuumskog luka i koristi se kao katoda lučnog pražnjenja. Poseban ekran smješten između mete i anode dijeli komoru na dvije zone ispunjene metal-gasnom plazmom (lijevo od ekrana) i plinskom plazmom (desno). Ovaj ekran je neprobojan za mikrokapljice, neutralne atome i metalne jone koje emituju katodne mrlje na površini mete. Samo elektroni prodiru u ekran, jonizuju gas koji se dovodi u komoru na putu do anode i na taj način formiraju gasnu plazmu koja ne sadrži metalne čestice.
Instrumenti uronjeni u plazmu zagrevaju se elektronima kada se na njih primeni pozitivan potencijal, a kada se primeni negativan potencijal, oni se nitriraju. Po završetku nitriranja, sito se pomiče u stranu, a nakon što čestice metalne mete počnu pristizati na površinu alata, vrši se sinteza prevlake.
Nanošenje premaza je energetski vrlo intenzivan proces, praćen izlaganjem visokoenergetskom strujanju plazme, posebno u vrijeme ionskog bombardiranja. Kao rezultat toga, karakteristike sloja dobivenog ionskim nitriranjem mogu se značajno promijeniti.
Stoga je pri optimizaciji procesa kombinovane obrade brzobrzinskih alata potrebno uzeti u obzir faktore ne samo procesa nitriranja, već i naknadnog procesa nanošenja premaza otpornog na habanje – prvenstveno vrijeme nanošenja, na od čega direktno zavisi debljina premaza. S jedne strane, njegovo povećanje ima blagotvoran učinak na povećanje otpornosti na habanje kontaktnih jastučića alata, as druge strane dovodi do primjetnog povećanja broja nedostataka u premazu, smanjenja prianjanja. čvrstoću prevlake na materijal alata i smanjenje sposobnosti premaza da se odupre elastoplastičnim deformacijama.
Najvažniji uslovi za kombinovani tretman su temperatura i trajanje procesa nitriranja, zapreminski udio azota u gasnoj mešavini sa argonom, kao i vreme naknadnog procesa nanošenja premaza otpornog na habanje. Ostali faktori ovaj proces: pritisak azota, referentni napon, struja luka na katodi - utiču uglavnom na karakteristike premaza i treba ih podesiti isto kao i u slučaju nanošenja tradicionalnih premaza.
U zavisnosti od vrste reznog alata i uslova njegovog naknadnog rada tokom kombinovane obrade, njegovi režimi obično variraju u sledećim granicama: temperatura nitriranja 420...510 °C; atomska frakcija dušika N 2 u mješavini plina sa argonom 10...80%; vrijeme nitriranja 10...70 min; pritisak gasne mešavine ~ 9,75·10 -1 Pa; vrijeme premaza 40...80 min.
Praksa rukovanja alatima od brzoreznih čelika nakon kombinovanog kaljenja u različitim operacijama obrade pokazuje da prisustvo nitriranog sloja ispod premaza, u kojem je prisutna krhka nitridna zona (?- i?-faze), značajno ograničava efekat kombinovane obrade.
Ova struktura nastaje tokom nitriranja u atmosferi čistog dušika korištenjem plazme vakuumskog pražnjenja. Prisutnost relativno debele nitridne zone (> 0,5 μm) tokom kontinuiranog rezanja (struganje i bušenje) ne obezbjeđuje značajno povećanje vijeka trajanja alata u odnosu na alate sa tradicionalnim premazom, a tokom povremenog rezanja (glodanje i dletenje) često dovodi do do lomljenja reznih ivica već u prvim minutama rada instrumenta.
Uvođenje argona u atmosferu koja sadrži dušik tokom nitriranja prije nanošenja premaza omogućava kontrolu faznog sastava sloja koji se formira i, ovisno o specifičnim uvjetima rada reznog alata i njegove namjene, dobijanje potrebne strukture .
Pri radu brzog alata sa kombinovanom obradom u povremenim uslovima rezanja, optimalna struktura nitriranog sloja je viskozna čvrsta otopina azota u martenzitu koja je otporna na promenljiva opterećenja, u kojoj dolazi do stvaranja male količine dispergovanih nitrida. legiranje komponenti je dozvoljeno.
Navedena struktura se može dobiti nitriranjem u okruženju koje sadrži ~ 30% N 2 i 70% Ar.
U slučaju rada alata u uslovima kontinuiranog rezanja, najviše performanse karakteriše sloj koji se sastoji od azotnog martenzita i specijalnih nitrida legirajućih elemenata (W, Mo, Cr, V).
Osim toga, prihvatljivo je prisustvo vrlo male količine β faze. Ova struktura povećava otpornost površinskog sloja alata na termička opterećenja i može se formirati nitriranjem u okruženju koje sadrži ~60% N 2 i 40% Ar.
Premaz od (Ti, Al)N nanesen na uzorke nitrirane u pojedinačnim smešama koje sadrže, %, 60 N 2 + 40 Ar i 30 N 2 + 70 Ar, karakteriše zadovoljavajuća čvrstoća lepljenja. Uzorci ne pokazuju ljuštenje premaza ili očigledne pukotine, koje su nađene na uzorcima nitriranim sa 100% N 2 .
Stvaranje kompleksa otpornog na habanje na kontaktnim površinama reznog alata, formiranog ionskim nitriranjem praćenim oblaganjem u plazmi vakuumskog pražnjenja, značajno utiče na intenzitet i prirodu habanja alata.
Na slikama 5 i 6 prikazani su eksperimentalno dobijeni profilogrami habanja alata sa premazom i kombinovanom obradom pri uzdužnom tokarstvu i krajnjem glodanju konstrukcijskog čelika 45. Vidi se da je u poređenju sa jednoslojnim premazom nitriranje u kombinaciji sa premazom praktično ne mijenja obrazac habanja alata, ali uvelike smanjuje njegov intenzitet.
Za razmatrane uslove rada primećuje se niska efikasnost alata sa premazom bez nitriranja, kako pri glodanju tako i pri struganju. To je zbog činjenice da se premaz vrlo brzo uništava i da se uvjeti trenja na stražnjoj površini sve više približavaju onima koji su karakteristični za alat bez premaza. To znači da se količina oslobođene topline povećava, temperatura u blizini stražnje površine se povećava, što rezultira instrumentalni materijal Počinju nepovratni procesi omekšavanja, koji dovode do katastrofalnog trošenja.
Istraživanja prirode tuposti alata sa nitriranjem i premazivanjem omogućavaju nam da zaključimo da glavni doprinos smanjenju stope habanja brzohodnih alata daje takozvani „efekt ruba“, koji se sastoji od sljedećeg.
Već u prvim minutama rada alata, kao što se vidi iz profilograma njegovih radnih površina (slike 5 i 6), premaz se uništava do cijele debljine u područjima blizu rezne ivice. Međutim, daljnji rast habajućih površina po dužini i dubini sputan je rubovima kontaktnih površina, koji zadržavaju kombinaciju premaza i nitriranog sloja otpornu na habanje.
Osim toga, površinski nitrirani sloj, koji ima povećanu tvrdoću u kombinaciji s visokom otpornošću na toplinu, ima veću otpornost na mikroplastične deformacije i pomaže u usporavanju procesa omekšavanja na stražnjoj površini.
Slika 5. Profilogrami istrošenih površina reznih pločica od čelika R6M5 pri struganju čelika 45: a - R6M5 + (Ti, A1)N; b - P6M5 + nitriranje + (Ti, A1)N; načini obrade: v = 82 m/min; S = 0,2 mm/obr.; / = 1,5 mm (bez rashladnog sredstva)
Slika 6. Profilogrami istrošenih površina reznih ploča od čelika R6M5 pri čeonom glodanju čelika 45: a - R6M5 + (Ti, Al)N; b - P6M5 + nitriranje + (Ti, Al)N; načini obrade: v = 89 m/min; S= 0,15 mm/zub; B = 45 mm;
Proizvodno iskustvo pokazuje da kombinovana obrada, koja uključuje prethodno nitriranje i naknadno nanošenje premaza, može povećati trajnost brzohodnih alata najšireg spektra do 5 odnosno do 3 puta u odnosu na alate bez kaljenja i sa tradicionalnim premazom.
Na slici 7 prikazana je zavisnost promene habanja tokom vremena h 3 =f(T) reznih pločica od čelika R6M5 koje su pretrpele razne vrste površinsko kaljenje, pri struganju i krajnjem glodanju čelika 45. Vidi se da se otpornost na katastrofalno habanje alata pri struganju povećava za 2,6 puta, a pri glodanju - za 2,9 puta u odnosu na alat sa premazom, ali bez nitriranja. .
Slika 7. Zavisnost trošenja bočne površine alata od čelika P6M5 sa različitim mogućnostima površinske obrade o vremenu rezanja: -- *-- P6M5 + (Ti, A1)N; --*-- R6M5 + nitriranje + (Ti-Al)N; a - okretanje čelika 45 pri v = 82 m/min; S = 0,2 mm/obr.; /=1,5 mm; b - čelik za glodanje 45: v = 89 m/min; 5= 0,15 mm/zub; B = 45 mm; t = 1,5 mm
A.V. ARZAMASOV
MSTU im. N. E. Bauman
ISSN 0026-0819. “Nauka o metalu i termička obrada metala”, br. 1. 1991
Razvoj novih proizvodni procesi ionsko nitriranje u cilju povećanja otpornosti na habanje površine dijelova od austenitnih čelika je hitan zadatak
Austenitne čelike je teško nitrirati, jer njihovi površinski oksidni filmovi sprječavaju zasićenje dušikom, a koeficijent difuzije dušika u austenitu je manji nego u feritu. U tom smislu, za uklanjanje oksidnih filmova tokom konvencionalnog nitriranja neophodna je prethodna obrada površine čelika ili upotreba depasivatora.
Konvencionalno nitriranje većine austenitnih čelika vrši se u amonijaku na 560-600 °C u trajanju od 48-60 sati, međutim, ovi načini ne dozvoljavaju dobijanje difuzijskih slojeva debljine više od 0,12-0,15 mm, a na čeliku 45H14N14V2M (EI69). ) nemoguće je dobiti debljinu difuzionog sloja veću od 0,12 mm čak i uz nitriranje u trajanju od 100 sati Povećanje temperature nitriranja u peći iznad 700°C dovodi do potpunijeg odvajanja amonijaka i kao rezultat toga. do smanjenja aktivnosti procesa.
U pravilu, nakon konvencionalnog nitriranja, otpornost na koroziju površinskih slojeva austenitnih čelika se pogoršava.
Jonsko nitriranje austenitnih čelika pomaže u povećanju koeficijenta difuzije dušika i ne zahtijeva upotrebu depasivatora. Istovremeno se smanjuje trajanje procesa i poboljšava kvalitet nastalih nitriranih slojeva.
Međutim, ionsko nitriranje austenitnih čelika prema prethodno razvijenim režimima nije omogućilo dobivanje difuzijskih slojeva velike debljine čak i uz dugo izlaganje
Na temelju termodinamičkih proračuna i eksperimentalnih istraživanja razvijen je način ionskog nitriranja dijelova od austenitnih čelika, koji omogućava da se u relativno kratkom vremenu dobiju visokokvalitetni difuzijski slojevi otporni na duboko habanje, nemagnetni otporni na koroziju. Oksidni filmovi su uklonjeni sa površine delova tokom hemijsko-termičke obrade.
Ispitivani su standardni austenitni čelici 45H14N14V2M (ÉI69), 12H18N10T (ÉÂ1T); 25H18N8V2 (ÉI946) i eksperimentalne sa visokim sadržajem azota koje je razvio Institut za metalurgiju i tehnologiju metala Bugarske akademije nauka - tip H14AG20N8F2M (0,46% N), H18AG11N7F (0,70% N), H18AG12F (0,88% N), H18AG12F (0,88%) 1. 09% N), X18AG20F (1,02% N), X18AG20F (2,00% N).
Struktura difuzijskih slojeva na čelicima proučavana je metalografskom analizom, rendgenskom difrakcijom i mikro-rendgenskom spektralnom analizom. Utvrđeno je da je strukturni kriterij za visoku otpornost na habanje nitriranih austenitnih čelika prisustvo nitrida tipa CrN u difuzijskom sloju. Analiza krivulja koncentracije hemijski elementi dobijeni mikroanalizatorima ISM-35 CF, Cameca MS-46, Camebax 23-APR-85 pokazalo je da se hrom, u poređenju sa drugim teškim elementima, najoštrije raspoređuje po debljini sloja. U jezgri uzoraka distribucija hroma je ujednačena.
Ponovljeno ponavljanje eksperimenata za proučavanje raspodjele dušika i hroma u cijeloj debljini difuzijskog sloja otkrilo je sinhrone nagle promjene u njihovim koncentracijama. Osim toga, kako su pokazala sloj-po-slojna ispitivanja trošenja, mikrozona difuzijskog sloja s maksimalnim sadržajem dušika i kroma ima najveću otpornost na habanje (tablica 1).
Tabela 1.
| h, µm | Sadržaj hemijskih elemenata, % | ε | |||
| C | N | Cr | Ni | ||
| 20 | 0,70 | 10,0 | 19,0 | 11,0 | 9,5 |
| 40 | 0,85 | 12,0 | 25,0 | 8,0 | 10,7 |
| 45 | 0,88 | 15,0 | 25,0 | 8,0 | 11,2 |
| 50 | 0,92 | 10,0 | 25,0 | 8,0 | 11,0 |
| 70 | 0,90 | 0 | 14,0 | 12,0 | 1,7 |
| * — ostatak Fe Napomene: 1. Ispitivanja istrošenosti su obavljena na mašini Škoda-Savin. 2. Relativna otpornost na habanje određena je omjerom zapremina istrošenih rupa na standardu (čelični uzorak tvrdoće 51 HRC) i ispitnom uzorku ε = V fl / V arr (relativna otpornost jezgre na habanje ε = 0,08 ). |
|||||
Daljnjim proučavanjem strukture nitriranih austenitnih čelika korištenjem mikrorendgenske spektralne analize moguće je utvrditi da se u mikrozonama difuzijskih slojeva s visokim sadržajem dušika i hroma uočava smanjena koncentracija ugljika, nikla i željeza ( Tabela 1).
Komparativna analiza mikrostrukture sloja i jezgre nitrirovanog čelika 45H14N14V2M, uzetih u karakterističnom hromnom K α zračenju, pokazala je da difuzioni sloj sadrži više klastera „bijelih tačaka“ - jedinjenja hroma - nego jezgra.
Sloj po sloj mjerenja magnetne permeabilnosti magnetoskopom F 1.067 i određivanje sadržaja feritne faze na feritometru MF-10I pokazalo je da razvijena metoda ionskog nitriranja dijelova od austenitnih čelika doprinosi stvaranju nemagnetne difuzije. slojeva (tabela 2).
Tabela 2.
Takođe je utvrđeno da nitrirani čelici 45H14N14V2M i tip H14AG20N8F2M imaju zadovoljavajuću otpornost na koroziju.
Na nov način tehnološki proces obrađena je serija zupčanika od čelika 45H14N14V2M. Detalji se podudaraju tehnički zahtjevi. Mikro- i makrostrukturna analiza potvrdila je prisustvo visokokvalitetnog ravnomjernog difuzionog sloja debljine 270 mikrona u zupčanicima.
Nakon dugih industrijskih ispitivanja, na zupčanicima nisu pronađeni nikakvi vidljivi nedostaci. Daljnja kontrola je pokazala usklađenost geometrijskih dimenzija zupčanika sa tehnološkim zahtjevima, kao i odsustvo habanja radnih površina dijelova, što je potvrđeno mikrostrukturnom analizom.
Zaključak. Razvijeni način ionskog nitriranja dijelova od austenitnih čelika omogućava smanjenje trajanja procesa za više od 5 puta, dok se debljina sloja povećava za 3 puta, a otpornost sloja na habanje povećava se za 2 puta. u poređenju sa sličnim parametrima nakon konvencionalnog nitriranja. Osim toga, smanjen je intenzitet rada, poboljšani standardi proizvodnje i poboljšana ekološka situacija.
Reference:
1.
Progresivne metode hemijsko-termičke obrade / Ed. G. N. Dubinina, Ya. M.: Mašinstvo, 1979. 184 str.
2.
Nitriranje i karbonitriranje / R. Chatterjee-Fisher, F.W. Eizell, R. Hoffman et al.: Trans. sa njim. M.: Metalurgija, 1990. 280 str.
3.
A. s. 1272740 SSSR, MKI S23S8/36.
4.
Bannykh O. A., Blinov V. M. Nemagnetski čelici koji sadrže vanadijum koji sadrže disperziju. M.: Nauka, 1980. 192 str.
5.
Rashev T.V. Proizvodnja legiranog čelika. M.: Metalurgija, 1981. 248 str.
Tehnološke mogućnosti ionskog nitriranja u ojačanju proizvoda od konstrukcijskih i alatnih čelika
M. N. Bosyakov, S. V. Bondarenko, D. V. Zhuk, P. A. Matusevič
JV "Avicenna International", Republika Bjelorusija, Minsk,
Sv. Surganova, 2a, 220012, tel. +375 17 2355002
Ion plazma nitridiranje (IPA) je metoda hemijsko-termičke obrade čelika i proizvoda od livenog gvožđa sa velikim tehnološkim mogućnostima, koja omogućava dobijanje difuzionih slojeva željenog sastava korišćenjem različitih gasnih medija, tj. Proces zasićenja difuzijom se može kontrolirati i može se optimizirati ovisno o specifičnim zahtjevima za dubinu sloja i površinsku tvrdoću. Temperaturni opseg ionskog nitriranja je širi od onog kod gasnog nitriranja i kreće se u rasponu od 400-600 0 C. Tretman na temperaturama ispod 500 0 C je posebno efikasan u ojačavanju proizvoda od alatnih legiranih čelika za hladnu obradu, brzu i brzu obradu. marežni čelici, jer njihova svojstva performansi su značajno povećana uz održavanje tvrdoće jezgra na 55-60 HRC. Dijelovi i alati iz gotovo svih industrija su podvrgnuti kaljenju IPA metodom (slika 1).
Rice. 1. Primjena ionskog plazma nitriranja za jačanje različitih proizvoda
Kao rezultat IPA, sljedeće karakteristike proizvoda mogu se poboljšati: otpornost na habanje, izdržljivost na zamor, svojstva protiv zagrijavanja, otpornost na toplinu i otpornost na koroziju. U poređenju sa široko rasprostranjenim metodama ojačanja hemijsko-termičke obrade čeličnih delova, kao što su karburizacija, nitrokarbonizacija, cijanidacija i gasno nitriranje u pećima, IPA metoda ima sledeće glavne prednosti:
- veća površinska tvrdoća nitriranih dijelova; nema deformacije dijelova nakon obrade i visoka čistoća površine; povećanje granice izdržljivosti i povećanje otpornosti na habanje obrađenih dijelova; niža temperatura obrade, zbog čega u čeliku ne dolazi do strukturnih transformacija; mogućnost obrade slijepih i prolaznih rupa; održavanje tvrdoće nitriranog sloja nakon zagrijavanja na 600-650 °C; mogućnost dobijanja slojeva date kompozicije; sposobnost obrade proizvoda neograničenih veličina i oblika; nema zagađenja okruženje; poboljšanje standarda proizvodnje; smanjenje troškova obrade nekoliko puta.
- smanjenje vremena obrade za 2-5 puta, kako smanjenjem vremena zagrijavanja i hlađenja punjenja, tako i smanjenjem vremena izotermnog držanja; smanjenje krhkosti ojačanog sloja; smanjenje potrošnje radnog gasa za 20-100 puta; smanjenje potrošnje energije za 1,5-3 puta; isključivanje operacije depasivacije; smanjenje deformacije toliko da se eliminira završno brušenje; jednostavnost i pouzdanost zaštite ekrana od nitriranja površina koje se ne stvrdnjavaju; poboljšanje sanitarno-higijenskih uslova proizvodnje; potpuna usklađenost sa tehnologijom za sve savremeni zahtevi o zaštiti životne sredine.
- eliminirati deformacije; povećati vijek trajanja nitrirane površine za 2-5 puta.
|
|
Rice. 2. Raspodjela mikrotvrdoće po dubini nitriranog sloja za tri uzorka smještena na različitim mjestima naboja.
a, c – zupčanik mase 10,1 kg, 51 kom., st – 40X, modul 4,5, ekspozicija 16 sati, T = 530 0 C;
b, d – zupčanik težine 45 kg, 11 kom., st – 38HN3MFA, modul 3.25 (spoljni prsten)
i 7 mm (unutrašnja kruna), ekspozicija 16 sati, T=555 0 C.
Jonsko nitriranje je efikasna metoda jačanja obrade dijelova od kojih su napravljeni legirani konstrukcioni čelici: zupčanici, prstenasti zupčanici, zupčanici vratila, osovine, cilindrični zupčanici, spojnice, osovinski zupčanici složene geometrijske konfiguracije itd. Cementiranje, nitrougljičenje i visokofrekventno kaljenje opravdani su u proizvodnji teško opterećenih dijelova ( zupčanici, osovine, osovine itd.) niske i srednje preciznosti, koji ne zahtijevaju naknadno brušenje. Ove vrste termičke obrade nisu ekonomski isplative u proizvodnji visoko preciznih dijelova srednjeg i niskog opterećenja, jer Ovim tretmanom se uočava značajno savijanje i potrebno je naknadno brušenje. U skladu s tim, prilikom mljevenja potrebno je ukloniti značajnu debljinu očvrslog sloja. IPA može značajno smanjiti savijanje i deformaciju dijelova uz održavanje hrapavosti površine u rasponu od Ra = 0,63...1,2 mikrona, što omogućava korištenje IPA kao završne obrade u velikoj većini slučajeva. U odnosu na industriju alatnih mašina, jonsko nitriranje zupčanika značajno smanjuje karakteristike buke alatnih mašina, čime se povećava njihova konkurentnost na tržištu. IPA je najefikasniji kod obrade velikih dijelova istog tipa: zupčanika, vratila, osovina, zupčanika, zupčanika sa zupčanicima itd. Zupčanici podvrgnuti plazma nitriranju imaju bolju dimenzijsku stabilnost u odnosu na cementirane zupčanike i mogu se koristiti bez dodatnih obrada. Istovremeno, nosivost bočne površine i čvrstoća baze zuba, postignuta plazma nitriranjem, odgovaraju cementiranim zupčanicima (tablica 1).
Tabela 1
Karakteristike otpornosti čelika na zamor u zavisnosti od metoda kaljenja zupčanika
| Tip čelika | Vrsta obrade | Granica izdržljivosti na savijanje, MPa | Granica izdržljivosti pri kontaktu s površinom, MPa | Tvrdoća bočne površine zuba, HV |
| Legirana | Stvrdnjavanje | |||
| Poboljšano (40H, 40HN, 40HFA, 40HN2MA, 40HMFA, 38HM, 38HN3MFA, 38H2N2MMA, 30H2NM, itd.) | Nitriranje | |||
| Normalizovano | Plazma ili indukcijsko kaljenje | |||
| Specijalno nitrirano (38HMUA, 38H2MUA, 35HUA, 38HVFUA, 30H3MF, itd.) | Nitriranje | |||
| Legirana | Cementiranje i nitrokarbonizacija |
|
|
|
Rice. 3. Raspodjela mikrotvrdoće po dubini nitriranog sloja za različite čelike
Optimizacija svojstava očvrslog sloja određena je kombinacijom karakteristika osnovnog materijala (tvrdoća jezgre) i parametara nitriranog sloja. Priroda opterećenja određuje dubinu difuzijskog sloja, vrstu i debljinu nitridnog sloja:
- habanje – g’- ili e-sloj; dinamičko opterećenje – ograničena debljina nitridnog sloja ili ga uopšte nema; korozija – e-sloj.
|
|
Rice. 4. Raspodjela mikrotvrdoće po dubini nitriranog sloja čelika 40H
1, 3, 5 – jednofazni proces;
2.4 – sadržajno dvostepeni procesN 2 u radnoj mešavini
1,2 – T=530 0 C, t=16 sati; 3 –T=560 0 C, t=16 sati;
4 – T=555 0 C, t=15 sati, 5 – T = 460 0 C, t = 16 sati
|
|
|
Rice. 5. Disperzija mikrotvrdoće po dubini nitriranog sloja
za čelik 40Kh (a) i 38KhNZMFA (b) za serijske procese.
Jonsko nitriranje je nadaleko poznato kao jedan od efikasne metode povećanje otpornosti na habanje reznih alata od brzorezni čelici razreda R6M5, R18, R6M5K5, R12F4K5, itd. Nitriranje povećava otpornost alata na habanje i njegovu otpornost na toplinu. Nitrirana površina alata, koja ima smanjen koeficijent trenja i poboljšana svojstva protiv trenja, osigurava lakše uklanjanje strugotine, a također sprječava lijepljenje strugotine za rezne rubove i stvaranje kratera habanja, što omogućava povećanje brzina uvlačenja i rezanja. Optimalna struktura nitrirani brzorezni čelik je martenzit s visokim sadržajem dušika koji ne sadrži višak nitrida. Navedena struktura se osigurava zasićenjem površine alata dušikom na temperaturi od 480-520 0 C tokom kratkotrajnog nitriranja (do 1 sat). U ovom slučaju formira se ojačani sloj dubine 20-40 mikrona površinske mikrotvrdoće 1000-1200 HV0,5 sa tvrdoćom jezgra od 800-900 HV (slika 6), a trajnost alata nakon ionsko nitriranje se povećava 2-8 puta u zavisnosti od vrste i vrste materijala koji se obrađuje.
|
|
|
Rice. 6. Struktura nitriranog sloja čelika R6M5 (a) i raspodjela mikrotvrdoće po dubini sloja (b).
Osnovna prednost ionskog nitriranja alata je mogućnost dobijanja samo difuzijski očvrslog sloja, odnosno sloja sa monofaznim Fe 4 N nitridom ('-faza) na površini, za razliku od klasičnog gasnog nitriranja u amonijaku, gde nitridni sloj se sastoji od dvije faze - '+ , što je izvor unutrašnjih naprezanja na granici i uzrokuje krhkost i ljuštenje očvrslog sloja tokom rada. Jonsko nitriranje je također jedna od glavnih metoda za povećanje trajnosti alati za štancanje i oprema za brizganje od čelika 5KhNM, 4Kh5MFS, 3Kh2V8, 4Kh5V2FS, 4Kh4VMFS, 38Kh2MYuA, Kh12, Kh12M, Kh12F1. Kao rezultat ionskog nitriranja, mogu se poboljšati sljedeće karakteristike proizvoda:
- Kovačke kalupe za toplo štancanje i kalupe za livenje metala i legura - povećava otpornost na habanje, smanjuje lepljenje metala. Kalupi za brizganje aluminijuma - sloj nitriranja sprečava lepljenje metala u zoni dovoda tečnog mlaza, a proces punjenja kalupa je manje turbulentan, što produžava vek trajanja kalupa, a livenje je kvalitetnije.
Tabela 2.
Karakteristike legiranih čelika nakon nitriranja ionskom plazmom.
| Kvalitet čelika | Tvrdoća srcaekrivica, | Temperatura procesa 0 WITH | Karakteristike sloja | Vrsta preporučenog sloja veze |
||
| Dubina, mm | TV, H.V. 1 | Debljina spojnog sloja, |
||||
| Čelici za vruću obradu |
||||||
| Čelici za hladnu obradu |
||||||
