CC BY
17УДК 621.787
ТЕХНОЛОГИЯ АЗОТИРОВАНИЯ СТАЛИ.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ.
Курганов А.В., студент группы 16Маш(м)ПИ, Оренбургский государственный университет, Оренбург
e-mail: andrei [email protected]
Юршева Н.В., студент группы 16Маш(м)ПИ, Оренбургский государственный университет, Оренбург
Научный руководитель: Юршев В.И., канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой материаловедения и технологии материалов, Оренбургский государственный университет, Оренбург
Одной из важнейших проблем современного машиностроения является совершенствование управляемости технологического процесса азотирования. Актуальность ее решения возрастает в связи с разработкой машинной техники нового поколения, ростом силовой напряженности всех деталей, включая элементы двигателей, несущих конструкций и других ответственных элементов. Азотирование в тлеющем разряде входит в группу технологических процессов, изменяющих свойства поверхностного слоя деталей машин, оснастки и инструмента и является одним из самых перспективных методов повышения износостойкости и упрочнения.
Ключевые слова: технологический процесс, азотирование, повышение износостойкости, упрочнение, ионное азотирование, термообработка, режимы азотирования, микроструктура, безводородное азотирование, диссоциация.
Целью работы является исследование технологии азотирования стали и нахождение в ней перспективных направлений.
При механической обработки изделий из металла всегда ищется компромисс между хорошей обрабатываемостью, что обуславливает применение не твердых и дешевых материалов и тем, что служебное назначение предопределяет необходимость в высоких значениях износостойкости, твердости, коррозионной стойкости и т.д., за исключением изготовления корпусных деталей. Ни одна из этих технологий по отдельности не находит универсального применения, поэтому на начало 1960 годов пришелся условный переход от модификации свойств объема металла к поверхностному упрочнению. Данный переход в основном связан с тем, что все детали изнашиваются по поверхности, так как, к примеру, усталостные трещины берут свое начало от поверхности, термостойкость, как и коррозионная стойкость детали тоже зависит от поверхности. В связи с увеличением требований к качеству изготавливаемых деталей и экономической эффективности процесса их изготовления становится актуальным применение ресурсосберегающих и регулируемых технологий упрочнения поверхности
Азотированию выделяют особую роль в машиностроение, так как поверхностный слой детали приобретает повышенную твердость, антикоррозионную защиту, а так же значительно возрастает выносливость и усталостная прочность. Азотированный слой металла стабильно сохраняет свои показатели при температуре до 600 °С, что дает широкий спектр применения ХТО для различных деталей, повышая эксплуатационный ресурс [1, 4].
Технология азотирования подразумевает в себе следующие этапы:
1) Подготовительная термообработка металла, которая состоит из закалки и высокого отпуска (режимы представлены в таблице 1). Внутренность изделия при этом становиться более вязкая и прочная. Закалка проходит при очень высокой температуре и заканчивается охлаждением в жидкости - масле или воде. Температурные условия отпуска составляют 600-700 °С. Микроструктура стали 38Х2Н2МА после термообработки представленная на рисунке 1;
Рисунок 1 - Микроструктура после термообработки стали 38Х2Н2МА
Таблица 1 - Режимы термообработки перед азотированием
Сталь Температура нагрева (°С) и среда Твердость НВ
При закалке При отпуске
38Х2МЮА 940, в масле или теплой воде 600-670, в масле или воде 302-341
30Х3МФ 880, в масле 580-620, на воздухе 285-321
18Х2Н4МА 850-870, в масле или на воздухе 530-550, на воздухе 302-341
11Х11Н2В2МФ 1000-1020, в масле или на воздухе 660-710, на воздухе 269-321
10Х11Н20Т3Р 1000, в масле 750, на воздухе 302-388
12Х13 1000-1050, в масле 600-670, в масле или воде 179-241
2) Механическая обработка заготовок, которая заканчивается шлифовкой. После этой процедуры деталь достигает нужных размеров;
3) Предохранительные меры для тех частей изделий, которые должны попасть под действие насыщения азотом. Для этого применяют простые составы вроде олова или жидкого стекла, наносимые слоем не более 0,015 мм путем электролиза;
Азотирование стали. Детали из металла помещают в герметично закрытый муфель, который затем устанавливается в печь для азотирования. В печи муфель с деталью нагревают до температуры, зависящей от обрабатываемого материала (режимы представлены в таблице 2), которая обычно находится в интервале 500-600°, а затем выдерживают некоторое время при таком температурном режиме;
Таблица 2 - Режимы азотирования стали
Сталь Температура нагрева, °С Продолжительность выдержки, ч Глубина слоя, мм Номинальная твердость поверхности НУ 100
Х12Ф1 510 25 0,15-0,20 900-1000
Х12Ф1 510 55 0,20-0,30 900-1000
7Х3 500-520 48-60 0,40-0,50 1000-1100
38Х2МЮА 510 для первой ступени 550 для второй ступени 15 25 0,50-0,60 850-1000
38Х2Н2МА 500-520 50-60 0,50-0,60 640-700
2) Финишное шлифование деталей до требуемого состояния.
При повышении температуры азотирования твердость формируемого слоя снижается, но процесс диффузии азота в структуру металла ускоряется. Снижение твердости поверхностного слоя металла при его азотировании происходит из-за коагуляции нитридов легирующих элементов, входящих в его состав (рис.2)
б, мм
а) б) в)
Рисунок 2 - Зависимость продолжительности формирования азотированного слоя одной и той же глубины от температуры нагрева (а) и влияния легирующих элементов на его глубину (б) и твердость (в)
Исследуемая технология реализуется в среде газа пониженного давления при воздействии на газовый промежуток электрического поля между анодом и катодом, в качестве которого используется поверхность объекта модификации, при этом активные элементы среды внедряются в поверхность, образуя в ней различные соединения и растворы
[5].
Отличительной чертой микроструктуры азотированного слоя после азотирования в тлеющем разряде (АТР-процесса) является наличие мелкодисперсной очень прочной ^-фазы (рис. 3). Благодаря наличию в слое этой фазы поверхностная твёрдость азотируемых деталей выше почти на НУ 200, чем при газовом азотировании [2].
Рисунок 3 - Микроструктура азотированного слоя стали 38ХМЮА, после АТР-процесса, х360
Если же сравнивать механические свойства азотируемого слоя, после газового азотирования и АТР-процесса, то кроме повышения твердости, представленной в таблице 3, можно наблюдать увеличение предела выносливости при изгибе примерно на 130 МПа и предела контакта выносливости поверхности в среднем на 300Мпа.
Таблица 3 - Твёрдость упрочненного слоя
Марка стали Вид обработки Характеристики слоя Температура процесса
Глубина, мм. Твердость, НУ
38ХМЮА Газовое азотирование 0,25-0,40 735-820 550-620
АТР-процесс 0,20-0,40 850-1100 520-570
Тем не менее, был и минус у АТР-процесса. Он заключался в том, что в технологии азотирования применялся водородосодержащий газ, а наличие водорода в тлеющем разряде приводило к охрупчиванию поверхности. Решением этой проблемы послужило использования «чистого» азота или азота с аргоном вместо аммиака. Данная технология получила название - безводородное азотирование в тлеющем разряде (БАТР-процесс).
БАТР-процесс не только свел водородное охрупчивание к нулю, но и по сравнение с АТР-процессом увеличил пластические свойства поверхности с минимальным разупрочнением основы, так же снизилось энергопотребление. Отказ от газов с содержанием водорода дал возможность корректировать качественные и количественные параметры режимов каждой отдельной стадии азотирования, что в свою очередь позволило влиять на структуру и кинематику формирования модифицированного поверхностного слоя. Если смотреть с точки зрения экологии, то отказ от аммиака делает процесс азотирования полностью экологически чистым, что актуально на сегодняшний день.
При испытаниях зубчатых колес, прошедших азотирование в безводородных газовых средах, было отмечено увеличение стойкости в 2-3раза, специальных подшипников качения - в 1,5 раза по сравнению с обычным азотированием в тлеющем разряде. При испытаниях деталей работающих в агрессивных средах износостойкость увеличилась в 3-5 раз. Если использовать БАТР-процесс для повышения износостойкости режущего инструмента из быстрорежущей стали (фрез, протяжек, свёрл, резцов и т.д.), то можно добиться повышения в 1,8-3 раза, в зависимости от режимов резания.
Таким образом, если выделить основные преимущества БАТР-процесса, то можно считать его перспективным методом азотирования.
Литература
1. Лахтин, Ю.М. Химико-термическая обработка металлов / Ю.М. Лахтин, Б.Н. Арзамасов. - М.: Металлургия, 1985. - 256 с.
2. Лахтин, Ю.М. Материаловедение: учебник для высших технических учебных заведений / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.
3. Лахтин, Ю.М. Теория и технология азотирования: монография / Ю.М. Лахтин, ЯД. Коган, Г. Шпис, З. Бемер. - М.: Металлургия, 1991. - 320 с.
4. Лахтин, Ю.М. Материаловедение: учебник / Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева.- 3-е изд., перераб. и доп. - Москва: Альянс, 2013. - 528 с.
5. Пастух, И.М. Теория и практика безводородного азотирования в тлеющем разряде ИМ. Пастух // Харьков: ННЦ ХФТИ, 2006. - 361 с.
