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.

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) 

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).

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.

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

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.

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).

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

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).

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

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.

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

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.

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

Рис. 10.3. Пробка. Сталь 08Х18Н10Т

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

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

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...

Читайте также:

Как правильно закалить нож в домашних ус... Константан — удельное сопротивление, пло... Шпоночный материал — ГОСТ, характеристик... Сталь 20х13 — характеристики, применение...