CC BY
5Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 47
www.mai.ru/science/trudv/
УДК 539.3
Интенсификация процессов азотирования деталей авиационной
техники
И.С. Белашова, А.О. Шашков
Для азотируемых деталей авиационной техники, таких как листовые детали обшивки и внутреннего силового набора, раскатных обечаек, деталей крепежа и др. разработан новый метод низкотемпературного азотирования - в условиях термогазоцикла, заключающийся в периодическом чередовании циклов насыщения и рассасывания азотированного слоя при максимально возможном снижении насыщающей способности атмосферы. Предлагаемый новый метод термогазоциклического азотирования является эффективной, новой технологией упрочнения современных деталей аэрокосмической техники, позволяющей до 10 раз сократить расход насыщающего газа и выбросы в атмосферу, в 4-6,5 раз - время процесса, а также увеличить толщину диффузионного слоя в 2-6 раз без снижения его физико-механических характеристик. Предложен новый технологический параметр -длительность полуциклов, позволяющий просто с точки зрения реализации и эффективно регулировать фазовый состав и строение слоя с целью получения требуемых физико-механических характеристик упрочняемых деталей.
Ключевые слова: азотирование; термогазоцикл; длительность полуциклов; насыщение; рассасывание (деазотирование^
Введение
Конструкционные и функциональные материалы во многом определяют уровень летно-технических, весовых, экономических характеристик современной авиационной техники. С учетом особенностей эксплуатации авиационных материалов и предъявляемым требованиям по прочности, жесткости, трещиностойкости, сопротивлению коррозии, ресурсу, работоспособности в качестве основных конструкционных материалов для элементов планера выбирают высокопрочные стали, подвергаемые азотированию. При этом следует сказать, что путь получения новых материалов в основном исчерпан, и ожидать получения составов, которые могли бы значительно превосходить физико-химические свойства известных, не приходится. Усложнение легирования сплавов и связанное с этим увеличение содержания в них упрочняющих фаз приводит, с одной стороны, к повышению служебных характеристик сплавов, а с другой - к одновременному снижению их
технологической пластичности на различных стадиях производства, начиная от ковки и прокатки и кончая обработкой резанием и шлифовкой.
В связи с этим, в последнее десятилетие появилась тенденция повышать служебные характеристики материалов, обеспечивать их высокую надежность, экологическую защищенность и требуемый комплекс механических свойств за счет совершенствования существующих упрочняющих технологий.
. В силу того, что существующие базовые методы азотирования [2] не используют многих потенциальных возможностей для его интенсификации и повышения эффективности, предлагается новый метод низкотемпературного азотирования, позволяющий оптимизировать классический процесс и сократить расход аммиака от 2 до 10 раз, время азотирования в 4-6,5 раз при увеличении толщины диффузионного слоя в 2-6 раз без снижения физико-механических характеристик [1].
Методика исследований
Азотированию подвергалось армко-железо, являющееся модельным материалом для микроструктурного анализа, и малолегированная азотируемая сталь ХВГ, образцы из которой испытывались на износ. Стандартная обработка для сталей такого типа - это закалка и низкий отпуск, однако они могут также упрочняться и азотированием, поскольку этот вид химико-термической обработки позволяет повысить износостойкость и теплостойкость поверхности инструмента, которая ответственна за его эксплуатационные свойства.
Газоциклическое и термогазоциклическое азотирование проводили на экспериментальной установке [3], включающей систему контроля и поддержания температуры в рабочем объеме, систему газообеспечения, контроля расхода и степени диссоциации аммиака, очистки и сушки газа, а также два электромагнитных газовых клапана, управляемые с пульта контроля и регулирования технологическими параметрами, позволяющие проводить процессы в автоматическом режиме.
Определяющим фактором ускорения насыщения является коэффициент диффузии, который, как известно, зависит, в основном, от температуры и градиента концентраций [4]. Поэтому для ускорения процесса и возможности его регулирования предложен термоцикл вместо изотермической выдержки при обычном проточном азотировании.
Температурный интервал определялся в соответствии с диаграммой железо-азот, где имеются критические точки, разделяющие области с различным фазовым составом. Правильный выбор температурного интервала термоциклирования является важным условием при исследовании влияния газо - и термогазоциклических воздействий на процесс азотирования. Поэтому температурный интервал был выбран так, чтобы процесс насыщения
азотом (первая стадия цикла при азотировании) происходил ниже температуры эвтектоидного превращения по диаграмме состояния «железо-азот», т.е. при температурах ниже 591оС. При азотировании исследуемых образцов эта температура составляла 520оС. Затем было проведено деазотирование образцов (вторая стадия цикла), для чего отключалась подача аммиака, то есть давление аммиака в рабочем пространстве печи на некоторое время оставалось постоянным.
Верхняя граница термоциклирования при азотировании образцов составляла 620оС.
Степень диссоциации аммиака в каждом первом полуцикле контролировали через каждые 15-20 мин с помощью водяного диссоциометра. При температуре насыщения 520оС степень диссоциации аммиака составляла 25-30%, при температуре 620оС - 40-45%. На каждом втором полуцикле степень диссоциации возрастала и составляла 68-70% при 520оС и 94-98% - при 620оС.
Исследование микроструктуры после азотирования проводили на микроскопе «КеорЬо1;-21» с цифровой приставкой, а распределение азота по толщине азотированного слоя получали при сканировании на микрорентгеноспектральном анализаторе
Испытания на износ проводили на установке, моделирующей процесс резания. Путь трения равнялся 200 м.
Результаты исследований и их обсуждение
Технология термогазоциклического азотирования заключается в периодическом чередовании циклов насыщения при проточном азотировании и рассасывания азотированного слоя при максимально возможном снижении насыщающей способности атмосферы. При этом дополнительная интенсификация происходит за счет двухстадийности процесса - при газо-термоциклическом азотировании насыщение и рассасывание (деазотирование) происходят при разной температуре.
Такая технология обеспечивает эффективное регулирование фазового состава диффузионного слоя при помощи нового технологического параметра - длительности полуцикла - и приводит к сокращению расхода насыщающего газа за счет максимального использования каждой газовой порции на стадии насыщения. Кроме того, удовлетворяются требования экологии, предъявляемые к процессам химико-термической обработки, за счет сокращения вредных газовых выбросов в атмосферу.
При циклическом изменении температуры в слое идет также циклическое фазовое превращение, то есть переход из низкотемпературной области, т. е. ниже температуры эвтектоидного превращения (591оС), где существует азотистый перлит, в область
устойчивого аустенита, и наоборот. Это превращение сопровождается измельчением зерна в слое и соответственно большими диффузионными подвижками с одновременным существованием двух и более фаз с различными кристаллическими решетками и различными объемами; увеличением протяженности границ, а, следовательно, и увеличением доли граничной диффузии, которая проходит достаточно активно.
Для дополнительного ускорения процесса деазотирования использовался фактор изменения объема в сплавах железа с азотом при эвтектоидном превращении: и образование азотистого перлита, и процесс азотирования сопровождаются увеличением объема, т.е. термодинамически инициируют друг друга. Совокупность этих факторов и способствует ускорению процесса насыщения, приводит к увеличению интенсивности диффузии азота и увеличению толщины азотированного слоя.
Общее время циклического процесса азотирования равнялось 6 ч. Каждый цикл состоял из двух равных по времени полуциклов, при этом продолжительность каждого полуцикла составляла соответственно 0,5; 1; 1,5 и 3ч.
На первом полуцикле идет процесс насыщения поверхности азотом. При этом, как известно, интенсивно образуется нитридная зона, причем наиболее активно процесс идет, в соответствии с законом Фика и по результатам экспериментов, первые полчаса или час. Поэтому время полуциклов соответствовало только активным участкам насыщения.
На втором полуцикле (стадия рассасывания) из-за прекращения подачи аммиака происходит диссоциация азотированного слоя, так как азотный потенциал падает практически до нуля, а молекулярный азот пассивен по отношению к железу. Нитридная зона состоит из метастабильных фаз, в которых азот является активным и способным к диффузии. В результате создается высокий градиент концентраций на границе нитридной зоны и зоны внутреннего азотирования, и начинается выравнивание концентраций, т. е. отток азота идет преимущественно в глубь металла, ускоряя процесс формирования слоя. И такой цикл повторяется несколько раз. В результате азот «закачивается» в глубь металла. Многократное повторение таких циклов приводит к образованию более толстых диффузионных слоев при азотировании по сравнению с обычным азотированием при этих же температурах в непрерывном потоке аммиака.
Рост общей толщины азотированного слоя подчиняется параболической зависимости и, в общем, с уменьшением продолжительности полуциклов общая толщина слоя возрастает, причем, в основном, за счет зоны внутреннего азотирования (ЗВА) (рис.1). При увеличении длительности полуциклов толщина слоя уменьшается, что связано с активно проходящим процессом деазотирования на 2-ой стадии цикла.
При сравнении термогазоциклического и обычного азотирования наблюдается резкое увеличение общей толщины слоя, что хорошо прослеживается на микроструктурах (рис.2) по характерным иголкам у'-фазы. При этом общая глубина растет, в основном, за счет ЗВА, которая увеличивается примерно в 6 раз, а нитридная - в 2 раза по сравнению с обычным азотированием.
Об увеличении интенсивности процессов говорят и кривые распределения излучения от атомов азота (рис.3) - по мере удаления от поверхности содержание азота в слое увеличивается и достигает максимума, причем, в глубине слоя. Видно, что качественно характер распределения азота по толщине азотированного слоя в исследуемых образцах имеет одинаковый вид и характеризуется тем, что максимум содержания азота очень пологий и находится не на поверхности образцов, находящейся в контакте с насыщающей средой, а внутри нитридной зоны, то есть на некотором расстоянии от поверхности образцов. Кроме того, судя по величине интенсивности отражения линий, можно отметить, что, во-первых, толщина слоя с повышенным содержанием азота увеличивается при переходе от обычного азотирования к термогазоциклическому азотированию, и, во-вторых, интенсивность характеристического излучения, а, следовательно, и содержание азота в нитридной зоне после термогазоциклического азотирования заметно выше, чем после обычного азотирования.
На рис.4 сведены результаты расчета содержания азота по сканирующим кривым. Видно, что на поверхности образцов, находящейся в контакте с насыщающей атмосферой, содержание азота невысокое и составляет примерно 3,5-4,8%(по массе). По мере удаления от поверхности содержание азота в слое увеличивается и достигает максимума, причем после обычного азотирования процентное содержание азота возрастает максимально до 8,5%, а после газо-термоциклического азотирования - до 12%. Это указывает на то, что азотирование в условиях термогазоциклических воздействий идет более интенсивно. Кроме того, максимум содержания азота на кривой его распределения по толщине слоя очень пологий и сдвигается в глубь слоя при переходе от обычного азотирования к термогазоциклическому, что объясняется интенсивными процессами деазотирования (рассасывания) в глубь материала.
Измерения микротвердости показали: при термогазоциклическом азотировании, проходящим за 6,5 ч, можно получить такую же твердость поверхности, как при обычном азотировании, но только за 25-30 часов, т.е. время азотирования сокращается в 4-5раз.
Таким образом, изменяя всего один технологический параметр - длительность полуциклов, на поверхности упрочненного изделия можно получать слои различного
фазового состава при определенном сочетании процессов насыщения и рассасывания. Это дает возможность применять данный метод азотирования для регулируемых процессов, получать требуемые фазы на поверхности изделия в зависимости от конкретных условий его эксплуатации. Например, при термогазоциклировании сталей типа ХВГ на поверхности целесообразно получать одновременно твердую и пластичную у - фазу, а не хрупкую £ -фазу. В этом случае азотирование следует заканчивать стадией рассасывания, а не стадией насыщения. Номограммы износа образцов из сталей ХВГ после обычного азотирования, газоциклического и термогазоциклического азотирования приведены на рис.5.
Следует отметить, что при этом, как и при других испытаниях, минимальный износ наблюдается при термогазоциклическом азотировании, заканчивающегося стадией рассасывания, при котором длительность полуциклов составляет 0,5 ч. Износ образцов почти в 2,5 раза меньше, чем при обычном азотировании. Это можно объяснить образованием на поверхности при рассасывании более твердой, чем 8-фаза, у'-фазы.
Рис.1. Зависимость общей толщины азотированного слоя (нитридной зоны - 8- и у '-фаз, зоны внутреннего азотирования (ЗВА) и азотистого перлита-эвтектоида (а+ у')) от продолжительности полуциклов на стадии азотирования и деазотирования армко-
железа. Общая продолжительность процесса - 6,5 ч. Температура азотирования - 520оС, деазотирования - 620оС.
Рис.2. Микроструктуры диффузионных слоев на армко-железе: а- обычное азотирование, 520оС, в среде аммиака, 6ч; б- термогазоциклическое азотирование (температура насыщения - 520оС, деазотирования - 620оС). Продолжительность полуциклов - по 0,5 ч. Общая продолжительность процесса-6 ч, х100.
Рис.3. Распределение азота по толщине азотированного слоя армко-железа: а -обычное азотирование, 6ч; б - термогазоциклическое азотирование, 6,5 ч (температура насыщения - 520оС, деазотирования - 620оС, продолжительность полуциклов - по 0,5 ч).
о 5 10 15 20 25 30
Расстояние от поверхности}', мкм
Рис.4. Распределение азота по толщине азотированного слоя на армко-железе:
1 - обычное азотирование в проточном аммиаке, 6 ч;
2 - газоциклическое азотирование, 6,5 ч (температура насыщения и деазотирования 520оС, продолжительность полуциклов - по 1 ч); 3— газо-термоциклическое азотирование, 6,5 ч (температура насыщения - 520оС, деазотирования - 620оС, продолжительность полуциклов - по 0,5 ч).
2000
Рис.5. Номограммы износа образцов из стали ХВГ после обычного азотирования, газоциклического и термогазоциклического азотирования с длительностью полуциклов 0,5 ч (температура азотирования - 520оС, деазотирования (рассасывания) - 620оС) и завершающей стадией насыщения или рассасывания.
Выводы
1) Разработан новый метод азотирования, заключающийся в периодическом чередовании циклов насыщения при проточном азотировании и рассасывания азотированного слоя при максимально возможном снижении насыщающей способности атмосферы.
2) Метод термогазоциклического азотирования является эффективным новым методом упрочнения деталей авиационной техники, таких как листовые детали обшивки планера и внутреннего силового набора, раскатных обечаек, деталей крепежа и др. позволяющим сократить расход аммиака от 2 до 10 раз, время азотирования в 4-6,5 раз при увеличении толщины диффузионного слоя в 2-6 раз без снижения физико-механических характеристик [1], а также улучшить экологические аспекты процесса азотирования в проточном аммиаке.
3) Исследован новый технологический параметр - длительность полуциклов, позволяющий просто с точки зрения реализации и эффективно регулировать фазовый состав и строение слоя с целью получения требуемых физико-механических характеристик.
4) Установлено, что износостойкость стали ХВГ, упрочненной методом термогазоциклического азотирования, в 2,5 раза выше, чем у этой стали при классическом, проточном процессе.
Работа выполнена в рамках Государственных контрактов №14.740.11.0415. и №02.740.11.0790.
ЛИТЕРАТУРА
1. Белашова И.С., Шашков Д.П. Влияние термогазоциклических воздействий на процесс азотирования // Технология металлов. 2003. № 11. С.48 - 56.
2. Лахтин Ю.М., Коган Я. Д. Азотирование в тлеющем разряде. М.: Машиностроение, 1975. 215 с.: ил.
3. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д., Александров В.А. Новые системы контроля процесса азотирования // Металловедение и термическая обработка металлов. 1978. №4. С.47 - 52.
4. Белоус В.А., Носов Г.И. Ионное азотирование сталей в дуговом разряде низкого давления // Технология машиностроения. 2004. № 3. С.35 - 39.
Сведения об авторах.
Белашова Ирина Станиславовна, профессор Московского авиационного института (национального исследовательского университета),
E-mail: [email protected].
Тел. 8-903-555-27-91, (495) 456-84-94
Шашков Андрей Олегович,аспирант Московского авиационного института (национального исследовательского университета),
E-mail: [email protected].
