Исследование режимов ионного азотирования стали ЭП678У - ВД для повышения твердости и износостойкости

Содержание

Введение……………………………………………………………………	6
Анализ состояния вопроса…………………………………………….	9
Характеристика фаз и фазовых превращений в   системе Fe–N…………………………………………………….	9
Азотирование сталей……………………………………………	12
Классификация процессов азотирования……………………...	14
Азотирующие среды…………………………………………….	17
Газовые атмосферы…………………………………………..	17
Расплавы и растворы для азотирования в жидких средах...	17
Порошковые компоненты для азотирования……………….	18
Механизмы формирования, строение и свойства азотированного слоя…………………………………………….	18
Влияние легирующих элементов на структуру и свойства азотированного слоя…………………………………………….	23
Технология азотирования……………………………………….	25
Материалы, методики и оборудование для проведения экспериментальных исследований……………………………………	28
Металлографические исследования азотированного слоя…...	34
Рентгеновские исследования азотированного слоя…………...	34
Механические испытания………………………………………	35
Определение коррозионной стойкости азотированной поверхности……………………………………………………...	35
Измерение геометрических размеров………………………….	35
Ионное азотирование…………………………………………………..	37
Механизм ионного азотирования………………………………	42
Технология ионного азотирования……………………………..	47
Установка ионного азотирования и принцип ее действия……	49
Условия комплектования садки при ионном азотировании….	52
Характеристика мартенситно-стареющих сталей……………..	52
Азотирование мартенситно-стареющих сталей……………….	58
Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение…..	60
Влияние температуры азотирования на глубину и свойства азотированного слоя…………………………………………….	60
Влияние продолжительности выдержки на глубину и микротвердость азотированного слоя………………………….	64
Влияние давления газовой среды на глубину и микротвердость азотированного слоя………………………….	66
Рентгеноструктурные и металлографические исследования азотированного слоя…………………………………………….	68
Результаты механических испытаний………………………….	73
Результаты испытания коррозионной стойкости стали 03Х11Н10М2Т – ВД (ЭП678У – ВД) после азотирования…...	74
Изменение геометрических размеров после ионного азотирования……………………………………………………..	75
Выводы по работе……………………………………………….	80
Организационно – экономическая часть……………………………...	81
Технико-экономическое обоснование целесообразности проведения данного исследования……………………………..	81
Планирование научно – исследовательской работы………….	82
Расчет сметы затрат на проведение НИР………………………	89
Затраты на основные и вспомогательные материалы……..	90
Затраты на основную заработную плату участников НИР..	91
Затраты на дополнительную заработную плату участников НИР………………………………………………..	92
Затраты на отчисления на единый социальный налог с заработной платы участников НИР…………………………...	92
Затраты на амортизацию оборудования……………………	93
Затраты на электроэнергию…………………………………	95
Накладные расходы………………………………………….	95
Смета затрат на проведение НИР…………………………...	96
Расчет экономического эффекта от внедрения печи ионного азотирования ОКБ-1566………………………………………...	97
Выводы по экономической  части………………………………………...	103
Промышленная экология и безопасность производства…………….	104
Введение……………………………………………………………………	104
Безопасность производства……………………………………..	104
Комплексный анализ условий труда………………………..	104
Количественная оценка опасных и вредных производственных факторов………………………………….	106
Микроклимат…………………………………………………	108
Воздух рабочей зоны………………………………………...	110
Меры безопасности при работе на вакуумной установке   ОКБ – 1566……………………………………………………..	112
Рекомендации по защите от выявленных опасных и вредных производственных факторов………………………..	114
Выводы по экологической  части…………………………………………	117
Список использованных источников ……………………………………	118

 

Введение

Современное машиностроение требует  существенного повышения качества, эксплуатационной надежности и увеличения срока службы деталей и механизмов.

Работоспособность деталей, подвергающихся воздействию циклических нагрузок, интенсивному изнашиванию, контактным напряжениям в значительной степени  определяется физико-химическими свойствами рабочих поверхностей. Поэтому современное развитие машиностроения и автомобильной промышленности требует не только разработки новых материалов, но и совершенствования существующих технологий термической и химико-термической обработки деталей.

Доля химико-термической обработки в общем объёме упрочняющих технологий в машиностроении составляет около 30 %. Химико-термическая обработка сочетает химическое и термическое воздействия с целью изменения химического состава, строения и свойств поверхностного слоя металла или сплава, что обеспечивает повышение поверхностной твёрдости, износостойкости, контактно-усталостной прочности и других свойств деталей машин и инструмента. Изменить свойства поверхности деталей машин, инструментов можно двумя способами: нанесением на поверхность нового материала и изменением состава поверхностного слоя металла, обеспечивающего требуемое изменение его свойств. Во втором случае поверхность металла подвергают диффузионной химико-термической обработки, в результате чего на поверхности изделия получается новый, отличающийся от сердцевины сплав.

В настоящее время в машиностроении одним из широко используемых процессов  химико-термической обработки является газовое азотирование в непрерывном  потоке аммиака. Главный недостаток этого процесса – длительность насыщения, что приводит не только к неоправданному высокому расходу насыщающих газов, энергии, но и к охрупчиванию поверхностного нитридного слоя.  В связи с этим важной задачей является разработка высокоэффективных процессов азотирования без ухудшения физико-механических свойств деталей машин.

В последнее время в различных отраслях промышленности широко применяется новый метод азотирования — ионное азотирование. Ионное азотирование, осуществляется в тлеющем разряде, возбуждаемом на поверхности детали (катоде) в атмосфере аммиака, азота или смеси водорода и азота при разряжении 133-665 Па и рабочем напряжении 350-550 В.

Метод ионного азотирования позволяет существенно сократить длительность азотирования и уменьшить деформацию деталей сложной конфигурации.

Ионному азотированию подвергаются все  конструкционные стали, содержащие нитридообразующие элементы — нитраллон, а также высокопрочные коррозионно-стойкие стали. В космической отрасли ионное азотирование применяется ограничено, в основном, для упрочнения деталей автоматики из высокопрочных мартенситно-стареющих марок сталей, работающих на износ под действием вибраций и высоких контактных нагрузок. Это объясняется отсутствием исследований влияния процесса на качество деталей и изделий с учетом условий их хранения и эксплуатации.

Целью данной работы является исследование, разработка и внедрение технологии ионного азотирования деталей из коррозионностойких мартенситно-стареющих сталей.

Настоящая работа проводилась в  следующих направлениях:

• проведение экспериментальных исследований на образцах с целью выбора оптимальных режимов ионного азотирования деталей из стали 03Х11Н10М2Т – ВД (ЭП678У – ВД), обеспечивающих получение азотированного слоя с микротвердостью HV³800, глубиной 0,16 – 0,20 мм и обеспечением заданных конструкторской документацией механических свойств сердцевины;
• опробование выбранных режимов на опытных партиях деталей;
• разработка технической документации на проведение процессов ионного азотирования деталей из стали ЭП678У – ВД;
• внедрение процессов ионного азотирования деталей из стали ЭП678У – ВД.

Результаты исследований были использованы при разработке технологического процесса ионного азотирования детали из стали ЭП678У-ВД.

Работа выполнялась на ГКНПЦ  им. М.В.Хруничева в 2006 – 2007 г.г.

 

1. Анализ состояния вопроса

1.1. Характеристика  фаз и фазовых превращений

в системе Fe – N

В стабильной системе Fe – N в равновесии находятся a и g-твердые растворы азота в железе и газообразный азот. Высокоазотистые соединения (нитриды) диссоциируют с выделением азота [1].

Образующийся азот под высоким  давлением скапливается в дефектных  местах решетки (дислокациях, границах зерен и т.д.) сначала в атомарном, а затем в молекулярном виде. Однако, как и в системе Fe – C, наибольшее значение имеет не равновесная, а метастабильная система Fe – N, приведенная на рис. 1. В метастабильной системе железо – азот образуются следующие фазы (рис. 1, 2):

• a-фаза представляет собой азотистый феррит с ОЦК решеткой (рис.2) с периодами (в зависимости от содержания азота) — 0,286 – 0,287 нм. Азот занимает поры в решетке a-Fe. Растворимость азота в a-фазе при эвтектоидной температуре не превышает 0,11 %, снижаясь при комнатной температуре до 0,004 % (рис.1б); азотистый феррит ферромагнитен.
• g-фаза (азотистый аустенит) имеет ГЦК решетку с неупорядоченным расположением атомов азота в октаэдрических порах. Максимальная растворимость азота в g- фазе 2,8 % (рис.1).

При температуре 590°С g-фаза претерпевает эвтектоидный распад g ® a + g¢.

В условиях больших переохлаждений g-фаза претерпевает мартенситное превращение.

• Азотистый мартенсит (a¢-фаза) представляет собой пересыщенный твердый раствор азота в a-Fe, образуется из g- фазы в результате закалки.

 

Рис. 1. Диаграмма  состояния Fe – N (а) и область растворимости азота

в феррите (б)

Азотистый мартенсит имеет тетрагональную объемно-центрированную решетку (рис.2). Атомы азота в ней распределены по позициям, отвечающим серединам  ребер элементарной ячейки, и вызывают деформацию кристаллической решетки  железа. Тетрагональность азотистого мартенсита при одинаковых атомарных соотношениях несколько меньше, чем углеродистого мартенсита. При распаде (отпуске) a¢-фазы сначала образуется метастабильная a¢¢-фаза, отвечающая нитриду Fe₁₆N₂, а затем образуется нитрид Fe₄N.

• g¢-фаза соответствует твердому раствору на базе нитрида Fe₄N. Зона гомогенности (рис.1) при 590°С лежит в пределах 5,30 – 5,75 % N. g¢-фаза кристаллизуется в ГЦК решетке из атомов железа с упорядоченным расположением атомов азота в центрах элементарных кубов (рис.2); g¢-фаза ферромагнитна, устойчива только до 670°С, при более высокой температуре она превращается в e-фазу.

 

Рис. 2. Кристаллическое  строение фаз в системе Fe – N

 

• e-фаза является твердым раствором на базе нитрида Fe_2-3N, существует в широком интервале концентраций 4,55 – 11,0%N (рис.1 и 2). Основой ее кристаллического строения является плотная гексагональная упаковка атомов железа. Атомы азота располагаются в порах, образующих подрешетку типа графита. При 650°С e-фаза претерпевает эвтектоидный распад на g+g¢-фазы. Содержание азота в эвтектоиде 4,5 %, e-фаза ферромагнитна.
• x-фаза (Fe₂N) имеет ромбическую решетку с упорядоченно распределенными атомами азота. Кристаллическую структуру x- фазы можно рассматривать как искаженную модификацию решетки e-фазы (псевдогексагональная). Большее количество атомов азота вызывает сдвиг атомов железа. Упаковка атомов азота в x-фазе более плотная. Область гомогенности x- фазы невелика — 11,07 - 11,1% азота [1].

Со многими легирующими элементами азот образует химические соединения — нитриды (CrN, Cr₂N, MnN, TiN и т.д.).

В азотированном слое присутствуют различные азотистые фазы в соответствии с диаграммой Fe – N и температурой процесса.

При температуре азотирования ниже эвтектоидной (591°С) азотированный слой состоит из трех фаз: e, g¢ и a [2].

1.2. Азотирование сталей

Азотирование сталей — это процесс  диффузионного насыщения поверхностного слоя сталей азотом при нагревании в соответствующей среде. Азотирование чаще проводиться при 500 – 600°С (низкотемпературное азотирование) в a-фазе, азотирование жаропрочных сталей при 600 – 1200°С (высокотемпературное азотирование).

Азотированию можно  подвергать любые стали перлитного, ферритного и аустенитного классов, а также чугуны. Азотирование широко применяется в различных отраслях промышленности для повышения долговечности и надёжности многих ответственных деталей и инструментов. При этом повышаются прочность, твердость, износостойкость, задиростойкость, сопротивление усталости и коррозии сталей и сплавов, а при объемном (сквозном) насыщении – высокотемпературная прочность и жаростойкость. Деформация изделий при азотировании минимальна, азотированный слой хорошо шлифуется и полируется.

Процесс низкотемпературного азотирования проводится в газовых, жидких и порошковых средах. Для газового азотирования используются атмосферы частично диссоциированного аммиака, аммиака и азота, аммиака и углеродсодержащих газов (природного, эндогаза, экзогаза, пропана, продуктов пиролиза жидких карбюризаторов: керосина, спирта и др.). Для жидкого азотирования применяют расплавы цианид-цианатных и цианатных солей.

При высокотемпературном азотировании процесс проводится в атмосферах аммиака или азота, а также  в разбавленных водородом или  аргоном атмосферах на основе аммиака  или азота. При низкотемпературном азотировании независимо от того, в какой среде проводится обработка, происходит преимущественное насыщение стали азотом. Углерод (кислород) в основном участвуют только в формировании поверхностной нитридной зоны, которая в углерод (кислород) - содержащих атмосферах становится карбонитридной.

Технология азотирования проста и  экономична. Важно и то, что этот способ химико-термической обработки  – как правило, заключительный этап обработки изделий. Однако традиционный процесс азотирования имеет существенные недостатки: большая продолжительность диффузионного насыщения, хрупкость упрочненного поверхностного слоя, трудность осуществления насыщения легкопассивирующих материалов, невозможность получения слоя одинаковой толщины по всей обрабатываемой поверхности деталей сложной конфигурации и другие.

Внедрение азотирования в производство началось более 60 лет назад, когда  немецкий инженер А. Фри предложил  специально азотируемые стали (нитраллои). По данным Международного общества по термической обработке и покрытия материалов (МОТОМ), азотирование является одним из основных методов поверхностного упрочнения, применение которого в промышленно развитых странах непрерывно увеличивается и к 2000 г. составило 25 – 30 % от общего объема изделий упрочненных химико-термической обработкой[0].

1.3. Классификация процессов азотирования

В настоящее время разработано множество технологических вариантов процесса. Процессы азотирования классифицируются по: