Энциклопедия вооружения

Термообработка по технологии TENIFER QPQ

Азотирование и азоцементация деталей из стали, чугуна и металлокерамических сплавов на основе железа в солевых ваннах по технологии TENIFER® применяется на протяжении десятилетий во всём мире в самых различных отраслях промышленности. Технология используется для повышения износостойкости, усталостной прочности и, в особенности в сочетании с оксидированием, для увеличения коррозионной стойкости. Во многих случаях технология TENIFER® является альтернативой другим процессам термообработки поверхности деталей, например, закалке на мартенсит, гальваническим покрытиям (например, хромированию) и другим покрытиям (пластиковых, лаковых и т.д.) или азоцементации в плазме и газовой атмосфере, при этом обеспечивая более высокое качество и рентабельность.

Проведение процесса

Проведение процесса TENIFER Q, QP или QPQ является по сравнению с другими методами азоцементпации очень простым. Как это бывает обычным при термообработке деталей в солевых ваннах, их сначала нагревают на воздухе до температуры около 350°С, Азоцементация осуществляется в так называемой ванне TF1 при температуре 480-630°С, при этом в качестве стандартной температуры в большинстве случаев выбирают 580°С.

Солевой расплав состоит в основном из щелочного цианата а также щелочного карбоната и используется для работы в тигле из специального материала с вентиляционным устройством. Активной составной частью в ванне TF1 является щелочной цианат. В процессе азоцементации при реакции щелочного цианата с поверхностью деталей образуется щелочной карбонат. С помощью целенаправленного добавления неядовитого регенератора REG 1 в солевом расплаве снова создаётся нитрат и активность ванны TF 1 поддерживается с большой точностью (рис.1).

Поскольку регенерация ванны осуществляется без изменения объёма, не образуются избыточные количества солей, которые необходимо удалять. Потери пополняются добавочной солью TF 1. По сравнению с азоцементацией в атмосфере газа необходимые для процесса TENIFER QPQ вещества TF 1 и REG 1 не подпадают ни под категорию ядовитых, ни под категорию экологически опасных.

Оксидирование поверхности после азоцементации в солевой ванне осуществляется в специально разработанной охлаждающей ванне (ванна АВ1).При этом на поверхности обработанных деталей образуется слой оксида (магнетит) черного цвета, который обусловливает значительное увеличение коррозионной стойкости. Охлаждающая ванна имеет температуру 350-400°С. Кроме оксидирования наблюдается также благоприятное влияние на характерстику изменения размеров охлаждаемых деталей. Затем осуществляется дальнейшее охлаждение до комнатной температуры а также очистка обрабатываемого материала (процесс TENIFER-Q).

Если после проведения процесса поверхности деталей окажутся слишком шероховатыми, то, в зависимости от размеров и формы деталей, могут быть использованы самые различные методы полирования (процесс TENIFER-QP). Хорошо себя зарекомендовали:

• Притирка доводочной шкуркой с зернистостью 360 или мельче.
• Полирование или тонкое шлифование специальными полировочными кругами в непрерывном процессе подобно бесцентровому шлифованию или шлифованию на токарных автоматах.
• Скользящее шлифование в вибрационной ёмкости. Такая обработка применяется преимуществено для небольших и листовых деталей.
• Струйная обработка стеклянными шариками диаметром 40-70 микрон. Во избежание сильного закругления кромок или износа соединительного слоя рабочее давление должно составлять макс.4 атм.
• Автоматизированная струйная обработка металлическими шариками диаметром менее 1 мм.

Однако из-за промежуточной обработки может быть утеряна некоторая часть достигнутой антикоррозионной защиты. Поэтому после полирования часто проводится дополнительное оксидирование в ванне АВ 1.

Ход такого процесса показан на рис.2. Весь ход процесса с промежуточной обработкой отвечает технологии TENIFER-QPQ. QPQ означает Quench Polish Quench и заключает в себе термообработку TENIFER® с оксидированием, промежуточной полировкой и дополнительным оксидированием в солевом расплаве.

Структура и толщина азотированного слоя.

Соединительный слой.

При азоцементации в солевых ваннах по технологии TENIFER® образуется азотированный слой, состоящий из наружного соединительного слоя (эпсилон-слой) и примыкающего к нему диффузионного слоя. Образование, структура и свойства соединительного слоя зависят от использованного реагента.

Соединительный слой состоит из соединений железа, азота, углерода и кислорода. Благодаря его структуре он уже не обладает свойствами металла. Он характеризуется исключительно хорошим сопротивлением износу и коррозии и является стойким почти что до температуры парообразования. По сравнению с азоцементацией в плазме или в атмосфере газа технология TENIFER® позволяет получить соединительный слой с большим содержанием азота. Слои с высоким содержанием азота обеспечивают лучшую защиту от износа и, особенно, от коррозии, чем слои с более низким содержанем.

В соединительном слое, в зависимости от используемого материала, измерения показывают твёрдость примерно от 800 до 1500 единиц по Виккерсу. На рис.3 показаны для сравнения образованные различными методами граничные слои и соответствующие твёрдости.

При металлографическом исследовании поверхностного слоя детали, подверженной азоцементированию в солевой ванне соединительный слой чётко выделяется как слабо затравливаемая зона на фоне последующего диффузионного слоя. Соединительный слой образуется при проникновении атомарного азота в глубь поверхности. С увеличением поглощения азота превышается граница растворимости в граничной зоне и выделяются нитриды, образующие соединительный слой.

Кроме условий термообработки (температура, время, состав ванны) на толщину азотированного слоя влияет также содержание углерода и легирующих элементов. С увеличением доли легирующих элементов снижается толщина слоя, но в такой же степени увеличивается и твёрдость.

Показанные на рис.4 графики зависимости построены по результатам испытаний в ванне TF 1 при температуре 580°С. При обычной продолжительности термообработки 60 -120 минут толщина соединительного слоя на большинстве материалов 10-20 микрон.

Диффузионный слой

Глубина и твёрдость диффузионного слоя зависят в основном от материала. Чем более высоколегированная сталь, тем меньше глубина азотирования при одинаковой продолжительности обработки. С увеличением доли легирующих элементов возрастает твёрдость.

На нелегированных сталях на образование структуры диффузионного слоя оказывает влияние скорость охлаждения после азоцементации. После быстрого охлаждения в воде азот остаётся в составе твердого раствора. Из-за медленного охлаждения или последующего отпуска в наружной области диффузионного слоя на нелегированных сталях часть азота может выделяться в виде прожилок нитрида железа. Благодаря этому выделению улучшается ковкость детали после азоцементации.

На высоколегированных материалах диффузионный слой хорошо различается при металлографическом исследовании из-за большей чувствительности к травлению в отличие от сердцевинной структуры. Но фактическая глубина азотирования является также значительно большей, чем видимая при металлографическом исследовании затемненная область.

Существенное влияние охлаждения на образование диффузионного слоя не наблюдается. На рис.5 показана глубина азотирования для различных материалов в зависимости от продолжительности процесса.

Поверхностная твёрдость и сердцевинная прочность.

Достигаемая с помощью термообработки по технологии TENIFER® поверхностная твёрдость в значительной степени определяется составом материала. С увеличением содержания образующих нитрид легирующих элементов (Сг, Мо, А1, V, Mn, Ti, W) увеличивается поверхностная твёрдость. На рис.6 показаны ориентировочные значения сердцевинной прочности и поверхностной твёрдости азотированных в солевых ваннах сталей.

Изменение свойств деталей из-за обработки по технологии QPQ.

Коррозионная стойкость

Для определения коррозионной стойкости образцов и деталей проводятся исследования распылением соли (DIN 50021) или длительным погружением (DIN 50905/часть4).

При простом испытании распылением соли испытуемые детали подвергаются воздействию аэрозоли 5%-ного раствора поваренной соли при температуре 35°С.Это испытание обозначено в нормативном документе сокращением SS,

На рис.7 показаны результаты испытания распылением соли согласно DIN 50021 SS твёрдохромированных и азотированных по технологии TENIFER® поршневых штоков из нелегированной стали С35. Для получения толщины соединительного слоя 15-20 микрон на поршневых штоках требуется или твёрдое хромирование на толщину 15-20 микрон или азоцементация в солевой ванне в течение 90 минут. В отношении азотированных в солевой ванне поршневых штоков были испытаны различные варианты, например, азоцементация с оксидированием с промежуточной полировкой и без неё а также термообработка QPQ. Через 40 часов распыления соли на хромированных штоках появились первые признаки точечной коррозии. Спустя 180 часов на штоках было обнаружено очень сильное коррозионное разъедание на большой поверхности. По сравнению с этим ни один из азотированных штоков не был через 40 часов подвержен коррозии и даже через 180 часов обработанные по техноогии QPQ штоки оставались без признаков коррозии.

На рис.8 показана коррозионная стойкость образцов из материала С45, достигаемая после соответствующих ступеней огбработки согласно DIN 50021 SS.

Рис.9 демонстрирует соответствующую шероховатость поверхности образцов. В отшлифованном состоянии коррозия появляется уже через короткое время. Через 90 минут азоцементации в солевой ванне с оксидированием в охлаждающей ванне коррозионная стойкость составляет более 200 часов. Полировка не изменяет стойкости образцов. После последующего оксидирования в охлаждающей ванне (25 мин.при 370°С) достигаются значения более коррозионной стойкости 400 часов,

Наиболее жёстким испытанием на коррозию согласно DIN 50021 является тест CASS, где испытательный раствор дополнительно содержит уксусную кислоту и хлористую медь, а температура повышается до50°С. Результат сравнительных испытаний деталей, обработанных по методу QPQ, а также твёрдохромированных поршневых штоков с толщиной слоя 10-12 и соответственно 30-35 микрон показан на рис.10.

Испытание проводилось Институтом металловедения в Дармштадте в следующих условиях:

• Солевой раствор для распыления 5%NaCl + 0,26 г CuCh/l;
• рН 3,11-3,3;
• Температура 50°С (1 испытательный цикл == 1 час).

После обработки по технологии QPQ также наблюдается лучшая коррозионная стойкость, чем после твёрдого хромирования.Обработанные по технологии QPQ образцы показывают через 16 часов коррозионное разъедание лишь примерно 10% поверхности образца.

Для испытания длительным погружением (DIN 50905/часть 4) в качестве коррозионной среды применяется 3-ый раствор поваренной соли и 0,1%-ый раствор перекиси водорода (НзОз). Погружение образцов в испытательный раствор происходит в обезжиренном состоянии.

На рис. 11 представлены результаты различной поверхностной обработки образцов из термически улучшенной стали С45 после двухнедельного испытания погружением в соответствии с нормативами DIN.

В первой горизонтальной колонке приведены данные по термообработке и средняя потеря веса на м2 за 24 часа для образца QPQ.

С уменьшением веса 0,34 г/м2 этот образец выглядит значительно лучше чем образцы с гальваническим или химическим нанесением слоя.

При толщине твёрдого хрома 12 микрон и даже 45 микрон двойного хрома потеря веса составляла около 7 г/м и была таким образом более чем в 20 раз выше потери веса на образце после азоцементации.

Слой никеля 20 микрон показывает после дисперсионного твердения потерю веса 2,9 г/м . Только тройной слой с 37 микронами меди, 45 микронами никеля и 1,3 микрона хрома может сравниться с обработанным по технологии TENIFER-QPQ образцом.

Износостойкость и антифрикционные свойства

За счёт неметаллического строения соединительного слоя снижается трение и склонность к свариванию с ответной металлической поверхностью. Исключительные скользящие и антифрикционые качества а также высокая износостойкость являются известными и хорошо себя зарекомендовавшими качествами обработанных по технологии TENIFER® деталей.

Проведённые испытания на износ а также практическое применение снова и снова подтверждают высокую износостойкость узлов и деталей после азоцементации в солевых ваннах по сравнению с закалёнными обычным или индуктивным способом а также хромированными поверхностями. В очень многих случаях износостойкость соединительного слоя ещё более улучшается за счёт дополнительной окисляющей обработки. Например, обработанные по технологии TENIFER® такие узлы как валы редукторов, контрольные оправки и гидроагрегаты имеют более длительный срок службы чем твёрдохромированные узлы.

Часто возникают вопросы в отношении износостойкости диффузионного слоя. На рис.12 показано сравнение характеристики износа перекидных рычагов после различной термообработки. Мы видим износ поверхности рычага, который работал на распределительном валу из азотированного в солевой ванне отбелённого чугуна. Хотя из-за азоцементации твёрдость поверхности закалённого на мартенсит перекидного рычага несколько снижается, всё же чётко просматривается значительно улучшенная износостойкость за счёт соединительного слоя при работе в режиме трения продолжительностью до 80 часов,

Через 70-80 часов кривая износа проходит затем параллельно кривой перекидного рычага, подвергнутого только закалке на мартенсит, что объясняется защитным действием диффузионного слоя. Самопроизвольное увеличение износа после потери соедиительного слоя не наблюдалось.

Это исследование ещё раз очень наглядно показывает,что высокая поверхностная твёрдость автоматически не означает и высокую износостойкость. Как оценивать материал или парное сочетание материалов, зависит от соответствующего механизма износа. Особенно хорошо себя зарекомендовали азотированные рабочие пары материалов против адгезионного износа. Так, например, склонность к задиранию очень существенно снижается по сравнению с другими граничными слоями.

На рис.13 показаны результаты предельной несущей способности задирания на шестернях по Ниману-Реттигу. Она определялась увеличением налагаемого на профиль зуба изгибающего момента до тех пор, пока не появилось задирание. Благодаря азотированию с науглероживанием по технологии TENIFER®, прочность против задирания на исследованных материалах была увеличена в 2 - 5 раз.

В связи с вопросом об износостойкости и антифрикционых свойствах, интерес представляет также и коэффициент трения наружного граничного слоя. Возникающие при скольжении реации на граничной поверхности менее зависят от абсолютной твёрдости рабочих пар материалов, нежели от самих рабочих пар, их структуры, геометрии поверхности и используемого смазочного материала.

Для определения коэффициентов трения исследования проводились в нашей лаборатории на установке Амслер.

Во время испытаний вращался диск со скоростью 200 оборотов/мин в соприкосновении с неподвижным диском. Оба образца подвергались одинаковой обработке. Нагрузка составляла 5 - 30 Н во избежание адгезионного износа. В то время, как при более высоких нагрузках коэффициент трения с увеличением нагрузки возрастает, в диапазоне 5 - 30 Н он оставался постоянным.

На рис.14 представлен обзор полученных коэффициентов трения для различных сочетаний пар материалов в режиме сухого хода и после смазки маслом типа SAE 30.

Исследованные образцы после хромирования, закалки на мартенсит и азотирования с науглероживанием с водяным охладением или окисляющим охлаждением в охлаждающей ванне имели значения шероховатости около 4 микрон. Лишь на образцах после термообработки по технологии QPQ шероховатость поверхности была снижена за счёт полирования примерно до Rm = 1 микрон. В режиме сухого хода азотированные образцы показывают гораздо более низкие коэффициенты трения, чем образцы с закалёнными на мартенсит или хромированными граничными слоями. Благодаря окислению соединительного слоя, на азотированных образцах увеличивается коэффициент трения.

В смазанном состоянии необходимо учитывать гидродинамическую долю несущей способности. За исключением азотированных по технологии QPQ образцов, в результате имеющейся шероховатости поверхности присутствует крупная доля твёрдого тела, так что результаты относятся, по-видимому, к области смешанного (полусухого) трения. Азотированные по технологии QPQ образцы имеют в этих условиях проведения экспериментов минимальный коэффициент трения из всех вариантов.

Термообработка TENIFER® увеличивает усталостную прочность при круговом изгибе а также контактную прочность. На них оказывают главным образом влияние:

Содержание азота в соединительном и диффузионном слоях, " Толщина диффузионого слоя. " На нелегированных сталях состояние раствора азота.

Кроме того, необходимо учитывать ещё состояние структуры и прочность. В то время, как на нелегированных сталях повышение усталостной прочности зависит от скорости охлаждения, на легированных материалах достойное упоминания влияние охлаждения отсутствует. Возможное повышение усталостной прочности после 1-2 -часовой термообработки по технологии TENIFER® составляет на деталях из нелегированных и низколегированных сталей около 100%.

В этой связи следует ещё указать на то, что из-за хромирования снижается усталостная прочность при циклическом изгибе основного материала. Подобное явление известно по гальваническому цинкованию. По сравнению с этим, при азотировании с науглерожванием всегда увеличивается усталостная прочность.

На рис.15 показаны результаты исследования усталостной прочности образцов с надрезами из материала C45N. После термообработки по технологии QPQ повышение усталостной прочности составляет более 50%. После твёрдого хромирования усталостная прочность наоборот снижается на 20%.

Практическое применение технологии TENIFER-QPQ

Коррозионная, усталостная прочность а также износостойкость обработанных деталей по экологически чистой технологии азотирования с науглероживанием QPQ в солевых ваннах исследовались по самым различным методикам. При этом было установлено превосходство по сравнению с хромированными, никелированными и другими азотированными граничными слоями.

Показанные на рис.16 детали быстродействующих муфт для соединения шлангов, по которым подаются жидкие и газообразные среды, раньше изготовлялись из коррозионностойких сталей. Благодаря применению технологии для азотирования с науглероживанием в солевых ваннах QPQ появилась возможность замены дорогостоящего основного материала на нелегированную цементируемую сталь. В исполнении с термообработкой по технологии QPQ достигается требуемая коррозионная стойкость и износостойкость.

На рис.17 показан фрагмент коленчатого вала из материала 42СгМо4 для высокомощных двухтактных двигателей. Благодаря термообработке QP были выполнены требования в отношении износостойкости, усталостной прочности и антифрикционных свойств.

Детали подвергаются автоматической промежуточной полировке металлическими шариками на монорельсовой струйной установке. Опыты с азотированными в атмосфере газа или в плазме деталями не принесли желаемого результата.

На рис.18 показаны амортизаторы давления газа и обработанные по технологии QPQ поршневые штоки. Их устанавливают главным образом на капотах двигателей и багажников автомобилей а также на грузовых люках и салонных дверях в самолётах.

По сравнению с ранее проводившимся хромированием поступают сообщения о значительном улучшении коррозионной стойкости и износостойкости. Затраты на термообработку этих деталей были снижены примерно на одну треть.

На рис.19 показаны такие мелкие детали, как фурнитура для чемоданов и решётки для фенов. Их обрабатывают по технологии QPQ в качестве навалочного груза в очень больших количествах. 60 минут для азоцементации, оксидирование, промежуточная полировка и дополнительное оксидирование являются достаточными для достижения требуемых коррозионной стойкости и износостойкости.

Примеры применения можно было бы сколько угодно продолжать. О широких возможностях применения технологии QPQ свидетельствуют представленные на рис.20 некоторые типичные узлы и детали, обрабатываемые сегодня в серийном производстве с помощью комбинированного метода азоцементации в солевых ваннах. Здесь речь идёт, главным образом, о деталях из области автомобильной промышленности, как напимер, оси приводов для стеклоочистителей, натяжные устройства для клиновых ремней и клапаны.

Технология QPQ применяется также для термообработки деталей в авиации, на морских нефтяных платформах, в аппарате- и машиностроении, энергетике, пищевой промышленности, а также в технологии изготовления текстильного оборудования, гидроагрегатов и оптических приборов.

Установки TENIFER® и соображения рентабельности.

При выборе технологического процесса главными критериями являются его экономичность, достигаемое качество и экологическая безопасность. Весьма важной также является простота в применении процесса. По сравнению с другими процессами нитроцементации, процесс TENIFER® прост в применении. Обработка может выполняться как на обслуживаемых вручную, так и на полностью автоматизированных установках.

Современные установки с компьютерным управлением – очень гибкие. Они не только могут быть отрегулированы в зависимости от колебаний потребности в обработке деталей, но также позволяют одновременно проводить обработку по нескольким различным программам.

Автоматическая установка солевых ванн, показанная на рис. 21, идеально подходит для использования процесса TENIFER® в массовом производстве (в составе производственной конвейерной линии), а также для коммерческой термообработки, где из-за различных потребностей клиентов процесс нужно часто переналаживать.

На рис. 22 приведена схема установки TENIFER®, которая, в соответствии с новейшими технологическими требованиями, работает без сточных вод и оснащена эффективной системой отделения отходов и установкой по очистке воздуха. С такой технологией легко могут быть выполнены требования, предъявляемые в промышленно развитых странах к установкам с точки зрения экологии и охраны труда.

Cравнительный анализ процесса TENIFER® и других технологических процессов с точки зрения экономичности также показывает преимущества процесса