Новая технология каталитического азотирования рабочих поясков прессовых матриц - эффективный способ повышения их стойкости
Чаще всего удается это сделать на направлениях, действительно экстремальных, таких как рассматриваемые детали – матрицы для экструзии цветных сплавов. Ниже приведен перечень предприятий, успешно эксплуатирующих нашу технологию.
Главный специалист по термообработке ЗАО НПК «Накал»
|
№
|
Предприятие
|
|
1.
|
ВСМПО, Верхняя Салда
|
|
2.
|
МОСМЕК, Видное
|
|
3.
|
БКМПО, Белая Калитва
|
|
4.
|
МАК, Павловский Посад
|
|
5.
|
Воронежский алюминиевый комбинат, Воронеж
|
|
6.
|
Сегал, Красноярск
|
|
7.
|
БК-Алпроф, Белая Калитва
|
|
8.
|
Алунекст, Белая Калитва
|
|
9.
|
Дорхан, Москва
|
|
10.
|
Энерготехмаш, Жигулевск
|
|
11.
|
Л-профиль, Рязань
|
|
12.
|
Альфа-Люм, Самара
|
|
13.
|
Аэроалюминий, Белая Калитва
|
|
14.
|
Техноком, Столбовая
|
|
15.
|
Торговый дом Союз-01, Москва
|
|
16.
|
Энерготекс, Курчатов
|
|
17.
|
Смоленский Автоагрегатный завод им. В.П. Отрохова, Смоленск
|
|
18.
|
СП «Брестгазоаппарат», Брест
|
|
19.
|
ММП им. В.В. Чернышева, Москва
|
|
20.
|
Ленпромкомплект, Санкт-Петербург
|
|
21.
|
Ижевский механический завод, Ижевск
|
|
22.
|
Традиция-К, Москва
|
|
23.
|
ТД Красный якорь, Нижний Новгород
|
|
24.
|
Лысковский электротехнический завод, Лысково
|
|
25.
|
ПКФ «Исток», Самара
|
|
26.
|
HESpls, Болгария
|
Чем обусловлена такая популярность нашей технологии среди предприятий, производящих профиль? Основной особенностью каталитического газового азотирования является универсальность. Матрицы для экструзии по большому счету – частный случай. Однако, ввиду уникальности испытываемых ими нагрузок, именно они особенно ярко оттенили способности нашего метода химико-термической обработки. Данный инструмент в процессе эксплуатации подвергается большим контактным нагрузкам в условиях высоких температур, активного воздействия разогретого алюминия и термоциклированию – «нагрев-охлаждение». Такой комплекс воздействия предъявляет высокие требования к инструменту. Здесь нужны и пластичность поверхностного слоя, и его твердость, и разгаростойкость. Необходимы также не слишком малая глубина упрочненного слоя для достаточно высокой износостойкости и плавности перехода микротвердости от высокой на поверхности до умеренной в сердцевине. Все это надо обеспечить на сталях полутеплостойкого класса, легированных хромом, молибденом, ванадием и, иногда, вольфрамом.
Цементация и азотирование
За счет чего нам удалось решить эти проблемы? Основным является каталитическая обработка аммиака на каталитическом устройстве «Оксикан» непосредственно в пространстве печи, с целью придания новых свойств печной атмосфере. Новые свойства каталитически обработанного аммиака обеспечивают исключение пересыщения поверхностного слоя азотом и изменение самого механизма насыщения с реакционного, гетерофазного на преимущественно твердорастворный, гомогенный. Ниже приведены фотографии микроструктуры стали 4Х5МФС после традиционного газового азотирования и новой технологии.
Рис. 1. Микроструктура азотированного слоя на стали 4Х5МФС, традиционное азотирование, 8 часов. Снято при увеличении 400 кр.
На Рис. 1 очевидно наличие массивных выделений карбонитридной фазы. Эти частицы имеют экстремально высокую твердость и низкую когерентность решеток с подслоем. Это чаще всего приводит к выкрашиванию и активному абразивному износу. Появление такой микроструктуры возможно и после малых времен выдержки – от 2 часов.
В нашем случае, за счет изменения физико-химических механизмов на границе раздела газ-металл практически исключен риск получения подобных микроструктур.
Рис. 2. Микроструктура азотированного слоя на стали 4Х5МФС, каталитическое газовое азотирование, 8 часов. Снято при увеличении 400 кр.
Как видно из Рис. 2, в нашем случае имеется гомогенное, равномерное распределение азотированных микроструктур по слою. Это обеспечивает плавность перехода высокой твердости поверхности к твердости сердцевины и необходимые нам характеристики изделия.
На Рис. 3 приведены результаты исследования микротвердости азотированного слоя на стали 4Х5МФС при различных режимах азотирования. Для традиционного газового азотирования характерно, что при незначительной выдержке на поверхности достигается высокая твердость. Однако общая толщина слоя мала и градиент твердости по толщине слоя очень велик. Это может вести к сколам острых кромок, а после износа более 0,07 мм твердость уже настолько низка, что износ начинается с обвальной кинетикой. Увеличение времени выдержки при традиционном азотировании дает увеличение общей толщины слоя. Однако при этом в поверхностной зоне, ввиду ее пересыщения азотом, происходит перераспределение азота в свободную форму, образование микропор и, как следствие, снижение микротвердости.
Рис. 3. Распределение микротвердости азотированного слоя на стали 4Х5МФС. 1 – традиционное азотирование, 8 часов, 2 – традиционное азотирование 16 часов, 3 – каталитическое газовое азотирование, 8 часов.
Поверхностный фильм получается пористым, хрупким и с низкой твердостью. В условиях высоких контактных нагрузок, воздействия разогретого алюминия и термоциклирования инструмент с таким слое служит еще меньше. Здесь, как нам кажется, и кроются корни заблуждения о том, что для экструзионной оснастки нужен слой азотирования 0,1 мм и менее. Если подходить к газовому азотированию, как к чему-то застывшему, данному раз и навсегда, так оно и есть.
Однако, как видно из данных Рис. 3, в нашем случае есть возможность получать слой достаточной толщины, без излишне высокой приповерхностной твердости, с равномерным распределением микротвердости от поверхности в глубину. Нам представляется, что это и говорит о новом физико-химическом механизме перехода азота в сталь при каталитическом газовом азотировании.
Немаловажно для условий реального производства и обеспечение повторимости результатов. С этой целью была разработана новая модель азотного потенциала печной атмосферы и средства косвенного в реальном времени контроля азотного потенциала. Нами предложено считать для практики азотный потенциал равным содержанию азота в железе после доведения данного железа при данных условиях до равновесия с газовой фазой. Для косвенного определения было разработано семейство кислородных зондов погружного типа «Оксимесс».
Зонд устанавливается непосредственно в рабочем пространстве печи подобно термопаре, и определяет азотный потенциал печной атмосферы в реальном времени. Зонд комплектуется вторичным прибором, имеющим цифровую индикацию и выход на управляющую автоматику. Вторичный прибор имеет индикацию азотного потенциала в весовом содержании азота в железе. Глядя на эту величину оператор может с уверенностью определить фазовый состав поверхностного слоя и принять решение о необходимости корректировки процесса.
Приборы семейства «Оксимесс» в процессе эксплуатации показали хорошую сходимость с результатами азотирования. Так с их помощью уверенно определяется качество аммиака, наличие подсосов (негерметичность) печей, погрешности в работе аппаратуры регулирования температуры. Все эти погрешности ведут к изменению метастабильного равновесия газовой фазы, которые и отражает «Оксимесс».
Рис. 4. Схема реализации каталитического газового азотирования на шахтной печи.
1. Выходные сигналы кислородного зонда. 2. Кислородный зонд «Оксимесс». 3. Вентилятор. 4. Садка деталей. 5. Муфель. 6. Печь азотирования. 7. Ввод аммиака. 8.Каталитическое устройство «Оксикан».
Наряду с неоспоримыми достоинствами зонды «Оксимесс» имели и существенные ограничения. Корпус зонда из-за особенностей сенсора – двуокиси циркония, выполнялся из керамики. В реальных условиях производства его часто ломали. Ремонт достаточно дорог и производится только в Москве. В этой связи нами проведены работы по созданию нового сенсора, исключающего наличие керамики в конструкции зонда. Так был создан и с 2006 года выпускается НПК «Накал» новый полупроводниковый сенсор и индикатор азотного потенциала «Оксинип». Отличительные особенности нового сенсора: металлический корпус и отсутствие керамики в конструкции, а также необходимости в газе сравнения. Это поможет поднять пользовательские характеристики прибора.
В процессе запуска печей с технологией каталитического газового азотирования часто и остро стоял вопрос экологии. Если на предприятиях с многолетней практикой эксплуатации традиционного азотирования персонал был в восторге от малых величин расхода аммиака, низкой загазованности помещения, в сравнении с традиционным азотированием, то на вновь организуемых производствах алюминиевого профиля, где азотирование поручали слесарям инструментальщикам либо корректировщикам матриц, вопрос запаха аммиака встал очень остро.
В этой связи в НПК «Накал» разработан, испытан и принят к производству каталитический нейтрализатор аммиачной печной атмосферы «Нейтрам». Разработанный по техническому заданию НПК «Накал» специальный катализатор, дающий активационную энергию в условиях сверхмалых времен контакта, обеспечивает процесс автогорения аммиака при температурах от 150°С. Процесс каталитического горения аммиака исключает стадию его разложения и, соответственно, исключает возможность образования взрывоопасного водорода. На выходе имеются только пары воды и нейтральный азот. Нейтрализатор комплектуется аппаратурой контроля наличия пламени и устройством поджига.
В целом, 10 лет использования каталитического газового азотирования в промышленности России и стран СНГ показали, что к настоящему моменту это надежная, простая и отвечающая требованиям промышленности технология. Компания «Накал» ведет последовательную политику инвестиций в развитие оборудования и технологий химико-термической обработки металлов и сплавов, что позволяет расчитывать на все более полное удовлетворение потребностей наших заказчиков.
Главный специалист по термообработке ЗАО НПК «Накал»
В.Я. Сыропятов
