Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса. Цели и задачи исследования 11
1.1. Влияние параметров состояния материала и качества поверхностного слоя деталей на их эксплуатационные свойства 11
1.2. Особенности разрушения металлов в процессе механической обработки 13
1.3. Изучение поверхностного слоя деталей с точки зрения диффузионных процессов насыщения 20
1.3.1. Физические свойства поверхностного слоя, как результат механической обработки 20
1.3.2. Общие закономерности диффузионных процессов в поверхностном слое 35
1.4. Влияние термических и химико-термических процессов на повышение качества поверхностного слоя деталей из коррозионно-стойких сталей 37
1.5. Свойства азотированного слоя 41
1.6. Влияние легирования стали на формирование поверхностною слоя детали 44
1.7. Особенности азотирования высоколегированных коррозионно-стойких сталей 46
1.8. Анализ результатов обзора. Цели изадачи исследования 50
Глава 2. Построение теории формирования качественного поверхностного слоя на механически обработанной детали с последующим диффузионным насыщением 53
2.1. Методы расчета параметров состояния поверхностного слоя деталей, влияющих на способность поверхности воспринимать диффузионное насыщение, в зависимости от процессов механической обработки 53
2.2 Влияние технологической наследственности на формирование параметров состояния поверхностного слоя деталей 61
2.3. Упрочнение и разрушение материалов в процессе механической обработке при сдвиговом механизме пластической деформации 63
2.4. Закономерности формирования остаточных технологических напряжений и шероховатости поверхности детали в зависимости от технологических условий 67
2.5. Термодинамические и кинетические закономерности диффузионных процессов (на примере азотирования и многоком понентных атмосферах) 75
2.5.1. Теоретические предпосылки регулируемых процессов азотирования 75
2.5.1.1. Термодинамика 75
2.5.1.2. Кинетика 78
2.5.2. Методика расчета технологических параметров регулируемых процессов азотирования 80
2.5.2.1. Теоретические предпосылки 81
2.5.2.2. Теоретический анализ сред для азотирования 84
Выводы 91
Глава 3. Оборудование, материалы и методика проведения исследований..92
3.1. Оборудование 92
3.2. Материалы 96
3.3. Методика проведения исследований 97
Глава 4. Формирование упрочненного поверхностного слоя с заданными физико-механическими свойствами на коррозионно-стойких сталях 101
4.1. Экспериментальная проверка теории влияния механической обработки на формирование упрочненного поверхностного слоя при азотировании 102
4.2. Азотирование в среде аммиака с воздухом 109
4.3. Азотирование в среде аммиака, разбавленного диссоциированным аммиаком 112
4.4. Влияние состава многокомпонентной атмосферы на физико-механические свойства азотированного слоя 115
4.5. Строение и фазовый состав азотированною слоя 123
Глава 5. Лабораторные испытания 130
Глава 6. Промышленная технология азотирования коррозионно-стойких сталей, учитывающая влияние технологической наследственности предыдущих операций механического формообразования. Экономическое обоснование 139
Заключение 144
Список литературы 146
Приложение
- Изучение поверхностного слоя деталей с точки зрения диффузионных процессов насыщения
- Влияние технологической наследственности на формирование параметров состояния поверхностного слоя деталей
- Азотирование в среде аммиака, разбавленного диссоциированным аммиаком
- Влияние состава многокомпонентной атмосферы на физико-механические свойства азотированного слоя
Введение к работе
Важнейшей задачей машиностроения в условиях рыночной экономики является производство продукции высокою качества и долговечности при минимальной ее себестоимости [1].
Эксплуатационные свойства (износостойкость, усталостная прочность, коррозионная стойкость, контактная прочность и др.), характеризующие долговечность и надежность работы различных машин, в значительной степени зависят от исходного состояния материала и параметров качества поверхностного слоя деталей (твердости HVo, шероховатости R/, остаточных напряжений первого рода оост), которые задаются при проектировании и формируются различными технологическими методами обработки [2,3,4,].
Обеспечение высоких физико-механических свойств поверхностною слоя стальных изделий, работающих в условиях больших контактных нагрузок, интенсивного износа в широком диапазоне температур необходимо для повышения ресурса работы и надежности самих изделий. Получение слоев с такими характеристиками на различных сталях можно обеспечить различными способами, такими как деформирование рабочих поверхностей деталей (создание наклепа); поверхностная закалка; наплавка, напыление, іальвани-ческое или химическое нанесение металла с высокими эксплуатационными свойствами; химико-термическая обработка. Если же речь идет только о высоколегированных коррозионно-стойких сталях, то получение поверхностей с высокими физико-механическими свойствами в ряде случаев достигается лишь диффузионным насыщением.
В последние годы отечественными учеными С.С. Силиным, А.В. Королевым, Э.В. Рыжовым, Л.Г. Сусловым, Д.Г. Евсеевым, В.К. Старковым, В.Ф. Безъязычным, Д.Д. Папшевым, Б.М. Бржозовским были сделаны попытки рассмотрения технологии механической обработки металлов и ее влияние на формирование параметров качества поверхностного слоя деталей с позиций механики деформирования твердых тел, теплофизики, теории дислокаций и теории подобия, которые позволили получить определенные положительные результаты. Однако предложенные методы не могут претендовать на полное решение данною вопроса, так как не учитывают последующего применения процессов диффузионного насыщения на деталях, прошедших механическую обработку, с целью формирования более износостойкого и твердого поверхностного слоя, по сравнению с получаемой только одной механической обработкой.
Обзор работ ученых Я.Д. Когана, Б.Н. Арзамасова, Ю.М.Лахтина, В.М. Зинченко, В.Я. Сыропятова, Б.А. Прусакова и др., занимающихся вопросами диффузионного насыщения, выявляет недостаточную изученность вопросов влияния технологической наследственности механического формообразования высоколегированных коррозионно-стойких сталей на формирование поверхности, способной воспринимать диффузионное насыщение.
В настоящее время в промышленности широко применяется упрочнение сталей за счет диффузионного насыщения и очень часто возникает вопрос о придании формируемому слою высокой твердости, износостойкости, хорошей адгезии к основному металлу. Это вызвано возросшими требованиями к физико-механическим параметрам слоя на ответственных деталях. Наглядным показателем непригодности деталей с такими несоответствиями в качестве является зарождение микротрещин в подслое и на границе основного металла с азотированным слоем. Дальнейшее развитие таких микротрещин может привести к отслаиванию (выкрашиванию) азотированного слоя при последующей эксплуатации деталей, что недопустимо. Кроме этого наличие трещин приводит к резкому снижению (до 2-х раз) усталостной прочности. В связи с этим возникает потребность в получении на поверхности металла твердого и износостойкого слоя, но при этом обладающего достаточной пластичностью и плавным переходом к более мягкой матрице, обладающего как адгезией, так и адгезией в слое. Из-за того, что зачастую диффузионное насыщение является финишной операцией, а особо ответственная деталь предварительно прошла множество ступеней обработки, что включает в себя существенные трудозатраты и обуславливает высокую
7 себестоимость изделия, объясняет недопустимость производства изделий с высоким процентом брака.
Это также вызвано возросшими требованиями к физико-механическим параметрам поверхностного слоя на ответственных деталях. Однако до настоящего времени не изучен вопрос влияния механической обработки поверхности детали на процесс ее диффузионного насыщения.
В связи, с чем важной и экономически обоснованной технической задачей является определение степени влияния механической обработки и процессов, проходящих при этом в поверхностном слое на последующее формирование упрочненного слоя при диффузионном насыщении и практическое получение поверхностного слоя с заданными физико-механическими свойствами.
В связи с этим, исследования, направленные на решение данной задачи являются актуальными и имеют важное хозяйственное значение.
Целью настоящей работы является обеспечение качества деталей машиностроения на основе получения требуемых значений параметров поверхностного слоя путем разработки технологического процесса газового азотирования, учитывающею влияние технологической наследственности предыдущих операций механического формообразования.
Следует отметить, что для достижения поставленной цели и решения существующей научной задачи в изучении физико-механических связей в процессе формирования необходимо изучить закономерности формирования поверхностного слоя при механической обработке и взаимосвязи в технологических процессах резания, и последующего диффузионного насыщения, разработать комплекс знаний, описывающих физическую сущность взаимосвязи качества обработанной поверхности детали с рациональными физико-механическими параметрами материала и технологическими условиями про-цесеса механической обработки, при удалении части начального объема металла, перед азотированием. При этом, ввиду сложности проблемы, необходимо использовать комплексный подход, который объединяет научные направления в различных областях знаний: физики металлов, механики деформирования, материаловедения, термодинамики, термокинетики, теплофизики, а также учитывать знания в области термической и химико-термической обработки.
Методы и средства исследований. Теоретические исследования выполнены на основе результатов научных исследований в различных областях знаний: технологии машиностроения, теории резания, механики деформирования, металловедении и химико-термии. Экспериментальные исследования процесса формирования поверхностного слоя детали с заданными физико-механическими свойствами проводились в лабораторных и производственных условиях с обработкой полученных результатов статистическими методами с использованием современных измерительных средств и вычислительной техники. Научная новизна:
На основе комплексных теоретических и экспериментальных исследований, а также внедрения результатов в производство решена научная задача, связанная с созданием теоретических основ установления взаимной связи качества поверхностного слоя детали с физико-механическими параметрами материала и разработкой технологии азотирования, позволяющей формировать качественный поверхностный слой с минимальной зависимостью от качества процесса механической обработки.
Обоснован метод обеспечения качества поверхностного слоя деталей на основе использования комплексного подхода для описания механического формообразования при формировании поверхности, влияющей на способность сталей воспринимать диффузионное насыщение.
Определена кинетика формирования поверхностного диффузионно! о слоя (на примере азотирования) на различных высоколегированных коррозионно-стойких сталях с учетом технологической наследственности формообразования при механической обработке.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили предложить методику обеспечения качества поверхностного слоя деталей (твердости HVo, шероховатости R^ остаточных технологических напряжений первою рода Оост) на основе прогнозирования физико-механических параметров материала и технологической наследственности механического формообразования перед диффузионным насыщением поверхностного слоя, что позволило разработать технологию азотирования высоколегированных коррозионно-стойких сталей, обеспечивающую получение упрочненного слоя высокого качества с заданными физико-механическими свойствами методом газового азотирования в многокомпонентных атмосферах.
В работе определены технологические параметры процесса азотирования, снижающие влияние дефектов механической обработки на формирование упрочненного поверхностного слоя; выявлено влияние состава насыщающей атмосферы на физико-механические свойства поверхностного упрочненного слоя на высоколегированных коррозионно-стойких сталях (45Х14Н14В2М, 05Х12Н2КЗМ2АФ) с учетом механического формообразования при азотировании в многокомпонентных атмосферах.
Технология формирования качественного поверхностного слоя с заданными физико-механическими свойствами при азотировании, была внедрена для производства деталей авиационной промышленности на ОЛО Гаврилов-Ямском машиностроительном заводе «АГАТ» Ярославской обл., Иркутском авиационном заводе - филиале ОАО «Научно-производственной корпорации «Иркут», г. Иркутск. На ООО «НПП «Нитрид», г. Саратов, внедрение позволило повысить выход годных деталей на 45%; в производстве машиностроительных деталей на 000 «ПК «ТЕХЗАКАЗ», г. Красноармейск Саратовской обл., - на 37%. Результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре «Технология металлов и материаловедение» ФГОУ ВПО «СГАУ им. Н.И. Вавилова» в г. Саратове.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Определение технологической наследственности процесса образова-
10 ния качественного поверхностного слоя с заданными физико-механическими свойствами на высоколегированных коррозионно-стойких сталях.
Основы управления технологией получения поверхностного слоя на высоколегированных коррозионно-стойких сталях с заданными физико-механическими свойствами с учетом микрогеометрии их поверхности.
Разработка технологического процесса получения поверхностного слоя после механической обработки на высоколегированных коррозионно-стойких сталях с заданными физико-механическими свойствами.
4. Результаты испытаний свойств поверхностного слоя высоколегированных коррозионно-стойких сталей, полученных по разработанному технологическому процессу.
5. Эксплуатационная проверка и технико-экономическое обоснование предлагаемого способа повышения качества поверхностного слоя деталей изготовленных из высоколегированных коррозионно-стойких сталей с учетом механического формообразования.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на: научно-методической конференции «Современные упрочняющие технологии и их применение» (Москва, 2005), межгосударственном научно-практическом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания» (Саратов, 2006), научно-практических конференциях Саратовского государственного аграрного университета имени Н.И. Вавилова в 2004-2006 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 2 в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы, 11 приложений, содержит 177 страниц машинописного текста, из которых 26 страниц приложений, 64 рисунка, 12 таблиц. Основные материалы опубликованы в работах: [116, 122, 125, 127, 128, 129, 130]. Работа выполнена в Саратовском государственном аграрном университете им. П.И. Вавилова.
Изучение поверхностного слоя деталей с точки зрения диффузионных процессов насыщения
Качество поверхности определяется геометрией поверхности (как границей тела) и физико-химическими свойствами, обусловленными процессом ее образования при обработке детали. Качество поверхности деталей машин влияет на такие их служебные свойства, как сопротивление усталости, усталостную прочность, износо-, коррозие- и эр оз постой кость, коэффициент трения, сопротивление схватыванию, контактную жесткость, надежность заданных посадок, а главное - технологичность поверхностною слоя в плане последующих этапов обработки данной детали.
В исходном состоянии металл характеризуется: химическим составом, макро- и микроструктурой, расположением волокон, твердостью и остаточными напряжениями.
В процессе механической обработки заютовки подвергаются резанию и пластической деформации. Под влиянием температурных воздействий и пластических деформаций во время обработки в них происходят структурные изменения. Наиболее значительным изменениям подвергаются вязкие металлы, в основном высоколегированные стали. При этом следует раишчать понятия вязкость и пластичность.
Пластичность оценивают степенью остаточных деформаций, а вязкость — работой, которую необходимо выполнить для достижения определенной степени остаточных деформаций.
К физико-механическим показателям поверхностного слоя изделия можно отнести: глубину наклепанного поверхностного слоя; степень упрочнения (наклепа), определяемую микротвердостыо наклепанного слоя и основного металла (сердцевины); ориентацию (текстуру) деформированных зерен, изменение их формы и размеров (обычно вытянуты в направлении движения обрабатывающего инструмента); наличие в металле макро- и микротрещин; величину, характер распределения и знак остаточных напряжений, действующих в поверхностном слое детали; макроструктуру поверхностного слоя детали; микроструктуру поверхностного слоя детали.
При низких скоростях резания 1-2 м/мин конструкционных сталей образуется стружка скалывания (элементная стружка). Она леї ко отделяется при малом тепловыделении и без заметной пластической деформации обработанной поверхности. Микронеровности незначительны, а форма их впадин близка к форме вершины резца. При увеличении скорости резания до 20-30 м/мин изменяется характер стружкообразования и шероховатость поверхности возрастает. Рост скорости резания сопровождается повышением температуры в зоне резания и значительным давлением (несколько тысяч гигаПаскалей). Это давление вызывает пластическое течение, как в отделяемом металле, так и в заготовке выше и ниже линии реза. Пластическое течение материала в зоне резания вызывает дополнительное увеличение высот неровностей. Кроме того, перемещение задней грани инструмента по свежеобразовавшейся поверхности, не успевшей покрыться слоем оксидов, сопровождается мельчайшими задирами, играющими существенную роль в образовании дополнительных неровностей.
Большинство абразивных зерен шлифовального круга имеют неблагоприятную для резания форму граней. Расщепление зерен и скругленис их граней в процессе работы еще более ухудшают геометрию. Поэтому шлифование протекает при более высоком давлении, чем при любом другом методе обработки металлов резанием. Значительные силы трения в процессе шлифования, скольжение зерна по обрабатываемой поверхности в момент сю врезания и высокие скорости резания вызывают мгновенное локальное повышение температуры и сложное пластическое деформирование поверхностных слоев. Сильно деформированные слои вытягиваются в направлении резания, образуя местные скопления металла. Возможно местное оплавление поверхности в случае работы отдельных зерен или группы их, имеющих невыгодную геометрию резания. Профиль рисок из-за высокой пластической деформации шлифуемой поверхности не имеет четких очертаний, как это было бы, если бы риски точно копировали форму абразивных зерен и траекторию их движения относительно обрабатываемой поверхности [34]. Шероховатость поверхностного слоя
Реальная поверхность деталей не является гладкой, она имеет неровности: выступы и впадины с относительно малым расстоянием между ними. Эти неровности, образующие в совокупности рельеф поверхности и являются шероховатостью.
Профилограммы обработанной поверхности, при увеличении имеют вид острой пилы, что является результатом того, что вертикальное увеличение во много раз больше горизонтального (например, 40000 и 400 соответственно). В действительности профиль поверхности выглядит иначе (рис. 1.2). Отдельные неровности имеют пологую форму. Угол между плоскостью основания выступа профиля и касательной к его боковой поверхности составляет при доводке 1...30, при шлифовании 10 и при точении 20. Самые гладкие металлические поверхности имеют неровности высотой порядка 100 межатомных расстояний [34].
Поскольку на образование поперечной шероховатости влияют такие факторы, как форма режущей кромки инструмента и величина подачи, не отражающиеся на продольной шероховатости, то обычно размеры поперечной шероховатости в 2 ... 3 раза превосходят размеры продольной шероховатости. Поэтому шероховатость поверхности перед азотированием оценивают по результатам измерения поперечной шероховатости. На рис. 1.3 представлены кривые поверхностного слоя полученного различными обработками. Иод азотирование пригодна поверхность, чистота которой составляет Ra 0,2-0,8 мкм. Данная поверхность может быть получена при чистовом точении и фрезеровании, а также при шлифовке. Поверхность, получаемая грубым точением и фрезерованием, составляет Ra 1,6 мкм плохо поддается азотированию. Также не поддаются азотированию и заполированные поверхности сталей прошедшие операции полировки, притирки и доводки, шероховатость которых составляет Ra 0,05-0,1 мкм. Это связано с тем, что при этих финишных операциях шлифования абразивом срезаются части зерен, происходят дислокационные и структурные изменения на молекулярном уровне в поверхностном слое, при этом становятся невозможным любые диффузионные процессы без проведения подготовительных работ по изменению структурно фазового состояния поверхностного слоя.
Влияние технологической наследственности на формирование параметров состояния поверхностного слоя деталей
Получение зависимости с учетом фактора технологической наследственности является основой подхода к проблеме обеспечения требуемого качества обрабатываемой детали. На этой основе стало возможным проектирование технологических процессов и определение оптимальных режимов обработки с учетом требуемых параметров качества поверхности перед диффузионным насыщением, что позволит получать упрочненный поверхностный слой высокого качества, удовлетворяющих наилучшим эксплуатационным свойствам конкретной детали. Обзор работ по данной проблеме показал, что большинство исследователей для ее решения используют методы планирования экспериментов. ПИ. Ящсрицын, Э.В. Рыжов и В.И. Аверченко [9] в результате обработки экспериментальных данных получили эмпирические зависимости мультипликативного типа, которые связывают параметры качества обработанной поверхности и условия обработки с учетом технологической наследственности гдс yt _ І_ТЬІЙ параметр качества или износостойкости обработанной поверхности. Используя подобную методику Э.В. Рыжов и В.А.
Бауман [6] получили эмпирические формулы, связывающие изучаемые характеристики с условиями обработки на предварительной и окончательной операциях обработки где v и Д=—— - параметры участка опорной поверхности (в абсолютных координатах), определяемые условиями предварительной и окончательной обработки. В этой же работе также была получена эмпирическая зависимость шероховатости Ra от параметров предшествующего качества поверхности (Ra u,,„ I \w o"ma0 и режимов окончательной обработки ПІ ІД после точения где R — коэффициент множественной корреляции. В работе [6] также представлена эмпирическая зависимость для определения параметров шероховатости при обкатывании роликами после обтачивания с учетом технолога чес кой наследственности где V и S - соответственно скорость резания и подача при точении; г - радиус при вершине резца; v - передний угол резца; гр - заборный радиус ролика; р -усилие на ролик; D - диаметр ролика; Sx и \ - соответственно, подача инструмента и окружная скорость детали при обкатывании; ко - ку - эмпирические коэффициенты. Эмпирические зависимости по определению параметров качества поверхностного слоя деталей (Ra, HV„ CO после различных технологических методов обработки с учетом технологической наследственности получены в работах [84-86]. Эти зависимости позволяют количественно определить влияние данных параметров поверхностного слоя после механического формообразования на последующее диффузионное насыщение. За параметр повреждаемости и критерий разрушения твердого тела принимается плотность накопленной в деформируемом элементе тела внутренней энергии U В соответствии с термодинамической теорией микрообъем тела считается разрушенным, если в нем плотность внутренней энергии достигает критической величины U» равной энтальпии плавления IК Условие разрушения записывается в виде:
Начальный уровень внутренней энергии Ц, учитывает наследственные свойства материала и температуру окружающей среды; AU учитывает изменение плотности внутренней энергии в процессе механической обработки. Экспериментальное подтверждение термодинамического критерия разрушения твердых тел при знакопеременном нагружении, абразивном трении и шлифовании представлено в работах [84-86]. Уровень упрочнения материала и сопротивление его пластической деформации в процессе механической обработки определяется запасенными его кристаллической решеткой дефектами, прежде всего дислокациями при наличии трансляционной моды деформации и дисклинациями при ротационной моде. Увеличение дислокаций и вакансий в деформируемом объеме приводит к увеличению упругой знеріии Uei деформирования в материале, а, следовательно, и твердости: Максимальная твердость HV. достигается при условии Uu = Ue» Аннигиляция дислокаций и вакансий при слиянии в субмикротрещины в процессе деформирования приводит к диссипации упругой энергии Ucl и разупрочнению материала. Получена система функциональных уравнений упрочнения, разупрочнения и разрушения материалов при деформировании в процессе механической обработки [87, 88]. Эти уравнения справедливы при условии, что температура резания меньше температуры рекристаллизации и интенсивного выделения накопленной упругой энергии не происходит [де ро, р, - начальная и текущая плотность дислокаций в деформируемом объеме; о, - интенсивность напряжения в зоне резания; t - время деформирования. В процессе резания в обрабатываемом материале создается большое количество новых дислокаций, которые упрочняют материал и изменяют его физико-механические характеристики. Увеличение плотности дислокаций р„ с ростом величины приложенного напряжения т,{о,) за время t; можно представить в виде соотношения [89], учитывая начальный уровень дислокаций
Азотирование в среде аммиака, разбавленного диссоциированным аммиаком
Одним из методов изменения азотного потенциала является введение в состав аммиачной атмосферы азото-водородной смеси, полученной предварительным разложением аммиака на N2 и Ik Данный способ изменения насыщающей способности среды технологически наиболее просто осуществляется, так как не требует снабжения термического оборудования дополнительными газовыми системами. Газ проходя через диссоциатор, представляющий собой печь с железным катализатором, нагретым до 750 - 850С подается по одной аз маїистралей в контейнер, чередуясь порциями с чистым аммиаком из другой магистрали. Соотношение аммиака и диссоциированного аммиака задается по ротаметрам или с помощью специальной системы автоматического регулирования состава атмосфер по заданным программам.
Если парциальное давление азота в азотирующей атмосфере меньше давления диссоциации нитридов железа, то диффузионный слой состоит только из зоны внутреннего азотирования. С повышением парциального давления возможно на поверхности получить монофазный слой низшего нитрида Fe4N (у -фазы). Дальнейший рост потенциала формирует обычно і етерофазную структуру, состоящую из Fe4N — Fe2-3N.
Замечено, что с увеличением концентрации азото-вод о родной смеси (до 80 % по объему) толщина нитридной зоны уменьшается, а зоны внутреннего азотирования возрастает (рис. 4.6). При концентрации 30 % но объему аммиака и 70 % по объему диссоциированного аммиака (570С, 3 ч) нитридная зона на техническом железе составляет 5—6 мкм и соответствует фазе уг. Детали после насыщения в этой атмосфере имеют светлую поверхность с легким "молочным" налетом [61].
Более интенсивное разбавление аммиака в соотношении (20 % по объему аммиака и 80 % диссоциированного аммиака) формирует только зону внутреннего азотирования без поверхностною нитридного слоя. Толщина зоны внутреннего азотирования при этом понижается по сравнению с обработкой в атмосфере аммиака. Это объясняется низкой активностью данной насыщающей среды, не обеспечивающей концентрации азота на поверхности, равной предельной растворимости азота в твердом растворе.
Для технического железа при смеси 22 % по объему аммиака и 78 % твердый раствор на поверхности с предельной по растворимости концентрацией азота обеспечивает ускоренный рост зоны внутреннего азотирования и скорость процесса возрастает в 1,5 раза по сравнению с обработкой в аммиаке.
Регулируя активность атмосферы можно изменять концентрацию азота в с -фазе. Так поддерживая концентрацию азота на нижнем пределе растворимости в с -фазе исключается ее охрунчивание и порообразование, а также получение в слое хрупкого нитрида Ft 2N при охлаждении.
Такая технология получения беспористых диффузионных слоев в аммиачно-азото-водородных атмосферах широко применяется в Польше при двухступенчатых циклах насыщения при азотировании конструкционных сталей. При этом на первой ступени азотирования при высоком азотном потенциале (Np = 5-7) формируют слой с плотной зоной с -фазы на поверхности, а второй ступени активность атмосферы снижают (Np = 0,2 -0,4). При таком потенциале атмосферы возрастает только зона внутреннего азотирования, а толщина и строение зоны с -фазы практически остается баз изменения. Длительность азотирования на второй ступени процесса определяется требуемой общей толщиной диффузионного слоя [126].
Процесс азотирования образцов из коррозионно-стойкой стали 05Х12Н2КЗМ2АФ проходил 36 часов, промежуточный контроль вели через каждые 9 часов. Технологический процесс осуществлялся по схемам, представленным в приложении 4, где ти - продолжительность одного цикла; тШ1 - продолжительность одного полуцикла; 7i\paccac - степень дис-социации аммиака при выдержке его в процессе деазотирования (стадия рассасывания); Ttsupo, - степень диссоциации аммиака при проточной его подаче (стадия насыщения); л%шив - степень диссоциации аммиака в процессе его активного насыщения при подаче смеси 50% аммиака и 50% воздуха (стадия активизации).
Схема 1 характерна для первых 9 часов процесса. Каждый насыщающий газовый цикл схемы 1 состоит из двух равных по времени полуциклов, за исключением первого и последнего. На первом полуцикле проводится азотирование в смеси 50%аммиака и 50%воздуха и продолжается 30 минут. На втором иолу цикле в проточном аммиаке и продолжается 2 часа. Далее циклы повторяются и первый полуцикл продолжается 1 час. На третьем цикле второй полуцикл продолжается 30 минут. На всех циклах насыщения поддерживается степень диссоциации аммиака 45-55%.
Далее следует цикл рассасывание азотированного слоя (деазотирова-ние) в смеси 50% полностью диссоциированного аммиака и 50%аммиака при степени диссоциации 80-85% и продолжается 2 часа. Общее время данной схемы 9 часов. Схема 2 характерна для второго и третьего 9 часового процесса. Здесь всего один насыщающий газовый цикл, состоящий из полуцикла азотирования в смеси 50%аммиака и 50%воздуха, продолжительностью 30 минут. На втором полуцикле азотирование в проточном аммиаке и продолжается 2 часа. Во время цикла насыщения поддерживается степень диссоциации аммиака 45-55%. Далее следует полуцикл рассасывания азотированного слоя (деазотиро-вание) в смеси диссоциированного аммиака при степени диссоциации 80-85% и продолжается 6,5 часов. Общее время данной схемы 9 часов. Схема 2 также повторяется и на третий раз. Схема 3 характерна для четвертого - заключительного 9 часового отрезка времени. Здесь идет один цикл рассасывания азотированною слоя (деазотирование) в смеси диссоциированного аммиака при степени диссоциации 80-85% и продолжается 9 часов. Температура процесса по схеме 1 и 2 составляла 590С, по схеме 3 составляла 610С. Контроль степени диссоциации проводили через каждые 20 мин.
Влияние состава многокомпонентной атмосферы на физико-механические свойства азотированного слоя
Далее следует цикл рассасывание азотированного слоя (деазотирова-ние) в смеси 50% полностью диссоциированного аммиака и 50%аммиака при степени диссоциации 80-85% и продолжается 2 часа. Общее время данной схемы 9 часов.
Схема 2 характерна для второго и третьего 9 часового процесса. Здесь всего один насыщающий газовый цикл, состоящий из полуцикла азотирования в смеси 50%аммиака и 50%воздуха, продолжительностью 30 минут. На втором полуцикле азотирование в проточном аммиаке и продолжается 2 часа. Во время цикла насыщения поддерживается степень диссоциации аммиака 45-55%.
Далее следует полуцикл рассасывания азотированного слоя (деазотиро-вание) в смеси диссоциированного аммиака при степени диссоциации 80-85% и продолжается 6,5 часов. Общее время данной схемы 9 часов. Схема 3 характерна для четвертого - заключительного 9 часового отрезка времени. Здесь идет один цикл рассасывания азотированною слоя (деазотирование) в смеси диссоциированного аммиака при степени диссоциации 80-85% и продолжается 9 часов. Температура процесса по схеме 1 и 2 составляла 590С, по схеме 3 составляла 610С. Контроль степени диссоциации проводили через каждые 20 мин.
Для оценки эффективности процессов азотирования в многокомпонентных атмосферах было также проведено азотирование в смеси 50%амми-ака и 50%воздуха - 1 час, чередующегося со смесью чистого аммиака - 2 часа, а также классическое азотирование в проточном аммиаке с применением в качестве депассиватора СС14 продолжительностью 9, 18, 27 и 36 ч.
Па графиках, представленных на рис. 4.7 явно видно преимущество технологии азотирования высоколегированных сталей в смеси аммиака и воздуха по сравнению с азотированием в чистом аммиаке с применением депас-сииаторов для удаления окисной пленки. Это же подтверждают и данные табл. 4.2.
Управление распределением микротвердости по глубине азотированного слоя путем применения стадий насыщения и рассасывания наглядно показана на рис. 4.8. Здесь во время стадии активизации происходит удаление окисной пленки и активизируется насыщающая способность поверхности стали. Во время стадии насыщения в проточном аммиаке на поверхности идет активное образование нитридной зоны и формируется зона внутреннего азотирования. В процессе рассасывания азотированного слоя в среде диссоциированного аммиака происходит снижение концентрации азота в поверхностном слое металла, за счет диффузионных процессов азот выходит в атмосферу, а также активно насыщает зону внутреннего азотирования. На этой стадии снижается поверхностная твердость, а зона внутреннего азотирования продолжает рости. За счет цикличности процессов насыщения и рассасывания азотированного слоя идет более интенсивно насыщение азотом и ускоряет процесс формирования зоны внутреннего азотирования. Анализируя кривые 1 и 4 рис. 4.8 наблюдается выравнивание микротвердости по всей глубине азотированного слоя, а величина твердости при этом снижается. При снижении твердости во время рассасывания азотированного слоя снижается хрупкость азотированного слоя, это подтверждают данные рис. 4.9. Проведя измерение габаритных размеров образцов и деталей из коррозионно-стойкой стали 05Х12Н2КЗМ2АФ до азотирования и после было выявлено увеличение размеров за счет припухання азотированного слоя. Зависимость припухання от времени азотирования приведена на рис. 4.10. Эти данные могут быть использованы для учета припусков под химико-термическую обработку на стадии разработки конструкторской документации.
Проведя металлографический анализ образцов азотированных по известной технологии в смеси аммиака с воздухом, чередующегося с азотированием в проточном аммиаке и азотировании с применением многокомпонентных атмосфер наблюдается определенная зависимость изменения профиля твердости на рис. 4.8-4.14. Так за первые 9 часов (см. рис. 4.11) процесса видно, что кратковременное рассасывание в течение 2 часов позволяет несколько снизить пик твердости нитридной зоны, а зона внутреннего азотирования остается практически без изменений. После последующего азотирования, когда общее время азотирования составит 18 часов (см. рис. 4.12). Завершающая стадия рассасывания проводилась 6,5 часов мы видим, что микротвердость нитридной зоны значительно снизилась, а вместе с тем и микротвердость зоны внутреннего азотирования уменьшилась по сравнению с результатами на образце не прошедшим стадию рассасывания.
После азотирования в течение 27 часов (см. рис. 4.13), завершающая стадия рассасывания проводилась еще 6,5 часов видно, что микротвердость нитридной зоны значительно снизилась, и сравнялась с микротвердостью зоны внутреннего азотирования, которая также уменьшилась по сравнению с результатами на образце не прошедшим стадию рассасывания. Вместе с тем несколько увеличилась зона перехода к металлической сердцевине. После проведения еще 9 часов дополнительного рассасывания в среде полностью диссоциированного аммиака при степени диссоциации 80-85% и температуре 610С наблюдаем (см. рис. 4.14) полное выравнивание микро-твердости по нитридной зоне и зоне внутреннего азотирования, а на поверхности ее некоторое уменьшение. Увеличилась зона перехода от азотированного слоя к металлической сердцевине. Все эти изменения вероятнее всего можно объяснить встречной диффузии азота при рассасывании в газовую атмосферу, а также вглубь металла [127]. За счет этого снижается общая твердость азотированного слоя, увеличивается зона внутреннего азотирования и переходная зона, а также снижается поверхностная твердость и хрупкость азотированного слоя, как наглядно показано на рис. 4.9.
