Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов (1024694), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Установлено, что нитроцементация в плазметлеющегоразрядаможетосуществлятьсяподвуммеханизмам:100параллельных цементации и азотирования, а также нитроцементацииионами CN+.Трудности управления процессом не возникают при проведенииионного азотирования, существенными недостатками которого являютсятолько сравнительно большая длительность насыщения (как правило,десятки часов) [90], не всегда достаточная контактная выносливостьдиффузионных слоев [24] и прочие известные ограничения, присущиеданному виду ХТО. Поэтому в настоящее время оно является наиболеераспространенным процессом ионно-вакуумной обработки.Однакоионно-вакуумныетехнологиицементацииинитроцементации до настоящего времени имеют ряд специфическихпреимуществ не только перед газовыми процессами, но и передвакуумными [27, 161].Так, за счет гибкого и точного регулирования науглероживающей иазотирующей способностью атмосферы в режиме реального времениионные процессы цементации и нитроцементации открывают особыевозможности по формированию протяженных диффузионных слоев(эффективной толщиной до 2,5-3,0 мм) с площадкой равной высокойконцентрации насыщающих элементов (около 1,0 % масс.
при суммарнойконцентрации их на поверхности, равной 1,25 %) длиной до 0,6 мм (настали 20ХН3МА), обеспечивающих предельные значения контактнойвыносливости [3, 155].Крометогоотмечаетсянаибольшаявозможнаяскоростьформирования диффузионных слоев: так на стали 20ХН3МА эффективнаятолщина нитроцементованного слоя, равная 1,9 мм, была достигнута порезультатамциклическихрежимовионнойнитроцементациипритемпературе 980 °С за 4 часа, а равная 3,2 мм – за 6 часов (рисунок 1.24,для сравнения с рисунком 1.23) [3]. При этом, высокая твердостьдиффузионного слоя (свыше 750 HV) обеспечена в первом случае наглубину более 0,8 мм, а во втором – на 2,0 мм (твердость на поверхности101составила порядка 820 HV). При этом, в отличие от газовых процессов, прикоторыхвозможнообразованиедефекта"темнойсоставляющей",обусловленное наличием в рабочей среде кислорода, приводящего квнутреннему окислению легирующих элементов с образованием сложныхоксидов типа шпинели [162, 163], при ионной нитроцементациисодержание азота не ограничено 0,4 %, а протяженность слоев – 1,0 мм.ммРисунок 1.24 – Кривые твердости диффузионных слоев, полученных врезультатециклическихрежимовионнойнитроцементациистали20ХН3МА при температуре 980 °С; продолжительности стадий активногонасыщения 10 мин; диффузионного выравнивания – 30 мин; общейпродолжительности процесса: 1 – 4 часа, 2 – 6 часов [3]Помнению[164]процессионнойцементации,малораспространенный в настоящее время, существенно уступает с точкизрения возможностей управления вакуумной цементации, названный всвязи с чем "эмпирическим", выигрывает за счет простоты экранированиячастей деталей, не подлежащих науглероживанию, как показано на102примеренеобрабатываемыхкорпусовинжекторовдвигателей,помещенных в графитовые боксы таким образом, чтобы наружу выступалитолько отверстия через которые углеродсодержащий газ интенсивнонасыщал внутренние поверхности деталей.
Насыщение проводили ватмосфере смеси CH4, Ar и H2 при температуре 900 °C, давлении 0,7 кПа,приложенном напряжении 0,6 кВ, обеспечивающем стабильный тлеющийразряд. В качестве второго примера эффективного использованиявозможностей ионной цементации использовали сепараторы подшипниковиз коррозионно-стойкой цементуемой стали Pyrowear Alloy 675 (см. п. 1.2),которые помещали в оснастку, которая обеспечивала защиту внутреннейповерхности кольца сепаратора, твердость которой должна составлять 430HV30, при твердости насыщаемой поверхности около 67 HRC.Вработе[165]проведеноисследованиеионно-вакуумнойцементации в смеси 4,5 % ацетилена с азотом при температурах875-975 °C, в результате которого определили углеродный потенциалатмосферы, который, как установлено, зависит от удельной энергиинизкотемпературной плазмы и существенно изменяется в ходе процесса.Значения углеродного потенциала при ионно-вакуумной цементациисоизмеримысозначениямиCватмосферахнизкогодавления(вакуумных).
Качество диффузионных слоев на деталях из стали AISI 8620после науглероживания в ионизированных средах столь же высокое, как ив вакуумных, в отличие от эндотермических газовыхатмосфер:обеспечиваетсяусталости;аналогичныйуровеньсопротивленияисключается пересыщение границ зерен атомами Mn, Cr и Si.Технико-экономическиедостоинстваионнойцементацииинитроцементации также рассмотрены в работе [166].Как указано выше, ионное азотирование является в настоящее времясущественно более распространенным процессом ХТО, чем ионновакуумная цементация (нитроцементация).103Технологическиепреимуществаионногоазотированияпередтрадиционными процессами в газовых средах азота или аммиака (какправило, в смесис водородом) показаныв ряде исследованийотечественных и зарубежных ученых [85, 90, 117, 118, 167-173 и др.].Применение ионного азотирования обеспечивает существенноеускорение формирования диффузионного слоя по сравнению с газовымазотированием (так, слой протяженностью 0,55 мм на стали 38Х2МЮАформируется при ионном азотировании за 14 часов, а при газовом – за 3035 часов) [90].
Увеличение скорости насыщения обусловлено созданиемвысокого градиента концентрации азота в приповерхностной зоне [85,117].Управляющимитемператураифакторамиазотныйионногопотенциал,азотированиякоторыйявляетсяопределяетсядолейазотсодержащих газов в технологической атмосфере [85, 907, 174, 175].Сростомтемпературыпроцессасущественноувеличиваетсяпротяженность слоя [175] (рисунок 1.25).Азотный потенциал определяет, в частности, фазовый составповерхности азотированного слоя [145].Азотированиеобеспечиваетвысокиезначениякоррозионнойстойкости, сопротивлению изнашиванию и изгибной выносливости [175].Так, при ионно-вакуумном азотировании коррозионно-стойкой стали AISI420 (химический состав: ≤ 0,15 % C; ≤ 1,0 % Si; ≤ 1,0 % Mn; 12,0-14,0 % Cr[176]) достигается твердость поверхности, равная 1350-1500 HV0,025.
Вдиффузионном слое отмечены мелкодисперсные и гомогенные частицынитридов '-Fe4N, -Fe2-3N и CrN, которые обеспечивают высокуютвердость.Твердость, HV0,25104Расстояние от поверхности, ммРисунок 1.25 – Характерные кривые твердости азотированных слоев,полученные на коррозионно-стойкой стали AISI 420 при проведенииионно-плазменного азотирования в течение 4 часов в рабочей атмосфере,содержащей 75 % N2 и 25 % H2, при различных температурах процесса[175]Более низкая температура ионного азотирования обуславливаетотсутствиенеобходимостипроведениятрудоемкойоперациизубошлифования, вместо которого применяется зубохонингования соснятием минимального припуска в пределах 0,01-0,05 мм [1, 118].
Ионноеазотированиеобеспечиваетсохранениенизкойшероховатостиобрабатываемой поверхности за счет сглаживания микронеровностей врезультате ионной бомбардировки и катодного распыления. Как и приионно-вакуумной цементации не представляет затруднений защитанеобрабатываемых поверхностей металла, а также насыщение деталейсложной формы с малоразмерными глубокими и (или) глухимиотверстиями.
По сравнению с газовыми процессами азотирования105удельныйрасходэлектроэнергииуменьшаетсяв1,5-2,0раза,технологических газов – на 1,5 порядка. Обеспечивается экологическаябезопасность и высокая культура производства.К недостаткам насыщения азотом по сравнению с науглероживаниемследует отнести склонность к охрупчиванию азотируемых слоев, а также,как указано выше, недостаточную контактную выносливость. Данныенедостатки частично устраняются за счет предупреждения образования наповерхности хрупкой -фазы и на границах зерен выделений '-фазы путемизмельчения зерна феррита и введения в сталь никеля [24].Недостатками ионного азотирования, как и других ионно-вакуумныхпроцессов, также являются краевые и угловые эффекты, неравномерностьтемпературы нагрева загрузки, в том числе вследствие дегазациилокальных областей поверхности, повышенная ионизация областей вглухих отверстиях [177].
Увеличение электрического напряжения приазотировании приводит к уменьшению глубины диффузионного слоянесмотря на то, что рост напряжения вообще увеличивает скорость ионов,поступающихнаповерхность.Этообъясняетсяодновременнымускорением распыления, который эффективно препятствует диффузииатомов азота в металл.К современным тенденциям в развитии ионного азотированияследует отнести применение углерод- и кислородсодержащих смесей(карбонитрирование в ферритной зоне; оксиазотирование, при которомобеспечиваетсяповышеннаякоррозионнаястойкость);применениеактивных экранов непосредственно в рабочей зоне печи; процессыазотирования деталей, предварительно подвергнутых металлизации (чащевсего хромированию, а также насыщению титаном) [177].Так, например, в работе [178] показано положительное влияние наповышение износостойкости в условиях воздействия частиц абразива,антикоррозионнойстойкости,атакжеснижениесклонностик106схватыванию за счет образования барьерной пленки наноразмернойтолщиныизоксидапоследовательногожелеза,проведенияобразовавшейсяопераций:врезультатеазотирования,нагревавокислительной атмосфере, повторного азотирования стали 40Х13.1.4.3 Сравнение способов ХТО высоконагруженных зубчатых колесКакпоказаланализметодовхимико-термическойобработкизубчатых колес, центральное место благодаря своей универсальностипринадлежит цементации, обладающей большими технологическимивозможностямипохарактеризующимисяформированиюразличнымидиффузионныхсочетаниямислоев,параметров,определяющих различные сочетания эксплуатационных свойств.
При этомдля цементации характерна широкая номенклатура обрабатываемыхсталей: от низколегированных до коррозионно-стойких и комплекснолегированных теплостойких, в том числе дисперсионно-твердеющих. Длярядазадачпредпочтительноприменениеазотирование,которое,вследствие необходимости применять лишь определенную номенклатуруматериалов, а такжеизвестной ограниченностивозможностей поформированию протяженных диффузионных слоев, в целом, уступает посвоей значимости для производства высоконагруженных зубчатых колесцементации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
