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).


Блок: 1/6 | Кол-во символов: 470
Источник: https://www.navigator-beton.ru/articles/vidy-himiko-termicheskoj-obrabotki.html

Содержание

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.

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.

Блок: 2/6 | Кол-во символов: 1005
Источник: https://www.navigator-beton.ru/articles/vidy-himiko-termicheskoj-obrabotki.html

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.

Блок: 2/4 | Кол-во символов: 636
Источник: http://www.termohim.com/obor/oterm/

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)

0,34

Твердое хромирование: 12 мкм

7,10

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

7,20

Никель: 20 мкм

2,90

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

1,45

Блок: 2/4 | Кол-во символов: 2394
Источник: http://www.informdom.com/metalloobrabotka/2018/2/karbonitraciya-v-rasplave-solei-shiroko-primenyaemaya-v-mirovoi-praktike-i-nezasluzhenno-zabytaya-u-nas.html

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


Блок: 3/16 | Кол-во символов: 249
Источник: http://www.vkm-armatura.com.ua/01-04-03_carbonitracia.html

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

 

Блок: 3/4 | Кол-во символов: 87
Источник: http://www.termohim.com/obor/oterm/

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)

Блок: 4/16 | Кол-во символов: 2646
Источник: http://www.vkm-armatura.com.ua/01-04-03_carbonitracia.html

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.

Блок: 4/4 | Кол-во символов: 1963
Источник: http://www.termohim.com/obor/oterm/

Рис. 4. Зависимость износа стали 20 от пути трения со смазкой. 1 – карбонитрированный слой, 2 – гетерофазный слой, 3 – цементированный слой


Блок: 5/16 | Кол-во символов: 219
Источник: http://www.vkm-armatura.com.ua/01-04-03_carbonitracia.html

Карбонитрация стали

Популярным видом ХТО стали и чугуна практически любых марок является карбонитрация, или жидкостное азотирование. В этом случае поверхностный слой заготовок насыщается углеродом и азотом в соляных расплавах при температуре 560-580°C. Соляные составы синтезированы из аммоноуглеродных соединений: меламина, мелона, дициандиамида. Карбонитрация сходна с цианированием. Но цианирование осуществляется с использованием токсичного цианида натрия при температурах до 860°C. Для карбонитрации применяют неядовитые соединения, осуществляется она при температурах до 570°.

Преимущества технологии карбонитрации стали

  • Одновременное насыщение азотом и углеродом инициирует появление карбонитридных фаз – более пластичных и менее хрупких, по сравнению с чисто нитридными.
  • Карбонитрация – наиболее экономичный процесс, благодаря его небольшой длительности – 0,5-4 часа.
  • Равномерность нагрева и диффузии.
  • Отсутствие термических напряжений, обеспечивающее минимальные деформации и точность геометрических параметров в пределах микронов.
  • Улучшение усталостной прочности изделий до 80%, износостойкости, коррозионной стойкости.
  • Уменьшение коэффициента трения до 5 раз.
  • Отсутствие хрупкости поверхностного слоя, насыщенного карбонитридами.
  • Возможность обработки недорогих низкоуглеродистых сталей, которые не упрочняются традиционным азотированием. В результате карбонитрации они приобретают характеристики, которыми обладают более дорогие и хуже обрабатываемые стали.
  • Этот процесс для рядовых деталей является финишным, не требующим дополнительной механической обработки. Ответственные изделия после карбонитрации подвергают хонингованию – полировке на 1-2 мкм.

Комбинированное насыщение поверхности азотом и углеродом может применяться даже для высоколегированных и устойчивых к коррозии сталей. На их поверхности присутствует плотная пленка из оксидов хрома и других легирующих добавок, препятствующая процессу чистого азотирования.

Этапы карбонитрации

Дополнительным плюсом этой технологии является возможность частичного погружения детали в солевой расплав, что позволяет упрочнить только отдельные участки.

Последовательность

  • На карбонитрацию поступают детали с окончательными размерами. При необходимости оставляют минимальный припуск на посадочных поверхностях для полировки.
  • Предварительные мероприятия: очистка, обезжиривание.
  • Нагрев в печи и карбонитрация.
  • Охлаждение в воде, масле, на воздухе.
  • Промывка, сушка.

Таким способом обрабатывают:

  • режущий инструмент;
  • пресс-формы;
  • пары трения;
  • элементы зубчатых передач;
  • детали насосов.

Важный плюс этой технологии – соответствие экологическим нормам и безопасность работников, благодаря отсутствию ядовитых соединений в насыщающих средах. Карбонитрация применяется как на крупных промышленных предприятиях, так и в небольших мастерских и в домашних условиях.

Блок: 5/6 | Кол-во символов: 2819
Источник: https://www.navigator-beton.ru/articles/vidy-himiko-termicheskoj-obrabotki.html

Рис. 5. Сравнительные испытания на свинчивание бурильных замков ЗЛ–152 с фосфатированием и карбонитрацией резьбы. 2 и 6 – фосфатирование, 3 и 5 – карбонитрация 570 °С, 2,5 ч (3) и 5 ч (5)


А в сравнении с фосфатированием, используемым в качестве противозадирного покрытия резьбовых соединений, карбонитрация резьбовых соединений из стали 40ХН в 4 раза снижает скорость износа резьбы (рис. 5).

Даже газовое азотирование, являющееся одним из близких аналогов процесса карбонитрации, показывает износостойкость более чем в 2 раза меньшую, чем при карбонитрации (рис. 6).

Блок: 6/16 | Кол-во символов: 672
Источник: http://www.vkm-armatura.com.ua/01-04-03_carbonitracia.html

Рис. 6. Износостойкость рычага рулевого управления снегохода из стали 10 после карбонитрации (1) и серийного режима газового азотирования (2)

Блок: 7/16 | Кол-во символов: 221
Источник: http://www.vkm-armatura.com.ua/01-04-03_carbonitracia.html

Рис. 7. Распределение твердости по толщине слоя нержавеющих сталей 20Х13 (1), 14Х17Н2 (2), 12Х18Н10Т (3). Карбонитрация 590 °С, 6 ч


Надежность и долговечность деталей из нержавеющих хромистых и аустенитных сталей, работающих в различных условиях эксплуатации, зависят не только от свойств основного металла, но и от состояния сравнительно тонких поверхностных слоев. В энергомашиностроении для повышения поверхностной твердости, износостойкости, задиростойкости, эрозионной стойкости, усталостной прочности этого класса конструкционных сталей применяют газовое азотирование. Но этот процесс, во-первых, слишком длительный, во-вторых, наблюдается деформация и коробление деталей, в-третьих, – фаза, образующаяся на поверхности при насыщении нержавеющих сталей азотом, оказывается очень хрупкой и её приходится удалять операцией шлифования. Сам технологический процесс газового азотирования усложняется, так как приходится вводить в муфель депассиватор, устраняющий окисную пленку с поверхности нержавеющих сталей.

Процесс жидкостной карбонитрации нержавеющих сталей лишен указанных недостатков. Скорость насыщения в расплаве солей выше, чем в газовых средах, а одновременное насыщение азотом и углеродом позволяет получать на поверхности стальных изделий карбонитридный слой высокой твердости (рис. 7) и практически лишенный хрупкости, в отличие от чисто нитридного. В результате отпадает необходимость последующей механической обработки, и, кроме того, карбонитридный слой существенно повышает износостойкость и снижает коэффициент трения поверхностных слоев контактирующих деталей до 5 раз. Это подтверждают сравнительные исследования значений коэффициента трения стали 10Х18Н10Т после закалки, газового азотирования и карбонитрации (рис. 8).

Блок: 8/16 | Кол-во символов: 1862
Источник: http://www.vkm-armatura.com.ua/01-04-03_carbonitracia.html

Рис. 8. Изменение коэффициента трения стали 12Х18Н10Т в зависимости от удельного давления при контактном трении. 1 – закалка 1150 °С, 2 – азотирование 620 °С, 35 ч, 3 – карбонитрация 570 °С, 12 ч

Блок: 9/16 | Кол-во символов: 286
Источник: http://www.vkm-armatura.com.ua/01-04-03_carbonitracia.html

Рис. 9. Распределение твердости по толщине наплавленного слоя стали 25Х1МФ после карбонитрации 570 °С, 3 ч


Необходимо отметить, что нами разработана технология ремонта шпинделей из стали 25Х1МФ, подвергнутых газовому азотированию. Технология включает в себя следующие операции:

  1. Обдирка азотированного слоя на глубину 0,5-0,7 мм.
  2. Наплавка (аргонодуговая или лазерная).
  3. Мехобработка.
  4. Полировка
  5. Карбонитрация

В результате на поверхности формируется упрочненный слой с высокой твердостью, низким коэффициентом трения (рис. 9).

На ряде фирм карбонитрации подвергаются детали запорной арматуры общего назначения и на высокие параметры температуры и давления энергетического, газо- и нефтедобывающего оборудования (штоки, шпиндели, золотники, в том числе с зубчатым приводом, тарелки, шиберы, оси, втулки, специальной конструкции гайки с обычной и трапециидальной резьбой, пробки шаровых кранов и др.). Технология карбонитрации корпусов вентилей DN 10-50 из сталей 20, 09Г2С, 25Х1М1Ф, помимо существенного повышения эксплуатационных свойств, хорошо зарекомендовала себя и как способ антикоррозионной защиты, что позволило исключить операцию окраски. На рис. 10 представлены примеры деталей, подвергаемые карбонитрации.

Блок: 10/16 | Кол-во символов: 1328
Источник: http://www.vkm-armatura.com.ua/01-04-03_carbonitracia.html

Рис. 10.1. Корпус, шпиндель, грундбукса. Сталь 20, 35, 09Г2С, 25Х1М1Ф, 38Х2МЮА, 14Х17Н2

Блок: 11/16 | Кол-во символов: 167
Источник: http://www.vkm-armatura.com.ua/01-04-03_carbonitracia.html

Совершенствование комплексного азото-углеродного насыщения – низкотемпературная карбонитрация


НОК-процесс – низкотемпературное оксикарбонитрирование – впервые был разработан российскими учеными, а затем дорабатывался немецкими исследователями и получил название QPQ. Преимущества:

  • первоначальная цель – улучшение товарного вида;
  • резкое снижение коэффициента трения;
  • коррозионная стойкость марок перлитного и аустенитного классов, обработанных способом НОК, превышает аналогичный показатель этих материалов, хромированных гальваническим методом;
  • себестоимость на 40% ниже, по сравнению с гальваническими покрытиями.

Этапы НОК-процесса:

  • карбонитрация;
  • охлаждение и выдержка в расплаве ванны оксидирования при 350-400°C;
  • охлаждение на воздухе;
  • промывка;
  • полирование;
  • повтор оксидирования;
  • промывка.

Данная технология рассматривается в качестве эффективной и экономичной альтернативы гальваническому хромированию для низколегированных сталей перлитного класса и хромистых коррозионностойких.

Блок: 6/6 | Кол-во символов: 987
Источник: https://www.navigator-beton.ru/articles/vidy-himiko-termicheskoj-obrabotki.html

Рис. 10.2. Клапан. Сталь 25Х1М1ФТЮР (l = 1300 мм)

Блок: 12/16 | Кол-во символов: 119
Источник: http://www.vkm-armatura.com.ua/01-04-03_carbonitracia.html

Рис. 10.3. Пробка. Сталь 08Х18Н10Т

Блок: 13/16 | Кол-во символов: 103
Источник: http://www.vkm-armatura.com.ua/01-04-03_carbonitracia.html

Рис. 10.4. Золотник, рейка, шпиндель. Сталь 14Х17Н2, 12Х1810Т

Блок: 14/16 | Кол-во символов: 131
Источник: http://www.vkm-armatura.com.ua/01-04-03_carbonitracia.html

Рис. 10.5. Шпиндель. Сталь 25Х1М1Ф, 25Х2М1Ф (длина до 1500 мм)

Блок: 15/16 | Кол-во символов: 131
Источник: http://www.vkm-armatura.com.ua/01-04-03_carbonitracia.html

Кол-во блоков: 25 | Общее кол-во символов: 25757
Количество использованных доноров: 4
Информация по каждому донору:

  1. http://www.informdom.com/metalloobrabotka/2018/2/karbonitraciya-v-rasplave-solei-shiroko-primenyaemaya-v-mirovoi-praktike-i-nezasluzhenno-zabytaya-u-nas.html: использовано 3 блоков из 4, кол-во символов 7561 (29%)
  2. http://www.vkm-armatura.com.ua/01-04-03_carbonitracia.html: использовано 13 блоков из 16, кол-во символов 8134 (32%)
  3. https://www.navigator-beton.ru/articles/vidy-himiko-termicheskoj-obrabotki.html: использовано 5 блоков из 6, кол-во символов 7376 (29%)
  4. http://www.termohim.com/obor/oterm/: использовано 3 блоков из 4, кол-во символов 2686 (10%)


Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью:

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Добавить комментарий