НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ЕДИНИЧНОГО И МЕЛКОСЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Крукович М.Г.

Доктор технических наук, профессор, Московский государственный университет путей сообщения Императора Николая II

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ЕДИНИЧНОГО И МЕЛКОСЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Аннотация

Рассмотрены низкотемпературные процессы газового борирования и азотирования в закрытых контейнерах. Насыщающая газовая среда самопроизвольно образуется при нагреве контейнера либо из обмазки, нанесенной на внутренние поверхности контейнера, либо из размещенной внутри солевой составляющей. Отработку процесса проводили на сталях 40Х, Р6М5 и Х12М. Для защиты от окружающей окислительной среды и предупреждения выхода насыщающей атмосферы из контейнера использовали плавкий затвор на основе песка и борного ангидрида. Разработанные технологии обладают высокой экологической безопасностью и могут использоваться для обработки деталей и инструментов единичного и мелкосерийного производства предприятий малого и среднего бизнеса.

Ключевые слова: борирование, азотирование, низкотемпературная обработка, самоорганизация, детали, инструмент.

Krukovich M.G.

PhD in Engineering, professor, Moscow state university of engineering of Imperator Nicolai II

LOW-TEMPERATURE PROCESSES THERMOCHEMICAL TREATMENT FOR SINGLE AND SMALL BATCH PRODUCTION

Abstract

The low-temperature process of gas nitriding and boriding in closed containers are considered. Saturating the gaseous medium is formed spontaneously or upon heating of the container of coating deposited on the inner surface of the container or placed inside of the saline component. process refinement was performed on steel 40X, P6M5 and X12M. To protect against environmental oxidizing environment and preventing output saturation atmosphere of the container used to fuse the shutter based on sand and boric anhydride. The developed technologies have a high environmental safety and can be used for machining of parts and tools for single and small batch production of small and medium-sized businesses.

Keywords: borating, nitriding, low-temperature processing, self-organization, parts, tools.

Введение. Основными преимуществами низкотемпературных процессов химико-термической обработки являются возможность обработки деталей и инструментов при совмещении с операцией высокого отпуска, экономия электроэнергии и минимальные поводки и деформации обрабатываемых изделий. К таким процессам в большинстве своем относят борирование и азотирование, а также процессы на их основе, которые проводят в интервале 500 – 650⁰С. В результате обработки получаемые борированные и азотированные слои обеспечивают деталям и инструментам повышение твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, контактной выносливости и, после азотирования, усталостной прочности.

Химико-термическая обработка, как правило, проводится в жидких, твердых и газовых средах. В настоящее время разработано достаточно много технологических рекомендаций и разработано современное эффективное оборудование для массового производства [1, 2, 3, 4]. В то же время для мелкосерийного и единичного производства, в условиях которого использование дорогостоящего оборудования является экономически нецелесообразным, нет достаточно отработанных технологических рекомендаций. Для названных производств наиболее приемлемыми являются технологические процессы, проводимые в твердых порошковых и газовых (без использования исходных газовых составляющих) средах. Последние являются предпочтительными, так как не требуют операций упаковки деталей и их извлечения из насыщающих порошковых смесей.

Таким образом, целью данной работы является исследование низкотемпературных газовых процессов борирования и азотирования деталей и инструментов для мелкосерийного и единичного производства.

Методика исследования. Процессы борирования и азотирования проводились в металлических контейнерах, в которых изоляция от внешней среды осуществлялась с помощью плавкого затвора. Состав плавкого затвора состоял из смеси песка (70-80% SiO₂) и борного ангидрида (20-30% В₂О₃) и обеспечивал защиту насыщающего пространства контейнера от печной атмосферы начиная с 450⁰С. Внутреннее пространство контейнера условно разделялось на газоприготовительное и насыщающее. Газовая насыщающая среда образовывалась в результате реакции взаимодействия компонентов насыщающей смеси между собой и самопроизвольно распространялась по внутреннему пространству контейнера, в котором находились исследуемые образцы или обрабатываемые детали.

Контейнер для борирования представлял собой короб, на внутренние стенки которого наносилась обмазка определенного состава, обеспечивающая образование газовой насыщающей среды при нагреве. Сверху контейнер закрывался крышкой. Плавкий затвор предотвращал выход насыщающей атмосферы из внутреннего объема контейнера в печное пространство.

Контейнер для азотирования представлял тот же металлический короб, закрываемый крышкой с плавким затвором. Внутрь контейнера помещали кювету с солевой составляющей, которая при нагреве контейнера обеспечивала образование насыщающей газовой смеси.

Обработку образцов и деталей проводили в камерной электрической печи. Образцы изготавливали из конструкционной стали 40Х, быстрорежущей стали Р6М5 и инструментальной стали Х12М. После обработки образцы подвергали металлографическому и дюрометрическому методам анализа.

Результаты обработки. Процесс низкотемпературного газового борирования проводили при использовании газообразующей обмазки, содержащей (% по массе): 30-50% В₄С + 30-40% Аl₂О₃ + 18,5 – 29,5% КВF₄ + 0,5-1,5% ПТФЭ (политетрафторэтилен). Обработку стали 40Х проводили при температуре 600⁰С в течение 4 ч. Это обеспечило образование двухфазного игольчатого слоя боридов (FeВ + Fe₂В), толщиной 16 мкм. В случае необходимости получения больших по толщине слоев продолжительность обработки увеличивают до 16 ч. На инструментальной стали Р6М5 после обработки в течение 25 ч. образовался боридный слой, толщиной 10 мкм. Твердость получаемых слоев находится на уровне 20000 МПа для фазы FeВ и 16500 МПа для фазы Fe₂В.

Процесс газового азотирования сталей в среде диссоциированного аммиака обычно протекает в течение 30 и более часов. Проведение процесса по отработанной технологии в закрытом контейнере обеспечивает образование технологически приемлемых азотированных слоев в течение 4 – 6 ч. Эксперименты проводились на образцах стали 40Х, прошедших закалку и высокий отпуск. Толщина слоя определялась по распределению твердости, которая плавно уменьшалась по мере удаления от поверхности. За общую толщину слоя принималось расстояние от поверхности до места выравнивания твердости слоя и твердости сердцевины образцов.

В частности, при азотировании стали 40Х в течение 4 ч. был получен слой, толщиной 0,45 мм и твердостью 7500 МПа, на стали Р6М5 был получен слой, толщиной 0,15 мм с твердостью 10300 МПа, на стали Х12М – 0,2 мм с твердостью 9500 МПа.

Обсуждение полученных результатов.  Процессы, протекающие в закрытом контейнере, следует рассматривать как термодинамическую систему, преобразующую внешнюю тепловую энергию в энергию химического взаимодействия или распада (диссоциацию) солевых компонентов и энергию взаимодействия образующейся газовой среды и твердого тела. Во всех насыщающих средах процессов борирования и азотирования массоперенос в режиме самоорганизации обеспечивается субсоединениями бора и азота (соединениями низшей валентности), которые и являются диссипативными структурами термодинамической системы. Они присутствуют в среде при проведении процессов насыщения и переходят в другие более устойчивые формы с окончанием процесса. Реакции взаимодействия субсоединений с обрабатываемой поверхностью требуют минимальной энергии и обеспечивают образование атомов бора и азота непосредственно на самой поверхности. Образование таких атомов на некотором расстоянии от поверхности и дальнейшее их перемещение к ней возможно, но они не играют существенной роли в формировании диффузионного слоя. Продукты реакции при накоплении у поверхности стремятся к выравниванию своего распределения в насыщающем объеме и отходят от нее, освобождая пространство у поверхности для подвода новых субсоединений. Таким образом, обеспечивается циркуляция субсоединений в насыщающем пространстве. По окончании процесса с уменьшением температуры или в результате интенсивного обмена с внешней окружающей средой субсоединения переходят в более стабильные нейтральные соединения.

В конечном итоге массоперенос бора и азота от газообразующей смеси к обрабатываемой поверхности обеспечивается в режиме самоорганизации. Регулирование фазовым составом проводится путём подбора состава газообразующей смеси и установлением определённого давления в контейнере. В частности, при борировании фазовый состав получаемых боридных слоев на стали 40Х зависит от газообразующей способности футеровки и степени герметизации. С повышением давления в контейнере от 2 до 4 кПа боридный слой от однофазного строения на основе Fe₂В приходит к сплошному слою на обрабатываемой поверхности на основе фазы FeB.

Исследование влияния содержания карбида бора в насыщающей футеровке показало, что оптимальным его количеством является 45%. Состав включает в себя следующие ингредиенты (в % по массе):

45 % В₄С + 30% КВF₄ + 20 %Аl₂O₃ + 5 % С (древесного угля).

При большем содержании карбида бора толщина борированного слоя на стали увеличивается незначительно. Пятикратное использование состава без освежения вызывает снижение толщины слоя на 20 - 25 %. Устранение этого достигается размещением на дне контейнера при каждой новой загрузке деталей порции активатора KBF₄ в количестве 2% от веса насыщающей футеровки. Газообразующая способность обмазки контейнера (футеровки) определяется реакционной поверхностью компонентов В₄С и активатора, а также пористостью самой футеровки. Чем меньше размер частиц В₄С, тем больше реакционная поверхность, но меньше газопроницаемость компактного материала футеровки. Поддержание необходимой пористости футеровки обеспечивается применением древесного угля, который, помимо создания в насыщающем пространстве восстановительной атмосферы, создает необходимую пористость. Оптимальный размер частиц древесного угля 2-3 мм. При малом коэффициенте загрузки контейнера влияние содержания В₄С менее заметно, в особенности, при крупном размере его частиц. Коэффициент загрузки футерованного контейнера, который определялся как отношение площади поверхности детали к площади поверхности футеровки (К=S_дет/S_футер). Он должен быть на уровне ~ 0,8.

При проведении процесса азотирования в закрытом контейнере образуются слои на основе α – твердого раствора с дисперсными включениями нитридов, на поверхности которого формируется нитридный слой γ'–фазы. Установлено, что при снижении температуры азотирования по рассматриваемой технологии твердость поверхности повышается. Так, например, при температуре обработки 550⁰С твердость слоя на стали 40Х составила 7200 МПа, а при температуре 510⁰С – 8200 МПа. Этот результат полностью согласуется с результатами многих исследований по процессу азотирования с использованием других газовых, твердых и жидких насыщающих сред.

Проведенные исследования показали, что твердость на поверхности азотированных слоев в наибольшей степени зависит от количества солевой составляющей и температуры предварительного отпуска. В первом случае за счет повышения азотного потенциала газовой среды, во втором – за счет образования дисперсных включений нитридов в слое с когерентной связью с твердым раствором.

Было установлено, что при максимальном активировании газовой среды, т.е. при максимальном содержании солевой составляющей, в равных температурных условиях образуется меньшая толщина азотированного слоя α – твердого раствора. Это связано с образованием на поверхности слоя нитридов, который тормозит рост α – фазы.

Таким образом, разработанная технология газового азотирования обеспечивает получение качественных азотированных слоев со скоростью, превышающей скорость роста слоев при газовом азотировании в аммиачной среде. Главным ее преимуществом является малая продолжительность обработки для получения технологически приемлемых азотированных слоев. Она обладает высокой экологической безопасностью и может использоваться для обработки деталей и инструментов единичного и мелкосерийного производства предприятий малого и среднего бизнеса.

Заключение. Параметрами управления ходом технологического процесса (скоростью образования боридного и азотированных слоев, их фазовым составам и соотношением фаз, напряжённым состоянием, а в конечном итоге механическими свойствами обработанного изделия в целом) помимо температуры и времени являются:

• уровень избыточного давления в насыщающем пространстве;
• газообразующая способность смеси, которая определяется составом, величиной газообразующей поверхности, размером частиц и количеством веществ, содержащих бор или азот;
• интенсивность циркуляции газовой среды в насыщающем пространстве;
• степень легированности обрабатываемых сталей.

Литература

1. Борисенок Г.В. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник / Г.В. Борисенок, Л.А. Васильев, Л.Г. Ворошнин, Н.С. Горбунов, Г.Н. Дубинин, Г.Л. Жунковский, М.Г. Крукович и др. – М.: Металлургия, 1981. – 424 с.
2. Лахтин Ю.М. Химико-термическая обработка металлов. Лахтин Ю.М. Арзамасов Б.Н., М.: Металлургия, 1985 256с.
3. Арзамасов Б.Н. Ионная химико-термическая обработка сплавов. / Арзамасов Б.Н., Братухин А.Г., Елисеев Ю.С., Панайоти Т.А. М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999, 400 с.
4. Крукович, М.Г. Пластичность борированных слоев / М.Г. Крукович, Б.А. Прусаков, И.Г. Сизов. – М.: Физматлит, 2010. - 384 с.

References

1. Borisenok G.V. Chemical heat treatment of metals and alloys: Directory / G.V. Borisenok, L.A. Vasilyev, L.G. Voroshnin, N.S. Gorbunov, G.N. Dubinin, G.L. Zhunkovsky, M.G. Krukovich etc. - M.: Metallurgy, 1981. - 424 p.
2. Lahtin Y.M. Chemical heat treatment of metals. Y.M. Lahtin, B.N. Arzamasov B.N., M.: Metallurgy 1985 256 р.
3. Arzamasov B.N. Ionic chemical heat treatment of alloys. / B.N. Arzamasov, A.G. Bratukhin, Yu.S. Eliseev, T.A. Panayotov - M.: Publishing. MSTU. N.E. Baumann, 1999, 400 р.
4. Krukovich, M.G. Plasticity borated layers / M.G. Krukovich, B.A. Prusakov, I.G. Sizov. - M.: FIZMATLIT, 2010. - 384 p.