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

 

После предварительной  термической обработки (закалка 950 °С, вода ® отпуск  при 600 °С, 4 часа, воздух) предшествующей азотированию, механические свойства образцов представлены следующими значениями:  
s_В = 1203 МПа, s_0,2 = 1026 МПа, d = 16,4 %, y = 64,5 %, KCU = 1,3 МДж/м², что отвечает требованиям предъявленным к этим свойствам для рассматриваемых деталей.

Нагрев имитирующий  режим газового азотирования (температура 540°С, время выдержки 46 часов) не приводит к существенному изменению механических свойств.

Нагрев имитирующий  режим ионного азотирования (температура 560°С, время выдержки 15 часов) после предварительной термической обработки, со значительным снижением продолжительности азотирования также существенно не изменяет механических свойств.

Представленные результаты показывают, что механические свойства образцов после нагрева по режимам ионного и газового азотирования, отвечают требованиям конструкторской документации.

4.6. Результаты испытания коррозионной стойкости стали 03Х11Н10М2Т – ВД (ЭП678У – ВД) после азотирования

Испытания образцов на коррозионную стойкость проводились с целью изучения влияния параметров режима ионного азотирования на коррозионную стойкость азотированного слоя на стали ЭП678У – ВД. Режимы азотирования и результаты коррозионных испытаний проведенных по ранее описанной методике приведены в таблице 9. Коррозионная стойкость оценивалась по визуальному наблюдению поверхности образцов.

Как видно из данных, представленных в таблице 9, коррозионная стойкость  образцов из стали ЭП678У – ВД повышается  при увеличении давления газовой среды. Образцы после газового азотирования имели худшую коррозионную стойкость, чем образцы после ионного азотирования, обработанные по режиму 5.

 

Таблица 9

Коррозионная стойкость  и режимы азотирования

стали ЭП678У – ВД.

№ п/п	Режимы азотирования	Состояние поверхности после коррозионных испытаний
1.	Газовое азотирование t=540±10°С, t=46 ч., диссоциированный аммиак (25%N2+75%H2)	Отдельные пятна темного цвета.
2.	Ионное азотирования: t=560°С, t=15 ч., Р=2 мм.рт.ст.	Многочисленные точки темного и бурого цвета.
3.	Ионное азотирование: t=560°С, t=15 ч., Р=3 мм.рт.ст.	Пленка бурого цвета. Под налетом  поверхность стали темная.
4.	Ионное азотирование: t=560°С, t=15 ч., Р=4 мм.рт.ст.	Пятна бурого цвета. Под бурым налетом поверхность стали темная.
5.	Ионное азотирование: t=560°С, t=15 ч., Р=6 мм.рт.ст.	Поверхность в хорошем состоянии.

4.7 Изменение геометрических размеров после ионного азотирования

Известно [4], что азотирование приводит к изменению геометрических размеров изделий, и это необходимо учитывать при определении размеров деталей перед азотированием. В настоящей работе определяли изменение размеров цилиндрических образцов – имитаторов после ионного (температура 560°С) и газового (температура 540°С) азотирования в течение различного времени.

Изменение геометрических размеров образцов до и после азотирования проводилось с целью изучения влияния глубины слоя на геометрические размеры деталей и определения необходимых размеров деталей перед ионным азотированием.

Результаты измерений  до и после азотирования приведены  в таблице 10. Приведенные значения замеров являются усредненными величинами по результатам четырех – шести измерений.

Условные обозначения:

d, мм — глубина слоя;

d, мм — диаметр образца перед азотированием;

d¢, мм — диаметр образца после азотирования;

Dd, мм — абсолютное увеличение диаметра после азотирования;

Dr, мм — абсолютное изменение радиуса образца.

 

Таблица 10

Результаты обмеров  образцов – имитаторов из стали  ЭП678У – ВД до и после ионного  азотирования и значения прироста диаметра образцов.

Режимы азотирования и время выдержки, час	d, мм	d, мм	d¢, мм	Dd, мм	Dr, мм	Dr/d, %
Ионное азотирование при t =560°С,  10 часов	0,10	19,392±0,002	19,409±0,002	0,017	0,008	8,0
	0,10	19,394±0,002	19,410±0,002	0,016	0,008	8,0
Ионное азотирование при t =560°С, 25 часов	0,14	19,394±0,002	19,420±0,002	0,026	0,013	9,2
	0,14	19,394±0,002	19,420±0,002	0,026	0,013	9,2
Ионное азотирование при t =560°С, 36 часов	0,20	19,394±0,002	19,430±0,002	0,036	0,018	9,2
	0,20	19,394±0,002	19,430±0,002	0,036	0,018	9,0
	0,20	19,394±0,002	19,430±0,002	0,036	0,018	9,0
	0,20	19,394±0,002	19,430±0,002	0,036	0,018	9,0
Газовое азотирование при t =540°С, 46 часов	0,25	19,394±0,001	19,450±0,004	0,056	0,028	11,2
	0,25	19,394±0,002	19,450±0,004	0,056	0,028	11,2

 

Из таблицы 10 видно, что  азотирование приводит к увеличению диаметра образца. При этом, с увеличением глубины слоя диаметр образца увеличивается. В таблице для сравнения приведены результаты газового азотирования. Как видно, газовое азотирование в большей степени увеличивает диаметр по сравнению с ионным азотированием. Следует также отметить, что газовое азотирование обеспечивает глубину слоя 0,25 мм, а глубина слоя при ионном азотировании 0, 1 – 0,2 мм.

Из приведенных данных следует, что с ростом глубины  азотированного слоя увеличиваются и размеры образцов. При этом с увеличением глубины слоя это увеличение становится более заметным. Исходя из полученных данных были рекомендованы режимы ионного азотирования.

Прирост размеров образцов по отношению к глубине азотированного слоя при ионном азотировании составляет 3,5%. Изменение размеров образцов в зависимости от глубины азотированного слоя при ионном азотировании приведены на рис. 21.

На основании полученной графической зависимости изменения размеров образцов от глубины слоя представляется возможным определить допуски на детали, подлежащие ионному азотированию, в зависимости от требуемой глубины слоя.

Рис. 21. Зависимость изменения радиусов образцов от глубины

азотированного слоя.

 

На рис. 22 приведены фотографии деталей подвергаемых ионному азотированию.

 

Рис. 22. Детали, подвергаемые ионному азотированию

 

Выводы по работе

 

1. На основании исследования различных режимов ионного азотирования деталей, выполненных из стали ЭП678У – ВД установлены следующие оптимальные параметры ионного азотирования:
• среда – диссоциированный аммиак (25% N₂ + 75% H₂);
• температура – 540 – 560°С;
• время выдержки – 15 часов;
• давление газовой среды – 3 ¸ 6 мм.рт.ст.
2. Из полученных результатов исследования режимов ионного и газового азотирования можно сделать вывод, что ионное азотирования позволяет получать те же характеристики поверхностного слоя, затрачивая при этом гораздо меньше времени.
3. Исходя из полученных результатов исследования был составлен технологический процесс ионного азотирования для трех конкретных деталей ракетно-космической техники.
4. Режим ионного азотирования опробован в условиях промышленного производства для деталей из стали ЭП678У – ВД.
5. Внедрение процесса ионного азотирования позволило увеличить надежность и ресурс работы деталей из стали ЭП678У – ВД по сравнению с газовым азотированием.

 

5. Организационно – экономическая часть

5.1. Технико-экономическое обоснование целесообразности проведения данного исследования

Внедрение любой новой технической  разработки, сколь совершенной она  бы ни была с технической точки зрения, требует оценки экономической эффективности и ее внедрение в производство, то есть определение ее экономической целесообразности.

Современное машиностроение требует  существенного повышения качества и эксплуатационных характеристик деталей и механизмов, а также увеличения срока их службы. Важная роль в решении этой задачи принадлежит процессам химико-термической обработки, в частности, азотированию. Азотирование позволяет значительно повысить твердость и износостойкость различных поверхностей деталей, уменьшить их склонность к задирам.

Наибольшее распространение в  настоящее время получило азотирование ионизированным азотом в плазме тлеющего разряда (ионное азотирование).

Ионное азотирование имеет следующие  преимущества перед стандартным газовым процессом: большую скорость насыщения (в 1,5 – 2 раза), возможность проведения регулируемых процессов азотирования с оптимизацией диффузионных слоев по фазовому составу и строению с учетом условий эксплуатации деталей, минимальные деформации изделий в процессе обработки и высокий класс чистоты поверхности, отсутствие необходимости в предварительной депассивирующей обработке при азотировании коррозионностойкой стали ЭП678У-ВД, значительное сокращение общего времени нагрева и охлаждения садки, большую экономичность процесса, повышение коэффициента использования электроэнергии, сокращения расходов насыщающих газов.

Цель работы состоит в исследовании, разработке и внедрении технологии ионного азотирования деталей из мартенситно-стареющей стали ЭП678У – ВД.

В организационно – экономической  части данной работы сначала необходимо провести планирование НИР, определить состав работ, сроки выполнения работ, а также рационально распределить эти работы между участниками  данного проекта. Для этого составляется календарный график работ, который показывает этапы НИР, время выполнения каждого этапа, исполнителя на данном этапе. Календарный график также показывает затраты времени каждого участника НИР.

Кроме планирования НИР в данной части работы была рассчитана смета затрат на проведение НИР, в которой отражены все затраты связанные с проведением НИР.

Работа разрабатывалась на ГКНПЦ  имени М.В.Хруничева, данные представлены на 1 декабря 2006 г.

5.2. Планирование научно – исследовательской работы

Для удобства разработки плана научно – исследовательской работы (НИР) составим таблицу (таблица 11), в которой укажем все основные этапы НИР.

Исходя из данных, представленных в таблице 11, время участия исполнителей в НИР составило:

• Научный руководитель – 18 дней;
• Инженер – исследователь – 97 дней.

Продолжительность каждого этапа  в отдельности составляет:

1. Подготовительный этап – 2 дня;
2. Теоретическая разработка – 20 дней;
3. Экспериментальные работы и исследования – 35 дней;
4. Разработка организационно – экономической части – 10 дней;
5. Разработка раздела промышленная экология и безопасность производства – 10 дней;
6. Заключительный этап – 20 дней.

Зная все выше приведенные данные можно составить календарный  график проведения НИР (таблица 12).

 

 

Таблица 11

Этапы НИР

№ п./п.	Наименование этапа	Содержание  работы	Трудоемкость  этапа в рабочих днях	Исполнители, должность
1	2	3	4	5
1.	Подготовительный этап	1.1. Обсуждение темы  дипломной работы с научным  руководителем	0,5	Научный руководитель
			0,5	Инженер – исследователь
		1.2. Разработка плана НИР	1,5	Научный руководитель
			1,5	Инженер – исследователь
2.	Теоретическая разработка	2.1. Подбор и изучение  научно-технической литературы, анализ  состояния вопроса	15	Инженер – исследователь
		2.2.Разработка методики  проведения экспериментальных работ	2	Научный руководитель
			5	Инженер – исследователь
3.	Экспериментальные работы и исследования	3.1. Испытания образцов
		3.1.1. Входной контроль  образцов	1	Инженер – исследователь
		3.1.2. Стабилизирующий  отпуск	4	Инженер – исследователь
		3.1.3. Механическая обработка  образцов	3	Инженер – исследователь