Карбонитрация стали в домашних условиях

Карбонитрирование стали – способ химико-термической обработки стальных деталей, который предусматривает улучшение свойств прочности, стойкости к коррозии.
Содержание

Карбонитрация стали в домашних условиях

Карбонитрирование стали

Карбонитрирование стали – особый способ химико-термической обработки стальных деталей, который предусматривает улучшение свойств прочности, стойкости к усталости металла и устойчивости к коррозии. Суть такой обработки заключаться в усилении верхних слоев стали путем насыщения ее азотом и углеродом. Процесс насыщения происходит путем диффузного обмена, в процессе окунания металлов в расплав солей.

Технология карбонитрации стали

Карбонитрация может проводиться деталями любых размеров, из любых сплавов стали и чугуна. Причем возможно подвергать обработке только отдельные участки детали, повышение твердости которых необходимо. Для этого процесса применяется состав солей, в основе которых лежат меламин и дицианидиамид. Соли расплавляются при температуре свыше 550 градусов. Длительность выдержки обрабатываемых деталей может значительно разниться. Для небольших предметов, в основном режущего инструмента, достаточно получаса вдержки. Большие предметы могут обрабатываться более 4 часов. Расчет времени проводится на основе размеров предмета, требуемых конечных характеристик и необходимый толщины карбонизированного слоя.

Технология не слишком сложная, главное соблюдать требуемый диапазон рабочих температур и учитывать марку стали обрабатываемых деталей.

Стоит отметить, что с помощью такой химико-термической обработки можно полностью заменить процессы закалки, хромирования, цементации и гальванизации.

Она помогает добиться повышенных характеристик прочности стали, устойчивости к коррозии и воздействию высоких нагрузок.

В конце обработки на поверхности стали образуется несколько слоев. Первый слой – карбонидный, защищающий сердцевину. С каждым новым слоем концентрация азота и углерода в составе стали уменьшается.

Традиционная технология выглядит следующим образом:

  • предмету придается конечная форма и требуемые геометрические параметры, после чего он направляется на обработку (если требуется полировка, размеры детали можно немного увеличить);
  • проводится первичная обработка, в которую входит очистка от загрязнений, окисления и обезжиривается поверхность;
  • нагрев и опускание в соленую смесь;
  • после карбонитрации сталь охлаждается (можно применять различные методы, используя воду, масло, или оставляя на воздухе);
  • конечная очистка, промывка и просушка.

Эта технология становиться все более популярной из-за ряда преимуществ, выделяющих ее среди аналогов. К ним можно отнести:

  1. Качество верхнего слоя. Карбонитридная структура значительно превышает характеристики нитридных, так как она более пластичная и не такая хрупкая.
  2. Экологичность. Данный процесс наиболее экологически чистый среди аналогов, так как в процессе производства практически не выделяются испарения.
  3. Равномерность. В расплавленных солях металл равномерно прогревается, из-за чего диффузные процессы более качественные.
  4. Отсутствие деформации. Температуры расплавленных солей недостаточно для того, чтобы на поверхности предмета образовалось напряжение и произошла деформация. Изначальные и конечные геометрические параметры детали не отличаются.
  5. Повышение стойкость. Обработанные предметы становятся более стойкими к нагрузкам, воздействию коррозии и становятся более долговечными. Каждый из этих параметров может превышать первоначальные более чем на 70%.
  6. Пластичность покрытия. Готовое покрытие становится менее хрупким, что особо важно в процессе эксплуатации готовых деталей, особенно режущих кромок. При этом снижается коэффициент трения, что также значительно увеличивает срок эксплуатации.
  7. С помощью карбонитрации сталь даже низких марок, пример, стали 20 марки, которые не отличаются прочностными характеристиками, можно улучшать, приближая их свойства к параметрам дорогих марок стали, которые сложнее обрабатывать. Это позволяет экономить не только на покупке сырья, но и на процессе обработки.
  8. Обработанные детали не требуют дополнительной обработки. После выполнения карбонитрации, деталь или предмет можно полноценно эксплуатировать. В некоторых случаях требуется поверхностная обработка, которая не влияет на физические свойства.

Из-за безопасности и простоты технологии, ее можно выполнять даже в домашних условиях, но проще воспользоваться услугами, которые предоставляют некоторые предприятия и небольшие мастерские. Особенно если требуется разовая обработка, так как нецелесообразно устанавливать специальную печь и искать подходящую солевую смесь.

Подобная обработка широко распространена для следующих предметов:

  • режущий инструмент, в том числе ножи, сверла для электроинструмента, фрезы для станков;
  • формы для прессов, предусматривающих воздействие высокого давления;
  • элементы пары трения и зубчатых передач, в том числе шестерни, валы и колеса;
  • детали и элементы насосных установок.

Номенклатура обрабатываемых предметов постоянно растет, очень часто производители для надежности обрабатывают весь спектр производимых деталей, независимо от того, требуется она или нет. Это обусловлено простотой и относительной дешевизной такой процедуры.

Свойства карбонитрированного слоя

Процесс карбонитрации довольно прост, но для успешного завершения обработки стоит строго придерживаться технологии и не пренебрегать ни одним из пунктов. В конечном итоге готовый результат должен иметь следующие свойства:

  1. Толщина карбонидного слоя должна составлять более 0,01 мм и менее 0,6 мм.
  2. Твердость полученного слоя должна соответствовать показателям диапазона 400-1200 HV.
  3. Должна отсутствовать хрупкость обработанного слоя.
  4. Коэффициент трения материала снижается более чем в полтора раза.
  5. Стойкость стали к износу должна увеличиться в два и боле раз.
  6. Усталостная прочность обработанного материала повышается в полтора раза.
  7. Обработанная деталь не должна терять форму, искривляться и коробиться.
  8. Устойчивость к коррозийным процессам повышается более чем в 2 раза.

Если обработанный материал не соответствует хотя бы одному из вышеуказанных свойств, это может свидетельствовать о нарушении технологии выполнения и несоответствии готового результата с первоначальными требованиями.

Например, высокий коэффициент трения негативно влияет на износостойкость деталей, сохранность карбонидного слоя, сохранение геометрических параметров во время эксплуатации и срок эксплуатации.

Применяемое оборудование

Оборудование для карбонитрации представлено на рынке различными моделями, которые отличаются мощностью, степенью автоматизации и количеством выполняемых работ. Для промышленных предприятий лучше всего подходят модульные линии обработки, которые состоят из подготовительного, основного, экологического модулей. Некоторые модели дополняются модулями промывки и охлаждения.

  1. Подготовительный модуль – состоит печи, в которую загружается смесь солей и обрабатываемый материал, в зависимости от требований может компоноваться оборудованием для мойки и обезжиривания деталей. На этом этапе детали подготавливаются к обработке, очищаются и подогреваются.
  2. Основной – состоит из оборудования для карбонитрации. Может дополняться оборудованием в зависимости от типа обрабатываемых предметов. В этом модуле может быть установлена печь двух типов: печь-ванна и электронная, предусматривающие нагрев до 1000 градусов. Установка печи и другого оборудования производиться таким образом, чтобы в случае поломки их можно было оперативно заменить.
  3. Модуль охлаждения и промывки — на этом этапе обработанные детали охлаждаются в подходящей среде, и очистки от следов соли.
  4. Экологический – предусматривает избавление от отходов, фильтруя их и собирая в специальных стоках.

На сегодняшний день можно найти качественное оборудование как импортного, так и отечественного производства, причем большинство производителей предоставляют услуги индивидуального планирования. В процессе разработки проекта учитывается необходимая мощность, количество процессов обработки, размеры и особенности производственного цеха и другие пожелания клиента.

Карбонитрирование стали — технология, свойства, оборудование

Химико-термическая обработка – это комплекс операций по изменению химического состава и микроструктуры поверхности заготовки или изделия с целью получения требуемых характеристик. Такое изменение является результатом взаимодействия поверхности с окружающей средой определенного состояния, состава, температуры. Наиболее распространенные виды химической обработки – цементация (науглероживание), азотирование, карбонитрация (одновременное насыщение углеродом и азотом).

Технология цементации стали

Этот процесс подразумевает диффузионное насыщение поверхностного слоя стальных заготовок углеродом. Обработка осуществляется в карбюризаторе, выделяющем активный углерод, при температурах устойчивости аустенита – 850-950°C, хорошо растворяющего большое количество углерода. Для завершения процесса после цементации проводят закалку и низкий отпуск. Результаты химико-термической и термической обработок в комплексе:

  • высокая твердость и износостойкость поверхности;
  • повышение предела контактной устойчивости;
  • улучшение показателей предела выносливости при изгибе и кручении.
Читайте также  Что прочнее сталь или медь?

Внимание! Желаемый эффект достигается на сталях с низким содержанием углерода – до 0,2%. Без цементации такие марки закалить невозможно. Чаще всего цементации подвергают легированные стали.

Эта операция является длительной, поскольку процесс науглероживания протекает очень медленно. Основные типы сред для цементации (карбюризаторов):

  • твердые;
  • газообразные;
  • растворы электролитов;
  • пасты;
  • кипящий слой.

Отличительные признаки:

  • Модульная компоновка (подготовительный, основной, экологический модули, а также модуль охлаждения и промывки) позволяет в широких пределах варировать конфигурацией оборудования и технологиями упрочнения.
  • Обработка с частичным погружением позволяет проводить упрочнение отдельных участков деталей.
  • Высокая скорость обработки деталей в расплавах, по сравнению с газовыми технологиями достигаются за счет значительного сокращения времени прогрева и выдержки.
  • Отсутствие газообразных выбросов и жидких отходов обеспечивается экологическим модулем, в который входит воздушный фильтр и испаритель промышленных стоков.

Структура карбонитрированного слоя

В процессе карбонитрации на поверхности сталей формируется упрочненный слой, состоящий из нескольких зон. Верхний слой представляет собой ε-карбонитрид типа Fe3 (N, C) — зона соединений (Compound layer), т. н. «белый слой», под которым находится диффузионная зона (Diffusion layer), т. н. «гетерофазный слой», состоящий из твердого раствора углерода и азота в железе с включениями карбонитридных фаз, твердость которой значительно выше твердости сердцевины.

Типовая микроструктура стали после карбонитрации

Схема образования упрочненного слоя в расплаве солей

Сталь 3. Карбонитрация 580 °С, 3 часа. Глубина слоя – 0,2 мм

Ниже приведены результаты проведенных компанией DURFERRITE (Германия) коррозионных испытаний упрочненного слоя, полученного методом TENIFER-QPQ, в сравнении с другими способами поверхностной обработки.

Зависимость износа образца из Cтали 20 от пути трения со смазкой. Путь трения км х 100

Сравнение износостойкости образца из стали 40Х после карбонитрации (1) и газового азотирования в среде аммиака (2)

Коррозионные испытания (CASS) в соответствии с немецким стандартом DIN 50021 стали SAE 1045

На указанных примерах наглядно видны преимущества карбонитрированного слоя по сравнению с традиционными, наиболее часто применяемыми у нас процессами поверхностной обработки: цементацией, азотированием, хромированием. Кроме того, следует отметить, что при хромировании снижается усталостная прочность при циклическом изгибе основного материала. По сравнению с этим, при карбонитрировании всегда увеличивается усталостная прочность. После карбонитрации с последующим оксидированием повышение усталостной прочности составляет более 50%, в то время как после твердого хромирования усталостная прочность, наоборот, снижается на 20%.

Всё вышесказанное предопределило массовое распространение технологии жидкостного карбонитрирования за рубежом. Какова же ситуация в нашей стране?

Таблица 3. Результат теста на коррозионную устойчивость стали С45 (3% NaCl, 0.1% H2O2)

Исследованные виды поверхностного упрочнения

Потеря в весе в г/м2 через 24 ч

Карбонитрация с последующим оксидированием + полировка + оксидирование (QPQ)

Твердое хромирование: 12 мкм

Двойное хромирование: 20 мкм мягкого хрома, 25 мкм твердого хрома

Тройное покрытие: 37 мкм меди, 45 мкм никеля, 1,3 мкм хрома

Рис. 2. Распределение твердости по толщине слоя сталей 10 (1), 20 (2), 09Г2С (3) после карбонитрации по режимам: 1 – 590 °С, 3 ч, 2 – 570 °С, 2,25 ч, 3 – 570 ° С, 3 ч

Схема комплексной линии термической и химико-термической обработки в расплавах солей

Рис. 3. Распределение твердости по толщине слоя сталей 40Х (1), 40ХН (2), 40ХМФА (3), 30ХГСА (4). Карбонитрация 570 °С, 5 ч

К материалам ряда деталей паровых и гидравлических турбин предъявляются требования высокой коррозионной стойкости в сочетании с износостойкостью.

Так, детали узлов регулирования паровых турбин, работающие при температуре до 565 °С, должны обладать достаточной сопротивляемостью коррозионному и эрозионному воздействию пара, а также удовлетворительной износостойкостью в условиях сухого трения при взаимном перемещении. Детали сервомоторов, работающие в среде конденсата при температуре 70-80 °С, должны иметь высокую коррозионную стойкость и удовлетворительную работоспособность в условиях сухого трения или водяной смазки. Для поверхностного упрочнения этих деталей на заводах применяется технология газового азотирования. Но, как показано ниже, азотированный слой обладает в два раза меньшей стойкостью к износу по сравнению с карбонитрированным.

Испытания карбонитрированного слоя на износостойкость показывают наличие трех стадий. Первая стадия связана с приработкой и износом пористой верхней части карбонитрированного слоя (рис. 1, верхняя часть слоя толщиной 5 мкм) и занимает небольшое место в износе. Вторая характеризуется исключительно низкой скоростью износа карбонитридной фазы. Слой изнашивается без выкрашивания и сколов, что свидетельствует о его высокой пластичности и вязкости. Третья фаза относится к износу гетерофазного слоя. Здесь в массе феррита присутствуют дисперсные карбиды и нитриды железа и легирующих элементов, и такая структура вообще характеризуется высоким сопротивлением износу.

Сравнительные испытания на износостойкость различных видов диффузионных покрытий показывают, например: скорость износа стали 20 после цементации более, чем в 20 раз выше, чем после карбонитрации (см. таблицу) (рис. 4).

Метод химико- термической обработки Толщина упрочненного слоя, мкм Условия испытаний Скорость износа, мг/км пути трения
Нагрузка, Н Скорость скольжения, м/с
Цементация 800 500 0,5 0,15/180
800 1000 1,5
Карбонитрация
Карбонитридный слой 14 500 0,5 0,007/5,5
14 1000 1,5
Гетерофазный слой 270 500 0,5 0,025/150
270 1000 1,5
Примечание. Указана скорость износа при трении со смазкой (числитель) и без смазки (знаменатель)

Основные модули комплексной линии термической и химико-термической обработки в расплавах солей

1.Подготовительный модуль состоит из печи подогрева, а также, в зависимости от требований к линии, камеры обезжиривания и моечной машины.

Основное назначение – подготовить детали непосредственно к термической или химико-термической обработке.

2. Основной модуль в зависимости от требований производства может состоять из линии жидкостной карбонитрации, линии закалки быстрорежущих и штамповых сталей и/или линии жидкостной цементации. Любая из линий основного модуля может быть встроена в существующую линию без закупки дополнительного оборудования.

Все средства нагрева, входящие в основной модуль, делятся на печи-ванны (нагрев до 950 °С) и электродные печи (нагрев до 1300 °С). Все печи-ванны комплектуются легкосъёмными муфелями, изготовленными из жаропрочной стали или титана, в зависимости от типа процесса и температуры эксплуатации. Рабочее пространство электродной печи футеровано фасонными керамическими блоками. За счет унификации размеров печей-ванн существует возможность оперативной замены вышедшей из строя печи подобной печью. Для удобства управления каждая единица термического оборудования оснащена отдельным шкафом управления .

Все печи-ванны оснащаются бортовыми отсосами для отвода отходящих газов.

3. Модуль охлаждения и промывки. С помощью этого модуля производится охлаждение деталей после термической или химико-термической обработки с необходимой скоростью (охлаждение на воздухе, в масло, в воду), а также проходит очистка деталей от остатков соли в промывочном каскаде.

4. Экологический модуль. Основной частью экологического модуля являются испаритель промышленных стоков и воздушный фильтр, которые позволяют избавится от жидких и газообразных отходов производства. Также экологический модуль комплектуется накопителем промышленных стоков для сбора и хранения загрязненной воды.

Стоимость зависит от габаритов печей и комплектации линии.

Карбонитрация

Компания Термохим предлагает услуги по карбонитрации деталей в Москве — в нашем Инновационном центре упрочнения.

Карбонитрация сталей и чугуна

Сущность метода карбонитрации заключается в том, что детали машин и инструменты, изготовленные из любых марок стали и чугуна, подвергают нагреву в расплаве солей, синтезированных из аммоноуглеродных соединений (меламин, мелон, дициандиамид), при температуре 540-600 o С с выдержками 5-40 мин для режущего инструмента и 1-4 часа для деталей машин и штампового инструмента в зависимости от требуемой толщины упрочненного слоя. Технология используется для повышения износостойкости, усталостной прочности и – в сочетании с оксидированием – для увеличения коррозионной стойкости. Во многих случаях карбонитрация является альтернативой таких процессов, как поверхностная закалка, гальваническое хромирование, цементация и нитроцементация и др.

После карбонитрации на поверхности сталей формируется упрочненный слой, состоящий из нескольких зон. Верхний слой ε– карбонитрид типа Fe3(N,C). Под карбонитридным слоем располагается зона γ’ – фазы типа Fe4(N,C) , под которой находится диффузионная зона (гетерофазный слой). Она состоит из твердого раствора углерода и азота в железе с включениями карбонитридных фаз, твердость которой значительно выше твердости сердцевины. Концентрация азота и углерода при этом существенно снижается.

Читайте также  Особенности сварки при низких температурах

Технологическая схема процесса оксикарбонитрации

Структура стали 40Х после карбонитрации

Применение карбонитрации для обработки деталей повышает усталостную прочность на 50-80%, резко увеличивает износостойкость по сравнению с цементацией, нитроцементацией, газовым азотированием, обеспечивает минимальные величины деформаций в пределах допуска чертежа. Технология применима для упрочнения деталей из любых марок сталей и чугуна обеспечивает микронную точность (см. Таблицу характеристик упрочненного слоя и твердости сердцевины после карбонитрации). Среди технологий низкотемпературного упрочнения карбонитрация в расплавах солей является наиболее экономичным процессом, т.к. сокращает длительность насыщения до 0,5-6 ч, вместо 10-60 ч при газовом азотировании. При этом практически отсутствует хрупкость карбонитрированного слоя. Процесс карбонитрации, как правило, является окончательной операцией.

Свойства карбонитрированного слоя:

  • толщина 0,01-0,6 мм;
  • поверхностная твердость – 400-1200 HV;
  • повышение износостойкости в 2-11 раз;
  • снижение коэффициента трения в 1,5-5 раз;
  • хрупкость слоя – отсутствует;
  • повышение задиростойкости, включая нержавеющие стали;
  • повышение усталостной прочности в 1,5-2 раза;
  • повышение коррозионной стойкости перлитных сталей в 1,5-2 раза;
  • коробление и поводки длинномерных деталей – практически отсутствуют.

Изменение коэффициента трения стали 12Х18Н10Т в зависимости от удельного давления при контактном трении

Коррозионные испытания штоков автомобильных амортизаторов из стали 40Х с различными видами покрытий

Зависимость износа стали 18ХГТ от пути трения со смазкой

Изменение износостойкости по толщине карбонитрированного слоя чугуна ВЧ50

Распределении твердости по толщине карбонитрированного слоя сталей и чугуна (580oС 3 ч

Изменение коэффициента трения по толщине карбонитрированного слоя чугуна ВЧ50

Структура и фазовый состав стали 25Х2М1Ф после оксикарбонитрации

Коэффициент трения различных видов покрытий на стали типа 40Х

Сравнительные характеристики износостойкости цементированной и карбонитрированной стали 18ХГТ

Усталостные испытания чугуна ВЧ5

Технология НОК-PQ

Для придания коррозионных свойств деталям рекомендуется проводить процесс оксидирования в нитритно — щелочном расплаве при температуре 350-400 o С или водном растворе при 130-150 o С.В результате карбонитрации шероховатость поверхности в среднем ухудшается на 1-1,5 класса, поэтому после оксидирования для восстановления шероховатости поверхности можно использовать различные методы полирования:

  • Притирка доводочной шкуркой зернистостью 360 или мельче;
  • Полирование или тонкое шлифование специальными полировочными кругами в непрерывном процессе подобно бесцентровому шлифованию или шлифованию на токарных автоматах;
  • Скользящее шлифование в вибрационной емкости;
  • Струйная обработка стеклянными шариками диаметром 40-70 мкм.

При проведении процессов шлифования или полирования возможна потеря коррозионных свойств деталей, поэтому рекомендуется повторное оксидирование.Применение операции оксидирования после карбонитрации приводит практически к полному уничтожению цианидов, находящихся на поверхности.

Технологическая схема НОК-PQ — процесса

Технология карбонитрации в сочетании с оксидированием, полированием и повторным оксидированием, получившая название НОК-PQ (в Германии Tenifer – QPQ) придает деталям машин и инструменту несравнимо более высокие эксплуатационные характеристики.

Свойства оксикарбонитридного слоя

Поверхностная шероховатость образцов из стали 45 после карбонитрации (580°С 2 ч) с последующей обработкой по различным вариантам

Она может быть использована взамен гальванического хромирования, например, на деталях гидросистем, запорно- регулирующей арматуры, штампового инструмента и др.

Стоимость обработки договорная и определяется исходя из сложности, размеров,веса и количества деталей. Для того, чтобы узнать цену карбонитрации, необходимо отправить запрос (с четрежом детали) по одному из адресов, указанном на странице КОНТАКТЫ.

Упрочнение рабочих поверхностей (способы упрочнения и их выбор, износостойкие накладки, плазменная закалка и карбонитрация)

В настоящее время насчитывается более 100 способов упрочнения поверхностей. Большинство из них взаимозаменяемые, что обеспечивает большую вероятность успеха в случае использования любого из них. Поэтому предприятия, производящие машиностроительную продукцию, ограничиваются применением способов из небольшого перечня: объемная (печная) закалка с высоким отпуском, закалка ТВЧ, гальваническое хромирование, цементация, азотирование и некоторые другие. Их характеристики приведены в табл.2.1.

В проактивных ремонтах такой подход тоже приемлем, если детали ранее использовались без упрочнения. В противном случае надо изыскивать способы упрочнения, более эффективные, чем применяемые. При простом переборе доступных применению способов упрочнения, подходящий способ может выпасть последним, что приведет к потерям времени и средств. Поэтому полезно знать некоторые правила, позволяющие минимизировать число экспериментов при выборе подходящего способа упрочнения.

Выбор способов упрочнения.

По толщине упрочненного слоя.

Если деталь эксплуатируют до значительного (измеряемого миллиметрами) износа, то не всегда следует задаваться упрочнением на такую же толщину. Большой износ механизмов приводит к потерям мощности, к ударам и вибрациям, вызывающих поломки, становится причиной выпуска низкосортной продукции. Поэтому упрочнение следует рассматривать не только как средство сокращения расхода запчастей, но и как возможность исключения работы оборудования с большим износом. Упрочнение способно многократно (даже в десятки и сотни раз) замедлить изнашивание, благодаря чему необходимость в эксплуатации механизмов с большими износами отпадает.

Характеристики видов упрочнения

Характеристики упрочненного слоя

>ицирования основного металла

Закалка с высоким отпуском

Толщина упрочнения определяется прокаливаемостью стали

Применение в серийном производстве, поверхностей простой формы

Закалка газовым пламенем

Склонна к деформированию деталей

Плазменная закалка установкой УДГЗ-200

HRC 35-65 зависит от стали

Применяется вручную и автоматизировано, в серийном и единичном производстве

Высокая трудоемкость процесса

Карбонитрация (аналог азотирования)

HV350-1500, зависит от стали

Время обработки 2 часа; придает коррозионную стойкость. Для мелкосерийного производства

Способы с нанесением на поверхность дополнительного слоя

Применяется вручную и автоматически для нанесения различных металлов

Особое внимание этому виду упрочнения объясняется тем, что с его появлением закалка стала более доступной. Она представляет собой нагрев до некоторой критической температуры (>750°С) и последующее быстрое охлаждение, в результате чего твердость стали и чугуна увеличивается с HRC20-25 до HRC50-65. Это парадоксально, но так и есть: рост твердости составляет 2-3 раза, а увеличение износостойкости происходит на порядок или больше. Поэтому закалка остается наиболее распространенным способом упрочнения. Многие детали (пружины, шариковые и роликовые подшипники качения, режущий и штамповый инструмент) без закалки оказываются неработоспособными.

Первоначально разработанная закалка с нагревом в печах невозможна или затруднительна на массивных или деталях большой длины. Поэтому по мере появления высококонцентрированных источников нагрева их применяли для поверхностной закалки. В первом десятилетии 20-го века появилась газопламенная закалка; в 30. 40-х годах — электроконтактная, в электролите, закалка ТВЧ (токами высокой частоты); позднее для поверхностной закалки получил применение лазерный луч [16-18].

Сведения о плазменной закалке появились в 80-х годах 20 века. Наличие в промышленности различных плазменных аппаратов (для резки, сварки, напыления) подталкивало новаторов приспосабливать их для поверхностной закалки. Но, несмотря на многочисленные успехи [19-21], плазменная закалка в 90-х годах не обрела самостоятельной жизни. Её промышленное применение в основном поддерживалось разработчиками технологий. Плазменные установки для поверхностной закалки как самостоятельный вид товара не выпускались.

Значительным событием в развитие плазменной закалки стала разработка установки УДГЗ-200, которую выполнили в 2002 г. в ООО «Композит» (Нижний Тагил). Она впервые сделала плазменную закалку доступной ручному применению, чем существенно расширила область ее применения. Теперь закаливается, что было не доступно. При этом закалка установкой УДГЗ-200 удобно автоматизируется и роботизируется [22].

Установка УДГЗ-200 является первой установкой для плазменной закалки, на которую разработаны Технические условия и которая прошла сертификацию. По настоящее время она не имеет конкуренции, т. е. сообщения о поставке установок для ручной плазменной закалки на рынке отсутствуют.

Работу на ней осваивают сварщики 2-3 разрядов. Как следствие, внедрение установки в производство происходит без затруднений.

Рис. 2.5. Плазменная закалка установкой УДГЗ — 200: а) — сварщик за закалкой; б) — закалочная дуга;

  • в) — пальцы ковша экскаватора с плазменной закалкой;
  • г) — макрошлиф слоя плазменной закалки.

Закалка установкой УДГЗ-200 (рис.2.5) происходит без подачи воды на деталь, за счет теплоотвода в ее тело. Поэтому может применяться не только в термических цехах, но и на ремонтных площадках, по месту обработки и эксплуатации деталей, что способствует расширению её применения.

Закалка установкой УДГЗ-200, оставляя на поверхности цвета побежалости, не приводит к существенному ухудшению шероховатости в диапазоне

Rz 4. 40, не дает деформаций, благодаря чему многие закаленные детали идут в эксплуатацию без финишной шлифовки. Это позволяет сократить процесс изготовления, снизить себестоимость.

Твердый (HRC 45. 65) слой закалки (0,5-1,5 мм) многократно увеличивает срок службы крановых рельс и колес, зубчатых и шлицевых соединений, канатных блоков, футеровочных плит, штампов. Например, зубчатые венцы сталелитейного крана грузоподъемностью 225т и рудо-усреднительной машины увеличили сроки службы в

3 раза с пропорциональным сокращением частоты ремонтов. Рельсы и колеса передаточных тележек на трубопрокатном заводе после плазменной закалки увеличили срок службы с нескольких месяцев до нескольких лет [15, 22].

Читайте также  Цветная дефектоскопия что это такое?

Установкой УДГЗ-200 упрочняются низкоуглеродистые стали 20Л, 35Л, обычно не закаливающиеся, в т. ч. посадочные места в корпусах дробилок, на прокатных клетях и вагонных тележках [23].

Установка УДГЗ-200 отмечена серебряной медалью Женевского салона изобретений в 2008 г. Она восполняет отсутствие привычного (дорогостоящего и крупногабаритного) термического оборудования, делает процесс упрочнения экологически чистым.

Карбонитрация.

Внимание этому способу в настоящей работе объясняется тем, что по эффективности, не уступая распространенным способам (закалка ТВЧ, цементация, азотирование), он превосходит их в экономичности в условиях мелкосерийного производства, свойственного ремонтной специфике.

Цианирование, насыщение поверхности стальных деталей углеродом и азотом в расплаве цианидов, для придания твердости и износостойкости известно с 19-го века, но из-за высокой ядовитости процесса широкого применения не получило. После второй мировой войны для уменьшения токсичности цианидного расплава в США, Франции, ФРГ, Японии его стали разбавлять цианатами, однако желаемого обезвреживания не достигли. Проблему в начале 70-х годов удалось решить проф. МВТУ им. Баумана — Прокошкину Д.А., который нашел способ (Авторское свидетельство 576350, СССР) качественно увеличить реакционную способность безвредного цианатного расплава. Новый процесс получил название — карбонитрация.

Одними из первых внедрение карбонитрации в производство произвели на Волжском автомобильном заводе. В автомобильном двигателе распределительный вал из чугуна упрочнялся закалкой ТВЧ, а рычаг клапана (18ХН2М) -цементацией. Замена цементации на карбонитрацию в

10 раз увеличила износостойкость пары трения [24]. Столь впечатляющий эффект объясняется получением на поверхности тонкого (

10мкм), но высокотвердого, слоя карбонит рида [25]. В световом микроскопе после травления он выглядит белым (рис.2.6), что говорит о его высокой химической стойкости. Высокая твердость (табл.2.3) и химическая инертность делают карбонитрированную поверхность устойчивой к «схватываниям» при трении, т.е. износостойкой.

Рис.2.6. Белый слой твердого карбонитрида на стали 40Х (цена деления 20мкм)

Несмотря на перечисленные преимущества, карбонитрация остается малоизвестной технологией. Когда, ООО «Композит», созданное в 1990г Нижнетагильским филиалом Уральского политехнического института, организовало в 2006г участок карбонитрации, желающих прибегнуть к его услугам не оказалось. Причина была в том, что в чертежах предприятий индустриально развитого Уральского региона карбонитрация отсутствовала. Встречались цементация, азотирование, закалка ТВЧ, наплавка, напыление, но карбонитрации в чертежах не было. Чтобы приступить к карбонитрации потребовалась разъяснительная работа, которая помимо личных бесед работников Композита с заводскими руководителями и специалистами, проводилась на серийной (раз в два года) Уральской конференции «Сварка Реновация Триботехника», выездных лекциях-

Упрочнение стальных деталей комбинированными методами, создание коррозионностойких защитных покрытий

ООО «Ионные Технологии» руководитель НИОКР, главный тех.эксперт В.В. Богданов
bogdan.ion@mail.ru
ООО «Ионные технологии» директор А.В. Оборин
oborin@procion.ru
ООО «Ионные технологии» инженеры исследователи Д.М. Кинзибаев
И.С. Соколова
Е.С. Уткин
lab@procion.ru

Улучшение качества поверхности металлических деталей является важнейшей составляющей в продлении срока службы изделия в целом. Такие эксплуатационные характеристики как износостойкость, коррозионная стойкость, термостойкость практически полностью зависят от состояния и свойств поверхностного слоя. Более 90 % разрушений начинаются с поверхностных дефектов – трещин, задиров, эрозионных очагов, питинговой коррозии и прочее.

Существует множество способов упрочения поверхности деталей, один из них – ионная химико-термическая обработка (ИХТО) широко используется во всем мире и является одним из самых прогрессивных методов.

Наша компания занимается прикладными исследованиями и опытными работами по упрочнению широкого перечня деталей методами ионной ХТО. Данная технология повышает эксплуатационные характеристики, и как следствие, увеличивается срок службы деталей.

Для увеличения коррозионной стойкости совместно с режимом ионного азотирования проводят оксидирование (воронение) и/или эпиламирование деталей. Комбинированные методы упрочнения позволяют увеличить не только прочностные характеристики, но и повысить адгезионные свойства и стойкость деталей к коррозии, что особенно важно для деталей, работающих в агрессивных средах.

Оксидирование деталей, применяемое совместно с упрочнением ионным азотированием или карбонитрированием (углерод+азот) позволяет создать комбинированное покрытие, устойчивое к агрессивным воздействиям солей (соляного тумана) и слабым растворам щелочей и кислот. Дополнительная обработка сразу после извлечения из вакуумной камеры парафинами, эпиламами или эмульсиями, грунтовками или маслами, обеспечивает наилучшее комплексное покрытие с высокими адгезионными свойствами к металлу.

Упрочнение корпусов бурового оборудования

Упрочнение резьбовых переходников

Упрочнение шаровых пробок и угольников

Упрочнение сварочных столов

Упрочнение цилиндрических пробок задвижек высокого давления

Детали после азотирования с последующим оксидированием

Детали после азотирования с последующим эпиламированием

Технология ионного азотирования, карбонитрирования и оксиазотирования позволяет получить на поверхности изделия равномерные, бездефектные слои.

После проведения режима азотирования детали не подвергаются короблению и изменению линейных размеров, поэтому ИВА является финишной операцией производства деталей, что позволяет сохранить поверхностный нитридный слой, который обеспечивает высокие триботехнические свойства.

Широкий спектр материалов, которые можно эффективно обрабатывать с помощью этого метода, невысокая себестоимость, экологичность процесса позволяют говорить о его несомненной актуальности.

Рисунок 4. Внешний вид упрочненных деталей после испытания в солевом тумане

Наиболее часто используемые марки сталей для производства данных деталей 40ХН2МА, 09Г2С, 40Х, 38Х2МЮА, 30ХГСА.

Таблица 1. Характеристики азотированного слоя на сталях 40ХН2МА, 09Г2С, 40Х, 38Х2МЮА, 30ХГСА
40ХН2МА 09Г2С 40Х 38Х2МЮА 30ХГСА
Поверхностная твердость HV 5, кгс/мм 2 665 — 715 640 — 680 580 — 590 1120 — 1200 620 — 675
Поверхностная микротвердость HV 0.1, кгс/мм 2 840 — 910 775 — 875 700 — 750 1145 — 1200 1000 — 1040
Глубина слоя по микроструктуре hm, мм 0.24 — 0.25 0.32 — 0.33 0.35 — 0.36 0.21 — 0.22 0.29 — 0.30
Глубина слоя по микротвердости hс, мм 0.28 0.35 0.40 0.33 0.30
Толщина нитридной зоны, мкм 8 — 9 10 — 11 4 — 5 7 — 8 9 — 10
Хрупкость по шкале ВИАМ I балл, не хрупкий
увеличение в 50 раз увеличение в 1000 раз
Рисунок 5. Микроструктура азотированного слоя на стали 40ХН2МА
Рисунок 6. График распределения микротвердости по глубине азотированного слоя на стали 40ХН2МА
увеличение в 50 раз увеличение в 1000 раз
Рисунок 7. Микроструктура азотированного слоя стали 09Г2С
Рисунок 8. График распределения микротвердости по глубине азотированного слоя на стали 09Г2С
увеличение в 50 раз увеличение в 500 раз
Рисунок 9. Микроструктура азотированного слоя стали 40Х
Рисунок 10. График распределения микротвердости по глубине азотированного слоя на стали 40Х
увеличение в 50 раз увеличение в 1000 раз
Рисунок 11. Микроструктура азотированного слоя стали 38Х2МЮА
Рисунок 12. График распределения микротвердости по глубине азотированного слоя на стали 38Х2МЮА
увеличение в 100 раз увеличение в 500 раз
Рисунок 13. Микроструктура азотированного слоя стали 30ХГСА
Рисунок 14. График распределения микротвердости по глубине азотированного слоя на стали 30ХГСА

Технологии ионного азотирования и последующего оксидирования и/или эпиламирования позволяют создать комбинированное покрытие, которое повышает прочностные и триботехнические характеристики, коррозионную стойкость, снижает налипание на детали вязкого материала и брызг расплавленного металла, а также придает деталям насыщенный тёмный цвет в диапазоне от тёмно-синего до графитового. Оксидирование при окончании процесса ионной химико-термической обработки позволяет получить поверхность деталей, по своим антикоррозионным качествам не уступающую поверхности, полученной путем гальванического оксидирования.

На сегодняшний день ионно-вакуумное азотирование является передовой технологией поверхностного упрочнения деталей, превышающей по своим техническим характеристикам другие типы покрытий, в том числе хромирование. Ионная ХТО успешно применяется для упрочнения изделий насосно-компрессорного и бурового оборудования, гидравлической техники, а также различных деталей высокого давления (до 140 МПа).

Предприятия, использующие наши разработки: ООО «Парма Нефтемаш» г. Пермь; ЗАО «ПКНМ» г. Пермь; ЗАО «НИИ Турбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» г. Казань; ООО «Гидротехпрофи» г. Пермь; АО «ЭЛКАМ-Нефтемаш» г. Пермь; ООО «Межрегионсервис» г. Уфа; Завод «Синергия» г. Пермь; ООО «БИТАС», г. Самара; ЗАО «Профтермо» г. Набережные Челны; ЗАО «НГТ» г. Пермь; ООО «Гинэль» г. Пермь; ООО «Гидробур-сервис» г. Пермь; ООО «Завод НГО «Техновек» г. Воткинск; AO «Мунаймаш» Казахстан; ОАО «Торговый дом «Воткинский завод» г. Воткинск и др.

Оцените статью
Добавить комментарий