НОВАЯ ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ АЗОТИРОВАНИЯ СТАЛЕЙ

Разработана новейшая промышленная технология азотирования без аммиака стальных изделий, которая соответствует всем современным требованиям по энергосбережению и экологической безопасности в промышленности. Созданное оборудование является конкурентоспособным на мировом рынке.

Азотирование металлов — процесс насыщения их поверхности азотом и его соединениями — известно с древних времен. Эмпирическим путем было замечено проявление антикоррозионных свойств металлических поверхностей, подвергнутых азотированию, и повышение их твердости. Последнее свойство в основном и предопределило дальнейшее практическое применение этого процесса.

Впервые теоретическое обоснование процесса азотирования было дано выдающимся российским ученым В.П. Чижевским в его работе «Железо и азот», опубликованной в «Известиях Томского технологического института» еще в 1913 году. В принципиальном плане азотирование может проходить в любой из сред: твердой, жидкой и газообразной. Классические требования к деталям машин, инструменту, оснастке — вообще к металлическим изделиям — группируются вокруг двух категорий: экономичности и работоспособности. Однако лучшие результаты при разработке конкретной технологии азотирования достигаются только в случаях комплексного, как правило, компромиссного, учета всех факторов влияния. Именно этим можно объяснить то, что, несмотря на наличие более чем сотни технологий модификации свойств металлических изделий, ни одна из них не занимает более или менее доминирующего положения. Каждой из них отведена определенная технологическая ниша в производственных процессах.

Первоначально азотирование в основном проводилось в твердой и жидкой средах. Обработка в каждой из этих сред в конкретных условиях, которые определяются не только назначением изделия, но часто и его формой, а также технологией предыдущей обработки, имела те или иные преимущества. По этой причине иногда даже на одном предприятии параллельно применялись различные варианты технологии азотирования.

Роль азотирования существенно возросла с начала 60-х гг. прошлого столетия. Именно в это время согласно современной периодизации технологий химико-термической обработки возникло новое направление — инженерия поверхности, которая отводила ведущую роль поверхности в сравнении с объемными свойствами.

Известно, что практически все критерии работоспособности (за исключением разве что прочности) формируются, прежде всего, за счет свойств поверхностных слоев. Именно поверхность должна модифицироваться в первую очередь. Действительно, эксплуатационный ресурс всех деталей в машиностроении лимитируется состоянием поверхности.

Все детали изнашиваются по поверхности. Усталостные трещины также образуются от поверхности. Очень важной характеристикой является термостойкость поверхности. Что же касается прочности, то применение специальных методов обработки поверхности, вызывающих на ней достаточно значительные сжимающие напряжения, способствует также и существенному увеличению прочностных характеристик деталей машин. Поэтому в машиностроении удельный вес технологий, связанных с обработкой поверхности, со временем только возрастает. Преимущество отдается деталям машин с вязкой сердцевиной и модифицированной поверхностью.

Одной из наиболее эффективных технологий оказалось азотирование в газообразной среде. В качестве источника азота используется диссоциированный аммиак.

Азотирование в аммиаке обеспечивало технологическую возможность получения твердых поверхностных слоев на сравнительно большую глубину. Универсальность технологии состояла в возможности азотирования любых поверхностей, в том числе глубоких отверстий малого диаметра, узких углублений и других малодоступных участков поверхности.

Газовое печное азотирование в аммиаке быстро стало традиционной технологией.

Вместе с тем выяснилось, что оно обладает целым рядом недостатков. К ним в первую очередь следует отнести чрезвычайно большую энергоемкость и продолжительность процесса. Получаемый таким способом модифицированный слой поверхности имел достаточно большую глубину. Ввиду неизбежной формоизменяемости деталей после азотирования часть этого слоя приходилось удалять, что вело к повышению себестоимости азотируемых изделий. Кроме того, следует отметить экологическую опасность использования аммиака и неудовлетворительные санитарно-гигиенические условия работы производственного персонала. Следующим недостатком является повышенная пожаро- и взрывоопасность. Поиск возможностей устранения указанных выше недостатков привел к разработке принципиально нового метода — азотирования с применением в качестве интенсификатора электрического разряда в газе, как тлеющего, так и дугового.

История промышленного использования нового процесса, альтернативного печному газовому азотированию, начинается в 1955–1956 гг., когда Б. Бергаузом (Bernhard Bergaus) были запатентованы основы этого процесса. Тем не менее первая эмпирическая попытка применения электрического разряда для модификации поверхности металлов отмечена еще в 1909 г. Применялся дуговой разряд в изолированной атмосфере, которая исключала влияние окружающей среды. Материалы электродов, например углерод, в этом процессе использовались в качестве легирующего элемента. На этом примере важно отметить, прежде всего, применение разряда как интенсификатора процесса. В 1912 г. заявлена герметичная камера и метод обработки в вакуумированной атмосфере и дуговом разряде.

В 1930 г. впервые предложено азотирование в аммиаке с использованием электрического разряда. Суть метода заключалась в образовании атомарного азота при прохождении аммиака через электрический разряд, что ускоряло процесс модификации. Нагревание поверхности и ионизация проводились одним из видов разряда: искровым, дуговым, коронным.

Классическая теперь форма азотирования в тлеющем разряде (АТР) с предварительной обработкой катодной бомбардировкой сформировалась к началу 50-х гг. При этом удельная мощность разряда составляла от 0,2 до 5 Вт/см?; давление рабочего газа больше 2 Торр. Рабочая газовая среда, помимо аммиака, могла быть и азотно-водородной при соотношении азота и водорода от 1:10 до 1:25. Питание разряда могло быть не только непрерывным, но и циклически коммутируемым с разной частотой и продолжительностью импульса.

Азотирование в тлеющем разряде (АТР) в СССР изучается с 1962 г. Наиболее весомый вклад в теорию и практику АТР внесли отечественные научные школы Ю.М. Лахтина и Б.Н. Арзамасова. Их исследования относились не только к сталям различного назначения, но также к чугунам и легким сплавам. Рабочая газовая среда в разрабатываемых ими технологиях являлась аммиачной. Применение аммиака было данью газовому печному азотированию, получившему к тому времени широкое распространение. На принципиально новый процесс переходили указанные выше недостатки традиционного процесса — печного газового азотирования.

АТР реализуется в газовой среде (аммиак или смесь азота с водородом) пониженного давления при воздействии на газовый промежуток электрического поля между анодом и катодом. В общем случае обрабатываемая деталь может быть как катодом (преимущественно встречающийся вариант), так и анодом или с переменным чередованием этой функции. Активные частицы, генерируемые тлеющим разрядом в рабочем газе, образуют с металлическими компонентами поверхности различные соединения или твердые растворы.

Применение АТР на практике обнаружило следующие преимущества. Во-первых, на один-два порядка уменьшается расход энергии, рабочего газа и продолжительность обработки.

Последнее подтверждается, например, тем, что длительность фазы собственно печного азотирования может достигать 96 ч, а при азотировании в тлеющем разряде аналогичные результаты могут быть достигнуты в течение 4–6 ч. Другим чрезвычайно важным преимуществом АТР является практическое отсутствие формоизменения изделий. По этой причине исключается дальнейшая финишная доводка поверхности с соответствующим положительным влиянием на себе-стоимость обрабатываемой детали.

Однако и АТР-процесс имеет свой существенный недостаток. Этот изъян процесса связан с применением в технологии водородсодержащих газовых сред (аммиака или смеси азота с водородом). Присутствие водорода в тлеющем разряде стимулирует водородное охрупчивание. Для режущего инструмента, зубчатых колес, а также пар трения, работающих при значительных напряжениях в поверхностном слое, существенным являются не только высокие показатели твердости, но и характеристики пластичности. Хрупкий инструмент не будет работоспособен при малейших динамических нагрузках, а они неизбежны в реальных процессах резания. Отсутствие пластичных свойств у корня зуба приводит к поломке зубчатых колес. Скалывание частичек высокой твердости с азотированной поверхности, подвергнутой значительным контактным напряжениям, по существу является процессом генерации абразива, который разрушает поверхность металлических деталей.

Таким образом, для целого ряда практических применений возникла задача устранения водородной хрупкости в процессе азотирования по АТР-процессу. По этой причине была разработана новая технология азотирования в тлеющем разряде с использованием рабочих газовых сред, не содержащих водород. Этот процесс получил название безводородное азотирование в тлеющем разряде или БАТР- процесс с использованием азота или смеси азота с аргоном.

Физическая сущность процессов азотирования в водородосодержащих (АТР-процесс) и безводородных газовых средах (БАТР-процесс) схожа. Однако применение безводородных газовых сред позволяет скорректировать качественные и количественные параметры отдельных стадий режима азотирования. Данное обстоятельство оказывает влияние на структуру и кинетику формирования модифицированного поверхностного слоя. Это связано в значительной степени с лучшими условиями энергопередачи при бомбардировке поверхности, в том числе и на стадии катодной очистки поверхности. Степень очистки поверхности во многом определяет как качество азотирования, так и фазовый состав поверхностного слоя, а следовательно, и продолжительность обработки. Сохраняя все основные преимущества АТР-процесса, безводородное азотирование выявляет новые преимущества.

БАТР-процесс исключает водородное охрупчивание, повышает пластические свойства поверхности с минимальным разупрочнением основы, снижает расход энергии, улучшает условия труда до идеальных и является абсолютно экологически чистым.

Последнее особенно важно, если учесть, что в ближайшей перспективе аммиак в химико-термической обработке может быть отнесен к категории отравляющих веществ. Неизбежен запрет его применения для указанных целей.

Стендовые испытания азотированных в безводородных газовых средах (БАТР-процесс) зубчатых колес, коленчатых, шлицевых и распределительных валов, коромысел показали повышение стойкости в 1,6–3 раза, плунжерных насосов и подшипников качения специального назначения — в 1,5 раза по сравнению с серийным АТР- процессом. Промышленные испытания азотированных пальцев цепей тяговых транспортеров, деталей технологической оснастки для обработки алмазов, шнеков термопластавтоматов, направляющих сопел литьевых машин, работающих в абразивных средах, выявили повышение их износостойкости в 1,9–3,5 раза. Испытания азотированных деталей технологических машин для предприятий пищевой промышленности, объектов, работающих в агрессивных средах, подтвердили повышение их износостойкости в 2–5 раз. Апробация в производственных условиях азотированного в безводородных средах металлорежущего инструмента (фрез, сверл, метчиков, плашек, токарных резцов и др.) обеспечила повышение его износостойкости в 1,7–3 раза в зависимости от условий резания. Долговечность азотированного дереворежущего инструмента повысились в 3–5 раз.

Оборудование для реализации БАТР-процесса имеет ряд принципиальных конструктивных отличий в сравнении с зарубежными аналогами. Одно из отличий состоит в наличии системы подготовки безводородной газовой среды, позволяющей дозировать и получать многокомпонентные насыщающие газовые смеси, в том числе и в ходе процесса. В принципиальном плане такая система существенно проще по конструкции и надежнее, безопаснее в эксплуатации аналогичных устройств азотирования в водородсодержащих газовых средах. Возможное наличие замкнутой системы циркуляции рабочих газов обеспечивает еще большую экономичность и экологическую чистоту работы установок. Контролер процесса, предназначенный для автоматического выхода на заданный режим и поддерживания его с высокой точностью и надежностью, гарантирует отсечку перехода тлеющего разряда в дуговой. Выбор конструктивной схемы установки зависит от конкретных условий производства. Вначале отметим современные тенденции в производстве оборудования для безводородного азотирования в тлеющем разряде:

увеличение единичной массы садки и, как следствие, увеличение размеров разрядных камер и мощности источника электропитания;
применение циклически коммутируемого электропитания, которое снижает требования к формированию садки, позволяет обрабатывать поверхности с локальными исключениями;
компоновка установок по схемам многокамерных или многопозиционных;
для длинномерных деталей используются шахтные печи; для остальных, с целью упрощения доступа к формируемой садке — колпакового типа;
системы газоподготовки позволяют точно дозировать соотношение компонентов, которое, как и их количество, может изменяться по ходу процесса (многостадийные и комбинированные процессы);
системы управления снабжаются эффективными автоматическими дугогасящими устройствами;
в установках применяются многослойные теплозащитные экраны, которые в значительной мере уменьшают потребляемую для нагрева садки мощность;
для комбинированных процессов также могут использоваться камерные установки, в которые садка вкатывается на специальных тележках;
все более широко внедряются комбинированные процессы как в одной камере, так и во многокамерных установках;
управление процессом, как правило, программное на основе современных теоретических исследований с отслеживанием параметров режима и их коррекцией при необходимости.

В настоящее время технически осуществимо безводородное азотирование в тлеющем разряде практически всех сталей, чугунов, титановых и легких сплавов, твердого сплава в промышленных масштабах.