Главная


Азотирование и карбонитрирование




Листать книгу
Листать
Страницы: 1 ... 22 ... 66 ... 110 ... 139
44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87


скачать книгу Азотирование и карбонитрирование




.< Однако изменение кинетики роста может быть вызвано и неболь-шими добавками других газовых компонентов. На рис. 61, б
...
Вместо технически чистого азота можно, разумеется, исполь­зовать и квазинейтральный генераторный газ, например состоящий из 95 % Ы2 и 5 % (СО + Н,). Относительно доли обогащенных азотом газовых добавок в исходной смеси приводятся различные данные. Она колеблется в пределах 25 - 80 %. Азотирование и карбонитри-рование с успехом проводились в этом широком интервале содер­жаний.
...
К газовым добавкам при азотировании также относят чистый во­дород, часто используемый в лабораторных установках для полу­чения заданного уровня потенциала азотирования аммиачно-водо-родных газовых смесей. При этом азотирование проводят, как пра­вило, при столь высоких значениях расхода газовой смеси, что до-
...
•полнительной диссоциацией аммиака в лабораторной печи можно ^пренебречь. Для заводских условий этот путь является неприемле­мым,
...
Об ускоряющем влиянии кислорода на скорость роста слоя сое­динений уже говорилось ранее (рис. 64). Кислород, соединяясь с водородом и образуя воду, понижает парциальное давление водо­рода и тем самым повышает потенциал азотирования. При этом не­существенно, протекает ли эта реакция на поверхности садки или в атмосфере печи. Все же важно, чтобы максимальное отношение Н20 к Н2 не превышало 0,6 при 500 °С и 0,3 при 575 °С, так как в про­тивном случае окисляется железо и тормозится азотирование. Это ограничение по содержанию Н20 определяет пределы вводимых добавок кислорода. Последнее ограничение является зависимым не только от температуры, но и от содержания Н2 в атмосфере пе­чи, а тем самым и от степени диссоциации аммиака.
...
ставлять ~ 1 - 4 %. На рис. 65 сопоставлены скорости роста слоя соеДинении в случае азотирования в специализированной печи с
...
Добавку кислорода можно осуществить в виде воздуха (рис. 66, см также рис. 61, б). Согласно данным рис. 66, влияние кислорода на эффект азотирования уже нельзя объяснить только лишь соеди­нением водорода с кислородом и соответственно с теоретическим повышением потенциала азотирования. Результаты, приведенные на рис. 66, скорее свидетельствуют о понижении энергии активации на этапе, определяющем скорость роста нитридного слоя, причем, как предполагают, кислород становится активным непосредствен­но на поверхности садки. На основании того факта, что при больших добавках воздуха толщина слоя соединений уже не зависит от ве­личины этих добавок, напрашивается вывод, что в подобной ситуа­ции определяющим становится некоторый фактор, не зависящий от содержания кислорода в атмосфере печи, например диффузия азота в нитридном слое.
...
Присутствие кислорода в азотирующей или карбонитрирующей атмосфере приводит к его внедрению в слой соединений. Точно так же можно предположить наличие влияния кислорода на условия об­разования нитридов и скорость их роста на поверхности садки. Нечто подобное известно по карбонитрированию в расплавах солей. Добавки минимальных количеств водяного пара в аммиак уже при­водят к существенному насыщению слоя соединений кислородом (рис. 67).
...
Рис. 65. Зависимость толщины слоя соединений в некоторых улучшаемых сталях от
...
введены результаты анализа карбонитрирующей атмосферы с обавкой С02. На рис. 69, а показаны зависимости потенциала азо-ивования N и активности углерода С от состава исходной смеси аммиака и углекислого газа. Показано, что гомогенная реакция во­дяного пара
...
Следствием обоих факторов является предпочтительное и уско­ренное образование е-(оксикарбо)нитридов. На рис. 69, б
...
вуют данные рис. 70, полученные для смеси 14 % С02 и 86 % Ы2. При этом для развития процесса карбонитрирования безразлично, полу­чают ли смесь из баллонных газов либо применяют соответствую­щий генераторный газ или осушенные отходящие продукты горения. Если считать, что гомогенная реакция водяного пара достаточно ак­тивна (практика во многих случаях подтверждает это предположе­ние), то при использовании добавки в виде смеси углекислого газа с азотом повышение потенциала азотирования, как и следовало ожидать, оказывается не столь четко выраженным, зато активность углерода достигает более высоких значений.
...
Помимо газовых смесей, составленных только из Ы2 и С02, на практике также часто применяют экзогаз, в котором СО и Н2
...
73. Кинетика роста слоя соединений ^„-пользовании в качестве исходной ПР«рси аммиака и эндогаза [19, 29] вотирование при 570Х. состав ' тмосферы: 50 % + 50 % эндогаза): о -сталь С15; • - сталь Ск15; ■ - сталь 42СгМо4
...
этих результатов возможно лишь с ограничениями. Тем не менее на основе приведенных данных, несмотря на очевидное различие содержания С и О, можно сделать вывод, что при карбонитрирова-нии с использованием эндогаза в слое соединений помимо большо­го количества углерода содержится и значительная доля кислорода.
...
Рост толщины слоя соединений в случае карбонитрирующей ат­мосферы, состоящей из 50 % аммиака и 50 % эндогаза, показан на рис. 73. Разный характер криввых, вероятно, зависит от величии коэффициентов газосмен. Данные, касающиеся кратности газосмен, содержания аммиака в карбонитрирующей атмосфере и потенциа­лов азотирования, в работах [19, 29] приведены не были. Из друг*^ исследований все же известно, что содержание аммиака в карб°' нитрирующей атмосфере при указанном составе исходной газово11 смеси не должно превышать 30 % (объемн.).
...
73. Кинетика роста слоя соединений ^„-пользовании в качестве исходной ПР«рси аммиака и эндогаза [19, 29] вотирование при 570Х. состав ' тмосферы: 50 % + 50 % эндогаза): о -сталь С15; • - сталь Ск15; ■ - сталь 42СгМо4
...
метиламина в качестве добавочного га*> первом этапе процесс проводится в «? (ча аммиаке, а на втором - в него добавляете»
...
При данном способе в азотирующую или карбонитрирующую атмос-, у добавляется серусодержащая газовая компонента. В резуль­тате этого помимо азота или азота и углерода в слой соединений пополнительно диффундирует и сера.
...
Сульфонитрирование и сульфокарбонитрирование, как и оксинит-пирование и оксикарбонитрирование, проводятся преимуществен­но при 570 - 590 °С; длительность обработки аналогичная. При этом также стремятся получить слой соединений, главным образом сос­тоящий из е-нитридов. Сера присутствует преимущественно в фор­ме сульфидов железа.
...
Дополнительное насыщение слоя соединений углеродом являет­ся целью и других ставших известными способов. Так, по одному из них (способу 1?)
...
на. В другом способе (деганит-процесс) в качестве добавочно-аМгаза на первом этапе используется экзогаз, а на втором - эндо-г0 цель этих способов - ограничить концентрацию углерода в гаое соединений максимально до 2 %, так как при более высокой Сонцентрации выделяются карбиды, понижающие вязкость этого слоя и тем самым повышающие его склонность к трещинообразо-ванию.
...
В случае многоступенчатых процессов карбонитрирования сос­тав атмосферы при переходе от предыдущего этапа к последующе­му изменяется плавно. Часто такой переход в зависимости от крат­ности газосмен в печи продолжается длительное время. Во многих случаях состав атмосферы изменяется в течение всего последую­щего этапа карбонитрирования.
...
78 Природа повышения концентрации углерода в слое соединений / на примере п„г45Г22Т. Авторадиограмма азотированных слоев: ГА
...
РентгеногРаммы стали C45. подвергнутой разным видам азотирования, карбонитрирования в универсальной камерной печи [23]. Режим обработки" VJI '
...
f^rf-rl 8 " 58°°С' 3 Ч' ЭММИаК + ЭНДОга3 1:1 О NH3/4,3 мз Энд03газ ; г -580 С, 3 ч, аммиак + эндо- и зкзогаз 1:1 (2 ч 3 м3 аммиака и 3 м3 экэогаза + 1 3 м3 аммиака и 3 м3 эндогаза)
...
78 Природа повышения концентрации углерода в слое соединений / на примере п„г45Г22Т. Авторадиограмма азотированных слоев:
...
соответственно и для определенной степени диссоциации аммиа-3 показана зависимость склонности к образованию у'-нитридов К3 соотношения компонентов газовой смеси аммиака с эндогазом ! природным газом. Насколько аналогичными могут быть результаты азотирования карбонитрирования в разных газовых атмосферах, показывает 1с
...
Рис. 80. Сравнение основных показателей азотирующих и карбонитрирующих атмосфер при 575°С в случае исходной газовой смеси из 50 % аммиака и 50 % добавочного газа:
...
расчетное повышение потенциала азотирования, то кислород спо­собствует ускорению роста слоя соединений. Пока можно сделать лишь умозрительный вывод, что высокая скорость роста слоя сое­динений способствует образованию е-нитридов, потому что, напри­мер, для образования зародышей у
...
во3росли, все же именно шахтные муфельные печи особенно час­то используются для азотирования уже в течение многих десятилетий.
...
В принципе, размеры шахтных печей могут подходить для любых диаметров или длин обрабатываемых деталей. Благодаря их герме­тичности удельный расход газа, т.е. расход контролируемой атмос­феры на 1 м3 объема печи, очень мал. Это особенно важно в случае длительных процессов азотирования. Кроме того, герметичную ре­торту после азотирования или карбонитрирования можно перенес­ти из нагревательной шахты в охладительную для охлаждения сад­ки. В то же время нагретую садку после азотирования или карбонит­рирования в данном случае невозможно подвергать закалке в во­ду или масло, так как произойдет ее сильное окисление при разгруз­ке из реторты печи, в результате которого поверхность деталей, обыч­но серая, становится черной.
...
На рис. 85 показаны типичные шахтные печи для азотирования и карбонитрирования. Так, например, ретортная колпаковая печь по существу является перевернутой шахтной печью, у которой днище (соответственно крышка шахтной печи) неподвижно, а нагреваемый колпак и реторта съемные и могут быть перемещены в другое место.
...
ные печи для отпуска, рассчитанные на работу в вакууме или в Сре де защитного газа, могут быть приспособлены для проведения 05.
...
Если же необходимо провести закалку, то вместо простой камер­ной печи можно использовать универсальную камерную печь с вмон­тированным закалочным баком (рис. 86). При этом особенно широ­ки возможности универсальных камерных печей, оснащенных ме­таллическим муфелем, так как в них, помимо азотирования и карбо-нитрирования, можно проводить и другие обработки.
...
Требованию высокой производительности удовлетворяют агре­гаты проходного типа. На рис. 87 приведена схема толкательного агрегата с печью предварительного нагрева, закалочной ванной или системой охлаждения в среде защитного газа и моечной машиной. Проходные толкательные печи данного типа являются специализи­рованными, т.е. рассчитаны только лишь на азотирование или карбо-нитрирование.
...
При эксплуатации установок для газового азотирования и карбс-нитрирования следует уделять особое внимание вопросам безопас­ности и охраны окружающей среды. В связи с тем, что обычно азо-
...
ирование и карбонитрирование проводят при температурах ниже мИнимально допустимых для используемых газов (~ 750 °С), в слу­чае прорыва в печь большого количества воздуха может произойти хлопо'к или даже взрыв. В принципе, ни один из типов печей, а также видов азотирующих и карбонитрирующих атмосфер не исключают этой возможности, поскольку уже в результате диссоциации аммиа-как всегда выделяется значительное количество водорода. При этом предохранительные устройства и меры техники безопасности не позволяют полностью исключить опасность хлопка
...
Следует также принять соответствующие меры для предупреж­дения попадания азотирующих или карбонитрирующих газов в ок­ружающую атмосферу. Уже небольшого количества аммиака доста­точно, чтобы воздух имел неприятный резкий запах. В больших кон­центрациях аммиак столь же опасен для жизни человека, как угар­ный газ и синильная кислота, которая может образовываться в не­которых карбонитрирующих атмосферах.
...
Конструкции современных установок для газового азотирования и карбонитрирования гарантируют безаварийную работу с точки зре­ния как взрывоопасных, так и токсичных азотирующих и карбонит­рирующих атмосфер.
...
Благодаря прогрессу техники установки для газового азотирова­ния и карбонитрирования можно даже рассматривать как экологи­чески безопасные. Это касается как производства и хранения, так и утилизации азотирующих и карбонитрирующих газов.
...
/Наряду с их дожиганием принимаются специальные меры, поз­воляющие полностью исключить образование кристаллических кар­бонатов аммония в результате химического взаимодействия NH3 и С02 при температуре ниже 60 °С. В результате нарушение техно­логии азотирования и карбонитрирования, например закупорка газо­проводных линий, уже невозможно.
...
Кроме того, имеется множество технических решений для управ­ления установками, причем степень автоматизации может быть практически любой. Простой контроль за процессом, который, собст­венно, никогда не должен отсутствовать, можно осуществить с по­мощью приборов Орса непрерывного действия. Непрерывный и ав­томатический контроль и регулировку азотирующей или карбонит-Рирующей атмосферы можно осуществить с помощью стандартных приборов для измерения содержания Н2 или NH3. Можно также про­вести пересчет измеренных величин содержания NH3 и Н2 на потен­циал азотирования N
...
> Этот раздел в меньшей степени затрагивает незначительные раз. личия отдельных процессов газового азотирования и карбонитриро-вания. Здесь прежде всего рассматриваются особенности газово. го азотирования (или карбонитрирования) в целом, по сравнению с сопоставимыми процессами в других азотирующих средах, напри-мер в плазме и в расплавах солей.
...
Ни одной из групп процессов не. свойственно такое обилие вариан­тов, как газовому азотированию и карбонитрированию. Это вытекает уже непосредственно из факта, что практически все стали и спла­вы на основе железа, а также детали всех типов могут быть подверг­нуты газовому азотированию и карбонитрированию. При этом цель азотирования или карбонитрирования деталей может быть самой разной: повышение несущей способности путем получения твердых поверхностных слоев (типичное применение газового азотирования), повышение усталостной прочности динамически нагруженных де­талей и (или) износостойкости при механическом износе (типичный случай применения карбонитрирования), а также повышение корро­зионной стойкости. Здесь же следует отметить огромное число газо­образных азотирующих сред, нашедших отражение во множестве названий процессов азотирования, котоыре невозможно запомнить даже специалисту.
...
Поэтому в каждом конкретном случае для выбора наиболее целе­сообразного и экономичного варианта процесса следует обращать внимание прежде всего на то, что объединяет эти процессы, а не на их различие.
...
Все применявшиеся до сих пор газообразные азотирующие сре­ды менее агрессивны по сравнению с расплавами солей и плазмой, и поэтому загрязнения и другие пассивирующие поверхностные слои значительно сильнее препятствуют процессу газового азоти-- рования или карбонитрирования, чем при обработке в других азоти­рующих средах. В связи с этим тщательности очистки садки перед азотированием и карбонитрированием в газообразных средах при­дается большее значение, чем, например, при жидкостном карбонит-рировании. В то же время следует ожидать, что применяемые мою­щие средства содержат консервирующие или антикоррозионные до­бавки. Последние создают на поверхности деталей пленку, которая гораздо более эффективно, чем слой загрязнений, тормозит процесс азотирования (см. гл. 3).
...
упомянутое в разд. 2.1.2 предварительное окисление, наряду с .ругими свойствами, обладает очищающим действием. При этом, конечно, оно не может заменить процесса мойки, его следует рас­сматривать только как дополнение к последнему. Откачку камеры или муфеля печи перед наполнением азотирующей или карбонитри-рующей атмосферой также можно рассматривать как дополнение к мойке, так как при достаточно низком остаточном давлении и по­вышенной температуре многие вещества испаряются с поверхнос­ти деталей. Низкая активность газов в отношении проникновения через поверхностный слой может затруднять азотирование корро-зионностойких сталей.
...
Пленка оксида хрома, обеспечивающая защиту от коррозии, зат­рудняет или даже препятствует поглощению азота сталью. Этот эф­фект может наблюдаться уже при содержании 5 % хрома в стали и приводить к образованию пятнистой твердости.
...
Надежное и равномерное азотирование или карбонитрирование в газовой атмосфере деталей из высокохромистых сталей возмож­но только после удаления пассивирующей хромоксидной пленки. В простых случаях оно может быть осуществлено механическим путем (при этом необходимо избегать нагартовки поверхностного слоя) с последующей быстрой загрузкой в печь. Во многих случаях возможно травление в хлорсодержащих кислотах. Эффективным, но практически труднореализуемым методом является кратковре­менное погружение пассивированных деталей в азотирующий рас­плав соли. При этом пленка оксида хрома заменяется тонким нит-ридным слоем. Возможны также депассивация в нейтральных рас­плавах солей или удаление пленки оксида хрома в других восста­новительных средах. В то же время низкая активность газов имеет преимущество при локальном азотировании или карбонитрирова-нии. Возможно применение любых защитных покрытый, если они газонепроницаемы. Это относится как к гальваническим покрытиям, например никелевым, оловянным или медным, так и к защитным пастам.
...
Азотирующая способность газов зависит от их состава, а также °т степени диссоциации аммиака. Для получения однородных азо­тированных слоев необходимо регулярно контролировать состав атмосферы печи. Во время работы садочной печи рекомендуется по меньшей мере один раз за цикл обработки контролировать сос­тав атмосферы, например в случае кратковременных процессов азотирования - через 30 мин после достижения рабочей температуры.
...
Для получения необходимых азотированных слоев требуем соответствующий выбор кратности газосмен в печи. В процесс^ загрузки состав азотирующей и карбонитрирующей атмосферы прак. тически на всех печных агрегатах меняется.
...
Атмосфера шахтных или простых камерных печей после загру3. ки вообще только воздушная. В соответствии с режимом продуаКи печи кратность обмена должна выбираться такой, чтобы по дости­жении рабочей температуры обеспечивался необходимый состав азотирующей или карбонитрирующей атмосферы. В случае недоста­точной кратности газосмен процесс азотирования или карбонитри-рования протекает в неопределенной и постоянно меняющейся ат­мосфере.
...
Такое изменение состава атмосферы печи, поскольку оно проис­ходит незаметно, легко может стать причиной неудовлетворитель­ных результатов азотирования. Напротив, специальное использова­ние такой атмосферы открывает возможность целенаправленно до­биваться практически любого результата азотирования. Это относит­ся не только к толщине карбонитридных слоев, но в итоге к их струк­туре и пористости.
...
Важнейшими факторами, определяющими рост слоя соединений в случае безупречной поверхности садки, являются: температура и потенциал азотирования или степень диссоциации аммиака. По­вышение температуры даже на несколько градусов может заметно ускорять рост слоя соединений. Поэтому колебания температуры в пространстве печи не должны превышать ± 5 К. Кроме того, для обеспечения однородности атмосферы печи необходима ее интен­сивная циркуляция.
...
Процесс охлаждения садки после азотирования или карбонитри-рования определяется характеристиками оборудования. Чтобы от­ветить на вопрос, что лучше: медленное охлаждение азотированной или карбонитрированной детали, например с печью, или ее закалка, например в масло или воду, необходимо предварительно выполнить заводское испытание обработанных соответствующим образом де­талей. Если детали из углеродистых сталей азотируют или карбонит-рируют для повышения усталостной прочности, то их подвергают преимущественно закалке. В то же время если азотирование или карбонитрирование проводится с другой целью, то возможно мед­ленное охлаждение деталей.
...
Обычно очень небольшое изменение размеров и формы при азо­тировании и карбонитрировании можно объяснить тем, что в основ­ам материале при обычных температурах проведения этих процес­сов не происходит фазовых превращений. Образующийся слой сое­динений и диффундирующий в основной материал азот приводят к объемным изменениям, поскольку параметры решетки возникаю­щих нитридов больше, чем основного металла. Кроме того, объем обрабатываемой детали может увеличиться вследствие искажения решетки основы после растворения в ней азота или образования последним соединений.
...
С точки зрения величины и особенно стабильности ожидаемых изменений размеров важно, чтобы перед азотированием или карбо-нитрированием остаточные напряжения в материале были минималь­ными. Это достигается с помощью предшествующего процессу азо­тирования отжига для снятия напряжений.
...
В случае деталей ответственного назначения с установленными жесткими допусками на размеры процессы отжига для снятия ос­таточных напряжений и азотирования должны быть неразрывны. При этом температура отжига всегда должна быть выше температуры азотирования или, по крайней мере, не ниже ее. Остаточные напря­жения, в частности в жаропрочных азотируемых сталях, при превы­шении температуры отжига в процессе азотирования могут привес­ти к нежелательным и не поддающимся расчету изменениям разме­ров и формы.
...
Как показывает опыт, изменения размеров и формы цилиндричес­ких деталей с центральным отверстием кратко могут быть описа­ны следующим образом.
...
В случае деталей с очень маленьким по сравнению с наружным диаметром отверстием обычно наблюдают увеличение наружного диаметра. Порядок изменения диаметра отверстия почти такой же, как и наружного диаметра.
...
Внутренний диаметр деталей, толщина стенок которых сравнима с диаметром отверстия, не изменяется. Наружный диаметр увели­чивается.
...
Для деталей ответственного назначения целесообразно путем опытного азотирования определить ожидаемое изменение разме­ров и принять необходимые меры для его устранения.
...
При газовом азотировании и карбонитрировании шероховатое^ поверхности деталей после обработки определяется только шер0. ховатостью поверхности в исходном состоянии (разд. 1.8 и 3.1.4.1). Как правило, азотирование является последней операцией, лес-•! ле которой не требуется дополнительная обработка азотировало-• го слоя. В случае повышенных требований к шероховатости поверх­ности высота микронеровностей в исходном состоянии не должна превышать половины высоты микронеровностей по чертежу.
...
Если по каким-либо причинам, например вследствие нарушения режима обработки, результат азотирования неудовлетворителен, то неизбежно возникает вопрос о возможности повторной обработки.
...
В принципе, после газового азотирования или карбонитрировании возможна последующая обработка, например, для увеличения глу­бины азотированного слоя. При этом важно учитывать, что при пов­торном азотировании большую роль будет играть активность поверх­ности. Это означает, что детали, охлажденные после первого азоти­рования в масле, должны быть тщательно промыты и очищены от остатков масла, а с поверхности окисленных деталей с помощью соответствующей обработки должна быть удалена оксидная пленка.
...
Из проведенных исследований известно, что детали, изготовлен­ные преимущественно из сталей, содержащих алюминий, после гго-
...
ли в основном обобщены и опубликованы в работе [5], а разработан-ные способы плазменного азотирования и карбонитрирования, По. лучившие название "ионитрирование"*, нашли промышленное при-менение во всем мире [6].
...
Уже на раннем этапе исследования установлено, что техника плаз­менного азотирования открывает множество новых возможностей в частности: варьирование температурой азотирования в широких пределах (350 - 660 °С), целенаправленное получение азотирован­ного слоя (у', е, у' + е), диффузионный слой без слоя соединений), влияние на механические свойства. В числе других преимуществ [7] следует особенно отметить отсутствие загрязнения окружающей среды. Плазменное азотирование является абсолютно безвредным процессом, не наносящим ущерба здоровью обслуживающего пер­сонала. Кроме того, плазменное азотирование впервые среди дру­гих методов дало возможность воспроизводить получение монофаз­ного нитридного у'-слоя. Только благодаря этому удалось широко использовать в разных областях машиностроения преимущества такого вязкого, несмотря на высокую твердость, слоя соединений [8]. Почти независимый выбор температуры азотирования и связан­ные с этим возможности глубокого азотирования дали этой техно­логии ряд экономических преимуществ.
...
Более детально результаты плазменного азотирования всевоз­можных материалов изложены в разд. 2.2.4. Здесь же следует отме­тить, что с помощью данной технологии можно азотировать практи­чески все стали, металлокерамические сплавы и чугуны [9]. Резуль­таты азотирования, естественно, зависят от ряда дополнительных факторов, например от содержания легирующих элементов и состоя­ния материала после термообработки.
...
Плазменное азотирование открывает новые области применения [10] многих материалов, особенно таких высоколегированных ма­териалов, как коррозионно- и кислотостойкие или мартенситно-ста-реющие стали.
...
В настоящее время применяемые в разных областях детали под­вергаются плазменному азотированию. В зависимости от условий последующей эксплуатации плазменное азотирование деталей про­водится с целью повышения: 1) износостойкости при разных нагруз­ках и 2) прочности при циклических нагрузках растяжения, сжатия, изгиба или кручения.
...
Высокая стабильность размеров при незначительном короблении, небольшие изменения шероховатости поверхности, а также просто­та методов парциального азотирования сокращают затраты на до­полнительную обработку после азотирования и делают плазменное азотирование экономичным процессом. Для обработки деталей в распоряжении имеются разные агрегаты с аналого-цифровыми и микропроцессорными системами управления. Объединение отдель­ных агрегатов в поточные линии сокращает число технологических операций и может снизить производственные затраты, что дает оп­ределенные экономические преимущества, особенно в случае се­рийного производства [67]. В настоящее время плазменному азоти­рованию подвергаются самые разнообразные детали - от шариков шариковых ручек до деталей длиной до 14 м и массой до 24 т.
...
*тесно связана с физическими и электротехническими процессами и явлениями. Ниже приводятся некоторые фундаментальные осно­вы плазмы тлеющего разряда. Однако они не являются обязатель­ным условием для понимания стоящих на переднем плане металло­ведческих возможностей данной технологии азотирования.
...
При нормальных условиях газы являются непроводниками, т.е. число свобод­ных носителей заряда столь мало, что электрический заряд не переносится. При очень высоких напряжениях (молния) или в условиях вакуума (тлеющий разряд) эти изоляционные свойства могут измениться; первоначально непроводящий газ превращается в частично ионизированную электрически проводящую плазму. На рис. 88 показаны возможные с физической точки зрения состояния газа [11].
...
В области Р - й вольт-амперная характеристика положительна. Эта область "сильноточного" (повышенной плотности тока) тлеющего разряда, используемо­го для плазменного азотирования. Эта форма разряда метастабильна и под дейст­вием внешних факторов может трансформироваться в нежелательную стабиль-нУю форму - электрическую дугу. В случае образования дуги она гасится с по-мощью быстродействующего выключателя, благодаря чему не возникает опас-н°сти повреждения поверхности обрабатываемой детали [12].
...
Реакции плазмы на поверхности детали были длительное время неизвестны. Первое удовлетворительное объяснение дал Кёльбель: реактивное распыление катода [14]. Другое объяснение приводит Худис, постулирующий внедрение (диффузию) азота из азотно-во-дородных радикалов [15]. Согласно Кёльбелю, происходящие при возникновении ионов газа на поверхности катода процессы можно подразделить следующим образом:
...
На рис. 90 представлены определяющие процесс реакции [16] В нескольких миллиметрах от поверхности детали ионы, ускорен-ные в области падения катодного потенциала, с относительно высо­кой кинетической энергией попадают на поверхность детали. При этом до 90 % энергии ионов превращается в тепловую энергию. Та­ким образом плазма нагревает деталь до требуемой температуры азотирования. Количество подведенной энергии можно регулировать с помощью внешнего источника электрической энергии. Благодаря этому отпадает необходимость в дополнительном источнике тепла.
...
Значительно меньшая часть кинетической энергии ионов требует­ся для вырывания атомов из кристаллической решетки. Испарению с поверхности могут подвергаться как металлические элементы, например железо, так и неметаллические, например углерод, кисло­род, азот и другие (рис. 90).
...
„ических элементов, как железо, хром, молибден и других, в связи с последующей диффузией этих элементов на поверхности, появляет­ся возможность путем варьирования состава газа в плазме оказы­вать сильное влияние на концентрационный профиль, например уг­лерода, в поверхностном слое [17]. На рис. 91 показаны концентра­ционные профили углерода и азота в поверхностном слое стали 31СгМо\/9 при обработке ее в науглероживающей и обезуглерожи­вающей плазме. Этот способ, как более детально поясняется в разд. 2.2.3.3,
...
Что касается кислорода, то процесс испарения в бескислородной плазме приводит к депассивации поверхности. Это справедливо и в отношении пассивных оксидных слоев коррозионно- и кислотостой­ких сталей.
...
Непосредственный массоперенос азота из плазмы в поверхност­ный слой металла, если он вообще происходит, очень незначителен и возможен лишь путем непосредственного внедрения его ионов. Согласно Кёльбелю, диффузия азота эффективна только в сочета­нии с вышеописанным процессом испарения атомов железа [14].
...
Азот в плазме находится в атомарном состоянии и в этой форме химически очень активен. Перед поверхностью катода происходит образование обогащенных азотом нитридов железа. Молекулы РеЫ конденсируются на поверхности детали и диссоциируют, так как при температурах азотирования нестойки и образуют нитриды железа низшего порядка Ре2М, Ре3М и Яе4Ы (рис. 90). Выделяющийся при этом азот диффундирует в деталь или, испаряясь, возвращается в плазму.
...
Азотирование в плазме тлеющего разряда, таким образом, харак­теризуется комбинированным процессом испарения - осаждения. Подобное взаимодействие распространяется не только на нитриды, но и на карбиды и карбонитриды.
...
Уже через несколько минут после начала процесса образуются взаимосвязанные нитридные слои, в результате чего на поверхнос­ти очень быстро появляется избыток азота [18]. Возникает высокий ] гРадиент концентрации азота, оказывающий положительное влия­ние на диффузию [19].
...
Быстрое образование взаимосвязанных нитридных фаз железа, Как было установлено в результате электронномикроскопических исследований, приводит к тому, что азот диффундирует как вдоль границ зерен, так и в самих зернах [20]. Кроме того, регулируемое испарение углерода из поверхностного слоя, а также его последую­щая диффузия преимущественно вдоль границ зерен приводит к тому, что в этой области не образуется или образуется лишь очень
...
Помимо типичных для всех способов азотирования факторов, та­ких как длительность и температура обработки, в описанных в пре­дыдущем разделе процессах азотирования в плазме тлеющего раз­ряда, на азотируемый слой можно влиять и с помощью других фак­торов, например состава газа в плазме, ширины тлеющей кромки и других.
...
Среди основных преимуществ плазменного азотирования преж­де всего следует отметить возможность целенаправленного полу­чения поверхностных слоев путем использования разных газовых смесей, а также возможность управления азотированием геометри­чески сложных деталей с целью получения в них однородных слоев упрочнения.
...
В последующих "^разделах параметры азотирования, если нет спе­циальных указаний, относятся как к плазменному азотированию, так и к плазменному карбонитрированию.
...
Из приведенных сведений о реакциях плазменного азотирования следует, что температура не оказывает влияния на механизм диф­фузии. Содержание азота при 400 °С зависит от тех же параметров, что и при 500 или 600 °С [17]. Отсюда ясно, что температурный диапазон очень велик и ограничивается лишь физико-химическими процессами в металле. Так, например, диффузия азота при темпе­ратуре ниже 350 °С хотя и чрезвычайно слабая, но позволяет полу­чать азотированные слои, пусть и небольшой толщины.
...
2.2.3.1.1. Плазменное азотирование при низких температурах. Азотирование в плазме тлеющего разряда в диапазоне температур 400 - 500 °С соответствует современному уровню развития техни­ки [22], обеспечивая сохранение высокой прочности сердцевины обрабатываемых деталей. Кроме того, при низкотемпературной об­работке достигается очень высокая стабильность размеров и фор­мы при сильном упрочнении поверхностного слоя.
...
На рис. 92 на примере стали 42СгМо4 сопоставлены кривые из­менения прочности образцов после плазменного азотирования при 450 и 570 °С. Через 46 ч обработки при 450 °С (кривая 5) глубина азо­тирования примерно такая же, как и через 24 ч обработки при 570 °С, хотя характер изменения их твердости различный.
...
Следует отметить почти параллельный сдвиг представленных кривых изменения твердости. Полученных при втором режиме об­работки значений твердости (кривая 2) зачастую удается достичь лишь на легированных алюминием азотируемых сталях.
...
Плазменное азотирование при» температурах ниже 500 °С в настоя­щее время приобрело решающее значение для инструментов и деталей машин из инструментальных легированных сталей для холодной обработки, быстрорежущих и мартенситно-стареющих сталей, так как значительно повышает их эксплуатационные свойства. Час­то очень высокая твердость сердцевины, превышающая HRC 60, после плазменного азотирования полностью сохраняется. Кроме того, существенно повышается твердость поверхности (см. также разд.2.2.4.3, б ив).
...
°С. Большая часть подвергаемых в настоящее время плазменному азотирова­нию деталей обрабатывается в интервале температур от 500 до 550 °С [23]. Получаемые при этом азотированные слои в основном определяются термической обработкой, составом легирующих эле­ментов, а также требуемой толщиной слоя соединений или глуби­ной диффузии азота. В табл. 5 для стандартных марок сталей при стандартной обработке приведены достижимые значения твердос­ти поверхности и глубины азотирования. На сталях групп 1 - 3 по­вышение твердости относительно небольшое, вследствие чего для них в таблице указана не толщина азотированного слоя, определяе­мая по уровню твердости, а глубина азотирования (см. гл. 1).
...
В табл. 5 приведены интервалы температур, в которых преиму­щественно проводится плазменное азотирование. Общего правила при выборе температуры азотирования нет, однако можно руководст­воваться следующими рекомендациями.
...
Если коробление детали должно быть минимальным (< 0,05 мм/м), то при условии оптимального отжига для снятия напряжений азо­тирование сталей групп 7 - 10, а в особых случаях и чугунов групп 4-6
...
Если требования к точности размеров не столь жестки, то плаз­менное азотирование следует проводить при 520 - 540 °С, что дик­туется, например, соображениями экономики.
...
ных температурах азотирования твердость поверхности этих ВЬ|, соколегированных сталей очень высока 1100 НУ 2), что дает ^ вестные преимущества при определенных нагрузках, напримб1) при абразивном износе.
...
С этой высокой твердостью поверхности связана известная хруп, кость, которая может отрицательно сказываться при динамичес. ких нагрузках. Поэтому в случае подвергаемых таким нагрузкам деталей стремятся получать азотированный слой без слоя соеди­нений. Если одного сокращения содержания азота в плазме недос-таточно для подавления образования этого слоя, то с помощью вы­сокотемпературной обработки можно настолько снизить обуслов­ленную им хрупкость, что подвергнутые такой обработке детали смогут выдерживать высокие динамические нагрузки.
...
В настоящее время длительность плазменного азотирования ко­леблется в интервале от 10 мин до 48 ч; в исключительных случаях обработка проводится в течение 60 ч и более. Выбор оптимальной длительности обработки всегда следует ставить в зависимость от температуры для достижения определенной глубины азотирования [23]. Содержание легирующих элементов также оказывает влия­ние на глубину азотирования, достижимую в течение заданного вре­мени обработки (рис. 97).
...
Достичь глубинны азотирования > 1 мм на азотируемых (рис. 98 а, и улучшаемых (рис. 98, б) сталях можно за счет увеличения длитещ, ности азотирования до 60 ч и более.
...
Описанные возможности получения азотированных слоев Шй. роко применяются в технологии плазменного азотирования путем использования газовых смесей определенного состава.
...
На рис. 99 показаны структуры разных азотированных слоев получаемых при плазменном азотировании путем варьирования состава газовых смесей [25]. Для этого необходимо использовать предварительно смешанные баллонные газы или газы, получаемые на специальных газосмесительных установках. Регулировать сос­тав атмосферы печи при плазменном азотировании нет необходи­мости. Состав газовой смеси либо поддерживается постоянным в течение всего процесса плазменного азотирования, либо варьи­руется в соответствии со специальными требованиями.
...
В качестве газосмесительных установок пригодны лишь такие, которые, независимо от фактического расхода смеси, позволяют дозировать минимальные количества газовых компонентов (т.е. 50- 100 л/ч) [26].
...
Ірис 100. Кинетика роста слоя соединений в стали 42СгМо4 в разных азотирующих атмосферах
...
Сочетание высоких значений твердости и вязкости дает многие преимущества, которые в настоящее время используются во всех областях общего машиностроения. Ниже приведены примеры де­талей, которым плазменное азотирование гарантирует высокую стойкость [65]:
...
разница в поведении деталей при закручивании до разрушения видна даже визуально (рис. 104). На образце с у
...
В результате внедрения азота и связанного с этим повышения твердости ударная вязкость обычно существенно понижается. На рис. Ю5 отмечено снижение ударной вязкости азотированных об­разцов примерно на 30 % по сравнению с улучшенным неазотиро-ванным состоянием. Разность ударной вязкости для образцов с е- или У-слоями невелика, однако по сравнению с образцами, под­вергнутыми плазменному азотированию с пониженым содержанием азота и не имевшими поэтому после обработки слоя соединений (рис. 105, V),
...
Рис. 103. Вязкость подвергнуть,), плазменному азотированию
...
В связи с тем, что азотируются лишь области, подвергающиеся воздействию тлеющего разряда, плазменное азотирование откры­вает прекрасную возможность путем экранирования сохранить оп­ределенные участки совершенно мягкими [34]. Для этого нужно лишь закрыть их простыми пластинами, винтами, штифтами и т.п. от зоны свечения. Показанные на рис. 106, а шаровые опоры из ста­ли 42СгМо4 большими сериями подвергаются плазменному азоти­рованию только в области сферической поверхности, тогда как дру­гие участки цапфы для полного сохранения ударной вязкости перед азотированием закрывают простыми гильзами [66].
...
Если изготовление экранов слишком дорого, то можно исполь­зовать специальные пасты, которые, как видно из рис. 106, б, надеж­но защищают поверхность от воздействия зоны свечения.
...
Сквозные и глухие отверстия перед азотированием можно прос­то закрывать заглушками. Благодаря этим мерам плазменному азотированию можно подвергать готовые детали, и при этом гаран­тируется, что, например, резьба в процессе азотирования не охруп-чится.
...
Плазменное азотирование проводится в вакууме при давлении 50 - 1000 Па. В этой области давлений сильноточный тлеющий ра3. ряд создает активную плазму [16]. Вокруг детали возникает види­мая невооруженным глазом тлеющая кромка, повторяющая форму детали. Соответствие формы тлеющей кромки и формы детали дос­тигается регулированием давления в вакуумной печи. Регулиров­ка давления, а также связанных с ним вольт-амперных характерис-
...
В принципе, в плазме тлеющего разряда можно азотировать и карбонитрировать все материалы на основе железа, так как под действием тлеющего разряда ионы азота становятся настолько хи­мически активными, что диффузия азота происходит независимо от состояния материала. Кроме длительности, температуры плаз­менного азотирования и азотирующей атмосферы на результат азо­тирования оказывают влияние состав материала и его состояние после термообработки. Широкий температурный диапазон плазмен­ного азотирования (400 - 660 °С) позволяет согласовать темпера­туру азотирования с температурой предшествующей термообработ­ки, например отпуска или отжига для снятия напряжений. Материал СеРДцевины, как правило, не подвергающийся азотированию, влия­ния не оказывает.
...
типичными азотируемыми сталями, отвечает современному уров­ню развития техники. Эта технология гарантирует такие же, а зачас­тую даже более высокие свойства деталей при меньших затратах на изготовление, чем азотируемые стали. Например, стали, разра­ботанные первоначально лишь для цементации, прекрасно зареко­мендовали себя и после плазменного азотирования [38].
...
На рис. 108 приведены кривые изменения тверости нормализо­ванной цементируемой стали 16МпСг5, подвергнутой азотирова­нию при различных температурах в течение разного времени.
...
Получаемая твердость поверхностного слоя (600 - 700 HV) та­кая же или выше, чем твердость улучшаемых сталей, содержащих ~ 1 % легирующих элементов. Достижимые при кратковременной обработке глубины азотирования значительно выше, причем сле­дует отметить, что глубина упрочненного азотированного слоя боль­ше, чем в случае углеродистых сталей.
...
Азотированные детали из цементуемых сталей применяются в автомобиле- и моторостроении, а также, например, при изготовле­нии форм для литья пластмасс под давлением, причем в данном случае нормализация в сочетании с плазменным азотированием обеспечивает минимальное коробление [61].
...
Если уровень свойств материала сердцевины по отношению к свойствам азотированной поверхностной области имеет значение для работоспособности детали, то для изготовления последней сле-
...
ти и антифрикционных свойств, а также коррозионной стойкости [35]. Если эти стали медленно охлаждать в вакууме, то в азотиро­ванном слое выделятся игольчатые нитриды. Так как твердость е -нитридных слоев выше, чем у' -слоев, то подвергающиеся износу детали из этих сталей должны иметь поверхностный е-слой, т.е. быть карбонитрированными в азотводородуглеродной плазме.
...
Плазменное карбонитрирование данных сталей следует прово­дить при температуре порядка 570 °С. Поскольку в них не содер­жится, а если содержится, то лишь небольшое количество легирую­щих элементов, являющихся нитридообразующими, в течение ма­лого времени (рис. 107) достигаются большие глубины азотирова­ния с достаточно большими слоями соединений. Уже после 40 мин обработки при 570 °С на деталях из стали Ск45 глубина азотирова­ния составляет 0,3 мм [36].
...
Рис 107. Изменения твердости после плазменного азотирования при 570*С в тече­ние разного времени:
...
дует отдать предпочтение азотируемым или жаропрочным сталям Эти стали всегда следует азотировать в улучшенном состоянии соотнеся при этом температуры отпуска и азотирования. Отсутст! вие зависимости диффузии азота от температуры при плазменном азотировании позволяет даже проводить отпуск при низких темпе­ратурах, чтобы в исходном состоянии гарантировать высокое вре­менное сопротивление. При правильном выборе температуры азо­тирования полностью сохраняется более высокая твердость серд-цевины. Кроме того, после азотирования достигается повышение твердости поверхности [37].
...
Подвергнутые плазменному азотированию детали из улучшае­мых или азотируемых сталей отличаются высокой вязкостью. При­чиной является однофазный внешний у' -слой и расположенный под ним диффузионный слой с меньшим количеством нитридных выде­лений. Эта повышенная вязкость проявляется в испытаниях на кру­чение, где в качестве критерия берется угол закручивания, при ко­тором возникает первая трещина [17, 38]. На рис. 109 приведены
...
Этот способ хорошо зарекомендовал себя в самых разных об­ластях общего машиностроения. Здесь назовем лишь шнековые машины для литья пластмасс, а также коробки передач с больши­ми и малыми зубчатыми колесами массой до 6 т и диаметром до 2000 мм [39, 40, 72].
...
Для изготовления высоконагруженных зубчатых колес можно рекомендовать стали ЗОСгМоУЭ и 14СгМо\/69 . Высокое содержа­ние нитридообразующих элементов в этих сталях обеспечивает вы­сокую прочность основания и боковых поверхностей зубьев изго­товленных из них зубчатых колес, сравнимую с прочностью цемен­тованных зубчатых колес [62,64].
...
Повысить стойкость зубчатых колес можно путем увеличения глубины азотированного слоя, повышения прочности сердцевины и ведения азотирования без образования слоя соединений. С ростом глубины упрочненного азотированного слоя (а тем самым и проч­ности боковой поверхности зуба при обкатке) прочность его основа­ния может снижаться, тем не менее можно рассчитывать на доста­точно высокую надежность против хрупкого разрушения основания зуба.
...
На рис. 110 показаны кривые усталости основания и боковых поверхностей зубьев шестерен из разных материалов, подвергну­тых плазменному азотированию, а также указаны характеристики азотированных слоев для допустимых прочностей оснований и бо­ковых поверхностей зубьев [68]. Обусловленные азотированием изменения геометрии зацепления столь малы, что достигнутая перед плазменным азотированием точность зацепления не снижается. Как следствие этого, нет необходимости в дополнительной обра­ботке подвергнутых плазменному азотированию зубчатых колес как при несерийном, так и в крупносерийном производстве, напри­мер цилиндрических передач в автомобилестроении.
...
Кроме того, плазменное азотирование приводит к заметному повышению усталостной прочности таких деталей, применяемых в автомобиле- и машиностроении, как коленчатые, приводные валы
...
к^^{™И^н^м^НИЯ НЭ 0бразование пеРвой лещины при испытании на кручение(незаштрихованные участки колонок - разброс отдельных значений!-
...
К этой группе относятся инструментальные стали, такие как ин­струментальные стали для горячей и холодной обработки, быстро­режущие и мартенситно-стареющие, а также коррозионно- и кислото­стойкие.
...
В настоящее время проводится плазменное азотирование инстру­ментов из этих сталей. Вследствие катодного распыления в процес­се нагрева поверхность стали постоянно активируется и получают­ся очень однородные азотированные слои [44].
...
С помощью разных плазмонитрирующих атмосфер можно оказы­вать влияние на вязкость азотированного слоя, которой в случае инструментов придается большое значение. Например, это дости­гается путем получения азотированных слоев без слоя соединений или с тонким (не более 4 мкм) у'-слоем. Если, напротив, выход ин­струмента из строя дополнительно характеризуется наличием микро­трещин, выкрашиванием и т.п., то рекомендуются только азотиро­ванные слои без слоя соединений. Благодаря подавлению процес­са образования нитридных выделений в диффузионном слое дости­гается дальнейшее повышение вязкости.
...
В связи с тем, что свойства отдельных инструментальных ста­лей в азотированном состоянии разные, рекомендации для них от­носительно получения слоя соединений также различаются.
...
22.4.3.1. Инструментальные стали для горячей обработки. К ин­струментам для горячего формообразования сталей или легких ме­таллов предъявляются особенно высокие требования, касающиеся жаропрочности, вязкости, износостойкости при повышенной темпе­ратуре, незначительной склонности к схватыванию и горячим тре­щинам [45].
...
Плазменное азотирование хорошо зарекомендовало себя на ко­вочных штампах из легированных инструментальных сталей для горячей обработки, например Х40СгМо\/51. Поскольку фактором, определяющим срок службы этих штампов, в большинстве случаев является износ, азотированный слой, состоящий из у'-слоя толщи­ной 4 - 6 мкм и диффузионного слоя толщиной 0,3 мм, дает очень хорошие результаты.
...
В случае молотовых штампов исходная вязкость высоколегиро­ванных инструментальных сталей для горячей обработки часто не­достаточна, вследствие чего для их изготовления применяют менее Легированные инструментальные стали для горячей обработки, на­пример сталь 55г4ЮгМо\/7. В данном случае стойкость подвергну­тых плазменному азотированию штампов, как показали сравнитель­ные испытания [46], очень высокая.
...
В рабочих условиях температура поверхности инструмента мо­ет быть даже выше температуры азотирования. Тем не менее твер­деть при повышенной температуре достаточно высока, благодаря ?ему Даже
...
2.2.4.32. Инструментальные стали для холодной обработки. Для инструмента, который после изготовления должен быть подвергнут плазменному азотированию, следует выбирать такую инструмен­тальную сталь для холодной обработки, твердость которой даже При температуре отпуска выше 450 °С остается достаточно высо­кой. Здесь следует особенно отметить стали, которые в результа­те повышения температуры закалки, например с 1020 до 1080 °С, при температуре отпуска 520 °С имеют четко выраженный вторич­ный максимум твердости (рис. 114). Благодаря этому достигает­ся такая же твердость, как и после отпуска при 150 °С. На рис. 115 приведены типичные кривые изменения твердости
...
Хорошо зарекомендовали себя подвергнутые плазменному азо­тированию литейные пресс-формы и матрицы для выдавливания Путем соответствующего регулирования технологических парамет ров процесса удается добиться равномерного азотирования зачас тую даже узких пазов. На рис. 113 приведены результаты плазмен ного азотирования таких инструментов при 540 °С в течение 16 ч Повышение срока службы подвергнутых плазменному азотирова нию по этому режиму матриц для выдавливания по сравнению с другими способами азотирования может быть очень, существенным [65].
...
В автомобилестроении хорошо зарекомендовали себя подверг­нутые плазменному азотированию штампы, гибочные и кромкогибоч-ные инструменты, причем высокая стабильность формы позволяет применять такие инструменты без дополнительной обработки.
...
Все шире применяются эти стали и в производстве пластмассо­вых изделий, например для изготовления стопоров обратного пото­ка при обработке пластмасс с наполнителями, характеризующими­ся абразивными свойствами.
...
Во всех вышеназванных случаях применения хорошо зарекомен­довал себя азотированный слой без слоя соединений, обладающий благодаря этому высокой пластичностью.
...
2.2.4.3.3. Быстрорежущие стали. Критерии, используемые при выборе слоя, получаемого на инструментальных сталях для холод­ной обработки в результате плазменного азотирования, справедли­вы и для быстрорежущих сталей, т.е. не зависят от того, применяют­ся они для изготовления инструментов для холодной обработки дав­лением или обработки резанием [49]. Наиболее высокие результа­ты на этих сталях были достигнуты в случае полного подавления процесса образования слоя соединений, так как при этом удается добиться ограничения охрупчивания поверхностного слоя при одно-
...
временном повышении стойкости инструмента [45]. Толщина азо­тированного слоя также оказывает существенное влияние на стой­кость инструмента [66].
...
Так, .стойкость таких инструментов для обработки резанием, как сверла, фрезы, протяжки, развертки, метчики, плашки и т.д., выше, если толщина азотированного слоя не превышает 30 мкм (рис. 116).
...
зультаты [48]. Достигаемое на практике повышение стойкости составляет 10 -200 % и в отдельных случаях может быть разным, поскольку помимо азотирован­ного слоя на стойкость инструмента су­щественное влияние оказывают и другие факторы, например тип обрабатываемого материала и смазочно-охлаждающей жид­кости. Кроме того, большое значение имеет оптимальное содержание азота в плазме.
...
этих сталей следует подвергать плазменному азотированию Ппи температурах выше 570 °С. Глубина диффузии азота при этом уВе. личивается (рис. 117). Даже при 630 °С на феррито-мартенситны* сталях не наблюдается образования браунита, так как у-область очень сужена.
...
Любой способ азотирования этих сталей приводит к понижению их коррозионной стойкости. Поэтому для сохранения коррозионной стойкости следует проводить локальное плазменное азотирование деталей, защищая с помощью экранов их определенные участки.
...
Изготовленные из этих сталей шнеки экструдеров, гидравличес­кие агрегаты, насосы и т.д. с подвергнутой плазменному азотиро­ванию поверхностью находят применение в практике.
...
На рис. 118 показано, как путем изменения температуры плаз­менного азотирования можно оказывать влияние на твердость сердцевины.
...
При искусственном старении всегда следует рассчитывать на отрицательный объемный эффект. Этому эффекту противодейст­вует одновременно происходящая при плазменном азотировании диффузия азота. Азотирование повышает твердость поверхности, износостойкость и усталостную прочность этих сталей.
...
Чугуны сильно различаются по структуре и ее термической ста­бильности, размерам и форме включений графита, а также по со­держанию легирующих элементов, вследствие чего плазменное карбонитрирование со всеми его возможностями наиболее пригод­но для их обработки.
...
Благодаря образованию мелкодисперсных нитридных выделе­ний диффузия азота приводит к повышению предела текучести и твердости поверхности, а также усталостной прочности, что уже используется, например, при изготовлении чугунных коленчатых валов и зубчатых колес в автомобильной промышленности [41, 53].
...
Рис 118. Азотированные слои мартенситно-стареющей стали после плазменно­го азотирования, совмещенного с отпуском:
...
на формирование азотированного слоя. До сих пор не наблюдалось "пересыщения" пор азотом. Плазменное азотирование, очевидно, является единственным не загрязняющим окружающую среду про­цессом, который в перспективе может заменить применяемый в настоящее время процесс жидкостного карбонитрирования.
...
2.2.4.5.2. Наплавляемые и специальные сплавы. Часто те или иные технические проблемы невозможно решить без применения наплав­ляемых материалов. Особое значение приобрели те из них, кото­рые повышают износостойкость наиболее критических в этом от­ношении участков. Наряду со стеллитами, следует отметить спе­циальные сплавы на основе кобальта, хрома или железа [55], а кро­ме того, ферротитановые сплавы, хастеллои и инколои. В связи с тем, что эти материалы очень высоко легированы, часто только лишь толщина диффузионных слоев достигает 40 мкм. Однако твер­дость поверхности может превышать 1000 HV 0,5. Достижимые твердость поверхности и глубина азотирования зависят от соста­ва материала. В неазотированном состоянии эти материалы харак­теризуются низкой адгезионной износостойкостью. Диффузия азо­та на некоторых материалах приводит к ослаблению склонности к задирам.
...
Рис. 120. Качественная характеристика износа трущихся пар, подвергнутых плаз­менному азотированию (удельное давление - 400 - 800 Н/ммг, нагрузка - тре­ние скольжения, смазка - «Shell Vitrea 41», длительность испытания - 200 тыс. циклов скольжения, скорость скольжения - 1,4 м/с):
...
Примеры из общего машиностроения (корпуса насосов, поршни из чугуна, например марки GG25) свидетельствуют о том, что ста­бильность размеров чугунных деталей, подвергнутых плазменно­му азотированию, очень высока. Очень низкие коэффициенты тре­ния чугунов с пластинчатым или шаровидным графитом обеспечи­вают изготовленным из них деталям после плазменного азотиро­вания высокие антизадирные свойства.
...
2.2.4.5.1. Порошковые стали. Плазменное азотирование или карбо-нитрирование порошковых сталей подчиняется тем же правилам, что и для аналогичных материалов традиционного изготовления. При этом особенно на легированных сталях наблюдается значитель­ное повышение износостойкости и усталостной прочности. Благо­даря удалению газов из всегда имеющихся на поверхности металла микропор обработка в вакууме позволяет проводить дополнитель­ную очистку поверхности [54]. Удельная плотность азотируемых порошковых сталей должна составлять не менее 7,0 г/см3; прису­щие им колебания плотности и компактности обусловлены состав­ляющими компонентами. Добавки меди не препятствуют проведе­нию процесса плазменного азотирования и не оказывают влияния
...
Печь для плазменного азотирования является вакуумной и в ней обычно отсутствуют нагревательные элементы, поскольку нагрев азотируемой детали осуществляется за счет ионной бомбардиров-ки ее поверхности [57]. Загружаемая в печь садка является като­дом, а стенка печи - анодом. Таким образом, полезный объем пе­чи благодаря отсутствию дополнительных приспособлений практи­чески равен ее фактическому объему. Размеры и форма вакуумной печи согласуются с соответствующими параметрами обрабатывае­мых деталей. Хорошо зарекомендовали себя шахтные, колпаковые и комбинированные печи полезным диаметром 750 - 1250 и 2000 мм, оснастка которых может быть разной (рис. 122).
...
для создания тлеющего разряда на поверхности детали можно „спользовать переменный трехфазный и постоянный ток. При этом, 0 отличие от постоянного тока, в случае использования перемен­ного садка в печи должна размещаться в соответствии с фазами напряжения. При выпрямлении тока во избежание дугового разря­да необходима система аварийного отключения. Использование современных электронных систем аварийного отключения дает возможность применять постоянный ток [58]. Мощность блоков пи­тания рассчитывается в соответствии с габаритами печных агрега­тов и в настоящее время составляет от 20 до 450 кВА. Особое зна­чение для обеспечения безопасности работы установок плазмен­ного азотирования придается передаче необходимой мощности на обрабатываемые детали через систему изоляторов, исключающую возможность короткого замыкания даже при напряжениях до 1000 В.
...
Блок управления осуществляет регулировку и контроль за всем процессом плазменного азотирования. Регулируются температу­ра деталей (с помощью термопар или специальных оптических пи­рометров), состав газовой смеси в плазме, а с помощью давления в печи - и ширина светящейся зоны [59]. Все более широкое приме­нение благодаря хорошей воспроизводимости результатов обработ­ки находят современные установки плазменного азотирования с микропроцессорными системами управления [70,71].
...
122. Возможности комбинирования при плаз­менном азотировании в вакууме: 1 - днище;
...
Процесс плазменного азотирования не отличается от других про-цессов азотирования и включает следующие операции: 1) очистка деталей; 2) загрузка печи; 3) откачка и нагрев; 4) азотирование или карбонитрирование; 5) охлаждение деталей в вакууме или в среде защитного газа; 6) выгрузка деталей из печи.
...
Для проведения плазменного азотирования следует также учи­тывать приведенные в гл. 3 указания по очистке деталей. На поверх­ности деталей не должно быть органических пленок (жировых, мас­ляных), остатков краски и т.д. Так как газоотделение из неочищен­ных пустот может оказывать отрицательное влияние на стабиль­ность тлеющего разряда при нагреве (и при определенных условиях привести к увеличению продолжительности нагрева), очистку сле­дует проводить очень тщательно.
...
В печи для плазменного азотирования детали могут находиться как в вертикальном, так и в подвешенном положении, причем они автоматически, через загрузочную плиту соединяются с отрицатель­ным полюсом (катодом) блока питания. При загрузке деталей необ­ходимо учитывать, что поверхности, на которые устанавливаются и с которыми контактируют детали, не должны давать зоны свече­ния, т.е. после азотирования эти поверхности должны оставаться мягкими.
...
Но если из опасения коробления детали охлаждение провод^, ся медленно в вакууме, то для повышения производительности про-цесса можно использовать один блок питания попеременно дЛя двух печей плазменного азотирования (рис. 124). Когда печь \ 0х. лаждается, можно уже нагревать печь //. Во время обработки дета. лей в печи // печь / разгружается, загружается вновь и откачивает­ся, т.е. печь / можно включать сразу же по окончании обработки а печи //. Повышение производительности в зависимости от цикла об­работки может достигать 50 - 70 %, без повышения себестоимос­ти деталей.
...
Общий сравнительный стоимостный анализ затруднителен, по­скольку сравнение затрат можно проводить лишь для одной конкрет­ной детали. При сравнении следует также учитывать и дополнитель­ные затраты, необходимость в которых уже отпала, как, например, исключение необходимости удаления ядовитых или вредных веществ, отсутствие или значительное удешевление дополнительной меха­нической обработки, преимущества новой технологии производст­ва и т.д.
...
Сооружение, управление и автоматизация установки плазмен­ного азотирования неизбежно дороже, вследствие чего капитало­вложения в такую установку могут быть выше, чем в другие уста­новки азотирования [60]. В то же время эти установки практически не подвергаются износу, благодаря чему срок их амортизации мо­жет быть установлен очень большим. Производственные затраты можно рассматривать как различные статьи бюджета; расход га­зов пренебрежимо мал (~ 100 л/ч), стоимость энергии зависит от садки, поскольку благодаря прямому нагреву в результате ионной бомбардировки поверхности нагревается только садка, а не все рабочее пространство печи. Нет издержек на простои установок, так как они в любое время готовы к работе. Затраты на запасные части для комплектной установки невелики и, по данным автора, составляют < 1 % суммы капиталовложений. Благодаря небольшим затратам на обслуживание установок плазменного азотирования, а также низкому расходу энергии и газа производственные затра­ты (без платежей по нетоварным операциям, например, уплаты про­центов) настолько низки, что гарантируют, несмотря на высокие капитальные вложения, низкие затраты в расчете на единицу продукции.
...
Только после того, как Альбрехт с сотр., вновь введя понятие жидкостного азотирования, в начале 50-х годов исследовал процес-сы, протекающие в ванне для азотирования, и установил последо-вательность реакций, были созданы предпосылки для широкого при­менения жидкостного карбонитрирования в расплавах солей.
...
С помощью титрования [4] пробы, взятой из ванны, находят дейст­вительное содержание цианидов и цианатов. Определенный таким образом расход солей компенсируют добавлением свежей соли.
...
Повышение температуры обработки до 570 °С сделало возмож­ным существенно сократить продолжительность процесса. Преж­ние опасения, что это приведет к большим деформациям обрабаты­ваемых деталей, не подтвердились, поскольку предварительная обработка деталей соответствовала температуре азотирования [5], а именно, закалка с высоким отпуском или отжиг для снятия напря­жений проводились при температуре выше температуры карбонит­рирования (см. гл. 3.1).
...
В качестве еще одного преимущества было установлено, что вмес­то дорогих и труднообрабатываемых азотируемых сталей можно использовать более дешевые нелегированные или низколегирован­ные стали [6]. Из-за более слабого повышения твердости, получен­ного на нелегированных сталях, обработка в соляной ванне ошибоч­но была названа "мягким азотированием", хотя в настоящее вре­мя уже общеизвестно, что это повышение твердости определяет­ся главным образом не самим способом азотирования, а количест­вом и видом легирующих элементов, а также температурой обработки.
...
Высокая износостойкость и выносливость карбонитрированных деталей вызвали быстрое распространение процесса. Установки для карбонитрирования становились все крупнее. Однако в глубо­ких ваннах в нижней части тигля эффективность насыщения оказы­валась хуже. Поскольку выяснилось, что кислород воздуха не толь­ко способствует образованию цианатов, но и положительно влияет на образование азотированного слоя, в ванну снизу стали вдувать воздух в количестве, определяемом размером тигля. Это привело к повышению эффективности процесса [7] (рис. 125).
...
Метод карбонитрирования в титановом тигле с использованием отмеченных выше солей NS, продувкой воздухом, точным контро­лем и поддержанием химического состава ванны называется те-нифер-процессом, или в англоязычных странах тафтрайд-процессом.
...
Рис. 127. Структура поверхностного слоя при разных условиях карбонитрирования'
...
ческие реакции. Неядовитая соль указанной охлаждающей ванны за несколько минут окисляет содержащую цианаты или цианиды солевую пленку на детали с образованием неядовитых карбонатов м2]. Было бы, конечно, лучше, если при использовании высокоциа-нидной карбонитрационной ванны солей можно было бы обхо­диться даже и без этой окислительно-охлаждающей ванны.
...
Наряду с нейтрализующим эффектом окисляющая ванна постав­ляет кислород, который, проникая в сталь, диффундирует в слой соединений. На поверхности образуется прочно связанная с метал­лом оксидная пленка толщиной ~ 1 мкм, окрашивающая обрабаты­ваемое изделие в темно-голубой цвет. По внешнему виду и по струк­туре этот слой напоминает слой, получаемый при пароводяном ок­сидировании (воронении). Он имеет хорошую износостойкость, по­вышенную коррозионную стойкость и благодаря микропористому строению хорошо удерживает масло и смазочные жидкости. Этим объясняется его исключительно высокая устойчивость к истиранию.
...
Дополнительные сведения о практическом использовании этого эффекта оксидирования - в частности, сопоставление с другими методами защитного оксидирования, представлены в разд. 2.3.6.8.
...
Нерезкое охлаждение легированных сталей в этой специальной ванне приводит к получению практически такой же структуры, как при охлаждении в воде или масле. Конечно, на толстостенных де­талях из нелегированных сталей в результате более медленного теплоотвода в диффузионном слое может произойти частичное вы­деление микроскопически тонких игл нитридов, подобное тому, ко-
...
ся на уровне 1 - 5 %. Этот уровень нетрудно поддерживать с помощью продувки воздухом и соответствующего ухода за ванной, в част­ности путем пескоструйной очистки загрузочных приспособлений.
...
Поскольку свежий расплав соли практически не содержит циа­нидов, при титровании в первую очередь определяют цианаты и еже­дневный унос цианата восполняют добавлением регенерирующей соли.
...
Определение цианидов служит только для информации, при этом, например, медленное возрастание концентрации цианидов в тече­ние длительного времени свидетельствует, в частности, о недос­таточной аэрации ванны, возможных ее перегревах или о плохом удалении шлама (см. разд. 2.3.3).
...
Оптимальная рабочая температура такой специальной ванны составляет 300 - 400 °С. Достаточно погружения детали на несколь­ко минут, чтобы реакции разложения ядовитых соединений полностью завершились. Отделение образующихся в результате карбонатов не представляет проблем. Вязкость окисляющего расплава при ука­занных температурах невелика, так что вынос соли из ванны с де­талями незначителен. На рис. 130 показано снижение концентра­ции цианидов и цианатов в зависимости от температуры охлаждаю­щей ванны и от продолжительности реакции.
...
При карбонитрировании цианат распадается и освобождается азот, а также углерод и кислород (через СО), которые поглощают­ся сталью. В качестве продукта распада образуются карбонаты. Уп­рощенно эта реакция имеет вид:
...
В старых ваннах для карбонитрирования высокое содержание цианидов (около 50 %) служило в первую очередь резервом для по­лучения цианатов. При аэрации солевого расплава часть цианидов окисляется и при этом образуются цианаты:
...
ниже 520 "С может произойти также расслоение компонентов вац. ны, например выделение карбонатов. При этом из-за неконтропц. руемого состава расплава очень часто образуются аномальные диффузионные слои (например, слой, состоящий из двух зон), Мно. го Fe4N(y') и много пор. В некоторых случаях поверхность детали имеет вид как после коррозионного воздействия.
...
Содержания активного азота в ванне для карбонитрирования до. статочно для того, чтобы и при температуре выше 580 "С обеспе­чить образование глубокого однофазного слоя е-нитрида. Ниже 600 "с
...
Расход соли при повышенной температуре ванны незначитель­но возрастает, толщина нитридного слоя увеличивается (рис. 131), он остается однофазным, пористость слоя даже уменьшается. Осо­бенно заметен экстремальный рост толщины карбонитридного слоя.
...
ти от формы и геометрии режущей кромки). В особых случаях, на­пример для экструдеров из высоколегированных сталей [16] (см. также разд. 2.3.4.6)
...
Критерием оптимальных свойств деталей служит хорошо сфор­мированный карбонитрированный слой с достаточным содержанием азота и углерода. В отличие от других методов при жидкостном кар-бонитрировании слой соединений образуется уже через сравнитель-
...
Продолжительность обработки определяется требуемой толщи­ной карбонитридного слоя, которая в свою очередь зависит от ко­личества и типа легирующих элементов обрабатываемой стали, от состава ванны и температуры обработки.
...
Считается, что с увеличением содержания легирующих элемен­тов, за исключением углерода, глубина диффузии азота уменьшает­ся. Это приводит к получению более тонкого слоя соединений и мень­шей общей толщине азотированного слоя (рис. 132,133).
...




Азотирование и карбонитрирование
Оcновы сварки судовых конструкций
Материаловедение
Російсько-український словник зварювальної термінології. Українсько-російський словник зварювальної термінології.