книги / Технология производства и методы обеспечения качества зубчатых колес и передач

7 .2 .4 . Поверхностная закалка с индукционным нагревом

Для повышения сопротивления усталости и износостойкости улучшенных и норма­ лизованных зубчатых колес в машиностроении широко применяется поверхностное уп­ рочнение с закалкой после нагрева ТВЧ. Поверхностная твердость, которая достигается после закалки ТВ1! для различных марок сталей, приведена в табл. 7.5. Зубчатые колеса, упрочненные поверхностной индукционной закалкой, при правильном выборе сталей и режимов термической обработки обладают высокой изгибной и контактной усталостной прочностью и износостойкостью.

Таблица 7.5

Твердость конструкционных сталей после закалки при индукционном нагреве ТВЧ

Поверхностная закалка с индукционным нагревом может осуществляться в двух ва­ риантах:

—поверхностная закалка (при поверхностном нагреве деталей);

—объемно-поверхностная закалка (при глубинном нагреве с преимущественным ис­

пользованием сталей регламентированной (РП) и пониженной прокаливаемости (ПП) типа 47ГТ, ШХ4 и 55ПП.

Наиболее широко применяются следующие способы индукционной закалки, для ко­ торых разработана гамма универсальных закалочных станков [9,14,15].

Непрерывно-последовательный способзакалки применяют для зубчатых колес диамет­ ром до 140-150 мм. Нагрев проводят в кольцевом индукторе при вращении детали и од­ новременном перемещении ее с равномерной скоростью относительно индуктора. Охлаж­ дение после нагрева в индукторе проводится водой или эмульсией. В отдельном случае применяется охлаждение в масле.

Одновременный способ нагрева применяют для закалки отдельных участков деталей, например рабочих профилей зубчатых колес. Нагрев проводится в индукторе, который полностью охватывает упрочняемую поверхность. Необходимая удельная мощность со­ ставляет 0,3-0,5 кВт/ CM2. Охлаждение после нагрева спрейериое.

При закалке одновременным способом нагрев средненапряжениых зубчатых колес с модулем зубьев до 3,5 мм на толщину слоя 2-3 мм ниже дна впадины должен проводиться током частотой 66 кГц, а с модулем от 3,5 до 6 мм — током частотой 8 кГц (зубчатые коле­ са с большим модулем закалке с одновременным нагревом не подвергают).

Последовательный способ закалки заключается в поочередной обработке отдельных участков детали и является комбинацией непрерывно-последовательного и одновремен­ ного способа.

Минимальная толщина закаленного слоя при упрочнении этими способами должна составлять: 1,2 мм — для обеспечения требуемого сопротивления смятию и контактному

(усталостному) выкрашиванию и 0,6 мм — для обеспечения требуемой стойкости против изнашивания.

Способ обкатки применяется для упрочнения рабочих поверхностен зубьев крупнога­ баритных зубчатых колес, для нагрева которых одновременным или непрерывно-последо­ вательным способом мощность генератора недостаточна; способ обкатки заключается в последовательном нанесении закаленных полос на упрочняемую поверхность [14,15].

При этом способе деталь, ось которой расположена горизонтально, вращается со ско­ ростью 2 -4 мм/с, а петлевой индуктор с ферритовым магиитопроводом закреплен парал­ лельно закаливаемой поверхности. Длина активной части индуктора при мощности уста­ новки 60 кВт и частоте тока 66 кГц может достигать 400 мм. Охлаждение при закалке про­ водится с помощью спрейера или жидкостью, в которую погружается деталь. Необходимо учитывать, что при этом способе на стыках закаленных полос в результате отпуска обра­ зуются зоны с пониженной твердостью (до HRC 30-35).

Закалка способом обкатки проводится на специализированных станках.

7 .3. Химико-термическая обработка зубчатых колес

Для химико-термического упрочнения тяжелоиагруженных деталей в машинострое­ нии применяют процессы газовой цементации и нитроцементации, вакуумную и ионную ХТО, высокотемпературную цементацию и обработку с насыщением в азотных атмосфе­ рах и в кипящем слое. Однако иа отечественных заводах и за рубежом для упрочнения вы­ соконапряженных деталей и, прежде всего, зубчатых колес в основном используются це­ ментация и нитроцементация.

Химико-термическая обработка металлических изделий — это термическая обработ­ ка в химически активной среде с целью изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя металла. В результате ХТО изменяются свойства металлов (твердость, износостойкость, сопротивление усталости, кавитационная и коррозионная стойкость), которые предотвращают схватывание металлов, повышают задиростойкость и долговечность деталей. В результате ХТО изменяется ряд физических свойств метал­ лов — магнитная проницаемость, коэрцитивная сила, теплопроводность.

Химико-термическая обработка, включающая диффузионное насыщение поверхно­ сти, закалку и низкий отпуск (старение), обеспечивает высокую твердость (HRC 58-63) и наибольшую несущую способность поверхностных слоев зубьев, а также высокую изгибную прочность зубьев.

Для дополнительного повышения твердости поверхностного слоя зубьев колес, рабо­ тающих без перегрузок, применяют обработку холодом при температуре -5 0 -5 5 °С.

Химико-термической обработке подвергают зубчатые колеса, изготовленные из стали марок 15Х, 20Х, 12ХН, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 15ХФ, 18ХНВА, 18Х2Н4ВА, 18ХНМА, 20ХН М , 12ХГН, 18ХГМ, 25ХГМ, 18ХГТ, 25ХГТ, ЗОХГТ, 15ХГНТА, 25Х2ГНТА, 15ХГН2ВА, 14ХГСН2МА, 20ХГР, 15ХГНР, 20ХГНР, 20ХГНТР, 25ХГНТР, 40Х, 40ХФА, 38X2MIOA, ЗОХЗВА, ЗОХЗМФ, 20ХЗМВФ. Низкоуглеродистую сталь ма­ рок 15, 20, 30 для цементуемых зубчатых колес применяют редко из-за недостаточной прочности сердцевины под действием контактных нагрузок (опасности продавливания цементованного слоя при больших нагрузках) и недостаточной изгибной прочности зубьев.

Контактная и иэгибная прочность химико-термически упрочненной стали зависит от свойств поверхностного слоя (насыщения углеродом, микроструктуры, твердости), глуби­ ны слоя и прочности сердцевины.

7 .3 .1 . Общ ие положения, закономерности формирования диффузионных слоев при химико-термическом упрочнении и принципы разработки технологического процесса ХТО

Промышленное применение химико-термической обработки требует высокой культу­ ры производства, четкого выполнения требовании заданной технологии. Нарушение оп­ тимальных требований режимов ХТО приводит к снижению качества продукции. Преду­ преждение и устранение дефектов при хнмнко-термнчсской обработке имеет огромное значение для повышения качества продукции [1, 6, 7, 9].

В машиностроении для упрочнения мало- и срсднснагружепных зубчатых колес ши­ роко применяется низкотемпературная химико-термическая обработка - азотирование и нитроцементация (цианирование), ХТО при температуре 540-590 °С —карбонитрирова- ние\ аналогичные процессы, разработанные зарубежными фирмами с фирменными назва­ ниями — Nitemper (США), Nemo (Великобритания), Nicotreat (Германия), Nitrok (Авст­ рия), Тафнайт, Унинитее (Япония) и др.

На отечественных заводах и за рубежом для упрочнения высоконапряженных зубча­ тых колес в основном используются цементация и нитроцементацня. В автотракторной промышленности на долю этих процессов ХТО приходится 40-45% от общего объема де­ талей трансмиссий, подвергаемых термическому упрочнению. Практика показывает, что, несмотря на высокий уровень автоматизации современных технологических процессов ХТО, применение печного оборудования с управляющими компьютеризированными сис­ темами автоматического регулирования углеродного потенциала, температуры и времени, эти процессы цементации (ннтроцементашш) имеют ряд недостатков. И прежде всего большой разброс (дисперсию) прочностных и усталостных характеристик обрабатывае­ мых деталей, которые приводят к снижению их долговечности. Последнее, как уже отме­ чалось выше, связано с тем, что для высоконапряженных зубчатых колес даже незначи­ тельное отклонение от оптимальной структуры, твердости и эффективной толщины це­ ментованного слоя может приводить к существенному понижению долговечности.

Химико-термическая обработка включает последовательные стадии: насыщение по­ верхностных слоев легирующим элементом (поверхностные реакции, массоперенос, диф­ фузию); закалку (фазовое превращение и растворение карбидов при нагреве с последую­ щим охлаждением); отпуск, осуществляемый для перевода структуры из неравновесного состояния в состояние, близкое к равновесию.

Массоперенос. Процессы насыщения при ХТО включают пять стадии:

1)реакция в технологической (насыщающей) атмосфере с образованием компонен­ тов, обеспечивающих перенос диффундирующего элемента;

2)подвод компонента, содержащего диффундирующий элемент, к поверхности ме­ талла и удаление продуктов реакции, образующихся в насыщающей атмосфере на границе раздела фаз;

3)реакции на границе раздела фаз;

4)диффузия насыщающего элемента в металле;

5)реакция в металле с образованием твердых растворов или химических соединений.

исходит при охлаждении со скоростью выше критической, которая определяется формой термокинетических диаграмм. Критическая скорость зависит от химического состава ста­ ли и ее строения (величины зерна аустенита, наличия и характера расположения включе­ ний, полосчатости и т. п.). Этими параметрами определяются закаливаемость и прокаливаемость стали, исследованиям которых посвящено много работ (16-20].

Под закаливаемостью понимают способность стали к повышению твердости в резуль­ тате закалки (может быть выражена количественными значениями твердости мартенси­ та), под прокаливаемостыо — возможность получения мартенситной структуры при за­ калке не только в поверхностных, но и внутренних слоях изделия (определяется количе­ ством полученного мартенсита и распределением твердости по толщине детали или образца).

Закаливаемость стали зависит от химического состава (главным образом, от процента содержания углерода), легирующих добавок, однородности структуры материала детален (поковок) и размеров зерен структурных элементов.

У близких по составу сталей прокаливаемость может существенно различаться, так как ее регламентируют род шихты, режим плавки и раскисления, а также другие операции металлургического передела. Поскольку на металлургических комбинатах, как правило, наблюдается существенный разброс параметров процесса, необходимо осуществлять кон­ троль закаливаемости и прокалпваемости отдельных плавок сталей. Это диктуется и эко­ номическими факторами (рациональное использование дорогостоящих легирующих до­ бавок, снижение материалоемкости процессов, возможность создания экологически чис­ тых технологических линий, повышение надежности и долговечности деталей).

С закаливаемостью и прокаливаемостыо в физико-химическом смысле тесно связаны такие свойства, как стремление аустенитных зерен к росту, стойкость к образованию зака­ лочных трещин, уровень внутренних напряжений [21,22]. Хотя развитие отдельных методов испытания закаливаемости в практическом смысле завершено, связи между закаливаемо­ стью и прочностными (а также эксплуатационными) свойствами выяснены недостаточно, в связи с этим нет законченных, достаточно полных и логически непротиворечивых мето­ дик расчета закаливаемости и прокаливаемости, позволяющих прогнозировать эффектив­ ную толщину упрочнения и структуру цементованных деталей. Во многом это обусловле­ но тем, что глубина упрочнения при закалке определяется не только прокаливаемостыо стали, но и размерами, формой изделий, а также охлаждающей способностью используе­ мых с этой целью закалочных средств. На основании сказанного можно сделать вывод, что прогнозирование упрочнения при закалке связано с количественным выражением этих трех указанных факторов: 1) прокаливаемости стали, определяемой в основном ее химическим составом и размером зерна; 2) размерами и формой изделий, подвергнутых закалке; 3) охлаждающей способностью закалочных средств.

Для количественного прогнозирования глубины упрочнения при закалке сталей (прокаливаемости сталей) в настоящее время применяют способ, предложенный Гросс­ маном [22], усовершенствованный в более поздних работах [16-20], а также способ, ос­ нованный на анализе диаграмм превращения аустенита при охлаждении, при использо­ вании которого также разработан ряд разновидностей количественной оценки прокали­ ваемости [16, 23, 24]. Можно считать, что для конструкционных сталей с однородным химическим составом и строением по всему объему деталей эти способы могут успешно применяться с целью количественного прогнозирования упрочнения при закалке с ис­ пользованием ЭВМ. Однако они в лучшем случае пригодны для оценки закаливаемости и прокаливаемости химико-термически упрочненных деталей простой формы и нужда-

ются в существенном дополнении при опенке массивных изделий сложной формы, к ко­ торым относятся, например, крупномодульные зубчатые колеса.

Еще более сложная картина наблюдается при количественной оценке размеров и фор­ мы закаливаемых деталей. Это связано с тем, что в каждом случае (за исключением не­ больших деталей простой формы) необходимо вырабатывать новый подход, как, напри­ мер, для прогнозирования упрочнения крупных поковок [25], деталей турбин и других из­ делий из однородных высоколегированных сталей [26], но такой подход недостаточно разработай для цементируемых массивных деталей, в том числе крупномодульных зубча­ тых колес, для которых характерны не только большие габариты и сложная форма, но и существенная неоднородность по химическому составу.

Количественная оценка охлаждающей способности закалочных сред осуществляется только экспериментальным путем с проведением работ на конкретном производстве, где изготавливаются (или будут изготавливаться) зубчатые колеса [5, 24, 27].

Следует отметить, что прогнозирование глубины упрочнения химико-термически уп­ рочненных деталей сложной формы выполняется на базе достоверных количественных методик, соединяющих расчет и эксперимент, с использованием результатов исследова­ ний на предприятиях охлаждающей способности закалочных агрегатов, а при необходи­ мости и других технических характеристик промышленных печей, на которых проводится ХТО цементуемых изделий. Найденные по работам Гроссмана, Кремсра и Деба критиче­ ские диаметры должны корректироваться с учетом способности охлаждающей жидкости (пересчет критического диаметра обычно проводится по зависимостям Бисса [4,12]).

Операция отпуска обычно проводится после закалки для получения необходимых свойств изделий. Интервал температуры отпуска значительный, но для сталей, имеющих а -► у “ нагрев изделий производится до температуры ниже нижней критической точ­ ки

В [4, 7] определены требования к конструкционной стали, структуре и твердости це­ ментованных зубчатых колес, обеспечивающие высокие характеристики сопротивления изгнбной и контактной усталости. Показано, что проблема обеспечения высокого качест­ ва химико-термического упрочнения цементованных деталей заключается, с одной сторо­ ны, в проблеме достижения заданной твердости по толщине, а с другой —в оптимальной структуре слоя с пластинчатым мартенситом, остаточным аустенитом и относительно не­ большим содержанием продуктов немартенситного типа (карбидов, бейннта, троостнта и др.). Количественно твердость и структура упрочненных слоев зубчатых колес регла­ ментируется следующими требованиями:

—эффективная толщина цементованного слоя до твердости 750 HV в пределах (0,05—0,1)т; до твердости 700 HV - (0,12—0,15)ш и до твердости 600 HV в пределах (0,20—0,25)т;

—содержание остаточного аустенита в мелконгольчатом мартенсите не должно пре­ вышать 30-40% на расстоянии от поверхности, равном (0,05-0,1)»/;

—содержание бейиита в слое не более 5% на глубине (0,05-0,1)/»;

—глубина залегания обособленных карбидов не более (0,03-0,05)/»;

—глубина залегания троостнта и темной составляющей не более 15 мкм. Практическая реализация этих требований осуществляется на конкретном печном

оборудовании и требует знания характеристик применяемой науглероживающей атмо­ сферы, газовых и температурных режимов цементационных и закалочных печей, а также условий охлаждения при закалке. В связи с чем исследование закономерностей формиро­ вания структуры упрочненных слоев при ХТО состоит из ряда конкретных задач, которые могут быть решены экспериментально-аналитически на основании методик обследования

конкретного печного оборудования и изучения процессов насыщения стали углеродом, а также методик исследования поведения цементованной стали при закалке.

При такой постановке задачи формирование структуры цементованных изделий оп­ ределяют главным образом три группы явлений и закономерностей:

—явления закаливаемости и прокаливасмости, обуславливающие поведение науглероженных сталей при закалке;

—процессы, определяющие влияние на прокаливаемость цементованной стали разме­ ров и формы деталей, а также конкретных условий охлаждения в тех или иных закалоч­ ных агрегатах;

—закономерности насыщения стали углеродом и азотом в процессе цементации (ннт-

роцементацин).

Количественные характеристики этих закономерностей могут быть определены на ос­ новании методик:

—определения прокаливасмости цементованного слоя и сердцевины конструкцион­ ных сталей;

—исследования прокаливаемостн цементуемых сталей с учетом охлаждающей спо­ собности закалочных устройств, размера и формы зубчатых колес;

—определения охлаждающей способности закалочных устройств;

—определения содержания углерода по толщине цементованного слоя с учетом раз­ мера зубчатых колес и условия охлаждения при закалке;

—исследования температурно-газовых режимов цементационных печей;

—определения режимов цементации, обеспечивающих заданное распределение угле­ рода в цементованном слое по результатам математического моделирования процессов диффузии.

Спомощью этих методик в конечном итоге определяют режимы химико-термической обработки, обеспечивающие требуемую твердость и структуру зубчатых колес.

7 .3 .2 . Азотирование мало- и средненагруженны х зубчатых колес

Азотирование — диффузионное насыщение поверхностного слоя металлических из­ делий азотом при нагреве в соответствующей среде при температуре 450-800 °С. Азоти­ рование следует считать наиболее распространенным методом упрочнения при низких температурах.

По сравнению с цементованной, азотированная сталь отличается более высокой по­ верхностной твердостью, большей износостойкостью, в ряде случаев более высоким пре­ делом выносливости, жаропрочностью, коррозионной стойкостью в атмосфере пресной воды и паре, увеличенным техническим ресурсом магнитопроводов. Азотируемые стали шлифуются и полируются.

Технологические возможности процесса азотирования позволяют создавать па метал­ лах и сплавах поверхностные диффузионные слои различного химического состава, кото­ рые в сочетании со свойствами основного металла придают изделиям комплекс механиче­ ских и физико-механических свойств, определяющих их эксплуатационную надежность.

По сравнению с цементацией и нитроцементацией, недостатками процесса азотирова­ ния являются его продолжительность и возможность образования упрочненных слоев с повышенной хрупкостью.

Среди многочисленных вариантов процесса азотирования в зависимости от агрегат­ ного состояния насыщающей среды наибольшее распространение на машиностроитель-

ных заводах получило газовое азотирование. Жидкостное азотирование, несмотря на бо­ лее высокую производительность, по сравнению с газовым, в промышленности применя­ ют редко это связано с токсичностью используемых солей, сложностью регулирования качества диффузионного слоя и другими условиями ведения процесса.

Применяемые в производстве азотосодержащие расплавы в основном содержат ак­ тивные атомы азота и углерода, которые диффундируют в металл, в результате происхо­ дит насыщение не только азотом, но и углеродом. В данном случае термин азотирование является условным, а процесс называют низкотемпературной нитроцементацией, циани­ рованием, карбонитрацией, Tenifer-process (Германия), Tiefranding-process (Великобрита­ ния, США) и др.

Технологический процесс изготовления азотированных изделий осуществляется в следующей последовательности: 1) предварительная термическая обработка; 2) механиче­ ская обработка (включая шлифование); 3) защита мест, не подлежащих азотированию (по необходимости); 4) азотирование; 5) окончательная доводка изделия в соответствии с требованиями чертежа.

Предварительная термическая обработка заключается в улучшении, т. е. в закалке и высоком отпуске при 560-650 °С. Во избежание коробления деталей температура отпуска (или старения) должна быть на 20-40 °С выше температуры азотирования. Для отдель­ ных марок сталей и групп деталей вместо улучшения может применяться нормализация.

При изготовлении зубчатых колес и инструмента из сложнолсгнрованных сталей необ­ ходимо учитывать возможность получения обезуглероженпой поверхности и деформации в процессе предварительной термической обработки. Поэтому на механическую обработку до азотирования необходим соответствующий припуск с учетом шлифования, а стабилизи­ рующий отпуск проводят при температуре на 40-70 °С превышающей температуру азоти­ рования в течение 3-10 часов с последующим медленным охлаждением с печыо.

Как правило, при азотировании деталей из сталей перлитного, мартенситного и аусте­ нитного классов размеры деталей увеличиваются, что необходимо учитывать до азотиро­ вания.

Местная защита стали от азотирования. Наибольшее распространение получило гальваническое покрытие оловом (лужение) мест, не подлежащих азотированию. Недос­ татком этого метода является растекание олова по поверхности детали в процессе насы­ щения стали азотом. Предварительное фосфотнрованне деталей предотвращает движение олова по поверхности и одновременно позволяет при азотировании увеличить толщину слоя и твердость.

Для местной защиты от азотирования коррозионно-стойких сталей применяют хими­ ческое (толщина 8-10 мкм) или гальваническое (до 30 мкм) никелирование.

Для защиты стали от азотирования многие заводы используют жидкое стекло. Детали промывают горячей водой, погружают в жидкое стекло, затем высушивают при 90-120 °С в течение 1-1,5 ч. При использовании такого способа отсутствует резкая граница между азотированной и неазотнрованнон поверхностями.

При высокотемпературном азотировании (750-800 °С) аустенитных марганцовистых дисперсионно упрочняемых сталей для местной защиты предложен метод окисления по­ верхности: нагрев при 650-750 °С в твердом карбюризаторе или пиролизном газе в тече­ ние 3-12 ч (метод В. А. Рудмана и Е. В. Труппной).

Подготовка деталей к азотированию. Перед азотированием для предотвращения сни­ жения толщины слоя и «пятнистой» твердости проводят специальную подготовку по­ верхности изделий. Поверхность изделий, подлежащих азотированию, обезжиривают для удаления следов масла, эмульсии электролитическим методом или промывают в органи­

228 Г л а в а 7

ческом растворителе типа бензин БР-1 «калоша» или в других растворителях, например, МЛ-51, МЛ-52 (ТУ 82-228-71), КМ-1 (ТУ 38-10706-76), ацетоне.

Коррозионно-стойкие стали перед азотированием подвергают травлению в водных растворах кислот для удаления окиснон пленки. Для дппассивацпн высокохромистых сталей применяют четыреххлорнстый углерод или хлористый аммоний, которые можно вводить в рабочее пространство печи.

Применяемое оборудование. Для азотирования используют разные конструкции печей периодического и непрерывного действия. К первым относятся шахтные муфельные и безмуфельные, а также камерные печи, ко вторым — толкательные, карусельные печи. Наибольшее распространение получили шахтные муфельные печи. В муфельных печах рабочий газ поступает в муфель и не соприкасается с футеровкой и нагревателями, где на­ сыщающий газ непосредственно контактирует с кладкой печи и нагревателями, если по­ следние не изолированы радиационными трубами. Во всех шахтных печах осуществляет­ ся принудительная циркуляция газа в рабочем пространстве печи. Мощность печи разде­ лена по зонам, что обеспечивает равномерность температуры в рабочей зоне (±5 °С), состав атмосферы по объему и высоте рабочего пространства. Печи поставляют в ком­ плекте с газовыми щитами и блоками управления температурой. Детали загружают в печь, подогретую до температуры примерно 150 °С. Весь цикл азотирования, включая на­ грев, выдержку и охлаждение до 150-250 °С, проводят при непрерывной подаче аммиака.

Герметичность печей достигается благодаря резиновым водоохлаждающим уплот­ нителям между муфелями и крышкой и сальниковым уплотнителям вала вентилятора. Между крышкой и шахтой печи имеется песочный затвор. Для удаления воздуха из печ­ ного пространства до начала процесса муфель продувают аммиаком или азотом.

Для контроля расхода, давления и степени диссоциации аммиака печи серии США комплектуют двухпознционным газовым щитом типа ОКБ 306Л, который позволяет кон­ тролировать процесс одновременно в двух тиглях.

Современное оборудование позволяет осуществлять азотирование с автоматическим регулированием параметров процесса [28]. Такая технология более жестко регламентиру­ ет качество диффузионного слоя (толщину, твердость, фазовый состав), которое необхо­ димо для обеспечения оптимальных свойств упрочненного слоя и служебных характери­ стик деталей. В [28,29] отмечается, что программное управление процессом азотирования по заданным критериям качества обеспечивает получение необходимых эксплуатацион­ ных характеристик изделий при минимальной продолжительности процесса (интенсифи­ кация процесса и оптимизация технологии по критериям качества изделий). Установки с системой автоматического программного управления процессом позволяют во время на­ сыщения получать и обрабатывать данные о кинетике роста диффузионного слоя и его фазовом составе.

Газовое азотирование (низкотемпературное). При азотировании стали ниже темпера­ туры эвтекгоидного превращения железо-углерод в различных насыщающих средах проис­ ходит преимущественная диффузия азота, а строение и фазовый состав диффузионного слоя определяются системой Fe-N. Упрочнение достигается за счет образования в поверх­ ностном слое изделия нитридных и карбоннтридных фаз и зоны внутреннего азотирования.

Нитридная (карбонитридная) зона оптимального состава и строения обеспечивает высокую ИЗНОСО-, коррозионно- и задиростойкость, поверхностную твердость, прирабатываемость. Зона внутреннего азотирования увеличивает жаропрочность и сопротивле­ ние циклическим нагрузкам (предел контактной выносливости). Свойства диффузион­ ного слоя во многом определяются структурой зоны внутреннего азотирования (хими­ ческим составом, дисперсностью и распределением в матрице упрочняющих нитридных фаз и т. п.), а также твердостью и распределением ее по толщине слоя.

Выделение избыточных фаз в зонах внутреннего азотирования происходит аналогич­ но процессам дисперсионного твердения в стареющих сплавах по механизму образования и роста зародышей.

При низкотемпературном азотировании независимо от того, в какой среде произво­ дится обработка, происходит преимущественное насыщение стали азотом, и в диффузи­ онном слое образуются только азотистые фазы. Углерод (кислород) влияет лишь на фор­ мирование нитридной фазы, которая может быть карбоннтридной или карбооксинитрндной. Распределение азота по глубине имеет скачкообразный характер вследствие отсутствия переходных двухфазных слоев.

Высокая твердость азотированного слоя достигается в процессе азотирования и по­ следующего медленного охлаждения. Причем, если при температуре азотирования она не превышает 460 HV, то при охлаждении увеличивается до 1250 HV. Наибольшее увеличе­ ние твердости при охлаждении соответствует температурному интервалу 300-400 °С [30].

Газовое азотирование проводят обычно в атмосфере частично диссоциированного ам­

Термическая диссоциация аммиака —это процесс, сопровождающийся образовани­ ем ионов в рабочем пространстве печи. Для снижения хрупкости азотированного слоя и экономии аммиака рекомендуется проводить азотирование в аммиаке, разбавленном азотом, до 70-80 об. % или предварительно диссоциированным аммиаком (N2 + Н2).

Для активизации процесса в аммиачно-водородную атмосферу вводят кислород, воздух, углекислый газ и их смеси. Оптимальное содержание кислорода составляет 1-6 л на 10 л аммиака, чаще 4 л на 100 л. При азотировании в аммиачной атмосфере сте­ пень диссоциации аммиака при 500-550 °С составляет 20-40%, при 540-560 °С — 40-60%, при 600-650 °С - 50-70%.

Степень диссоциации аммиака зависит от температуры процесса и расхода аммиака. В процессе азотирования степень диссоциации, измеряемая водяным диссоцнометром, является условной, так как она отличается от фактической. Фактическая степень диссо­ циации аммиака по предложению [31] определяется по формуле:

(7.3)

где а — степень диссоциации аммиака, С2 - концентрация аммиака в отходящих газах, выраженная в объемных долях.

Фактически на машиностроительных заводах измеряется условная степень диссоциа­ ции аммиака.

Применяются также атмосферы на основе частично диссоциированного аммиака и уг­ леродосодержащих компонентов (природного и осветительного газов, эндогаза, продук­ тов пиролиза, керосина, спирта, сиптпна и т. д.). В настоящее время в промышленности внедряются установки с коптрольно-регулирующимн системами, позволяющими обеспе­ чить требуемые параметры азотирования — температуру, продолжительность, состав ат­ мосферы, изменять их в соответствии с заданной программой [28, 29].

Для получения оптимальных физико-механических свойств не следует стремиться к большой толщине слоя, так как при этом снижается предел выносливости и возрастают деформации (коробление) деталей.

Ионное азотирование. Иногда такой процесс называют нононитрпрованпем или азо­ тированием в плазме тлеющего разряда. Сущность этого метода заключается в том, что

230 Г л а в а 7

азотируемые изделия подключают к отрицательному источнику постоянного напряжения (детали играют роль катода, а стенка контейнера служит анодом). В герметичном контей­ нере создается разряженная азотосодержашая атмосфера, в качестве которой можно ис­ пользовать чистый азот, аммиак или смесь азота и водорода. Между катодом и анодом создается высокое напряжение (500-1000 В). В этих условиях происходит ионизация га­ за. Образующиеся положительно заряженные ионы азота устремляются к отрицательно­ му полюсу —катоду. Вблизи катода создается очень высокая напряженность электриче­ ского поля. Ионы азота входят в зону высокой напряженности, разгоняются до больших скоростей и, соударяясь с деталью (катодом), внедряются в ее поверхность. При этом вы­ сокая кинетическая энергия ионов азота переходит в тепловую. В результате деталь за ко­ роткое время нагревается до температуры 470-580 °С, при которой происходит диффузия азота в глубь металла, т. е. идет процесс азотирования. Кроме того, при соударении ионов с поверхностью детали происходит выбивание ионов железа с ее поверхности, что способ­ ствует очистке поверхности от оксидных пленок, препятствующих азотированию. Это особенно важно для азотирования коррозионно-стойких сталей, у которых такую пасси­ вирующую пленку обычным способом очень трудно удалить.

Ионное азотирование по сравнению с газовым в обычных печах имеет ряд преиму­ ществ: в 1,5-2 раза сокращается продолжительность процесса, возможность его регулиро­ вания с целью получения азотированного слоя с заданными свойствами, снижается де­ формация деталей, возможность азотирования коррозионно-стойких сталей и сплавов без дополнительной депассивирующей обработки.

Таким образом, основными параметрами ионного азотирования, кроме состава газа, давления, температуры и продолжительности тока, являются напряжение и плотность тока. При ионном азотировании строение и свойства азотированных деталей зависят от напряже­ ния между электродами, состава газовой среды, степени ее разряжения, рабочей температу­ ры, продолжительности процесса взаимного расположения деталей и электродов.

При разработке технологического процесса ионного азотирования рекомендуется рас­ стояние между катодом и анодом не менее 40 мм.

Первые промышленные установки созданы в Германии в 60-е годы фирмой Kiok der Ionen. Известны промышленные установки конструкции ВНИИЭТО нескольких типо­ размеров (НГВ - 6.6/6-И1, НШВ - 9.18/6-И2, НШ - 20.24/6-И1, НШВ - 28.7/6-И1) с размером рабочего пространства от 600 до 2800 мм по диаметру и до 2800 мм по высоте. Серийно установки такого типа изготавливаются в Болгарии.

В отечественной промышленности азотирование в тлеющем разряде находит приме­ нение для разных групп деталей. Используется как отечественное, так и импортное обору­ дование. Например, на КамАЗе ионному азотированию подвергают валы н другие детали при 530-540 °С на толщину слоя 0,25-0,4 мм. Процесс проводят в атмосфере предвари­ тельно диссоциированного аммиака. Азотированию предшествует катодное распыление (8-10 ч) при постепенном повышении температуры (140-480 °С), напряжения (150-500 В) и снижении давления с 40 до 15-20 Па.

Азотирование конструкционных сталей. Газовое азотирование изделий из конструк­ ционных, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей чаще проводят при 450-600 °С. Изменение общей толщины слоя при данной температуре подчиняется параболическому закону. В табл. 7.6 и 7.7 показано влияние температуры и продолжительности азотирова­ ния на твердость и толщину азотированного слоя, сталь 38XMIOA [29, 32].

С увеличением времени выдержки и температуры толщина слоя возрастает. Для ста­ ли 38XMIOA наивысшая твердость 1100-1200 IIV достигается при температуре азотиро­ вания 500-520 °С. С повышением температуры твердость значительно снижается и при 600 °С составляет 750-800 HV.