Материаловедение: конспект лекций Алексеев Виктор Сергеевич
7. Химико-термическая обработка: азотирование, ионное азотирование
Химико-термическая обработка – азотирование применяется с целью повышения твердости поверхности у различных деталей – зубчатых колес, гильз, валов и др. изготовленных из сталей 38ХМЮА, 38ХВФЮА, 18Х2Н4ВА, 40ХНВА и др. Азотирование – последняя операция в технологическом процессе изготовления деталей. Перед азотированием проводят полную термическую и механическую обработку и даже шлифование, после азотирования допускается только доводка со съемом металла до 0,02 мм на сторону. Азотированием называется химико-термическая обработка, при которой происходит диффузионное насыщение поверхностного слоя азотом. В результате азотирования обеспечиваются: высокая твердость поверхностного слоя (до 72 HRC), высокая усталостная прочность, теплостойкость, минимальная деформация, большая устойчивость против износа и коррозии. Азотирование проводят при температурах от +500 до +520 °C в течение 8–9 ч. Глубина азотированного слоя – 0,1–0,8 мм. По окончании процесса азотирования детали охлаждают до +200–300 °C вместе с печью в потоке аммиака, а затем – на воздухе.
Поверхностный слой не поддается травлению. Глубже него находится сорбитообразная структура. В промышленности широко применяется процесс жидкостного азотирования в расплавленных цианистых солях. Толщина азотированного слоя – 0,15-0,5 мм.
Азотированный слой не склонен к хрупкому разрушению. Твердость азотированного слоя углеродистых сталей – до 350 HV, легированных – до 1100 HV. Недостатки процесса – токсичность и высокая стоимость цианистых солей.
В ряде отраслей промышленности используется ионное азотирование, которое имеет ряд преимуществ перед газовым и жидкостным. Ионное азотирование осуществляется в герметичном контейнере, в котором создается разреженная азотсодержащая атмосфера. Для этой цели применяются чистый азот, аммиак или смесь азота и водорода. Размещенные внутри контейнера детали подключают к отрицательному полюсу источника постоянной электродвижущей силы Они выполняют роль катода. Анодом служит корпус контейнера. Между анодом и катодом включают высокое напряжение (500-1000 В) – происходит ионизация газа. Образующиеся положительно заряженные ионы азота устремляются к отрицательному полюсу – катоду. Возле катода создается высокая напряженность электрического поля. Высокая кинетическая энергия, которой обладали ионы азота, переходит в тепловую. Деталь за короткое время (15–30 мин) разогревается до от +470 до +580 °C, происходит диффузия азота вглубь металла, т. е. азотирование.
Ионное азотирование по сравнению с азотированием в печах позволяет сократить общую продолжительность процесса в 2–3 раза, уменьшить деформацию деталей за счет равномерного нагрева.
Ионное азотирование коррозионно-стойких сталей и сплавов достигается без дополнительной депассивирующей обработки. Толщина азотированного слоя – 1 мм и более, твердость поверхности – 500-1500 HV. Ионному азотированию подвергают детали насосов, форсунок, ходовые винты станков, валы и многое другое.
Данный текст является ознакомительным фрагментом. Из книги автораОбработка металла Обработка металла включает в себя достаточно большое число работ различного вида, но каждая из них начинается с подготовки поверхности, которую предстоит обрабатывать. Что значит обработать металлическую деталь? Прежде всего проверить ее размеры и
Из книги автораОбработка отверстий Сверление металлаПожалуй, трудно себе представить изготовление и сборку какого-либо механизма без того, чтобы не возникла необходимость в сверлении и дальнейшей обработке отверстий. Да и в других направлениях слесарного производства, будь то
Из книги автораТермическая обработка готовых изделий Термическая обработка проводится с готовой уже поковкой и служит для того, чтобы изменить структуру металла. От правильного ее выполнения зависит качество изделия и его долговечность.ЗакалкаОна предназначена для придания
Из книги автораОбработка сигналов При выборе типа сенсорного устройства, используемого в роботе, необходимо решить вопрос чтения и обработки сигнала, поступающего от него. Vjui Многие сенсоры представляют собой датчики резистивного типа, что означает, что их сопротивление меняется в
Из книги автора6. Химико-термическая обработка: цементация, нитроцементация Для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя деталей осуществляется их тепловая обработка в химически активной среде, называемая химико-термической обработкой. При ней
Из книги автора1. Углеродистые и легированные конструкционные стали: назначение, термическая обработка, свойства Из углеродистых качественных конструкционных сталей производят прокат, поковки, калиброванную сталь, сталь-серебрянку, сортовую сталь, штамповки и слитки. Эти стали
Из книги автораТермическая обработка Термической обработкой называется процесс тепловой обработки, суть которого в нагреве стекла до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью с целью изменения или свойств стекла, или формы
Из книги автора6. Термическая обработка ювелирных сплавов. Общие положения Термическая обработка включает следующие основные операции: отжиг, закалку, старение и отпуск (для черных металлов). Применение того или другого вида термообработки диктуется теми требованиями, которые
Из книги автора6.1. Термическая обработка литейных сплавов Согласно классификатору ювелирных сплавов (рис. 3.36) основными являются благородные сплавы на серебряной, золотой и платиновой основах, а также медные, алюминиевые и цинковые сплавы. Преимущественными операциями термообработки
Из книги автора13. Термическая обработка ювелирных сплавов Основной вид термической обработки ювелирных сплавов – рекристаллизационный отжиг. Он назначается или как промежуточный этап между операциями холодной пластической деформации, или как заключительный – для того, чтобы
Из книги автора13.1. Термическая обработка сплавов на основе серебра Термически обрабатываются сплавы системы Ag – Си, так как медь ограниченно растворима в серебре и ее растворимость изменяется с температурой.Режим термообработки состоит в закалке сплава с температурой 700 °C в воде с
Из книги автора13.2. Термическая обработка сплавов на основе золота Двойные сплавы золото – серебро термически не упрочняемые, так как серебро и золото неограниченно растворимы в твердом состоянии.Тройные сплавы системы Au – Ag – Си упрочняются термической обработкой. Эффект упрочнения
Из книги автора7.3.1. ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА Электрическая эрозия, т.е. разрушение контактов под действием электрических разрядов известна была давно. Много исследований было посвящено устранению или хотя бы уменьшению разрушения контактов.Исследованиями явления управляемой
Из книги автора38. Химико-термическая обработка стали. Назначение, виды и общие закономерности. Диффузионное насыщение сплавов металлами и неметаллами Химико-термической обработка (ХТО) – обработка с сочетанием термического и химического воздействия для изменения состава, структуры
И ндустриальные развитые производства сегодня отдают предпочтения химико-термической обработке, в частности ионно-плазменному азотированию (далее ИПА), выгодно отличающемуся с экономической точки зрения от термических технологий. Сегодня ИПА активно используется в машино-, судо и станкостроении, промышленности сельскохозяйственного и ремонтного назначения, для производства установок энергетической отрасли. Среди предприятий, активно использующих технологию ионно-плазменного азотирования такие громкие имена, как немецкий концерн Daimler Chrysler, автомобильный гигант BMW, шведский Volvo, белорусский завод колесных тягачей, КамАЗ и БелАЗ. Кроме того, преимущество ИПА по достоинству оценили производители прессовых инструментов: Skandex, Нугховенс.
Технология процесса
Ионно-плазменное азотирование, применяемое для рабочих инструментов, деталей машин, оборудования для штамповки и литья, обеспечивает насыщение поверхностного слоя изделия азотом или азотно-углеродной смесью (в зависимости от материала заготовки). Установки для ИПА работают в разряженной атмосфере при давлении до 1000 Па. В камеру, действующую по принципу катодно-анодной системы, подается азотно-водородная смесь для обработки чугуна и различных сталей или чистый азот в качестве рабочего газа для работы с титаном и его сплавами. Катодом служит заготовка, анодом - стенки камеры. Возбуждение аномально тлеющего заряда инициирует образование плазмы и, как следствие, активной среды, включающей в себя заряженные ионы, атомы и молекулы рабочей смеси, находящиеся в возбужденном состоянии. Низкое давление обеспечивает равномерное и полноценное покрытие заготовки свечением. Температура плазмы колеблется от 400 до 950 градусов в зависимости от рабочего газа.
Для ионно-плазменного азотирования требуется в 2-3 раза меньше электроэнергии, а качество поверхности обработанного изделия позволяет вовсе исключить стадию финишной шлифовки
Формирующаяся на поверхности пленка состоит из двух слоев: нижнего диффузионного и верхнего нитридного. Качество модифицированного поверхностного слоя и экономическая эффективность процесса в целом зависит от ряда факторов, включая состав рабочего газа, температуру и продолжительность процесса.
Обеспечение стабильной температуры упирается в процессы теплообмена, происходящие непосредственно внутри камеры для ИПА. Для снижения интенсивности обменных процессов со стенками камеры используются специальные, непроводящие тепло экраны. Они позволяют значительно сэкономить на потребляемой мощности. Температура процесса вкупе с длительностью влияют на глубину проникновения нитридов, что вызывает изменения в графике глубинного распределения показателей твердости. Температура ниже 500 градусов наиболее оптимальная для азотирования легированных сталей холодной обработки и мартенситных материалов, поскольку эксплуатационные характеристики повышаются без изменения твердости сердцевины и термического разрушения внутренней структуры.
Состав активной среды влияет на конечную твердость и размер нитридной зоны и зависит от состава обрабатываемого изделия.
Результаты применения ионно-плазменного азотирования
Ионно-плазменное азотирование позволяет повысить показатели износостойкости с одновременным снижением склонности к усталостным нарушениям структуры металла. Получение необходимых поверхностных свойств определяется соотношением глубины и состава диффузионного и нитридного слоев. Нитридный слой, исходя из химического состава, принято делить на две определяющие фазы: «гамма» с высоким процентным содержанием соединений Fe4N и «ипсилон» с Fe2N Fe3N. -фаза отличается низкой пластичностью поверхностного слоя с высокими показателями сопротивления различным типам коррозии, ε-фаза дает относительно пластичное износостойкое покрытие.
Что касается диффузионного слоя, то прилегающая развитая нитридная зона снижает вероятность образования межкристаллитной коррозии, обеспечивая достаточный для активного трения квалитет шероховатости. Детали с таким соотношением слоев с успехом используются в механизмах, работающих на износ. Исключение нитридного слоя позволяет препятствовать разрушению при постоянной смене силы нагрузки при условиях достаточно высокого давления.
Т.о. ионно-плазменное азотирование используется для оптимизации показателей износо-, тепло- и коррозионной стойкости с изменением усталостной выносливости и шероховатости, влияющей на вероятность задира поверхностного слоя.
Преимуществаионно-плазменного азотирования
Ионно-плазменное азотирование в отлаженном техпроцессе дает минимальный разброс поверхностных свойств от детали к детали при относительно низкой энергоемкости, что делает ИПА более привлекательным, нежели традиционное печное газовое азотирование, нитроцементацию и цианирование.
Ионно-плазменное азотирование исключает деформацию заготовки, а структура азотированного слоя остается неизменной даже при нагреве детали до 650 градусов, что вкупе с возможностью тонкой корректировки физико-механических свойств позволяет использовать ИПА для решения самых разнообразных задач. Кроме того, азотирование ионно-плазменным методом отлично подходит для обработки сталей разных марок, поскольку рабочая температура процесса в азотно-углеродной смеси не превышает 600 градусов, что исключает нарушения внутренней структуры и даже наоборот - способствует снижение вероятности усталостных разрушений и повреждений из-за высокой хрупкости нитридной фазы.
Для повышения антикоррозионных показателей и поверхностной твердости методом ионно-плазменного азотирования подходят заготовки любой формы и размеров со сквозными и глухими отверстиями. Экранная защита от азотирования не представляет собой сложное инженерное решение, поэтому обработка отдельных участков любой формы производится легко и просто.
Относительно других методов упрочнения и повышения межкристаллитной стойкости ИПА отличается сокращенной в несколько раз длительностью техпроцесса и уменьшенным на два порядка расходом рабочего газа. Т.о. для ионно-плазменного азотирования требуется в 2-3 раза меньше электроэнергии, а качество поверхности обработанного изделия позволяет вовсе исключить стадию финишной шлифовки. Кроме того, существует возможность провести обратный азотированию процесс, например перед шлифовкой.
Эпилог
К сожалению, на фоне даже ближнего зарубежья отечественные производственники используют азотирование ионно-плазменным методом довольно редко, хотя экономические и физико-механические преимуществ видны невооруженным глазом. Внедрение на производство ионно-плазменного азотирования улучшает условия труда, повышает производительность и снижает стоимость работ, при этом ресурс службы обработанного изделия увеличивается в 5 раз. Как правило, вопрос построения техпроцессов с использованием установок для ИПА упирается в проблему финансового плана, хотя субъективно реальных препятствий нет. Ионно-плазменное азотирование при достаточно простой конструкции оборудования выполняет сразу несколько операций, реализация которых другими методами возможна лишь поэтапно, когда стоимость и продолжительность резко поползут вверх. Кроме того, есть несколько компаний в России и Беларуси, сотрудничающих с зарубежными производителями оборудования для ИПА, что делает покупку таких установок доступнее и дешевле. Видимо, главная проблема заключается лишь в банальном принятии решения, которое, как русская традиция, родится у нас долго и трудно.
При правильно выбранных составе и режиме нанесения износостойких покрытий эксплуатационные показатели режущего инструмента могут быть существенно улучшены. Однако вследствие неизменности свойств покрытия в пределах одного слоя на границе раздела с инструментальной основой резко изменяются физико-механический и теплофизические свойства (в первую очередь модуль упругости и коэффициент термического расширения), что приводит к образованию в покрытии высоких остаточных напряжений и снижению прочности его адгезионной связи с основой, которая является наиболее важным условием успешной эксплуатации режущего инструмента с покрытием.
Указанное, а также изменения контактных и тепловых процессов при обработке инструментом с покрытием, требуют создания между инструментальной основой и покрытием промежуточного переходного слоя, повышающего сопротивление режущего клина с покрытием, действующим нагрузкам.
Наиболее распространенный метод формирования такого слоя - ионное азотирование. При этом азотированный слой, формируемый перед нанесением покрытия, в зависимости от конкретных условий эксплуатации инструмента должен обладать определенной структурой, толщиной и микротвердостью. На практике такой обработке обычно подвергаются инструменты из быстрорежущих сталей.
Рисунок 4. Принципиальная схема вакуумно-дуговой установки для комбинированной обработки инструмента, включающей в себя ионное азотирование и нанесение покрытий: 1 - мишень; 2 - анод; 3 - экран; 4 - вакуумная камера; 5 - нейтральные атомы; 6 - ионы; 7 - электроны; 8 - обрабатываемые инструменты
Для ионного азотирования и последующего нанесения покрытия целесообразно применение установки на базе вакуумно-дугового разряда, в которой за один технологический цикл без перегрузки обрабатываемых инструментов можно реализовать все этапы комбинированного упрочнения.
Принцип работы такой установки заключается в следующем (рисунок 4).
Мишень испаряется катодными пятнами вакуумной дуги и используется в качестве катода дугового разряда. Специальный экран, расположенный между мишенью и анодом, делит камеру на две зоны, заполненные металлогазовой (слева от экрана) и газовой плазмой (справа). Этот экран непроницаем для микрокапель, нейтральных атомов и ионов металла, эмитируемых катодными пятнами на поверхности мишени. Только электроны проникают через экран, ионизуют по дороге к аноду подаваемый в камеру газ и таким путем образуют не содержащую металлических частиц газовую плазму.
Погруженные в плазму инструменты нагреваются электронами при подаче на них положительного потенциала, а при подаче отрицательного потенциала осуществляется их азотирование. По окончании азотирования экран смещается в сторону, а после того как частицы металлической мишени начинают поступать на поверхность инструмента, осуществляется синтез покрытия.
Осаждение покрытий - весьма энергоемкий процесс, сопровождающийся воздействием высокоэнергетического потока плазмы, особенно в момент ионной бомбардировки. В результате этого характеристики слоя, полученного при ионном азотировании, могут существенно изменяться.
Поэтому при оптимизации процесса комбинированной обработки быстрорежущего инструмента необходимо учитывать факторы не только процесса азотирования, но и последующего процесса нанесения износостойкого покрытия - в первую очередь время нанесения, от которого напрямую зависит толщина покрытия. С одной стороны, ее увеличение благоприятно сказывается на повышении износостойкости контактных площадок инструмента, а с другой - приводит к заметному увеличению количества дефектов в покрытии, снижению прочности сцепления покрытия с инструментальным материалом и уменьшению способности покрытия сопротивляться упругопластическим деформациям.
Важнейшими условиями комбинированной обработки являются температура и продолжительность процесса азотирования, объемная доля азота в газовой смеси с аргоном, а также время последующего процесса нанесения износостойкого покрытия. Другие факторы данного процесса: давление азота, опорное напряжение, ток дуги на катоде - влияют главным образом на характеристики покрытия и должны назначаться такими же, как и в случае осаждения традиционных покрытий.
В зависимости от типа режущего инструмента и условий его последующей эксплуатации при комбинированной обработке ее режимы обычно варьируют в следующих пределах: температура азотирования 420...510 °С; атомная доля азота N 2 в газовой смеси с аргоном 10...80 %; время азотирования 10...70 мин; давление газовой смеси ~ 9,75·10 -1 Па; время нанесения покрытий 40...80 мин.
Практика эксплуатации инструментов из быстрорежущих сталей после комбинированного упрочнения на различных операциях механообработки показывает, что наличие под покрытием азотированного слоя, в котором присутствует хрупкая нитридная зона (?- и?"-фазы), существенно ограничивает эффект от применения комбинированной обработки.
Такая структура формируется при азотировании в атмосфере чистого азота с использованием плазмы вакуумно-дугового разряда. Наличие сравнительно толстой нитридной зоны (> 0,5 мкм) при непрерывном резании (точении и сверлении) не обеспечивает существенного увеличения стойкости инструмента по сравнению с инструментом, имеющим традиционное покрытие, а при прерывистом резании (фрезеровании и долблении) часто ведет к выкрашиванию режущих кромок уже в первые минуты работы инструмента.
Введение аргона в состав азотсодержащей атмосферы при азотировании, предшествующем нанесению покрытия, позволяет управлять фазовым составом формируемого слоя и в зависимости от конкретных условий эксплуатации режущего инструмента и его служебного назначения получать необходимую структуру.
При эксплуатации быстрорежущего инструмента с комбинированной обработкой в условиях прерывистого резания оптимальной структурой азотированного слоя является вязкий и устойчивый к переменным нагрузкам твердый раствор азота в мартенсите, в котором допустимо образование незначительного количества дисперсных нитридов легирующих компонентов.
Указанная структура может быть получена при азотировании в среде, содержащей ~ 30 % N 2 и 70 % Аr.
В случае эксплуатации инструмента в условиях непрерывного резания наибольшей работоспособностью характеризуется слой, состоящий из азотистого мартенсита и специальных нитридов легирующих элементов (W, Mo, Cr, V).
Кроме того, допустимо наличие очень небольшого количества?-фазы. Данная структура повышает сопротивление поверхностного слоя инструмента термическим нагрузкам и может быть сформирована при азотировании в среде, содержащей ~ 60% N 2 и 40% Аг.
Покрытие из (Ti, Al)N, нанесенное на образцы, азотированные в разовых смесях, содержащих, %, 60 N 2 + 40 Ar и 30 N 2 + 70 Ar, отличается удовлетворительной прочностью адгезионной связи. На образцах не наблюдается ни отслаивания покрытия, ни явных трещин, которые были обнаружены на образцах, азотированных при 100 % N 2 .
Создание на контактных площадках режущего инструмента износостойкого комплекса, формируемого путем ионного азотирования с последующим нанесением покрытий в плазме вакуумно-дугового разряда, значительно влияет на интенсивность и характер изнашивания инструмента.
На рисунках 5 и 6 представлены экспериментально полученные профилограммы износа инструмента с покрытием и с комбинированной обработкой при продольном точении и торцевом фрезеровании конструкционной стали 45. Видно, что по сравнению с однослойным покрытием азотирование в сочетании с покрытием практически не изменяет характера изнашивания инструмента, но сильно снижает его интенсивность.
Для рассматриваемых условий эксплуатации отмечается невысокая эффективность инструмента с покрытием без азотирования, как при фрезеровании, так и при точении. Это связано с тем, что очень быстро разрушается покрытие и условия трения по задней поверхности все более приближаются к тем, которые характерны для инструмента без покрытия. А это означает, что увеличивается количество выделяющейся теплоты, возрастает температура вблизи задней поверхности, в результате чего в инструментальном материале начинаются необратимые процессы разупрочнения, которые и приводят к катастрофическому износу.
Исследования природы затупления инструмента с азотированием и покрытием позволяют сделать вывод, что основной вклад в снижение интенсивности изнашивания быстрорежущего инструмента вносит так называемый "краевой эффект", который состоит в следующем.
Уже в первые минуты работы инструмента, как видно из профилограмм его рабочих поверхностей (рисунки 5 и 6), покрытие разрушается на всю свою толщину на участках вблизи режущей кромки. Однако дальнейший рост очагов износа по длине и глубине сдерживается краями площадок контакта, сохраняющими износостойкую комбинацию покрытия и азотированного слоя.
Кроме того, поверхностный азотированный слой, обладающий повышенной твердостью в сочетании с высокой теплостойкостью, отличается более высоким сопротивлением микропластическим деформациям и способствует торможению процессов разупрочнения у задней поверхности.
Рисунок 5. Профилограммы изношенных участков режущих пластин из стали Р6М5 при точении стали 45: а - Р6М5 + (Ti, A1)N; б - Р6М5 + азотирование + (Ti, A1)N; режимы обработки: v = 82 м/мин; S = 0,2 мм/об; / = 1,5 мм (без СОЖ)
Рисунок 6. Профилограммы изношенных участков режущих пластин из стали Р6М5 при торцевом фрезеровании стали 45: а - Р6М5 + (Ti, Al)N; б - Р6М5 + азотирование + (Ti, Al)N; режимы обработки: v = 89 м/мин; S= 0,15 мм/зуб; В = 45 мм;
Производственный опыт показывает, что комбинированная обработка, предусматривающая предварительное азотирование и последующее нанесение покрытий, позволяет увеличить стойкость быстрорежущего инструмента самой широкой номенклатуры до 5 и до 3 раз по сравнению с инструментом соответственно без упрочнения и с традиционным покрытием.
На рисунке 7 показаны зависимости изменения износа во времени h 3 =f(T) режущих пластин из стали Р6М5, прошедших различные виды поверхностного упрочнения, при точении и торцевом фрезеровании стали 45. Видно, что стойкость до катастрофического износа инструмента при точении увеличивается в 2,6 раза, а при фрезеровании - в 2,9 раза по сравнению с инструментом с покрытием, но без азотирования.
Рисунок 7. Зависимость износа по задней поверхности инструмента из стали Р6М5 с различными вариантами поверхностной обработки от времени резания: -- *-- Р6М5 + (Ti, A1)N; --*-- Р6М5 + азотирование + (Ti-Al)N; а - точение стали 45 при v = 82 м/мин; S = 0,2 мм/об; /=1,5 мм; б - фрезерование стали 45: v = 89 м/мин; 5= 0,15 мм/зуб; В = 45 мм; t = 1,5 мм
А.В. АРЗАМАСОВ
МГТУ им. Н. Э. Баумана
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 1. 1991 г.
Разработка новых производственных процессов ионного азотирования с целью повышения износостойкости поверхности деталей, изготовленных из аустенитных сталей, является актуальной задачей
Аустенитные стали относятся к трудноазотируемым, так как их поверхностные оксидные пленки препятствуют насыщению азотом и коэффициент диффузии азота в аустените меньше, чем в феррите. В связи с этим для удаления оксидных пленок при обычном азотировании необходима предварительная обработка поверхности стали или применение депассиваторов.
Обычное азотирование большинства аустенитных сталей проводят в аммиаке при 560-600 °С в течение 48-60 ч. Однако эти режимы не позволяют получить диффузионные слои толщиной более 0,12-0,15 мм, а на стали 45Х14Н14В2М (ЭИ69) невозможно получить толщину диффузионного слоя более 0,12 мм даже при азотировании в течение 100 ч. Повышение температуры азотирования в печи выше 700 °С приводит к более полной диссоциации аммиака и, вследствие этого, к понижению активности процесса.
Как правило, после обычного азотирования ухудшается коррозионная стойкость поверхностных слоев аустенитных сталей .
Ионное азотирование аустенитных сталей способствует увеличению коэффициента диффузии азота и не требует применения депассиваторов. При этом сокращается длительность процесса и улучшается качество получаемых азотированных слоев .
Однако ионное азотирование аустенитных сталей по ранее разработанным режимам не позволяло получать диффузионные слои большой толщины даже при длительных выдержках
На основании термодинамических расчетов и экспериментальных исследований был разработан режим ионного азотирования деталей из аустенитных сталей, позволяющий получать качественные глубокие износостойкие немагнитные коррозионно-стойкие диффузионные слои в сравнительно короткое время. Оксидные пленки удалялись с поверхности деталей в процессе химико-термической обработки .
Исследовали стандартные аустенитные стали 45Х14Н14В2М (ЭИ69), 12Х18Н10Т (ЭЯ1Т); 25Х18Н8В2 (ЭИ946) и опытные высокоазотистые, разработанные Институтом металловедения и технологии металлов Болгарской Академии наук - типа Х14АГ20Н8Ф2М (0,46% N), Х18АГ11Н7Ф (0,70% N), Х18АГ12Ф (0,88% N), Х18АГ20Н7Ф (1,09% N), Х18АГ20Ф (1,02% N), Х18АГ20Ф (2,00% N) .
Исследование структуры диффузионных слоев на сталях проводили с помощью металлографического, рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов. Установлено, что структурным критерием высокой износостойкости азотированных аустенитных сталей является наличие в диффузионном слое нитридов типа CrN. Анализ концентрационных кривых химических элементов, полученных с помощью микроанализаторов ISM-35 CF, Cameca MS-46, Camebax 23-APR-85 показал, что по сравнению с другими тяжелыми элементами хром наиболее скачкообразно распределяется по толщине слоя. В сердцевине образцов распределение хрома равномерное.
Неоднократное повторение экспериментов по исследованию распределения азота и хрома по толщине диффузионного слоя выявило синхронные скачкообразные изменения их концентраций. Кроме того, как показали послойные испытания на изнашивание, наибольшую износостойкость имеет микрозона диффузионного слоя с максимальным содержанием азота и хрома (табл. 1).
Таблица 1.
| h, мкм | Содержание химических элементов, % | 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 |
| * — остальное Fe Примечания: 1. Испытания на изнашивание проводили на машине «Шкода-Савин». 2. Относительную износостойкость определяли по отношению объёмов вытертых лунок на эталоне (стальной образец с твёрдостью 51 HRC) и исследуемом образце ε = V эт /V обр (относительная износостойкость сердцевины ε=0,08). |
|||||
Дальнейшее исследование структуры азотированных аустенитных сталей с помощью микрорентгеноспектрального анализа позволило установить, что в микрозонах диффузионных слоев с повышенным содержанием азота и хрома наблюдается пониженная концентрация углерода, никеля и железа (табл. 1).
Сравнительный анализ микроструктуры слоя и сердцевины азотированной стали 45Х14Н14В2М, снятой в характеристическом хромовом К α -излучении показал, что в диффузионном слое содержится больше скоплений «белых точек» - соединений хрома, чем в сердцевине.
Послойные измерения магнитной проницаемости с помощью магнетоскопа F 1.067 и определение содержания ферритной фазы на ферритометре МФ-10И показали, что разработанный способ ионного азотирования деталей из аустенитных сталей способствует получению немагнитных диффузионных слоев (табл. 2).
Таблица 2.
Было также установлено, что азотированные стали 45Х14Н14В2М и типа Х14АГ20Н8Ф2М имеют удовлетворительную коррозионную стойкость.
По новому технологическому процессу была обработана партия шестерен, изготовленных из стали 45Х14Н14В2М. Детали соответствовали техническим требованиям. Микро- и макроструктурный анализ подтвердил наличие у шестерен качественного равномерного диффузионного слоя толщиной 270 мкм.
После длительных промышленных испытаний видимых дефектов на шестернях не обнаружено. Дальнейший контроль показал соответствие геометрических размеров шестерен технологическим требованиям, а также отсутствие изнашивания рабочих поверхностей деталей, что было подтверждено микроструктурным анализом.
Заключение. Разработанный режим ионного азотирования деталей из аустенитных сталей позволяет сократить длительность процесса более чем в 5 раз, при этом толщина слоя увеличивается в 3 раза, а износостойкость слоя - в 2 раза по сравнению с аналогичными параметрами после обычного азотирования. Кроме того, снижается трудоемкость, повышается культура производства и улучшается экологическая обстановка.
Список литературы:
1.
Прогрессивные методы химико-термической обработки / Под ред. Г. Н. Дубинина, Я. Д. Когана. М.: Машиностроение, 1979. 184 с.
2.
Азотирование и карбонитрирование / Р. Чаттерджи-Фишер, Ф. В. Эйзелл, Р. Хоффман и др.: Пер. с нем. М.: Металлургия, 1990. 280 с.
3.
А. с. 1272740 СССР, МКИ С23С8/36.
4.
Банных О. А., Блинов В. М. Дисперсионно-твердеющие немагнитные ванадийсодержащие стали. М.: Наука, 1980. 192 с.
5.
Рашев Ц. В. Производство легированной стали. М.: Металлургия, 1981. 248 с.
Технологические возможности ионного азотирования в упрочнении изделий из конструкционных и инструментальных сталей
М. Н. Босяков, С. В. Бондаренко, Д.В.Жук, П.А.Матусевич
СП «Авиценна Интернешнл », Республика Беларусь, г. Минск,
Ул. Сурганова, 2а, 220012, тел. +375 17 2355002
Ионно-плазменное азотирование (ИПА) – метод химико-термической обработки изделий из стали и чугуна с большими технологическими возможностями, позволяющий получать диффузионные слои нужного состава путем использования разных газовых сред, т.е. процесс диффузионного насыщения управляем и может быть оптимизирован в зависимости от конкретных требований к глубине слоя и твердости поверхности. Температурный диапазон ионного азотирования шире, чем газового и находится в пределах 400-600 0 С. Обработка при температурах ниже 500 0 С особенно эффективна при упрочнении изделий из инструментальных легированных сталей для холодной обработки, быстрорежущих и мартенситно-стареющих сталей, т.к. значительно повышаются их эксплуатационные свойства при сохранении твердости сердцевины на уровне 55-60 HRC. Упрочняющей обработке методом ИПА подвергаются детали и инструменты практически всех отраслей промышленности (рис.1).
Рис. 1. Применение ионно-плазменного азотирования для упрочнения различных изделий
В результате ИПА можно улучшить следующие характеристики изделий: износостойкость, усталостную выносливость, антизадирные свойства, теплостойкость и коррозионную стойкость. В сравнении с широко используемыми способами упрочняющей химико-термической обработки стальных деталей, такими, как цементация, нитроцементация, цианирование и газовое азотирование в печах, метод ИПА имеет следующие основные преимущества:
- более высокая поверхностная твердость азотированных деталей; отсутствие деформации деталей после обработки и высокая чистота поверхности; повышение предела выносливости и увеличение износостойкости обработанных деталей; более низкая температура обработки, благодаря чему, в стали не происходит структурных превращений; возможность обработки глухих и сквозных отверстий; сохранение твердости азотированного слоя после нагрева до 600-650 С; возможность получения слоев заданного состава; возможность обработки изделий неограниченных размеров и форм; отсутствие загрязнения окружающей среды; повышение культуры производства; снижение себестоимости обработки в несколько раз.
- сокращение продолжительности обработки в 2–5 раз, как за счет снижения времени нагрева и охлаждения садки, так и за счет уменьшения времени изотермической выдержки; снижение хрупкости упрочненного слоя; сокращение расхода рабочих газов в 20–100 раз; сокращение расхода электроэнергии 1,5-3 раза; исключение операции депассивации; снижение деформации настолько, чтобы исключить финишную шлифовку; простота и надежность экранной защиты от азотирования неупрочняемых поверхностей; улучшение санитарно-гигиенических условий производства; полное соответствие технологии всем современным требованиям по охране окружающей среды.
- исключить деформации; увеличить ресурс работы азотированной поверхности в 2-5 раз.
|
|
Рис. 2. Распределение микротвердости по глубине азотированного слоя для трех образцов располагавшихся в разных местах садки.
а, в – шестерня массой 10,1 кг, 51 шт., ст – 40Х, модуль 4,5, выдержка 16 часов, Т= 530 0 С;
б, г – шестерня массой 45 кг, 11 шт., ст – 38ХН3МФА, модуль 3,25 (наружный венец)
и 7 мм (внутренний венец), выдержка 16 часов, Т=555 0 С.
Ионное азотирование – эффективный метод упрочняющей обработки деталей из легированных конструкционных сталей : шестерен, зубчатых венцов, вал-зубчатых шестерен, валов, прямозубых, конических и цилиндрических шестерен, муфт, валов-шестерен сложной геометрической конфигурации и др. Цементация, нитроцементация и ТВЧ-закалка оправдывают себя при изготовлении тяжелонагруженных деталей (зубчатые колеса, оси, валы и др.) низкой и средней точности, не требующих последующей шлифовки. Указанные виды термообработки экономически нецелесообразны при изготовлении средне- и низконагруженных высокоточных деталей, т.к. при данной обработке наблюдается значительное коробление и требуется последующая шлифовка. Соответственно, при шлифовке необходимо снимать значительную толщину упрочненного слоя. ИПА позволяет существенно снизить коробление и деформацию деталей при сохранении шероховатости поверхности в пределах Ra=0,63…1,2 мкм, что позволяет в подавляющем большинстве случаев использовать ИПА как финишную обработку. Применительно к станкостроению, ионное азотирование зубчатых колес в существенной мере снижает шумовые характеристики станков, тем самым, повышая их конкурентоспособность на рынке. ИПА наиболее эффективно при обработке крупносерийных однотипных деталей: шестерен, валов, осей, зубчатых валов, вал-зубчатых шестерен и др. Шестерни, подвергнутые плазменному азотированию, имеют лучшую стабильность размеров по сравнению с цементованными шестернями и могут использоваться без дополнительной обработки. При этом несущая способность боковой поверхности и прочность основания зуба, достигаемые с помощью плазменного азотирования, соответствуют цементованным шестерням (таб. 1).
Таблица 1
Характеристики сопротивления усталости сталей в зависимости от способов упрочнения зубчатых колес
| Тип стали | Вид обработки | Предел выносливости при изгибе, МПа | Предел контактной выносливости поверхности, МПа | Твердость боковой поверхности зубъев, HV |
| Легированные | Упрочнение | |||
| Улучшаемые (40Х, 40ХН, 40ХФА, 40ХН2МА, 40ХМФА, 38ХМ, 38ХН3МФА, 38Х2Н2МФА, 30Х2НМ и др.) | Азотирование | |||
| Нормализованные | Плазменная или индукционная закалка | |||
| Специальные азотируемые (38ХМЮА, 38Х2МЮА, 35ХЮА, 38ХВФЮА, 30Х3МФ и др.) | Азотирование | |||
| Легированные | Цементация и нитроцементация |
|
|
|
Рис. 3. Распределение микротвердости по глубине азотированного слоя для разных сталей
Оптимизация свойств упрочненного слоя определяется совокупностью характеристик основного материала (твердость сердцевины) и параметрами азотированного слоя. Характер нагрузки определяет глубину диффузионного слоя, тип и толщину нитридного слоя:
- износ – g’- или e-слой; динамическая нагрузка – ограниченная толщина нитридного слоя или вообще без нитридного слоя; коррозия – e-слой.
|
|
Рис. 4. Распределение микротвердости по глубине азотированного слоя стали 40Х
1, 3, 5 – одностадийный процесс;
2,4 – двухстадийный процесс по содержанию N 2 в рабочей смеси
1,2 – T =530 0 C , t =16 часов; 3 – T =560 0 C , t =16 часов;
4 – T =555 0 C , t =15 часов, 5 – T = 460 0 С, t = 16 часов
|
|
|
Рис. 5. Разброс микротвердости по глубине азотированного слоя
для стали 40Х (а) и 38ХНЗМФА (б) для серийных процессов.
Ионное азотирование широко известно и как один из эффективных методов повышения износостойкости режущего инструмента, изготовленного из быстрорежущих сталей марки Р6М5, Р18, Р6М5К5, Р12Ф4К5 и др. Азотирование повышает износостойкость инструмента и его теплостойкость. Азотированная поверхность инструмента, обладающая пониженным коэффициентом трения и улучшенными антифрикционными свойствами, обеспечивает более легкий отвод стружки, а также предотвращает ее налипание на режущие кромки и образование лунок износа, что дает возможность увеличить подачу и скорость резания. Оптимальной структурой азотированной быстрорежущей стали является высокоазотистый мартенсит, не содержащий избыточных нитридов. Указанная структура обеспечивается насыщением поверхности инструмента азотом при температуре 480-520 0 С в процессе кратковременного азотирования (до 1 часа). При этом формируется упрочненный слой глубиной 20-40 мкм с микротвердостью поверхности 1000-1200 HV0,5 при твердости сердцевины 800-900 HV (рис. 6) , а стойкость инструмента после ионного азотирования увеличивается в 2–8 раз в зависимости от его типа и вида обрабатываемого материала.
|
|
|
Рис. 6. Структура азотированного слоя стали Р6М5 (а) и распределение микротвердости по глубине слоя (б).
Главным достоинством ионного азотирования инструмента является возможность получения только диффузионного упрочненного слоя, либо слоя с монофазным нитридом Fe 4 N (’-фаза) на поверхности, в отличие от классического газового азотирования в аммиаке, где нитридный слой состоит из двух фаз - ’+, что является источником внутренних напряжений на границе раздела фаз и вызывает хрупкость и отслаивание упрочненного слоя при эксплуатации. Ионное азотирование является также одним из основных методов увеличения долговечности штампового инструмента и литьевой оснастки из сталей 5ХНМ, 4Х5МФС, 3Х2В8, 4Х5В2ФС, 4Х4ВМФС, 38Х2МЮА, Х12, Х12М, Х12Ф1. В результате ионного азотирования можно улучшить следующие характеристики изделий:
- Ковочные штампы для горячей штамповки и пресс-формы для литья металлов и сплавов – повышается износостойкость, уменьшается прилипание металла. Пресс-формы для литья алюминия под давлением – азотированный слой препятствует прилипанию металла в зоне подачи жидкой струи, и процесс заполнения формы является менее турбулентным, что увеличивает срок службы пресс-форм, а отливка получается более высокого качества.
Таблица 2.
Характеристики легированных сталей после ионно-плазменного азотирования.
| Марка стали | Твердость сердц е вины, | Температура процесса 0 С | Характеристики слоя | Тип реко-менду-емого слоя соеди-нений |
||
| Глубина, мм | тв-сть, HV 1 | Толщина слоя соед., |
||||
| Стали для горячей обработки |
||||||
| Стали для холодной обработки |
||||||
