газовое Азотирование в герметичных контейнерах

 

Крукович М.Г., Клочков Н.П., Савельева А.С.

(МГУПС, г. Москва, РФ)

Krukovich M.G., Klochkov N.P., Savelieva A.S.

(Moscow State University of Railways Transportation)

 

Разработан процесс газового азотирования, предназначенный для деталей и инструментов единичного и мелкосерийного производства. Проведено математическое планирование экспериментов.

The process of gas nitriding for hardening of details and instruments of single and small-scale production is developed. For forecasting of results of processing carrying out mathematical planning of experiments is recommended.

 

Ключевые слова: газовая среда, массоперенос, математическое планирование, азотирование, толщина слоя, твердость.

Key words: medium gaseous, mass transfer, mathematics modeling, nitriding, thickness of layers, hardness.

 

В ряде производственных процессов изготовления и ремонта деталей и инструментов при их единичном или мелкосерийном количестве, характерном для предприятий мелкого и среднего бизнеса, возникают вопросы повышения надежности и долговечности изготавливаемой и ремонтируемой техники. С одной стороны необходим заданный ресурс работы и последующий (лучше частый ремонт). С другой стороны, с целью повышения конкурентоспособности, целесообразно обеспечивать повышенную надежность и максимальную долговечность эксплуатации.

Для решения этой проблемы в настоящее время существуют методы химико-термической обработки, обеспечивающие повышение эксплуатационных свойств. К ним относят процессы цементации, нитроцементации, азотирования, борирования, хромирования и др. Однако из них только азотирование и борирование могут проводиться при низких температурах и могут быть отнесены к энерго – и ресурсосберегающим технологиям.

Процесс борирования, решая многие эксплуатационные вопросы по повышению износостойкости[1] [1], обеспечивает образование на упрочняемой поверхности сравнительно небольших по толщине износостойких слоев (0,05-0,15 мм). Получаемые боридные слои имеют высокую твердость (до 22000 МПа). Однако, резкий перепад твердости от слоя к сердцевине детали не позволяет в ряде случаев обеспечить желаемую надежность. При этом низкотемпературный процесс борирования является весьма продолжительным (25 – 35 ч).

Процесс газового азотирования традиционно проводится в интервале температур 500 – 6000С в течение 10 – 50 часов, обеспечивает достижение достаточной твердости (до 11000 МПа), износостойкости и запаса пластичности. Этот эффект обеспечивается на сталях даже не подвергнутых закалке. В то же время после предварительной закалки и высокого отпуска, которым подвергаются множество деталей и инструментов, обеспечивается более высокий комплекс эксплуатационных характеристик. Азотированные слои имеют плавное изменение твердости от поверхности к сердцевине, обеспечивают формирование сжимающих остаточных напряжений на поверхности детали и повышают усталостную прочность. 

Следует заметить, что для решения вопросов азотирования деталей единичного или мелкосерийного производства, для которого экономически неэффективно высокотехнологичное дорогостоящее оборудование, нет эффективных экологически чистых технологических газовых процессов, а также отсутствуют разработки по созданию простейшего оборудования.

Обычно при азотировании в случае достаточного количества атомов азота на поверхности происходит быстрое накопление адсорбированных атомов и образование сначала α - твердого раствора азота в железе, а затем и нитрида Fe4N. При недостаточном количестве атомов азота для образования Fe4N формируется слой только на основе α - твердого раствора с более высокой скоростью, чем при наличии слоя нитридов. При избыточном количестве атомов азота, превышающем необходимое количество для образования фазы Fe4N, образуется нитрид Fe2-3N и молекулярный азот в газообразном состоянии, который уходит с поверхности в насыщающее пространство. Образование такого молекулярного азота тормозит процесс насыщения, так как затрудняет электронный обмен между субионами среды и поверхностью и способствует образованию пористости на обрабатываемой поверхности [2].

Таким образом,  для получения α - твердого раствора азота в железе с максимальной скоростью необходимо избежать образования слоя нитридов на обрабатываемой поверхности

В данном исследовании проведена разработка технологии газового азотирования в герметичных контейнерах для деталей и инструментов мелкосерийного и единичного производства. Герметизация обеспечивается плавким затвором на основе песка (SiO2) и борного ангидрида (B2O3). Газовая насыщающая среда образуется в результате диссоциации солевой составляющей, находящейся в рабочем пространстве контейнера вместе с обрабатываемыми образцами.

С целью значительного уменьшения числа экспериментов и разработки модели процесса в работе применялось математическое планирование экспериментов.

Многими авторами отмечается, что максимальный эффект от азотирования обеспечивается после закалки и высокого отпуска деталей, т.е. прослеживается взаимосвязь предварительной термической обработки и твердости азотированного слоя. Это особенно характерно для деталей, изготовленных из хромистых сталей, так как в процессе высокого отпуска в структуре образуются кластеры с повышенным содержанием хрома в дисперсном виде. При азотировании в местах кластеров образуются нитриды хрома также в дисперсном виде, вызывая максимальные искажения кристаллической решетки и повышение твердости. Поэтому одним из факторов варьирования являлась температура предварительного высокого отпуска (Х4).

 Другими факторами варьирования являлись продолжительность обработки (Х1), температура обработки (Х2) и количество солевой составляющей (Х3) (Таблица 1). Параметром оптимизации являлась толщина азотированного слоя и твердость слоя на расстоянии 25 мкм от поверхности.

 

Таблица 1 - Условия проведения экспериментов

Факторы

варьирования

Время обработки, ч

Температура обработки, °С

Количество солевой составляющей, г

Температура отпуска, °С

Код

Х1

Х2

Х3

Х4

Основной уровень

4

540

36

560

Интервалы варьирования

2

30

24

30

Верхний уровень

6

570

60

590

Нижний уровень

2

510

12

530

 

В соответствии с уровнями варьирования влияющих факторов была составлена матрица планирования 24-1 (Таблица 2) в которую занесены и результаты экспериментов по толщине (у1) и твердости (у2) азотированного слоя. Эксперименты проводились на образцах стали 40Х, прошедших закалку и высокий отпуск. Толщина слоя определялась по распределению твердости в нем, которая плавно уменьшалась по мере удаления от поверхности (Рис. 1). За общую толщину слоя принималось расстояние от поверхности до места выравнивания твердости слоя и твердости сердцевины образцов.

 

Таблица 2 - Матрица планирования экспериментов 24-1

Номер опыта

Х0

Х1

Х2

Х3

Х4

у1, мм

у2, кгс/мм2

1

+

+

+

+

+

0,62

579

2

+

-

+

+

-

0,6

667

3

+

+

-

+

-

0,32

754

4

+

-

-

+

+

0,3

784

5

+

+

+

-

+

0,7

691

6

+

-

+

-

-

0,7

469

7

+

+

-

-

-

0,68

607

8

+

-

-

-

+

0,6

683

 

Проведенные эксперименты показали более высокую скорость формирования азотированного слоя, чем при других газовых процессах. Это объясняется отсутствием на поверхности тормозящего слоя нитридов значительной толщины, что и подтвердили металлографические исследования.

Коэффициенты регрессии линейного уравнения для каждого столбца вычислялись по формуле:

                                                                                      (1)

где iномер фактора варьирования;

yu – экспериментальные значения в u –том опыте (с 1 по 8);

N – число опытов, равное 8.

По результатам опытов матрицы планирования были вычислены коэффициенты регрессии линейного уравнения: b0 = 0,565; b1 = 0,15; b2 = 0,9; b3= -1,05; b4 = -0,1

Таким образом, после реализации получено следующее линейное уравнение регрессии для толщины слоя:

                              у1 = 0,565 + 0,15x1 + 0,9x2 - 1,05x3 - 0,1x4                       (2)

Наиболее значимыми факторами варьирования в данном случае являются количество солевой составляющей (х3), которое определяет азотный потенциал газовой среды, и температура обработки (х2), которая задает скорость диссоциации солевой составляющей и диффузионную подвижность азота в обрабатываемом материале. При этом повышение азотного потенциала приводит к снижению скорости роста α - слоя (на что указывает отрицательный знак в уравнении регрессии) за счет тормозящего влияния образующегося слоя нитридов. Некоторое снижение скорости роста слоя α – твердого раствора вызывает и повышение температуры предварительного отпуска (х4). Это связано с укрупнением структурных составляющих и стабилизацией структуры при более высокой температуре отпуска, которое сопровождается снижением количества вакансий и дислокаций.

Для определения конкретной толщины азотированного слоя при заданных условиях эксперимента значения факторов в это уравнение следует подставлять в кодированном масштабе, которые рассчитываются из соответствующих значений в натуральном масштабе для любых условий опыта по формуле:

                                ,                                                     (3)

где  Xi0 – натуральное значение фактора на основном уровне;

ΔXi – натуральное значение интервала варьирования;

Xi – натуральное значение фактора;

xi – кодовое значение фактора.

Например, при натуральных значениях факторов: X1=5ч; X2=550°С; X3=45г; X4=530°С; кодовые значения будут равны:

x1=0,5; x2=0,33; x3=0,375; x4=-1.

При данных условиях толщина слоя будет приблизительно равна:

.


Рисунок 1 - Характер распределения твердости в азотированном слое:

- температура обработки – 5100С; - продолжительность насыщения – 2 часа; - температура предварительного отпуска – 5900С; - количество солевой составляющей – 60 г

 

Твердость в данном случае на некотором расстоянии от поверхности может быть рассчитана по формуле:

     y = -4385,1x3 + 6461,5x2 - 2974,8x + 766,23                   (4)

Распределение твердости по толщине слоя имеет плавный характер с некоторыми особенностями в зависимости от количества солевой составляющей в объеме контейнера и температуры обработки. Эта закономерность имеет большое значение при расчете износостойкости по мере изнашивания азотированного слоя.

Линейное уравнение регрессии для твердости на поверхности имеет следующий вид:

                   у2 = 654,25+3,5x1-52,75x2+41,75x3+30x4                     (5)

Следует заметить, что максимальная твердость на поверхности обеспечивается при снижении температуры азотирования (х2). Этот результат полностью согласуется с результатами многих исследований (Рис. 2). На повышение твердости на поверхности в наибольшей степени влияет количество солевой составляющей (х3) и температура предварительного отпуска (х4). В первом случае за счет повышения азотного потенциала газовой среды, во втором – за счет образования дисперсных включений нитридов в слое с когерентной связью с твердым раствором.

Рисунок 2- Влияние температуры азотирования на твердость на обрабатываемой поверхности (сталь 40Х)

 

Было установлено, что при максимальном активировании газовой среды, т.е. при максимальном содержании солевой составляющей, в равных условиях образуется меньшая толщина азотированного α – слоя. Это связано с образованием на поверхности слоя нитридов, которые тормозят рост α – фазы. Факт торможения был установлен ранее [2] при различных процессах азотирования.

Таким образом, разработанная газовая технология обеспечивает получение качественных азотированных слоев со скоростью, превышающей скорость роста слоев при газовом азотировании в аммиачной среде. Она обладает высокой экологической безопасностью и может использоваться для обработки деталей и инструментов единичного и мелкосерийного производства предприятий малого и среднего бизнеса.

 

Список использованных источников

1.      Крукович, М.Г. Пластичность борированных слоев [Текст]/ М.Г. Крукович, Б.А. Прусаков, И.Г. Сизов  – М.: Физматлит, 2010. - 384 с.

2.      Kroukovitch M.G. Modeling of nitriding process. Nitriding technology. Theory and practice. Proceeding the 9th International Seminar. – Warsaw: IMP, Poland, 2003.



[1] Применение процесса борирования подробно рассмотрено в книге Круковича М.Г., Прусакова Б.А., Сизова И.Г. «Пластичность борированных слоев». Книга может быть выслана по почте. Стоимость книги без почтовых расходов составляет 1200 руб. E-mail: bormag@miit.ru