Перспективы использования низкотемпературного насыщения сталей азотом и углеродом в отечественном машиностроении и ремонтном производстве

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО НАСЫЩЕНИЯ СТАЛЕЙ АЗОТОМ И УГЛЕРОДОМ В ОТЕЧЕСТВЕННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ И РЕМОНТНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

А.Н. Пронин, Л.Х. Балдаев, А.А. Жосанов, Д.В. Колмыков

Аннотация. Проанализированы особенности низкотемпературных процессов поверхностного упрочнения сталей и приведены возможные области их использования.

Ключевые слова: низкотемпературное насыщение стали, углерод, машиностроение.

На зарубежных предприятиях в последние годы широко применяется упрочнение деталей, путём насыщения их поверхностей азотом и углеродом при относительно низких температурах (до 600°С). В частности в ФРГ разработан и внедрён в производство так называемый Те^ег - процесс или «мягкое азотирование» (в отечественной литературе этот процесс называется низкотемпературным цианированием). Этот процесс осуществляется в цианированных ваннах, содержащих чаще всего 40...45% №СК или 30...35% КСЫ, при температуре 570°С в течение 1...3 часов. При этом на стали образуется диффузионный слой микротвердостью Н^

500...800 и глубиной около 0,15 мм. Такая обработка повышает износостойкость, усталостную прочность и противозадирные свойства стали [1-5].

Мягкому азотированию подвергают цементуемые стали (типа 20Х, 15ХН и др.), среднеуглеродистые стали (типа 35Х, 40Х, 50ХФ и др.), а также нержавеющие стали и чугуны. На немецких заводах БЫШ низкотемпературной обработки подвергают зубчатые колёса, коленчатые валы (стальные и чугунные), шатуны, кулачки, толкатели, наплавляющие втулки, чугунные гильзы цилиндров, поршневые кольца и другие детали автомобилей и многих других машин.

Низкотемпературное цианирование находит всё большее применение в индустриально-развитых странах, таких, как США, Франция, Англия и др., вытесняя традиционные методы упрочнения - азотирования и цементацие.

При низкотемпературном цианировании резко сокращает время обработки деталей при их очень высоком качестве. Важно отметить, что при этом процессе размеры деталей изменяются незначительно и поэтому в зарубежной практике детали из улучшаемых сталей принято сначала подвергать окончательной механической обработке, а затем мягкому азотированию, что способствует резкому повышению производительности труда (исключаются длительные и дорогие операции финишной обработки упрочнённых деталей абразивным инструментом).

Низкотемпературное цианирование находит всё большее применение в индустриально - развитых странах, таких, как США, Франция, Англия и др., вытесняя традиционные методы упрочнения - азотирование и цементирование.

При низкотемпературном цианировании резко сокращается время обработки деталей при их очень высоком качестве. Важно отметить, что при этом процессе размеры деталей изменяются незначительно и поэтому в зарубежной практике детали из улучшаемых сталей принято сначала подвергать окончательной механической обработке, а затем мягкому азотированию, что способствует резкому повышению производительности труда (исключаются длительные и дорогие операции финишной обработки упрочнённых деталей абразивным инструментом.

Скорость насыщения стали при низкотемпературном цианировании можно значительно увеличить, если продувать через цианистую воду аммиак. Продувание аммиака изменяет соотношение между диффундирующими элементами в сторону увеличения азота, примерно в 2... 3 раза по сравнению с обычным цианированием. В случае обработки стали 38 ХМЮА в течение 5 часов 520°С с продувкой через ванну 200л/ч аммиака глубина цианированного составляет 0,2 мм, а поверхностная твёрдость - НУ 1050. При цианировании в той же ванне без аммиака глубина слоя составляет около 0,12 мм. Газовое азотирование этой стали в аммиаке обеспечивает глубину диффузионного слоя 0,16.. .0,18 мм за 20 часов при твёрдости НУ 850. Хорошие результаты даёт описываемый метод при обработке аустенит-ных сталей, в частности стали Х18Н9Т, на которой также удаётся получать достаточно глубокие диффузионные слои (- 0.17 мм) с твёрдостью более НУ 1000 за короткое время.

В зарубежной литературе неоднократно приводились примеры использования в производственной практике цианистых ванн с продуванием через них аммиака. В мелкосерийном производстве, при отсутствии специальной цементитной печи, её с успехом можно заменить цианистой ванной, через которую можно продувать аммиак. В отечественной практике такие случаи неизвестны.

Применение низкотемпературного цианирования в отечественной промышленности препятствовала необходимость использовать цианистые соли, которые были повсеместно запрещены ещё в СССР. В связи с этим принимались попытки разработать низкотемпературные процессы упрочнения сталей без использования цианидов.

Представляет интерес, например, низкотемпературная нитроцементация стали с использованием триэта-ноламина. Триэтаноламин подаётся через капельницу в печь с герметичной ретортой (печь типа «Ц»), где при ~ 600°С распадается с образованием газовой атмосферы следующего состава: 32,9% СО; 13% СН4 ; 0,9% Ст Нп (тяжёлых углеводов); 0,5%С02; 40,4% Н2; 11,6% N и 0,6% О2. Нитроцементация в продуктах пиролиза три-этаноламина при 600°С в течение 6... 10 часов обеспечивает глубину диффузионного слоя 0,15...0,40 мм с карбонитридными слоями глубиной 4... 10 мкм.

В Юго-Западном государственном университете на кафедре материаловедения и сварочного производства были разработаны и исследованы процессы низкотемпературного цианирования стальных изделий с использованием нетоксичной бесцианистой соляной ванны и с использованием активной азотисто-углеродной пасты.

Для цианирования различных сталей в режиме «мягкого азотирования» предлагается ванна на основе нетоксичного и дешёвого карбамида (мочевины):

40...45% (МН2)2СО; 35...40% №2С03; 8... 10% ЫаС1; 10... 12% №ОН. Активность такой ванны при температуре 560°С весьма высока и обеспечивает скорость насыщения до 0,4мм/ч, что превышает скорость насыщения в цианистых солях (технология «Те^ег»). Микротвёрдость диффузионных слоев составляет от Н^. 680.. .720 на углеродистой стали 20 до Н^ 1200.. .1320 на высоколегированной стали 09Х15Н8Ю.

Для тех же целей была успешно использована паста, состоящая из мелкодисперсной газовой сажи

35...57%, железосинеродистого калия 30...45% с добав-

ками углекислого натрия 8... 10% и углекислого кальция 5... 10% (пастообразователь - любой органический клей). Нитроцементация при температуре 560...600°С углеродистых и легированных сталей обеспечивает образование на них достаточно глубоких диффузионных слоев с развитой карбонитридной зоной на поверхности. Твёрдость поверхности стали 40Х после нитроцементации в пасте при 580 °С в течение 3-х часов достигает НУ 1000.

Использование нитроцементирующей пасты очень удобно для мелкосерийного, в том числе ремонтного производства, так как может быть осуществлено на самом простом термическом оборудовании. Покрытие деталей нитроцементующей пастой обеспечивает достаточную экологическую чистоту процесса, так как на несколько порядков уменьшает расход цианистой соли К4Ге(СК)6 по сравнению с цианированием в ваннах, а по скорости процесс цианирования в пасте не уступает цианированию в расплавленных солях.

Низкотемпературная нитроцементация значительно повышает износостойкость деталей как из легированных, так и углеродистых сталей, поскольку увеличивает твёрдость поверхности и резко уменьшает коэффициент трения. Например, у стали 30Х2Н2ВФ коэффициент трения после улучшения составляет 0,94, а после нитроцементации при 560°С он снижается до 0,22 (т.е. более чем в 4 раза). Снятие с поверхности нитроцемен-тованной стали слоя толщиной 0,01 мм повышает коэффициент трения до 0,63. Это свидетельствует о том, что пониженный коэффициент трения обуславливается наличием карбонитридной е- фазы на поверхности.

Рентгеноструктурным анализом на поверхности стали, нитроцементованных в режиме мягкого азотирования (560...600°С) обнаруживаются следующие фазы: Ге2(ЫС) -фаза Ге2_з (ЫС) - фаза е; Ге3(ЫС) - фаза изоморфная с цементитом; Ге4(ЫС) - фаза у, а также а - твёрдый раствор, в котором расположены включения избыточных карбидов Ге4М Все карбидонитридные фазы отличаются высокой твёрдостью в виде корочки на поверхности диффузионного слоя. При большой толщине карбонитридная корочка отличается хрупкостью, особенно на простых углеродистых сталях, однако при небольшой толщине (~ 10 мкм) хрупкость не проявляется.

Низкотемпературная нитроцементация повышает предел выносливости сталей - предел выносливости углеродистой стали 45 повышается на 50...60%, а предел выносливости высоколегированной стали 30Х2Н2ВФ - на 30...35%. В поверхностных слоях этих

сталей присутствуют сжимающие напряжения, величина которых достигает 400.. .600 МПа.

Наконец, нитроцементация (600°С, 6 ч), как показали испытания, проведённые на Кировском заводе на специальном стенде, обеспечивает существенное повышение контактной прочности сталей.

Внедрение низкотемпературной нитроцементации в отечественную промышленность может, при относительно небольших затратах, повысить долговечность многих деталей, повысить конкурентоспособность машиностроительной продукции и ликвидировать отставание от зарубежной практики, широко применяющей низкотемпературную обработку. Этот процесс может быть с успехом использован и в ремонтном производстве при восстановлении и упрочнении деталей машин [6].

Список использованных источников

1 Фунатани К. Низкотемпературное азотирование стали в соляных ваннах // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2004.- №7. - С. 12-17.

2 Finnern В. Entwicicklug und praktische Anwendung des TENJFER -verfahrehs (alt und new) zwf. - 1975.A. 70, №12. S.659 -664.

3 Лахтин Ю.М., Неустроев Г.Н., Айрапетян H.A. Износостойкость конструкционных сталей после низкотемпературных процессов цианирования и нитроцементации // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1975.-№11.- С. 71-73.

4 Liedtke D. Nitrieren und Nitrocarburicren // Maschi-nenbau, 1981. A . 10. №5. S. 35 -48.

5 Износостойкость и усталостная прочность сталей после низкотемпературной нитроцементации / С.С. Исхаков, В.Г. Лаптев, Л.М. Семенова и др. // Металловедение и термическая обработка металлов.- 1981.-№1.-С.2-5.

6 Колмыков В.И, Серебровский В.И. Упрочнение элек-троосаждённого железа нитроцементацией при восстановлении деталей // Ремонт, восстановление, модернизация. -2003.- № 10.- С. 22-24.

Информация об авторах

Пронин Андрей Николаевич, соискатель РГАЗУ, г. Балашиха Московской области.

Балдаев Лев Христофорович, доктор технических наук, директор ОАО «Технологические системы защитных покрытий», г. Щербенко Московской области.

Жосанов Алексей Александрович, аспирант ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет».

Колмыков Денис Валерьевич, кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».