CC BY
66
КИНЕТИКА РОСТА ДИФФУЗИОННОГО СЛОЯ ПРИ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОМ СПОСОБЕ ИОННОГО АЗОТИРОВАНИЯ, ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ И УПРОЧНЕНИИ ДЕТАЛЕЙ
А.О. Шашков, И.С. Белашова, В.Н. Гадалов
Аннотация. Исследован новый метод низкотемпературного азотирования - в условиях термогазоцикла, заключающийся в периодическом чередовании циклов насыщения при проточном азотировании и рассасывания азотированного слоя при максимально возможном снижении насыщающей способности атмосферы. Предлагаемый новый метод эффективной, новой технологией упрочнения, позволяющей до 10 раз сократить расход насыщающего газа и выбросы в атмосферу, в 4-6,5 раз - время азотирования без снижения его физико-механических характеристик. Новый технологический параметр - длительность полуциклов, позволяет просто с точки зрения реализации регулировать фазовый состав и строение слоя с целью получения требуемых физико-механических характеристик.
Ключевые слова: азотирование, термогазоцикл,
длительность полуциклов, насыщение, рассасывание (деазотирование).
Конструкционные и функциональные материалы во многом определяют уровень характеристик современного авиа- и машиностроения. При этом следует ска-
зать, 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. Одной из таких широко применяемых технологий упрочнения является азотирование.
Процессы низкотемпературного азотирования, которые получили широкое распространение, так как после них не происходит разупрочнения сердцевины изделия и не нужна дополнительная термическая обработка, на сегодняшний день не используют всех потен-
циальных возможностей для повышения их эффективности, интенсификации и снижения себестоимости продукции[1]. В силу этого, 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.
Азотирование - процесс многофакторный, т.е. строение, состав и свойства получаемых слоев изменяются в широких пределах при изменении всего одного или двух технологических параметров.
Исследованный и предложенный в работах [2,3] процесс газо-термоциклического азотирования позволяет просто и эффективно, с точки зрения реализации и аппаратурного обеспечения, регулировать фазовый состав поверхностного слоя для получения тех или иных эксплуатационных характеристик. Г азо-
термоциклическое азотирование - это двухстадийное азотирование с изменением температуры на стадии насыщения и рассасывания.
На первой, активной стадии осуществляется азотирование в проточном аммиаке, а на второй - деазотирование, то есть диффузионный отжиг в среде почти полностью диссоциированного аммиака.
Определяющим фактором при насыщении является коэффициент диффузии, который, как известно, зависит в основном, от температуры и градиента концентраций. Поэтому для ускорения процесса нами предложен термоцикл вместо изотермической выдержки при обычном проточном азотировании.
На первом полуцикле процесса происходит азотирование в проточном аммиаке и идет процесс насыщения поверхности азотом. При этом, как известно, интенсивно образуется нитридная зона, причем наиболее активно процесс, в соответствии с законом Фика, идет первые полчаса или час процесса. Поэтому для интенсификации процесса время полуциклов соответствовало только активному времени насыщения и составляло 0,5 или 1 ч.
На втором полуцикле процесса (стадия рассасывания) из-за прекращения подачи аммиака происходит его полная диссоциация, то есть азотный потенциал падает практически до нуля.
Создается высокий градиент концентраций на границе нитридной зоны и ЗВА, начинается выравнивание концентраций, и отток азота идет преимущественно в глубь металла, ускоряя процесс формирования слоя.
Следует отметить, что в целом при термоциклировании характеристики зон при насыщении и рассасывании и их фазовый состав очень сильно зависят от регулируемого параметра - продолжительности полуциклов, и оба процесса протекают по одинаковым закономерностям. Поэтому закономерности образования того или иного фазового состава при газо-термоциклировании можно определить лишь из экспериментальных исследований.
Азотированные детали могут успешно работать в коррозионно-агрессивных средах, при этом следует учитывать, что коррозионной стойкостью обладает только беспористая е-фаза, представляющая собой твердый раствор азота на базе нитрида Ге2_3К, которую следует сформировать на поверхности.
Для определения кинетических закономерностей роста диффузионного слоя на армко - железе проводили газо - термоциклическое азотирование при температурах 520оС и 620оС, но при этом продолжительность полуциклов, связанных с насыщением поверхностного слоя образцов азотом, а затем с его рассасыванием, была разная и составляла по 0,5; 1; 1,5; 3 и 6 часов при общей продолжительности процесса 6 ч. Продолжительность полуциклов, то есть стадий насыщения и
рассасывания слоя, в цикле была одинаковой. При этом количество газовых циклов составляло соответственно 6; 3; 2;
1 и 0,5 (это обычное азотирование в проточном аммиаке).
Диффузионный слой, полученный в результате проточного азотирования, в процессе последующего деазотирования претерпевает существенные изменения, причем изменения происходят как в поверхностной нитридной зоне, так и в зоне внутреннего азотирования.
Диффузия азота при деазотировании имеет свои особенности. При непрерывном азотировании в проточном аммиаке, когда источником активного азота является атмосфера, диффузия азота происходит в одном направлении, то есть в глубь металла. При этом, как известно, активно формируется нитридная зона. При последующем отжиге в атмосфере практически полностью диссоциированного аммиака (деазотировании), когда прекращается его подача, процесса насыщения не происходит, так как молекулярный азот пассивен по отношению к железу. Таким образом, источником активного азота является сам азотированный слой. Начинается диффузия азота в двух направлениях от концентрационного максимума его в слое - в прямом, то есть по направлению в глубь металла, и в обратном - по направлению из металла.
8
Л 1/ у, мм
у, АШ V а
Расстояние от поверхности У’ мм
Рисунок 1 - Схема распределения концентрации азота по толщине азотированного слоя при последовательных этапах деазотирования
При анализе деазотирования следует учитывать также и изменения, происходящие в зоне нитридов и других высокоазотистых фаз. На пассивной стадии цикла протекают конкурирующие, то есть противоположно направленные диффузионные процессы, результаты которых проявляются в характере формирования диффузионного слоя на активной стадии (насыщения) цикла. Результаты деазотирования определяются температурой и временем выдержки на стадии рассасывания, а также сформировавшейся на первой стадии цикла структурой нитридной зоны.
На рисунке 1 схематически представлены отдельные этапы процесса деазотирования. На первом этапе диссоциирует £-фаза, а толщина сплошной зоны у'-фазы увеличивается. Затем и у'-фаза также диссоции-
рует, превращаясь в пористую структуру. При этом отмечается рост зоны внутреннего азотирования.
Рисунок 2 - Изменение фазового состава в азотированном слое после газоциклического азотирования при 620оС в зависимости от продолжительности полуцик-лов. Общая длительность насыщения - 6 ч
■S-
9 ъ
т : : X -фаза УІ : : :
і К + і
\г / К\у'-фа за
низкоазот &-фаза*
а> 0.3 высокоазс /0.5 1.0 т. £,-фазс /1.0 1,5 , ^ /1,5 3,1 L
* §4
§1Е
‘5|1
Длительность полуциклов Т, час
Рисунок 3 - Влияние длительности полуциклов на интенсивность излучения фаз азотированного слоя: температура насыщения - 520оС, деазотирования -620оС; общее время азотирования - 6 ч, завершающая стадия - рассасывание
На втором этапе происходит рассасывание зоны внутреннего азотирования. При достаточно длительных выдержках нитридная зона может полностью диссоциировать, и на поверхности образуется слой а-железа. В этом случае проводили дополнительное насыщение в течение получаса, при этом опять очень быстро на поверхности формировалась нитридная зона. о
При повышении температуры насыщения до 620оС процессы деазотирования на второй стадии процесса значительно интенсифицируются. Рост интенсивности отражений Ева при уменьшении интенсивности линий £- и у'-фаз свидетельствует о появлении в нитридной зоне а-железа в результате рассасывания нитридов (рисунок 2). При этом £-фаза на поверхности образцов полностью рассасывается за 1-1,5 ч и интенсивность отражения от этой линии близка к нулю. Это, естественно, приводит к ухудшению физико-механических свойств поверхности изделий и, в частности, к снижению коррозионной стойкости.
Поэтому заключительной стадией газового и газотермоциклического азотирования должно быть дополнительное азотирование. В нашем случае дополнительное азотирование проводилось в течение 0,5 ч.
Эксперименты показали, что толщина нитридной зоны после газо-термоциклического азотирования оказывается меньше, чем после обычного азотирования, причем увеличение длительности полуциклов приводит к снижению толщины нитридной зоны, вплоть до ее полного рассасывания при длительности полуцикла 3 ч.
а
вь сокоазот. Q-фаза
\
V
у!-фа за
/и ^— низкоазогг . *с,-фаза
г ОС -фаза
Длительность полуциклов Т, час
Рисунок 4 - Влияние длительности полуциклов на интенсивность излучения фаз азотированного слоя:
температура азотирования 520оС, деазотирования -620оС; общее время азотирования - 7 ч, завершающая стадия - насыщение в течение 1 ч
Данная закономерность прослеживается как для процессов, заканчивающихся стадией рассасывания, так и для процессов, заканчивающихся стадией насыщения. Отсюда можно сделать вывод, что при малых длительностях полуциклов насыщения и рассасывания процесс азотирования превалирует над процессом деазотирования, то есть нитридная зона не успевает рассасываться. При больших длительностях полуциклов, наоборот, процесс рассасывания протекает более интенсивно, чем процесс насыщения.
Этот вывод подтверждается также данными поверхностного рентгеноструктурного анализа.
Сравнивая графики на рисунке 3 и рисунке 4, можно проследить влияние дополнительного завершающего полуцикла насыщения на состав нитридной зоны.
Таким образом, для повышения коррозионной стойкости конструкционных сталей следует подвергнуть их газо-термоциклическому азотированию с температурами: насыщения - 520оС, рассасывания - 620оС; длительность полуциклов - по 0,5 ч; количество циклов - 7; последняя стадия - рассасывание в течение 0,5 ч.
Список использованных источников
1 Теория и технология азотирования/ Ю.М.Лахтин, Я.Д.Коган, Г.И.Шпис, З.Бемер. - М.: Металлургия, 1991.320 с.
2 Белашова, И.С. Влияние термогазоциклических воздействий на процесс азотирования / И. С. Белашова, Д.П. Шашков // Технология металлов. - 2003. - № 3. - С.48 - 56.
3 Белашова, И.С. Кинетика формирования диффузионного слоя при термогазоциклическом азотировании железа / И.С. Белашова, Д.П. Шашков // Сб.материалов Х международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред». Москва, 913 февраля 2004. - М., 2004. - С.26-32.
Информация об авторах
Шашков Андрей Олегович, аспирант Московского авиационного института.
Белашова Ирина Станиславна, доктор технических наук, профессор кафедры технологии конструкционных материалов Московского авиационного института (e-mail: irina455 @inbox. ru).
Гадалов Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет».
