Интенсификация процессов азотирования деталей авиационной техники

Одна из важнейших проблем современного авиастроения совершенствование технологии производства авиационных деталей. Актуальность ее решения возрастает в связи с разработкой авиационной техники нового поколения, ростом силовой и тепловой напряженности всех деталей, включая элементы двигателей, зубчатых передач, несущих конструкций и многих других ответственных элементов. Важнейшим направлением повышения технических и эксплуатационных' характеристик многих изделий авиакосмической и> ракетной техники является увеличение срока службы и надежности ответственных нагруженных деталей и узлов при сохранении или улучшении предъявляемых к ним конкретных требований по трибологии, физико-механическим, теплофизическим и пр. специальным свойствам, а также требований к материалам, из которых они изготавливаются.

Применяемая на авиационных предприятиях технология химико-термической обработки (ХТО), основанная > на процессе газового (печного) азотирования в, шахтных печах, несовершенна. Несовершенна* и структура термического производства. ХТО выполняется в многоцикловом режиме, требующем многократного поступления деталей в термический цех, что приводит к разрыву технологического маршрута и удлинению процесса производства, например, зубчатых колес авиационных двигателей. Поэтому остается актуальной на авиационных предприятиях задача оценки эксплуатационных) свойств деталей, возможности их повышения при использовании новых | процессов или методов упрочнения.

I Азотирование является наиболее эффективным методом химикотермической обработки (ХТО), который обеспечивает высокий комплекс эксплуатационных свойств обрабатываемых деталей: твердость, износостойкость, противозадирные свойства, теплостойкость, коррозионную стойкость, усталостную прочность. При этом это мало деформационный процесс, т. е. обрабатываемые детали имеют весьма малые изменения геометрических параметров, так как азотирование проводится притемпературе 500−600°С и не сопровождается фазовыми превращениями типа мартенситного. Сравнительно низкие1 температуры процесса обуславливают также меньшие^ чем при цементации и закалке, затраты на содержание оборудования. Высокие показатели эксплуатационных свойств азотированных деталей и обусловили широкое применение азотирования для поверхностного1 упрочнения деталей авиаи машиностроения, работающих в условиях высоких контактных нагрузок, а также в агрессивных средах. В настоящее время* азотированию подвергаются шнеки, цилиндры, поршневые штоки, трущиеся поверхности цепных передач, зубчатые колеса, шейки коленчатых валов, распределительные валы, планки, трубчатые изделия в станкостроении, режущий и штамповый инструмент [1,2], а также широкая номенклатура деталей авиационной техники: например, на предприятии «Салют» впервые в России создан участок ионной и вакуумной химико-термической обработки, оснащенный импортными установками. Азотированию подвергается целый ряд деталей основного производства, такие как ведущие шестерни, обойма, ведомый и ведущий валы, валики, корончатые и венцовоые колеса, шлицевые втулки, валы КНД, сферы, поршни, сухари, цапфы, оси, пальцы и др.

По данным международного общества по термической обработке и покрытиямматериалов (МОТОМ), низкотемпературная химико-термическая обработка является одним из основных методов поверхностного упрочнения в промыпшенно развитых странах. Его доля в общем объеме изделий, проходящих поверхностное упрочнение, непрерывно растет [3].

Азотирование используется в промышленности уже более 60-ти лет. За это время было разработано большое количество технологических процессов. Наиболее высокую производительность процесса насыщения имеет жидкое азотирование в цианистых ваннах, однако оно является дорогостоящим и экологически1 вредным, поэтому в настоящее время его практически заменили газовым азотированием'. Перспективность развития газового азотирования обуславливается еще и тем, что оно является более экономичным и более экологически чистым процессом, чем азотирование в соляных ваннах, а таюке позволяет осуществлять регулирование процесса, т. е. позволяет получать упрочненные слои с заданной толщиной и заданным составом. Кроме того, газовое азотирование обеспечивает более высокую твердость поверхности, меньшую пористость слоя и соответственно более высокую износостойкость, чем жидкое азотирование [4].

Однако, несмотря на массу достоинств, низкотемпературное газовое азотирование имеет существенный недостаток — большую длительность процесса до 90 часов) [5]. Поскольку при азотировании потребляется большое количество энергии и технологических материалов, в настоящее время актуальной задачей является разработка ресурсосберегающих технологий, позволяющих интенсифицировать процесс поверхностного насыщения, уменьшить время обработки, снизить энергозатраты и сократить расход насыщающего газа.

Что же касается печного азотирования, то оно существенно проигрывает по времени и степени насыщения ионному азотированию. В данной работе рассмотрено влияние состава насыщающей среды на структуру и свойства азотированного слоя при печном, или газовом, и ионном азотировании, а также исследовано влияния методов азотирования на кинетику образования диффузионных слоев. Кроме того, при азотировании деталей различного назначения остро стоит проблема водородного охрупчивания, т. е. существенную роль в процессе азотирования оказывает водород, присутствующий в аммиаке.

Целью работы является исследование процессов газового и ионного азотирования для деталей авиационной техники, а также возможности интенсификации этих процессов путем регулирования фазового состава, служебных характеристик обработанных авиационных деталей и устранения водородной хрупкости слоя, являющейся огромной проблемой прочности материалов и изделий из них.

В этой связи были поставлены и решены следующие задачи.

Исследование влияния состава насыщающей среды (аммиак, азот, аммиак + азот), способа азотирования (газовое, ионное или циклическое) и химического состава азотируемых сталей на степень их газонасыщенности. Изучение кинетики образования диффузионного слоя легированных сталей и определение степени наводораживания материалов, приводящей к хрупкому разрушению.

Разработка оптимальных по составу насыщающих сред с целью уменьшения хрупкости в сталях, в частности, для авиационного двигателестроения.

Исследование дополнительного вылеживания азотированных сталей с целью обезводороживания их, повышения сопротивления хрупкому разрушению и улучшению пластических свойств.

Разработка способа циклического азотирования деталей, при котором технологическая атмосфера циклически изменяется от высокой насыщающей способности до нуля.

Исследование нового технологического параметра — времени циклов, позволяющего технически просто и эффективно регулировать фазовый состав, структуру и свойства поверхностных слоев азотированных деталей.

Практическое значение работы заключается:

1) В установлении влияния водорода на структуру и свойства азотированного слоя. Проблема водородного охрупчивания для азотируемых деталей узлов и агрегатов всегда остро стояла перед термистами.

2) Впервые предложена технологическая операция обезводораживающего низкотемпературного отжига при 250−300°С в течение 1,5−2,0 ч с целью повышения сопротивления материалов и азотируемых деталей хрупкому разрушению, снижению порога хладноломкости, повышению ударной вязкости и пластичности без снижения твердости азотированного слоя.

3) Предложен новый способ ионного азотирования, при котором технологическая атмосфера циклически изменяется от высокой насыщающей способности до нуля, что позволяет интенсифицировать процесс азотирования, получать большую толщину слоя при тех же прочностных характеристиках.

4) В разработке и предложении нового технологического параметравремя циклов насыщения — позволяющего эффективно управлять процессом насыщения и технически просто регулировать фазовый состав и структуру поверхности азотируемых деталей авиационной техники.

выводы.

1. В работе на основании большого экспериментального материала предложены научно-обоснованные технологические решения по выбору насыщающих сред с целью уменьшения хрупкости азотированного слоя в конструкционных сталях.

2. Установлено, что при ионном и особенно при печном азотировании в среде аммиака происходит резкое охрупчивание диффузионного слоя, увеличивается пористость и появляются трещины в нем, при этом на поверхности азотированных образцов часто наблюдаются шелушение и сколы кромок. С повышением температуры азотирования хрупкость и пористость в слое увеличиваются.

3. Разбавление аммиака азотом при печном азотировании незначительно уменьшает пористость и хрупкость слоя. Использование же азота в качестве насыщающей среды при ионном азотировании позволяет получать диффузионные слои более высокого качества, с гораздо меньшей пористостью и без заметных признаков охрупчивания.

4. Рентгеноструктурным анализом показано, что при печном и ионном азотировании в различных насыщающих средах диффузионные слои имеют одинаковый фазовый состав, только при печном азотировании концентрация азота в гфазе немного меньше, чем при насыщении в плазме тлеющего разряда.

5. Оже-спеьсгрометрическим и рентгеноструктурным анализами изучена кинетика формирования азотированного слоя и показано, что при печном.

144 азотировании концентрация азота на поверхности образцов повышается постепенно, при этом сначала образуется ОСраствор азота в железе, а затем через 20−30 минут концентрация азота достигает более высокоазотистой ефазы.

6. При ионном азотировании на поверхности образцов сразу же образуется высокоазотистая 8 -фаза, причем напыляется эта фаза на поверхность образцов из плазмы тлеющего разряда уже при катодном распылении. Напыленная 8 -фаза создает более высокий градиент концентрации, способствующий ускорению диффузии азота в глубь образцов. Это преимущество по сравнению с печным азотированием сохраняется в течение 20−30 минут, то есть до тех пор, когда при печном азотировании на поверхности образцов тоже образуется 8 -фаза.

7. Установлено, что максимальные значения твердости по Виккерсу, достигаемые при печном и ионном азотировании, одинаковы и составляют 1100 МПа для стали 38Х2МЮА и 600 МПа для стали 40Х, но при ионном азотировании максимальная твердость достигается уже через 5 минут, а при печном азотировании — через час.

8. Измерения-микротвердости по толщине азотированного слоя показали, что в начале процесса насыщения до 30 минут кривые распределения микротвердости по толщине слоя при ионном азотировании значительно выше, чем при печном, а при дальнейшем увеличении продолжительности азотирования наблюдается обратная закономерность, т. е. твердость в приповерхостном слое ниже, но зато твердость диффузионной зоны (подслоя) и толщина ее заметно выше из-за1 более интенсивного оттока атомов азота в глубь образцов вследствие увеличения плотности дефектов кристаллического строения (вакансий и дислокаций) при ионной бомбардировке поверхности образцов в плазме тлеющего разряда.

9. При повышении температуры азотирования в плазме тлеющего разряда твердость вблизи поверхности образцов уменьшается, а диффузионной зоны увеличивается, при этом наблюдается увеличение общей толщины азотированного слоя и более плавное распределение микротвердости в нем.

10. Показано, что при одном и том же составе насыщающей среды твердость азотированного слоя определяется только температурой насыщения и не зависит от способа азотирования (печное или ионное). Изменение состава насыщающей среды меняет как характер распределения микротвердости* по толщине слоя, так и абсолютные значения твердости.

11. Изучение среднего газосодержания азотированного слоя методом вакуумной экстракции с распределением навески с последующим масспектроскопическим анализом показало, что: при азотировании в газовой среде, в состав которой входит водород, происходит наводораживание поверхности исследуемой сталинасыщенность азотированного слоя водородом зависит как от способа насыщения, так и от состава насыщающей газовой средыпри ионном азотировании в среде аммиака содержание водорода в слое повышается в 30 раз, а при печном азотировании в той же среде — в 62 раза по сравнению с не азотированными образцами. При этом содержание кислорода повышается в 4,5 раза при ионном азотировании и в 9 раз при печном.

12. Применение в качестве насыщающей среды при печном азотировании вместо аммиака смеси его с 80% азота незначительно уменьшает газонасыщенность азотированного слоя, т. е. содержание по водороду возрастает в 48 раз, а по кислороду — в 7 раз по сравнению с исходными (неазотированными) образцами.

13. Использование в качестве насыщающей среды чистого азота при ионном азотировании обеспечивает самое наименьшее газонасыщение слоя, причем по водороду происходит даже понижение содержания его, а по кислороду повышается в 3,4 раза.

14. Испытания на растяжение образцов сразу же после азотирования показали, что азотирование, особенно в аммиаке, снижает все пластические характеристики исследуемых сталей, при этом наиболее резкое охрупчивание наблюдается в легированных сталях.

15. В углеродистой стали с 0,4% углерода после азотирования в среде аммиака при 550 °C в течение 48 ч (промышленный процесс насыщения) относительное удлинение понижается на 25% (от 27,3 до 20,6%), а относительное сужение — на 33% (от 55 до 37%), оставаясь при этом на достаточно высоком уровне, что обеспечивает повышение предела прочности от 593 до 635 МПа, т. е. на 7%.

16. В легированной стали 40Х происходит более резкое охрупчивание азотированных образцов: относительное удлинение снижается от 20 до 1,3%, т. е. в 15,4 раза, а относительное сужение — в 40 раз (от 52 до 1,3%). При этом в отличие от углеродистой стали 40 предел прочности не повышается, а из-за повышенной хрупкости понижается от 784 до 626 МПа.

17. Газовый анализ на среднее газосодержание образцов методом вакуумной экстракции с расплавлением навески показали, что в легированной стали 40Х после азотирования в аммиаке содержание водорода в 4,5 раза больше, чем в углеродистой стали 40, т. е. легирование углеродистой стали хромом способствует более резкому наводораживанию образцов при азотировании в аммиаке.

18. Длительное вылеживание азотированных образцов при комнатной температуре (до 336 ч) приводит к повышению и прочностных, и пластических свойств, особенно в легированных сталях. В углеродистой стали 40 предел прочности повышается на 4%, а в легированной стали 40Х — на 12%, при этом относительное удлинение и сужение повышается соответственно на 3,3% (от 20,6 до 23,3%) и 2,6% (от 37 до 39,6%) для углеродистой стали 40, а в легированной стали 40Х относительное удлинение повышается в два раза (от 1,3 до 2,6%), а относительное сужение — в 4 раза (от 1,3 до 5,3%).

19. Уменьшение хрупкости у азотированных в аммиаке образцов в. процессе вылеживания при комнатной температуре связано с выделением свободно-эвакуируемого водорода, причем в легированной стали 40Х количество выделившегося водорода в 2,5 раза больше, чем в углеродистой стали 40, что и обуславливает более резкое повышение и прочности, и пластичности в этой стали при вылеживании.

20. Ионное азотирование в среде чистого азота приводит к повышению прочности на 10−15% не только в углеродистой стали, но и в легированной 40Х, в отличие от печного азотирования в среде аммиака, при этом относительное удлинение и сужение понижаются незначительно. При длительном вылеживании таких образцов при комнатной температуре уровень механических свойств не изменяется.

21. Повышение температуры вылеживания азотированных в аммиаке образцов до 250−300°С резко ускоряет процесс дегазации образцов и в течение до 1 ч уровень механических свойств достигает максимальных значений и в углеродистых, и в легированных сталях.

22. На основании экспериментальных данных впервые предложена технологическая операция, заключающаяся в том, что после азотирования в среде, содержащей аммиак, следует проводить обезводораживающий низкотемпературный отжиг при 250−300°С в течение 1,5−2 ч с целью уменьшения водородной хрупкости, при этом повышается и прочность, и пластичность стали без снижения твердости азотированного слоя.