CC BY
414
Саблев Л.П., Шупаев В.М., Григорьев С.Н. Харьков: ННЦ «ХФТИ», 2005. 236 с.
5. Хороших В.М. Капельная фаза эрозии катода стационар -ной вакуумной дуги// Физическая инженерия поверхности. 2004. Т. 2. № 4. С. 200-213.
6. Аксенов А.И. Вакуумная дуга в эрозионных источниках плазмы. Харьков: ННЦ «ХФТИ», 2005. 212 с.
7. Аксёнов И.И., Падалка В.Г., Хороших В.М. Формирование
потоков металлической плазмы: Обзор. М.:
ЦНИИатоминформ, 1984. 84 с.
8. Сайт фирмы PLATIT: [http://www.platit.com], 07.06.2008.
9. Локтев Д. А. Наноструктурные покрытия высокопроизводительного инструмента // Сгружка. 2004. № 4(7). С. 12-17.
10. Исследование капельной фазы эрозии кагода стационарной вакуумной дуги / Аксенов И.И., Коновалов И.И., Кудрявцева Е.Е. идр. // ЖТФ. 1984. Т. 54. № 8. С. 1530-1533.
11. Марахтанов М.К., Марахтанов А.М. Эффект термоэлектронного вентиля и ритм катодного кратера в низковольтной вакуумной дуге с холодным катодом // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. В. 14.
12. Структура и особенности движения катодного пятна вакуумной дуги на протяженном титановом катоде / Духо-пельников Д.В., Жуков А.В., Кириллов Д.В., Марахтанов М.К. // Измерительная техника. 2005. № 10. C. 42-44.
Sablev L.P., Shulaev V.M., Grigoriev S.N. Khapkov: NNC "CPTI", 2005. P. 236.
5. Khoroshikh V.M. Drop phase of the cathode erosion of the stationary vacuum arc // Physical engineering of the surface. 2004. V. 2. № 4. P. 200-213.
6. Aksenov A.I. Vaccum arc in the erosion sources of plasma. Kharkov: NNC "CPTI", 2005. P. 212.
7. Aksenov I.I., Padalka V.G., Khoroshikh V.M. The formation of metal plasma stream: Review. M.: Central Research Institute atominform, 1984. P. 84.
8. Site of the firm PLATIT: [http://www/platit.com], 07.06.2008.
9. Loktev D.A. Nanostructural coatings of the highly-productive instrument // Chipping. 2004. № 4(7). P. 12-17.
10. Drop phase research of the cathode erosion of the stationary vacuum arc / Aksenov I.I., Konovalov I.I., Kudryavtseva E.E. and others // ZTF. 1984. V. 54. № 8. P. 1530-1533.
11. Marakhtanov M.K., Marakhtanov A.M. The effect of thermoe-lectronic valve and the rhythm of the cathode crater in the low voltage vacuum arc with a cold cathode // Letters to ZTF. 1998. V. 24. V. 14.
12. Structure and peculiarities of the cathode spot movement of the vacuum arc at the extensive titanic cathode / Dukhopel-nik D.B., Zhukov A.V., Kirillov D.B., Marakhtanov M.K. // Instrumentation technology. 2005. № 10. P. 42-44.
УДК 621.785.533
Цих С.Г., Гришин В.И., Лисицкий В.Н.
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ КАРБОНИТРАЦИИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ И ИНСТРУМЕНТА В МАШИНОСТРОЕНИИ
Карбоиитрация - высокоэффективная технология поверхностного упрочнения деталей машин, штампо-вой и прессовой оснастки различного назначения, режущего инструмента. Ее применение взамен газового азотирования позволяет многократно сократить длительность цикла обработки и повысить эксплуатационные свойства упрочняемых деталей.
История низкотемпературного процесса жидкостного азотирования берет начало с 30-х годов прошлого столетия, когда Д.А. Прокошкин [1,2] сообщил о технических возможностях жидкостного цианирования, его простоте и высокой эффективности. Впервые было отмечено, что поверхностное упрочнение при низкотемпературном процессе связано не с формированием мартенситных структур, как в случае высокотемпературного цианирования, а с образованием нитридов и карбонитридов, и сам процесс протекает в условиях, исключающих а ^ у превращение, как это имеет место при других видах поверхностного упрочнения (цементация, ни тр о цементация, высокотемпературное цианирование, поверхностная закалка). Поэтому локальные разогревы в месте контакта при трении, контактном нагружении не приводят к местному разупрочнению азотированных и карбонизированных слоев, чего нельзя избежать в случае мартенситных структур, получаемых при закалке. Это объясняет и предельно малые величины деформации и коробления деталей при низкотемпературном насыщении деталей азотом (газовое азотирование) и азотом и уг-
леродом (жидкостное азотирование, карбоиитрация).
Широкое освоение технологии низкотемпературного цианирования сдерживалось использованием в составе расплава высоко токсичных цианидов. В 50-х годах XX в. фирма «Дегусса» (ФРГ) внесла коррективы и предложила состав ванны, содержащий наряду с цианидами 50% цианатов щелочных металлов, и тем самым положила начало знаменитому «Тенифер» процессу - «мягкому азотированию». По сравнению с цианированием «ядовитость» процесса сократилась вдвое и он был принят на более чем 1000 машиностроительных предприятиях многих западных стран и Японии. Учитывая высокую эффективность технологии жидкостного азотирования в плане существенного повышения эксплуатационных свойств деталей, технологичность, экономичность и простоту процесса, в дальнейшем развитие технологии было направлено на поиск состава расплава на неядовитой основе.
В результате исследования химизма процесса низкотемпературного цианирования было установлено, что реакции в расплаве идут путем окисления:
2 КОК + 02 = 2 КОКО (1)
2 КОКО + 02 = К2003 + 2 N + ОО (2)
2 ОО = 002+ О (3)
с выделением атомов азота и углерода в результате
окисления цианата. Не сам цианид калия (КОК), а продукт его окисления - цианат калия (КОКО) - является поставщиком активных атомов азота и углеро-
да в рабочем расплаве. В отличие от цианида цианат калия - вещество неядовитое, пожаро- и взрывобезопасное, хорошо растворимое в воде, Именно цианаты представляют интерес и являются наиболее подходящими веществами для осуществления жидкостных процессов химико-термической обработки.
Задача, связанная с разработкой технологически приемлемой жидкой средой для низкотемпературного упрочнения металлических изделий, в середине 70-х годов была решена в МГТУ им. Н.Э. Баумана проф. Прокошкиным Д.А. [3]. Им была предложена и получила промышленное внедрение экологически безвредная технология, которую автор назвал «карбо-нитрация». Расплав на основе цианата калия (КОКО -75-85%) и поташа (К2ОО3 _ 15-25%) обладает высокой химической активностью, жрошей технологичностью, имеет низкую температуру плавления и при рабочих температурах процесса 550-580°С характеризуется высокой жидкотекучестью.
Впоследствии, на основе собственных разработок, появились подобные технологии в ФРГ (новый Тенифер-процесс ТБ 1), в США («Мелонайт»), в Японии («Мягкое азотирование»), во Франции («Сюрсульф») и др., где заложен тот главный принцип, который впервые был реализован в отечественном способе карбонитрации.
Сущность метода карбонитрации заключается в том, что детали машин из конструкционных, нержавеющих, теплостойких инструментальных и быстрорежущих сталей подвергают нагреву в расплаве солей при 540-600° С с выдержками 5-40 мин для режущего инструмента, а штампового инструмента и деталей машин - 1-6 ч в зависимости от требуемой толщины упрочненного слоя. Процесс карбонитрации прост в осуществлении, не требует сложного оборудования. Стоимость обработки в зависимости от размера деталей и компоновки садки не превышает 2-8% стоимости детали.
Применение карбонитрации для обработки деталей повышает усталостную прочность на 50-80%, резко увеличивает износостойкость по сравнению с цементацией, нитроцементацией, газовым азотированием, обеспечивает минимальные величины деформаций в пределах допуска чертежа. Технология применима для упрочнения деталей из любых марок сталей и чугуна, обеспечивает микронную точность деталей. Среди технологий низкотемпературного упрочнения карбонитра-ция в расплавах солей является наиболее экономичным процессом, т.к. сокращает длительность выдержки до 0,5-6 ч, вместо 10-60 ч при газовом азотировании. При этом практически отсутствует хрупкость карбонизированного слоя, характерная для длительных процессов газового азотирования. Процесс карбонитрации позволяет обеспечить высокую скорость нагрева, равномерность температуры в объеме ванны, в широких пределах регулировать скорость охлаждения и, как правило, является окончательной операцией технологического цикла изготовления деталей.
Карбонитрации углеродистых и низколегированных сталей перлитного класса
После карбонитрации углеродистых и низколегированных сталей на поверхности деталей образуется
диффузионный слой, состоящий из двух зон (рис. 1). Верхняя зона толщиной до 15 мкм по данным рентгено-струкгурного анализа представляет собой карбонитрид типа Ге3(НО) или оксикарбонитрид типа Ге3(НО,0) в зависимости от состава стали. Под карбонитридным слоем располагается гетерофазный слой, твердость которого значительно выше твердости сердцевины и плавно снижается от поверхности к основе. В табл. 1 приведены характеристики карбонитрированного слоя некоторых сталей.
Карбонитрация деталей, изготавливаемых из конструкционных сталей, обеспечивает высокие поверхностную твердость и сопротивление износу и может применяться без последующей механической обработки. Причем технология карбонитрации удобнее и экономичнее других методов химико-термической обработки. Это определяется особенностями технологии метода обработки и свойствами, приобретаемыми деталями в процессе насыщения совместно азотом и углеродом.
Испытание карбонитрированного слоя на износостойкость показывают наличие трех стадий. Первая стадия связана с приработкой и износом пористой верхней части карбонитрированного слоя (см. рис. 1) и занимает небольшое место в износе. Вторая характеризуется исключительно низкой скоростью износа карбонитридной фазы. Слой изнашивается без выкрашивания и сколов, что свидетельствует о его высокой пластичности и вязкости. Третья фаза относится к износу гетерофазного слоя. Здесь в массе феррита присутствуют дисперсные карбиды и нитриды железа и легирующих элементов, такая структура вообще характеризуется высоким сопротивлением износу.
Приведенные в табл. 2 данные износа стали 20 после цементации и карбонитрации показывает [3], что гетерофазный слой по сопротивлению износу оказывается близким к карбонитридному слою. Суммарная стойкость карбонитридного и гетерофазного слоев оказалась исключительно высокой и намного превос-ждит цементованный слой.
В условиях трения со смазкой скорость износа карбонитридного слэя в 20 раз меньше, чем цементованного, а при отсутствии смазки - в 30 с лишним раз меньше.
Износ гетерофазного слоя после карбонитрации в условиях смазки идет втрое быстрее, чем карбонитридного, но в 5 раз медленнее цементованного слоя.
Рис. 1. Структура стали 09Г2С после карбонитрации,
1=570°0, т=2 ч
Гетерофазный слой имеет дисперсную структуру с малым коэффициентом трения и в условиях трения со смазкой имеет существенные преимущества перед цементованным.
Наружный слой, состоящий из карбонитридной фазы, обладает исключительно высоким сопротивлением износу и намного превосходит цементованный слой.
В подтверждение сказанного ниже приводятся данные по износостойкости широко применяемой в автомобильной промышленности для шестерен стали 18ХГТ, упрочняемой методом цементации или нитроцементации [3]. Износостойкость определялась в системе вал-втулка. Образцы подвергались цементации 900°С, 4 ч, закалке с 860°С в масле + низкий отпуск 180° С, 2 чи карбонитрации 570°С, 2 ч после улучшения.
В условиях сухого трения и трения со смазкой нагрузки составляли 500 и 1000 Н при скорости скольжения соответственно 0,5 и 1,5 м/с. В условиях сухого трения износ карбонитрированной стали 18ХГТ составил 5,5 мг/км, а цементованной - 180 мг/км. В услэвияхтрения со смазкой цементованный слой показал равномер-ный износ как при сужм трении, так и при трении со смазкой, причем в обоих случаях с достаточно высокой скоростью. Для сталей 18ХГТ и 20 после карбонитрации скорость износа при трении со смазкой составила соответственно 0,15 и 0,24 мг/км пути, а после цементации соответственно 0,9 и 2,4 мг/км пути (в 6 и 10 раз выше).
Определение эффективности технологии упрочнения методом карбонитрации проводилось при сравнительных испытаниях замковой резьбы на износ при многократном свинчивании бурильных замков ЗЛ-152 на буровом стенде, укомплектованным буровой установкой «Уралмаш-4Э» с вышкой ВМ-52.
Перед испытанием с помощью переводников ниппель испытываемого замка соединяется со свечой длиной 36 м, составленной из стальных бурильных труб, а муфта - с трубой, опущенной в скважину и установленной на столе ротора на элеваторе.
Единичный цикл в испытаниях состоит из последовательного проведения следующих операций: установки наращиваемой бурильной свечи в муфту, свинчивания замковых деталей, развинчивания замкового соединения и подъема свечи.
Свинчивание и развинчивание замкового соединения производится автоматическим буровым ключом АКБ-3М крутящим моментом 1200 кгс*м.
Анализ приведенных на рис. 2 результатов показывает, что интенсивность изменения критерия степени износа резьбы «Н» у образцов № 3 и 5, упрочненных методом карбонитрации, примерно в 4 раза ниже, чем у серийно выпускаемых замков № 2 и 6, имеющих фосфатное покрытие резьбы. Это говорит о многократном повышении износостойкости резьбы с кар-бонитрированным слоем по сравнению с резьбой, обрабатываемой по серийной технологии.
Высокая эффективность процесса карбонитрации достигнута при упрочнении стали 10 (рычаг) и стали 09Г2С (шток) рулевого управления снегохода. Эти марки сталей в практике машиностроения никогда не подвергались поверхностному упрочнению. Усталостная прочность натурных деталей при испытаниях
превысила установленный техническими требованиями предел в 106 циклов. Стендовые циклические испытания рычагов рулевого управления снегожда из стали 10 в паре со штоком - труба со шлицами из стали 09Г2С - после упрочнения методом карбонитрации показали износостойкость, более чем в 2 раза превышающую износостойкость серийных деталей, подвергаемых газовому азотированию. За 205000 циклов испытания износ серийных деталей достигал 0,06 мм, а карбонитрированных не превышал 0,025 мм (рис. 3). Карбонитрацию стали 09Г2С предлагается использовать при изготовлении корпусов и пробок шаровых кранов взамен гальванического хромирования.
Карбонитрации нержавеющих сталей
Надежность и долговечность деталей из нержавеющих хромистых и аустенитных сталей, работающих в различных условиях эксплуатации, зависят не только от свойств основного металла, но и от состояния сравнительно тонких поверхностных слоев. В промышленности для повышения поверхностной твердости, изно-
Таблица 1
Режимы обработки и характеристики карбонитрированного слоя углеродистых и низколегированных сталей
Марка стали Твердость, Н100 Общая толщина слоя, мкм Толщина карбонит-ридного слоя, мкм
Сердце-вина Поверх- ность В ремя карбонитрации, ч
1 2 4 6 1 2 4 6
20 170 400-500 220 300 - - 5 9 14 -
45 190 400-550 190 250 - - 5 8 13 -
60 210 500-600 170 220 - - 3 6 10 -
У8 220 600-700 - - - - 2 5 8 -
У10 240 700-750
40Х 220 550-700 190 270 380 460 10 14 20 25
30ХГСА 220 700-900 180 260 360 450 9 13 17 20
40Х1НВА 260 700-900 160 240 340 410 8 12 15 18
38Х2МЮА 280 800-1200 150 220 320 360 8 12 15 18
18ХГТ 200 700-800 180 260 360 440 12 15 19 22
18Х2Н4ВА 250 700-900 160 220 310 390 9 13 16 19
Таблица 2
Износостойкость стали 20Х после цементации и карбонитрации
Методхимико -термической обработки Толщина Условия испытаний Скорость износа, мг/км пути трения
упроч- неного слоя, мкм Нагрузка, Н Скорость скольжения, м/с
Цементация 800 500 0,5 0,15/180
800 1000 1,5
Карбонитрация
Карбонитридный 14 500 0,5 0,007/5,5
слои 14 1000 1,5
Гетерофазный 270 500 0,5 0,025/150
слои 270 1000 1,5
Примечание. Указана скорость износа при трении со смазкой (числитель) и без смазки (знаменатель)
состоикости, задиростоикости, усталостной прочности этого класса конструкционных сталей применяют газовое азотирование. Но этот процесс, во-первых, слишком длительный, во-вторых, наблюдается деформация и коробление деталей, в-третьих, е-фаза, образующаяся при насыщении нержавеющих сталей азотом, оказывается очень хрупкой и её приждится удалять операцией шлифования. Сам технологический процесс газового
Количество свинчиваний Рис. 2. Сравнительные испытания на свинчивание бурильных замков ЗЛ-152 с фосфатированием и карбонитрацией резьбы:
2 и 6 - фосфатирование; 3 и 5 - карбонитрация 570°С, 2,5 и 5 ч соответственно
0.005
37000 205000
Число циклов испытания,N Рис. 3. Износостойкост рычага рулевого управления снегохода из стали 10 после карбонитрации (1) и серийного режима газового азотирования (2)
азотирования усложнжтся, так как приходится вводить в муфель депассиватор, устраняющий окисную пленку с поверхности нержавеющих сталей.
Процесс жидкостной карбонитрации нержавеющих сталей лишен указанных недостатков. Скорость насыщения в расплаве солей выше, чем в газовых средах, а одновременное насыщение азотом и углеродом позволяет получать на поверхности стальных изделий менее хрупкий карбонитридный слой, чем чисто нитридный. В результате отпадает необходимость последующей механической обработки, и, кроме того, карбонитридный слой существенно повышает износостойкость и снижает коэффициент трения поверхностных слоев контактирующих деталей.
При газовом азотировании упрочнение аустенитных сталей происходит за счет выделения нитридов типа Бе4Н а также Бе3К Микрострукгурные, рентгеноструктурные, рентгеноспекгральные исследования показали, что упрочняющей фазой при карбонитрации являются не указанные выше нитриды, а оксикарбонитридная фаза со сложной решеткой шпинели типа Бе304. Присутствие в карбонитрированном слое аустенитных сталей значительных количеств азота, углерода и кислорода являются основными причинами образования совершенно новых по структуре, фазовому, химическому составам и свойствам упрочненных слоев. Фазовый рент-генострукгурный анализ хромистых нержавеющих сталей типа 30X13, 14Х17Н2 после карбонитрации также обнаруживает на поверхности присутствие оксидной составляющей с решеткой шпинели и явно выраженную оксикарбонитридную фазу типа (Те,Сг)3 (ЪТ,С,0).
В настоящее время технология карбонитрации применяется для обработки серий промышленных партий деталей из сталей 20X13, 30x13, 40X13, ЭИ 961, 14X17Н2, 10Х18Н10Т, НН-3Б и др. На рис. 4 приведены значения коффициента трения аустенитной стали 10Х18Н10Т после закалки, карбонитрации и газового азотирования, где очевиден эффект и преимущество технологии жидкостной карбонитрации.
Карбонитрации подвергаются детали запорной арматуры энергетического, газо - и нефтедобывающего оборудования (штоки, шпиндели, золотники, в том числе с зубчатым приводом, оси, втулки, специальной конструкции гайки с обычной и трапецеидальной резьбой, пробки шаровых кранов и др.). Для специальных редукторов упрочнению подвергаются червяки, шестерни, рейки с модулем т до 6 мм. Технологические возможности печи-ванны (открытое зеркало расплава) позволяют обрабатывать длинномерные детали в подвешенном состоянии с двух сторон, переворачивая их и проводя требуемый режим для каждой стороны. Таким образом, нами обрабатываются зубчатые рейки и планки длиной до 2000 мм из стали 40X13 для оборудования химической установки.
Карбонитрация прессового, штампового и режущего инструмента
Вытяжные, гибочные штампы, накатной инструмент
При гибке или пластическом формообразовании листового металла из-за скольжения по поверхности штампа под высоким давлением возникает сильный
износ. Иногда проявляется явление сваривания: мелкие частицы металла прилипают к поверхности штампа, что приводит к браку изделий. Высокая износостойкость и низкий коэффициент трения структуры поверхности карбонитрированного слоя исключают это явление. Это относится не только к сталям, но и к цветным сплавам меди и аллюминия. Наиболее высокую стойкость в этих условиях показывают инструментальные стали с 12% хрома, инструментальные стали для горячей штамповки, а также быстрорежущие стали для калибровки.
По данным ЗАО «Кольчугцветмет» карбонитрация плавающих оправок из стали Р18 размером 3,4x4,6 мм для капиллярных труб обеспечивает 8-10-кратное повышение стойкости по сравнению с серийными оправками из стали У10 с покрытием гальваническим хромом.
Вырубные, штамповочные и прошивные штампы
Штампы этой группы, обработанные методом карбонитрации, отличаются высокой стойкостью режущей части, особенно при прошивке и штамповке мягких материалов. Наличие упрочнено го слоя на боковых поверхностях инструмента препятствует привариванию и налипанию частиц металла и благодаря низкому коэффициенту трения уменьшает само усилие отвода прошивного штампа.
В зависимости от вида и прочности обрабатываемого металла твердость сердцевины этого типа инструментов должна быть не ниже 50 НЯС и они должны изготавливаться из 12%-ных хромистых сталей или сталей для горячей штамповки, показывающих после карбонитрации лучшие результаты.
Штампы для деформации в горячем состоянии, прессовый и ковочный инструмент Вследствие высокой температурной нагрузки повышение стойкости у прессовых и ковочных штампов меньше, чем при прессовании выдавливанием. После 2-3-часовых режимов обработки стойкость после карбонитрации повышается на 50-300% в зависимости от обрабатываемыхмарок сталей или цветных сплавов.
Инструмент из теплопрочных сталей для деформации в горячем состоянии различных поковок, коленчатых валов, цапф, шатунов двигателей автомобилей и др. подвергаются улучшению на твердость сердцевины 42-50 НЯС, а затем карбонитрации. После износа в ряде случаев возможна повторная карбонитрация штампов.
Инструмент из быстрорежущей стали По сравнению с инструментом для штамповой оснастки у инструмента из быстрорежущей стали продолжительность карбонитрации сравнительно короткая - 5-40 мин, в основном не более 15-25 мин. За это время в пределах слоя толщиной несколько сотых миллиметра твердость режущей части повышается до 1000-1100 НУ, что способствует лучшему сходу стружки. Стойкость разверток, сверл, фрез различного назначения, прошивок, долбяков для зубчатых колес и др. возрастает в 1,5-3 раза. Причем гарантиро-
ванный успех достигается дополнительным оксидированием карбонитрированного инструмента в соляном расплаве при 300-400°С. Если быстрорежущий инструмент всесторонне перетачивается, то его можно повторно подвергать карбонитрации. У инструмента с затылованием или затыловочным шлифованием перетачивается только передняя поверхность, т.е. контур сохраняется, и в этом случае инструмент дополнительно не карбонитрируется.
Инструмент для литья под давлением Для литья под давлением жидких цинковых, магниевых и алюминиевых сплавов поршни, цилиндры, загрузочные втулки, сопла, распределительные детали и сердечники изготавливаются из сталей для горячей штамповки. После карбонитрации сопротивление вымыванию и прилипанию расплава увеличивается до 300%. Стойкость инструмента из стали типа 4Х5МФС для горячего прессования алюминиевых сплавов после карбонитрации повышается в 2-6 раз. Наличие на поверхности оксикарбонитридной зоны из-за низкого коэффициента трения позволяет избегать налипания выдавливаемого металла, что улучшает и качество поверхности изделия. После срабатывания оксикарбонитридной зоны инструмент может подвергаться многоразовой повторной карбонитрации (имеются сведения о более чем 10-кратном упрочнении пресс-шайб).
Пресс-формы и другой инструмент для производства пластмасс Пресс-формы, шнеки, цилиндры и другие детали для производства пластмассовых изделий изготавливаются из низколегированных среднеуглеродистых улучшаемых сталей типа 40Х и классического нит-раллоя 38Х2МЮА. Стойкость этих деталей после карбонитрации возрастает многократно. Повышается
0.6
0.5 к- 0,4
X
Ф
Ь П -5
=г
-8-
£0,2
о
0.1
о
0 5 10 15 20 25
Удельное давление. Р
Рис. 4. Изменение коэффициента трения стали 12Х18Н10Т в зависимости от удельного давления при контактном трении:
1 - закалка 1150° С; 2 - азотирование 620°С, 35 ч;
3 - карбонитрация 570°С, 12 ч
1
у
ГГ
1
[V •'В-*-*-*'1
3
не только стойкость к продавливанию и износу, но из-за высокой твердости поверхность может легко полироваться до глянцевого блеска, что обеспечивает качество и товарный вид пластмассовой поверхности. При температурах плавления пластмасс вплоть до 300°С карбонитрированный, равно как и азотированный, слой не разупрочняется. По коррозионной стойкости упрочненная поверхность сопоставима с гальваническим хромовым покрытием. Благодаря низкой температуре обработки и отсутствию структурных превращений изменение размеров и формы пресс-форм составляет несколько микрон.
Технология комбинированного упрочнения
Технология комбинированного упрочнения рекомендуется для изготовления и ремонта изношенных деталей путем предварительной наплавки и последующего упрочнения карбонитрацией, обеспечивает эксплуатационные характеристики восстановленных деталей на уровне не ниже свойств стальной детали без применения наплавки.
Технология включает в себя наплавку (аргонодуговую или лазерную) с последующей механической обработкой для восстановления геометрических размеров и упрочняющую обработку - карбонитрацию [6]. Чежв-ский завод энергетического машиностроения для деталей запорной арматуры тепловых и атомных станций использует технологию карбонитрации для упрочнения тарелок с наплавкой. Эффект повышения ресурса работы до 3 раз по сравнению с новыми запасными частями достигается в настоящее время при ремонте технологического оборудования на предприятии «Астраханьгаз-пром» и запорной арматуры Калининской АЭС.
Толщина наплавленного металла может колебаться в пределах от 0,5 до 10-15 мм (при многослойной наплавке). Толщина карбонитридного слоя в зависимости от материала наплавки и длительности выдержки достигает
0,5-0,6 мм, а твердость поверхности 600-1000 НУ.
При комбинированном упрочнении диффузионный слой на наплавке имеет более высокую твердость и толщину, в сравнении с карбонитрированным слоем стали, аналогичной по химическому составу наплавке.
Исследование эрозионного разрушения поверхности натурного штока после комбинированного упрочнения, в сравнении с упрочнением методом карбонитрации, показывает увеличение стойкости на 30-35%, на 10-15% повышается задиростойкость, а износостойкость - в 1,8-2,0 раза.
Для реализации технологии жидкостной карбонитрации разработано и изготавливается оборудование 5-ти типоразмеров, составляющее технологическую линию жидкостной карбонитрации (ТЛЖК) и позволяющее проводить упрочнение деталей длиной до 1200 мм и диаметром до 600 мм. В состав ТЛЖК в промышленном варианте входят: печь подогрева деталей , печь-ванна карбонитрации, ванны промывки, обезжиривания, оксидирования. На рис. 5 показана линия, эксплуатирующаяся на ремонтной базе ООО «Уренгойгазпром», где обрабатываются более 30 наименований деталей и режущий инструмент [6, 7].
На Центральной трубной базе ОАО «СУРГУТНЕФТЕГАЗ» для упрочнения замков бурильных труб (переводников) смонтирована и введена в эксплуатацию технологическая линия жидкостной карбонитрации высокой производительности для обработки 25000 деталей разных типоразмеров в год. В состав этой линии, занимающей площадь около 200 м2, помимо основных элементов оборудования включены очистная установка и установка для выпаривания промышленных стоков после промывки деталей для обеспечения высоких требований экологической безопасности. Образующаяся после выпаривания очищенная вода используется в качестве оборотной.
Для проведения карбонитрации и регенерации рабочей ванны отработан процесс синтеза слитков солей заданного химического состава, существенно упрощающей эксплуатацию в промышленных условиях.
Синтезирование слитков как для процесса карбонитрации (90% КСИО +10% К2С03), так и для регенерации ванны (96% КС1ЧО + 4% К2С03) проводится в отдельном тигле по разработанной нами технологии.
Синтезированный расплав соли для карбонитрации разливается в специальные формы. Полученные слитки, ввиду гигроскопичности, подвергаются вакуумной упаковке.
В совершенствовании технологии жидкостной карбонитрации представляет интерес так называемый НОК-процесс (низкотемпературное оксикарбонитри-рование), разработанный отечественными исследователями [9]. Позже аналогичный процесс, предложенный фирмой «Дегусса» (Германия), получил название ТШТТКУВЕ - QPQ. Эта технология, первоначально задуманная для улучшения товарного вида деталей, резко понижает коэффициент трения и по данным немецких исследователей [10] существенно повышает коррозионную стойкость деталей из сталей перлитного и мартенситного классов. При испытании в солевом тумане в растворе соли с перекисью водорода коррозионная стойкость деталей, обработанных по технологии QPQ, превосждит стойкость гальванического хромового покрытия.
Себестоимость обработки деталей по технологии QPQ на 40% меньше стоимости технологии нанесения гальванического покрытия.
QPQ-пpoцecc включает следующую последовательность операций: карбонитрация ^ охлаждение и выдержка в ванне оксидировния при 350-400°С в нитритно-щелочном расплаве ^ охлаждение на воздухе ^ промывка ^ полировка ^ оксидирование в расплаве ^ промывка.
Низкий коэффициент трения и высокая коррозионная стойкость сталей с оксикарбонитридным покрытием по технологии QPQ после проверки эксплуатационных свойств может рассматриваться в качестве процесса для поверхностного упрочнения деталей из низколегированных сталей перлитного класса и хромистых нержавеющих сталей и, в частности, как замена технологии гальванического хромирования для пробок шаровых кранов из стали 09Г2С и ряда других из делий.
Список литературы
1. Прокошкин Д.А. Химические и термические методы обработки стали. М.; Л.: ОНТП, 1938.
2. Прокошкин Д.А. Теория и практика цианирования быстрорежущих сталей. М.: ВНИИТОМ, 1940.
3. А.с. 576350 СССР, МКИ3 С22С27/ Прокошкин Д.А.
4. Прокошкин Д.А. Химико-термическая обработка метал -лов - карбонитрация. М.: Машиностроение; Металлургия, 1984, 240 с.
5. Супов А.В. Создание процесса карбонитрации // Металловедение. Термическая и химико-термическая обработка сплавов: Сб. науч. тр. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.
6. Разработка технологических процессов для карбонитрации крупногабаритных деталей / Цих С.Г., Щеглов М.Е., Гришин В.И., Лисицкий В.Н. // Металловедение. Термическая и химико-термическая обработка сплавов: Сб. науч. тр. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.
7. Разработка технологической линии жидкостной карбонитрации и процессов упрочнения запасных частей к основ -ному оборудованию и инструменту / Цих С.Г., Пласконь И.А., Гришин В.И., Лисицкий В.Н. // Обеспечение эффективного функционирования Уренгойского нефтегазодобывающего комплекса. М.: ООО «ИРЦГазпром», 2004.
8. Исследование закономерностей комбинированного уп-рочнения структуры поверхностного слоя стали 25Х1МФ / Цих С.Г., Щеглов М.Е., Гришин В.И., Лисицкий В.Н., Мурадов А.В. // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2002. № 3. С. 14-17.
9. Карбонитрация режущего инструмента в соляных ван -нах / Прокошкин Д.А., Супов А.В., Богомолов А.М., Кошен-ков В.Н. // МиТОМ. 1981. № 4.
10. Валь Г. Влияние режимов нитроцементации и последующего окисления на свойства деталей // МиТОМ. 1991. № 7.
List of literature
1. Prokoshkin D.A. Chemical and thermal methods of the steel treatment. M.: L.: ONTP, 1938.
2. Prokoshkin D.A. Theory and practice of the high-speed steel-cyanidation. M.: VNIITOM, 1940.
3. A.s.576350 USSR, MKI3 C22C27 / Prokoshkin D.A.
4. Prokoshkin D.A. Chemical and thermal methods of the steel treatment - carbonization. M.: Machine-building; Metallurgy, 1984. P. 240.
5. Supov A.V. Carbonization process formation // Adaptive m et-allurgy. Thermal and chemical and thermal alloy treatment: Collection of the scientific work. M.: MSTU named after N.E. Bauma, 2003.
6. Technological processes for carbonization of the large capacity parts / Tsikh S.G., Tscheglov M.E., Grishin V.I., Lisitsky V.N. // Adaptive metallurgy. Thermal and chemical and thermal alloy treatment: Collection of the scientific work. M.: MSTU named after N.E. Bauma, 2003.
7. Technological line of the liquid-column carbonization and strength processes of the spare parts for the main equipment and instrument / Tsikh S.G., Plaskol I.A., Grishin V.I., Lisitsky V.N. // Effective operation of Urengoysky oil-producing complex. M.: limited liability company "IRC Gasprom", 2004.
8. Regularity research of the combined strength of the surface coating structure in steel 25X1MF / Tsikh S.G., Tscheglov M.E., Grishin V.I., Lisitsky V.N, Muradov A.V. // The environment protection in the oil-producing complex. 2002. № 3. P. 14-17.
9. Carbonization of the cutting tool in the salt baths / Prokoshkin D.A., Supov A.V., Bogomolov A.M., Koshenkov V.N // MiTOM. 1981. № 4.
10. Val G. The impact of carbonitriding modes and further oxidation on the properties of the parts // MiTOM. 1991. № 7.
