Влияние водорода на процесс газового азотирования стали Х12М

Азотирование широко применяется для упрочнения разнообразных сталей и сплавов, деталей машин, инструментов, работающих в различных условиях и средах, а также для повышения твердости, износостойкости, задиростойкости, сопротивления усталости и коррозии. Деформация изделий при азотировании минимальна, азотированный слой хорошо шлифуется и полируется [1].

Азотирование как метод упрочнения деталей машин и инструмента прошло длительный путь развития и совершенствования. В настоящее время с точки зрения обеспечения функциональных свойств многочисленных деталей и инструмента оно является одним из самых эффективных и распространенных методов упрочнения в различных отраслях машиностроения (автомобилестроение, авиастроение, двигателестроение, станкостроение, химическая промышленность и мн. др.). Промышленный технологический процесс азотирования полностью сформировался к началу 30-х годов XX века: в качестве насыщающей атмосферы применяется аммиак, детали изготавливаются из сложнолегированных специальных сталей, определяются основные параметры процесса (температура насыщения, длительность обработки, степень диссоциации аммиака). В то время, как указывает нам автор [2], развитие азотирования тормозилось наличием ограниченного ассортимента азотируемых сталей, выпускаемых металлургическими заводами, несовершенством конструкций печей для этих целей и их ограниченным выпуском. Применяемые в то время стали для азотирование носили название «нитраллой», и процесс проводился в основном в продуктах частичной диссоциации аммиака [2]. К этому времени определились основные достоинства и недостатки азотирования — нового метода упрочнения, большинство из которых остаются актуальными и несут в себе зерно неразрешенной проблемы по сей день.

Среди достоинств процесса азотирования необходимо отметить:

1. Высокую твердость (до HV 1300), которая достигается без закалки;

2. Незначительную по сравнению с другими методами упрочнения деформацию деталей;

3 Теплостойкость поверхностного насыщенного слоя до 500.600 °С;

4. Высокую износостойкость;

5. Коррозионную стойкость (особенно в воздушной атмосфере);

6. Высокое сопротивление усталости;

7. Высокое сопротивление знакопеременным нагрузкам.

Недостатки этого метода упрочнения заключаются в следующем:

1. Большая длительность процесса насыщения (до 100 часов);

2. Низкая по сравнению с цементированными деталями контактная прочность;

3. Высокая хрупкость поверхностного слоя;

4. Пониженная вязкость азотированных деталей;

5. Нестабильность результатов азотирования при его реализации в промышленности [3].

Хотя со времени промышленного освоения процесса азотирования было разработано и внедрено множество его разновидностей и методик (лазерное и плазменное азотирование, азотирование в виброкипящем слое, в расплавах солей и др.), однако, как показывает практический опыт, наиболее распространенным процессом в производственных условиях преобладающего большинства машиностроительных производств является газовое азотирование с использованием в качестве насыщающей атмосферы продуктов частичной диссоциации аммиака NH3.

В частности, так называемый классический процесс газового азотирования, разработкой которого занимались Лахтин Ю. М., Косолапов Г. Ф., Минкевич А. Н., Белоручев А. В., Юргенсон А. А., Арзамасов Б. Н., Коган Я. Д., активно используется для упрочнения деталей машин и инструмента в условиях действующего производства на следующих машиностроительных предприятиях: КамАЗ (г. Набережные Челны), Уфимское моторостроительное производственное объединение (г. Уфа), Ижевский машиностроительный завод (г. Ижевск), ОАО «Салют» (г. Москва), а также на ряде других крупных машиностроительных предприятий Российской Федерации. Это связано с относительной простотой технологического осуществления процесса газового азотирования с использованием в качестве насыщающей среды аммиака, относительно невысокой стоимостью оборудования и оснастки, необходимой для данного процесса (по сравнению, например, с оборудованием для ионного азотирования), а также с достаточно четко отработанными режимами химико — термической обработки различных сталей и сплавов при использовании данного вида насыщения. Однако, исходя из эмпирических наблюдений и практического опыта газового азотирования некоторых из вышеуказанных предприятий было замечено, что данный вид азотирования приводит к значительному охрупчиванию изделий, спустя определенное время по окончании их насыщения в аммиаке.

Как известно из многочисленных источников технической литературы, хрупкий вид разрушения — особенно опасен для находящихся в работе изделий. Инструмент, изготовленный из легированной инструментальной стали для холодного деформирования металла (матрицы, пуансоны, ролики и пр.), характеризуется, как правило, повышенной интенсивностью работы, значительными нагрузками (в том числе и ударными, сочетающимися при этом с высокой скоростью штамповки), жесткими режимами штамповки. Кроме того, данный инструмент обладает помимо высокой твердости поверхностного слоя (до HV 1300), также и повышенной твердостью сердцевины (как правило, находящейся в пределах 57.62 HRC). Следовательно, при чисто хрупком разрушении данного вида инструмента не только выходит из строя дорогостоящая и весьма сложная в изготовлении оснастка, но и увеличивается вероятность получения травм оператором, обслуживающим данную установку. И этот пример с охрупчиванием инструментальных сталей после азотирования иллюстрирует далеко не всю картину явлений по изменению характеристик прочности, пластичности и вязкости после проведения газового азотирования с использованием в качестве насыщающей атмосферы продуктов частичной диссоциации аммиака по так называемому «классическому» процессу.

Особенно остро проблема выхода из строя штампового инструмента, не отработавшего технологически и конструктивно предусмотренных рабочих циклов, звучит в условиях современной рыночной экономики, которая диктует машиностроительной продукции ряд важнейших показателей конкурентоспособности, в частности оптимального соотношения качества и себестоимости при достаточно сжатых сроках выпуска.

Тенденции мирового и современного отечественного машиностроения направлены в сторону уменьшения доли механической обработки и увеличения доли получения изделий обработкой давлением. Для обеспечения заданных показателей на достаточном уровне в машиностроении используют автоматические технологические линии, в которых значительную долю составляют модули обработки металлов давлением. Например, в современном автомобилестроении широко используют холодную объемную штамповку (ХОШ). Для обеспечения работы автоматической линии в заданном режиме предъявляются жесткие требования к надежности работы всех модулей. При этом выход из строя оснастки для ХОШ, входящей в состав автоматической линии, вследствие неожиданного разрушения рабочего инструмента приведет к остановке всего производственного потока и локальному созданию «узкого» места на предприятии. Причины явления неожиданного разрушения рабочих органов инструмента для ХОШ не систематизированы, а порой описываются неоднозначно. Принимаемые методы по устранению описанного вида разрушения часто не достигают нужного результата.

Поэтому исследование влияния азотирования на свойства штамповой инструментальной стали Х12М, а также изучение причин хрупкого разрушения азотированного инструмента и разработка методик эффективного устранения охрупчивания являются весьма актуальными научными и производственными задачами.

Целью настоящей работы является изучение влияния водорода на формирование поверхностного упрочненного слоя и механические свойства азотированной стали Х12М.

В этой связи в работе необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих методов азотирования по критерию воздействия на механические и эксплуатационные свойства изделий;

2. Изучить и проанализировать причины разрушения инструмента для холодного деформирования металла, изготовленного из стали Х12М, после проведения газового азотирования в продуктах частичной диссоциации аммиака;

3. Исследовать изменение механических свойств стали Х12М после газового азотирования;

4. Исследовать влияние старения на изменение механических свойств азотированной стали;

5. Разработать рациональные методы по повышению эксплуатационных свойств инструмента из стали Х12М, азотированного в продуктах частичной диссоциации аммиака;

6. Разработать методы по повышению интенсивности формирования азотированного слоя.

Автор защищает:

1. Технологическую схему и основы регулирования повышения механических свойств азотированной стали по окончании процесса насыщения в аммиаке;

2. Технологическую схему и основы регулирования интенсификации формирования азотированного слоя за счет предварительной имплантации ионов титана в поверхность исследуемой стали Х12М.

Научная новизна работы заключается в следующем. Выполнены экспериментальные исследования и проведен теоретический анализ влияния водорода на механические свойства стали Х12М и формирование поверхностного упрочненного слоя при газовом азотировании.

Показано, что при азотировании в продуктах частичной диссоциации аммиака кроме азота сталь насыщается водородом. Обладая более высокой диффузионной подвижностью, чем азот, водород проникает во внутреннюю зону изделия и оказывает отрицательное влияние на механические свойства. Устранение отрицательного влияния на механические свойства азотированной стали Х12М достигается путем комплексного воздействия искусственного и естественного старения.

Занимая более благоприятные каналы диффузии, водород тормозит диффузию азота, снижая скорость роста поверхностного нитридного слоя. На основании проведенных исследований установлено, что повышению скорости роста азотированного слоя способствует предварительная имплантация в поверхность ионов титана.

Практическая ценность работы заключается в разработке технологии, позволяющей интенсифицировать рост азотированного слоя за счет имплантации ионов титана перед процессом азотирования стали Х12М в аммиаке. Разработан технологический метод повышения механических свойств азотированной стали, позволяющий гарантировать эксплуатационную стойкость штамповои оснастки. Наиболее высокие механические свойства азотированной стали Х12М могут быть достигнуты путем предварительного искусственного старения при температуре 200 °C в течение 3 часов и последующего естественного старения в течение 600 часов.

Выводы.

В работе на основании экспериментальных данных разработана новая технология интенсификации процесса насыщения, а также методы по повышению механических свойств азотированной стали, проводимые по окончании процесса насыщения в продуктах частичной диссоциации аммиака. Основные результаты исследований отображены в нижеследующих выводах:

1. При проведении азотирования в продуктах частичной диссоциации аммиака в сталь Х12М наряду с азотом активно диффундирует водород.

2. Водород, перемещаясь в кристаллической решетке стали в ионизированном состоянии, обладает существенно большей скоростью диффузии, нежели атомы азота, поэтому ионы водорода проникают на значительно большую глубину, а также занимают наиболее выгодные магистрали диффузии.

3. Водород, продиффундировавший совместно с азотом в сталь при газовом азотировании, создает предпосылки для понижения механических свойств азотированных изделий.

4. Процесс газового азотирования стали Х12М в продуктах частичной диссоциации аммиака вызывает снижение механических свойств азотированных изделий.

5. Наиболее интенсивно после окончания азотирования снижаются показатели пластичности, а именно 5=0,5% и j/=0,8%. Материал, имеющий подобные значения относительного удлинения и относительного сужения, следует отнести к хрупким и поэтому он не может гарантировать надежной эксплуатации азотированных изделий.

6. Искусственное старение образцов, проводимое по окончании газового азотирования в аммиаке, не гарантирует эксплуатационной стойкости штамповой оснастки, поскольку не восстанавливает свойства пластичности металла, сохраняя их на весьма низком уровне (5=0,2% и |А=0,4%).

7. Повышение показателей пластичности и вязкости азотированной стали достигается путем комбинированного искусственного и естественного старения.

8. Образцы, подвергнутые азотированию в аммиаке, весьма чувствительны к скорости приложения нагрузки при испытаниях на растяжение. При повышении скорости деформирования с 2 мм/мин до 4 мм/мин на азотированных образцах после выдержки при естественном старении получаются завышенные показатели механических свойств. Это говорит о том, что при испытаниях на растяжение со скоростью деформирования 4 мм/мин времени, необходимого для создания критической концентрации водорода в районе объемных напряжений у вершины концентратора напряжений, недостаточно и потому значения механических свойств в данном случае получаются выше, чем при деформировании образца со скоростью 2 мм/мин.

9. Установлено, что интенсивность формирования азотированного слоя при насыщении стали в продуктах частичной диссоциации аммиака изменяется в зависимости от площади поперечного сечения образца с учетом, соответственно, температурно-временного фактора выдержки при заданном режиме азотирования. Азотированный слой при газовом азотировании в аммиаке наиболее интенсивно формируется при поперечном сечении образца диаметром 15 мм (h=0,12 мм). С уменьшением площади поперечного сечения образца, интенсивность формирования азотированного слоя снижается и на образце с диаметром поперечного сечения 3 мм толщина азотированного слоя составляет 0,09 мм.

10. Положительное влияние на формирование азотированного слоя оказывает имплантация титана. Предварительная имплантация в азотируемую поверхность ионов титана способствует повышению скорости формирования азотированного слоя.