книги / Плазменная химико-термическая обработка

Борирование – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали бором при нагреве в соответствующей среде [6–8]. Оно преимущественно используется приупрочнении изделий, работающих на износ: пресс-форм, режущего инструмента и т.д. Насыщающая смесь при проведении данного процесса состоит из боросодержащих соединений (карбида бора, бора аморфного, борного ангидрида, окиси бора, диборана натрия и т.д.) и восстановителей (окись алюминия, фтористый алюминий, алюминий). Выбор процентного содержания составляющих компонентов смеси определяется параметрами требуемого модифицированного слоя. Температура процесса порядка 950–1000 °С, длительность процесса обычноравна2–6 часам. Глубинамодифицированногослоядостигает 0,15–0,2 мм, а поверхностная твердость составляет 1800–2000 HV. Увеличение температуры или длительности незначительно увеличиваетглубинуборированногослоя, ноповышаетегохрупкость[8].

Для повышения износостойкости применяют борохромирование, при котором в состав насыщающей смеси входит хром, титан, фтористый калий и карбид бора при следующем соотношении: хром 15–20 %, фтористый калий 4–5 %, титан 3–8 %, карбид бора остальное [9]. Данный метод повышает износостойкость модифицированного слояиснижаетхрупкостьборированногослоя.

Несмотря на достаточно широкое применение процесса борирования в промышленности, он обладает рядом недостатков, например модифицированный слой хрупок и имеет относительно крупное зерно, что негативно сказывается на износостойкости.

Алитирование – это процесс насыщения поверхности стали алюминием [10]. Алитирование проводится в смеси порошков ферроалюминия, Al2O3, хлористого аммония NH4Cl при температуре 950–1000 °С. Глубина алитированного слоя находится в пределах 0,2–0,5 мм и достигается за 3–16 ч. Жидкое алитирование проводится в расплавленном алюминии при температуре 750–800 °С. Глуби- наслоя0,2–0,35 ммдостигаетсязавремя45–90 мин.

Алитированию подвергают, как правило, детали, работающие при высоких температурах, к примеру топливники газогене-

11

раторных машин, чехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и др. Следует отметить, что недостатком данного процесса является низкая износостойкость модифицированного слоя.

Хромирование является химико-термическим процессом, обеспечивающим повышенную устойчивость стали к газовой коррозии в таких средах, как вода, азотная кислота и морская вода, при температурах вплоть до 800°С [11–13].

При хромировании технического железа образующийся диффузионный слой состоит из твердого раствора хрома в α-железе, а при хромировании стали – из карбидов хрома (Cr, Fe)7C3 или (Cr, Fe)28C6. Вследствие того что скорость диффузии углерода выше, чем хрома, при образовании в стали карбидного слоя используется лишь часть углерода, под образовавшимся карбидным слоем находится переходный слой с высокой концентрацией углерода. Образовавшийся при хромировании стали карбидный слой обладает высо-

койтвердостью 1200–1300 HV [11, 12].

Технологический процесс хромирования используют для упрочнения деталей, работающих на износ в агрессивных средах, а также для деталей паросилового оборудования, пароводяной арматуры, клапанов, вентилей, патрубков [13].

Среди методов комплексного насыщения поверхностных слоев несколькими элементами наиболее часто используются сульфоцианирование, сульфидирование и нитроцементация.

Сульфоцианирование – это диффузионное насыщение металла углеродом, азотом и серой [14]. В упрочненном сульфоцианированном слое образуются сложные химические соединения – карбиды, нитриды и сульфиды железа и легирующих элементов. У поверхности располагается тонкая (5–15 мкм) светлая зона сульфидов со степенью насыщенности ее серой 5% и более. Под ней расположена темная зона карбонитридов глубиной 50–100 мкм. Далее следует переходная зона с преимущественным преобладанием структур перлитно-ферритного типа.

В качестве насыщающихся сред применяются составы: 20–25 % NaCN, 25–50 % NaCl, 25-50% Na2CО3. Температура про-

12

цесса 930–950 °С обеспечивает получение слоя глубиной 0,5–2 мм, за время 2–6 ч [14].

Данный метод обработки используется для упрочнения деталей, работающих в условиях усиленного трения и недостаточной смазки, например фрикционных дисков. Одновременное насыщение углеродом и азотом повышает износо- и задиростойкость деталей, а также сопротивление усталости металла деталей при многократных циклических нагрузках.

Цианирование – диффузионное насыщение металла углеродом и азотом при температуре 560–950 °С в расплавленных солях, содержащих группу NaCN, по сравнению с цементацией, имеет следующие преимущества:

–для получения слоя заданной глубины требуется меньше времени;

–детали сложной формы при цианировании значительно меньше подвергаются деформациям и короблению;

–у деталей, подвергшихся цианированию, сопротивление износу и коррозии выше, чем у цементованных.

Недостатками данного процесса являются высокая стоимость цианистых солей, а также необходимость применения специальных мер по охране труда.

Нитроцементация – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температуре 550–950 °С в газовой смеси, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Рекомендуется использовать контролируемую эндотермическую атмосферу, к которой добавляют необработанный природный газ 1,5–5,5 об. % и аммиак 1–3,5 об. % [1, 15]. Продолжительность стадии изотермической выдержки составляет 8–10 ч. При газовой нитроцементации деталей из легированных сталей обеспечивается повышениетвердости, износостойкости, пределавыносливости.

При газовой нитроцементации деталей из легированных сталей различают высоко- и низкотемпературную нитроцементацию. Высокотемпературная нитроцементация проводится при температуре

13

830–950 °С, и после проведения нитроцементации необходимо осуществлятьзакалку ипоследующийнизкийотпускпри160–180 °С.

Низкотемпературной газовой нитроцементации обычно подвергается инструмент из быстрорежущей стали. Температура процесса составляет 550–570 °С, длительность – 0,1–3 ч. В результате низкотемпературной нитроцементации образуется слой глубиной 0,02–0,04 мм с твердостью 850–1500 HV.

Нитроцементация имеет следующие преимущества по сравнению с цементацией:

–более низкая температура процесса;

–высокая твердость слоя, обеспечивающая высокие эксплуатационные характеристики;

–деталиимеютповышенноесопротивлениеизносуикоррозии. Существенным недостатком процесса нитроцементации яв-

ляется ограниченность глубины упрочненного слоя – до 1 мм.

В промышленности также находит применение вакуумная и ионная цементация, отвечающие современным требованиям гибкой, интенсивной и энергосберегающей технологии [16].

Вакуумная цементация (ВЦ) существенно превосходит возможности традиционных газовых процессов. Как показано в работах [17–22], вакуумная цементация и нитроцементация гарантируют высокие эксплуатационные свойства диффузионных слоев, хорошую воспроизводимость результатов насыщения, оптимальное соотношение цены и качества обработки. Вакуумные процессы предотвращают вредные последствия внешнего и внутреннего окисления. Эти процессы обусловлены наличием в газовых атмосферах насыщающего газа, оксидов углерода, водорода, азота, паров воды и кислорода. Они могут идти вплоть до формирования оксидной сетки по границам зерен, обезуглероживания обрабатываемой поверхности [23, 24]. За счет кратного снижения расхода электроэнергии и технологических газов обеспечивается высокая экономическая эффективность термического производства, которая компенсирует более высокую стоимость вакуумного оборудо-

14

вания по сравнению с традиционным методом [20]. Так, затраты на проведение вакуумной цементации (при 920 °С) на эффективную глубину слоя, равную 1,0 мм, снижаются по сравнению с газовой цементацией (при 920 °С) на 14 %. Если же вакуумную цементацию проводить при 1000 °С, то затраты снизятся еще больше – на 28 %. При получении слоев эффективной толщиной до 2,0 мм затраты могут снизиться на 40 % [25]. К достоинствам вакуумной цементации необходимо отнести высокую культуру производства

иотсутствие загрязнения окружающей среды [23]. Вакуумная цементация в ацетилене, активно диссоциирующем на поверхности стальной детали уже при 900–960 °С, обеспечивает высокую равномерность насыщения даже в глубоких отверстиях. Вакуумные процессы характеризуются ускорением процесса обработки по сравнению с газовыми. При получении диффузионного слоя эффективной толщиной более 0,5 мм временные затраты сокращаются на 60 %. Эти факторы, а также производство совершенных вакуумных печей, оснащенных системой малодеформационной газовой закалки, способствуют расширенному применению рассматриваемого процесса [23, 24–27].

Для реализации процессов вакуумной цементации созданы специальные вакуумные установки (печи), имеющие водоохлаждаемые стенки, тепловую изоляцию, нагревательные элементы

исистему для размещения садки обрабатываемых деталей. Камеры являются оборудованием высокого давления, поскольку, помимо вакуумной цементации, впоследствии осуществляется закалка деталей в потоке азота или гелия при высоком давлении – 6–10 атмосфер. В качестве рабочих газов используются ацетилен, этилен, водород, аммиак.

Для обеспечения необходимого рабочего давления в камере используется двухступенчатая насосная система, состоящая из последовательно соединенных форвакуумного и двухроторного насосов, особенностью которой является высокая скорость откачки в диапазоне давлений проведения процесса вакуумной це-

15

ментации или нитроцементации. Расход рабочих газов для печи 10.0VPT 1020/24N с объемом вакуумной камеры 1,7 м3 составляет 360–1800 л/ч [28]. В течение общего времени насыщения стадии активного насыщения и диффузионного выравнивания, когда подача науглероживающего газа отсутствует, чередуются.

Таким образом, технологические возможности вакуумной цементации практически реализуются при поддержании на постоянном уровне таких технологических факторов, как температура, давление и расход насыщающей среды, при варьировании циклического режима подачи насыщающей среды. В пределах общего времени насыщения временной режим циклической подачи газа можно изменять в широком диапазоне. Как следствие, реализуется возможность управления протяженностью и строением карбидной фазы диффузионного слоя.

Ионная цементация (ИЦ) отвечает современным требованиям гибкой, интенсивной и энергосберегающей технологии. Процесс практически подобен ионному азотированию, с той лишь разницей, что температурный диапазон цементации 920–950 °С, а в качестве активной среды используется углеродсодержащая газовая смесь (СН4 + Аr + Н2) [29, 30].

Между катодом и анодом от специального источника электропитания прикладывают постоянное или пульсирующее напряжение (400–800 В), которое возбуждает тлеющий разряд, ионизирующий газовую среду. Положительные ионы, разгоняясь в прикатодной области, бомбардируют поверхность деталей, очищают ее (за счет катодного распыления) от оксидов и возможных загрязнений и поставляют насыщаемый элемент. Тлеющий разряд в 3–5 раз ускоряет внешний массоперенос, формирует высокий углеродный потенциал у поверхности и, как следствие, высокий градиент концентрации углерода в приповерхностных слоях.

В результате ускоряется и диффузионный массоперенос; время насыщения при температуре процесса 920–950 °С для получения слоев глубиной 1,0–1,5 мм сокращается до 2–3 ч.

16

Помимо указанных, ионная цементация имеет и другие преимущества:

1)высокую равномерность науглероживания и, как следствие, уменьшение деформации деталей;

2)гибкость управления составом газовой среды и электрическими параметрами процесса, которые обеспечивают ее науглероживающую способность;

3)отсутствие внешнего и внутреннего окисления;

4)возможность замены специальных покрытий, в том числе медных, для защиты отдельных поверхностей от науглероживания путем установки защитных экранов (втулок, пробок и т.п.);

5)возможность обработки коррозионностойких сталей типа 20X13 за счет удаления оксидной пленки на начальной стадии процесса катодным распылением;

6)снижение до 80 % расхода газового карбюризатора и до 50 % потребления электроэнергии.

Одним из наиболее широко используемых методов низкотемпературного диффузионного насыщения поверхности металлов в настоящее время является насыщение азотом – азотирование [1, 31–35]. При этом существенным преимуществом азотирования по сравнению с цементацией является то, что диффузия азота в сталь происходит при температуре, которая соответствует температурам отпуска для улучшаемых и инструментальных сталей. Как результат, структурные превращения, а также связанные

сними коробление, изменение геометрических размеров при азотировании существенно ниже, чем при других методах поверхностного модифицирования. Кроме того, после азотирования, как правило, не требуется дополнительная обработка.

Процессы азотирования классифицируют по следующим признакам (рис. 1.1) [31]:

– механизм образования насыщающих атомов;

– технологические признаки;

– фазовый состав и свойства;

– температура проведения и материалы.

17

18

Рис. 1.1. Классификация процессов азотирования

18

По агрегатному состоянию азота (насыщающих сред) в исходном состоянии методы азотирования подразделяется:

–на жидкостные способы, реализуемые в расплаве солей: карбонитрирование (цианирование);

–методы с использованием азотосодержащих газообразных сред: газовое азотирование;

–способы, основанные на применении ионизированного газа, образующегося в плазме тлеющего разряда: азотирование и нитроцементация [1, 31–37].

При классификации по технологическим принципам каждому методу азотирования соответствуют определенные способы проведения процесса и тип насыщающих сред: газовые, расплавы солей, тлеющий разряд.

Классификация по фазовому составу включает в себя существующие типы азотированных слоев, в перечень которых входят

иструктуры азотистого мартенсита, получаемого после закалки азотированного слоя или нитрозакалки.

Азотирование, обеспечивающее получение композиционного слоя, состоит из «нитридной зоны» и зоны «внутреннего азотирования». Нитридная зона состоит из ε- и γ'-фазы. Зона внутреннего азотирования – это диффузионный подслой, состоящий из α-фазы, избыточной γ'-фазы, специальных нитридов и карбидов (карбонитридов). Антикоррозионное азотирование – это создание беспористой, плотной поверхностной нитридной зоны, состоящей из ε-фазы или оксикарбонитридной зоны.

Классификация технологии получения диффузионных слоев азотированием по температуре предполагает высокотемпера-

турное (ВТА), среднетемпературное (СТА) и низкотемпера-

турное (НТА) азотирование.

При газовом азотировании для заданной газовой атмосферы в печи температурный режим определяет состав и структуру по-

лучаемого слоя. Так, при «низких» температурах (t < А1) в системе железо–азот образуется поверхностный слой внутреннего азотирования. Он состоит из металлической матрицы, обогащенной

19

азотом, γ'-нитридными выделениями или нитридами легирующих элементов. В большинстве случаев поверхностная нитридная зона представляет собой ε- и γ'-нитриды железа.

При среднетемпературном и высокотемпературном азотировании (t > А1 в системе железо–азот) под нитридным слоем образуется аустенитная прослойка. После изотермической выдержки в процессе охлаждения аустенит переходит в мартенсит или продукты эвтектоидного превращения (браунит), а также смесь этих структур с аустенитом.

Требуемые характеристики азотированных слоев, в первую очередь глубина упрочненного слоя, его твердость и износостойкость, определяются комбинациями параметров технологического процесса. Основными такими параметрами являются: температура, время, давление и состав насыщающей среды.

В настоящее время в промышленности наибольшее распро-

странение получили газовое, жидкостное и ионное (ионно-плаз- менное) азотирование.

При газовом азотировании в качестве азотсодержащего соединения обычно применяют аммиак. При его диссоциации образуется азот в атомарном состоянии, который вскоре переходит в молекулярное состояние и теряет свою активность. Поэтому интенсивное протеканиеазотированиявозможнолишьвтомслучае, еслидиссоциация аммиака происходит в непосредственной близости от азотируемой поверхности либо непосредственно на поверхности детали. Степень диссоциации аммиака зависит от температуры в печи, давления, скорости протекания аммиака через печь и площади поверхности азотируемыхдеталейимуфеляпечи, состоянияповерхностимуфеля.

При данной температуре в муфеле печи должна поддерживаться определенная степень диссоциации аммиака, от которой зависит количество поглощаемого сталью азота. Если степень диссоциации аммиака невелика, то поглощение азота поверхностью обрабатываемых изделий снижается вследствие недостаточного количества атомарного азота, контактирующего с поверхностью стали. А при высокой степени диссоциации аммиа-

20