Карбонитрация в расплаве солей. Широко применяемая в мировой практике и незаслуженно забытая у нас…

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ»

Могиленец М. В., технический директор,
ООО «Новые технологии упрочнения «КАРБАЗ»

Экологически чистая технология низкотемпературного поверхностного упрочнения деталей в расплаве солей — карбонитрация — изобретенная в 1970-е годы в стенах МВТУ им. Н. Э. Баумана, сегодня широко распространена во всем мире, но незаслуженно забыта в нашей стране. При этом преимущества, предоставляемые ею, трудно переоценить: она позволяет существенно повысить эксплуатационные характеристики изделий, а в определенных случаях и сэкономить — благодаря использованию недорогих марок сплавов на основе железа.

Salt bath ferritic nitrocarburizing или liquid nitrocarburizing, аналоги описываемой в этой статье «жидкостной» карбонитрации, широко известны во всем мире благодаря брендам: ARCOR, TENIFER, TUFFTRIDE, MELONITE, QPQ, DYNA-BLUE, BLACKNITRIDE и др.

Используемый нами термин «карбонитрация» был предложен разработчиками процесса. Задача, связанная с разработкой технологически приемлемой жидкой среды для низкотемпературного упрочнения металлических изделий, была решена в 1970-е годы в МГТУ им. Н. Э. Баумана, и именно тогда была предложена экологически безвредная технология, названная «карбонитрация». К сожалению, по неизвестным для нас причинам, данная технология не получила такого широкого промышленного применения на территории бывшего Союза, в том числе и в Украине, как это наблюдается за рубежом. Поэтому сегодня наша компания «Новые технологии упрочнения «KARBAZ» ставит перед собой цель довести до потребителей неоспоримые преимущества этого метода.

Общим для указанных выше процессов химико-термической обработки является то, что они выполняются в расплаве солей цианатов и карбонатов щелочных металлов, а также используются для повышения износостойкости, усталостной прочности, коррозионной стойкости (табл. 1). Данная технология поверхностного упрочнения изначально разрабатывалась как альтернатива газовому азотированию, но поскольку данный процесс предполагает одновременное насыщение как азотом, так и углеродом, то в поверхностном слое металла образуются карбонитридные фазы, которые являются более пластичными и не имеют такой хрупкости, как чисто нитридные, получаемые при газовом азотировании.

Таблица 1. Основные параметры процесса карбонитрации 

Суть процесса  Диффузионное насыщение поверхности стальных и чугунных изделий азотом и углеродом
Цель процесса Защита деталей машин и инструмента от износа, эрозии, коррозии, усталостного и контактного разрушения
Среда насыщения  Расплав цианатов и карбонатов
Температура обработки  540–600 °C
Время выдержки Время выдержки 5– 45 мин. — для режущего инструмента
1– 6 ч — для деталей машин и штампового инструмента
Глубина слоя 0,05–0,12 мм — для высоколегированных инструментальных и коррозионностойких сталей
0,1–0,6 мм — для углеродистых, низко- и среднелегированных сталей и чугунов
Обрабатываемые материалы Сплавы на основе железа (все марки стали и чугуна)

Исследования и практика применения показали, что карбонитрация во многих случаях является более выгодной альтернативой не только газовому азотированию, но и таким процессам, как поверхностная закалка токами высокой частоты, ионное азотирование в неоднородной плазме тлеющего разряда, цементация, цианирование, нитроцементация, гальваническое хромирование («твердый хром»), фосфатирование и др.

Учитывая все преимущества и благодаря своей простоте и эффективности, метод жидкостной карбонитрации (liquid nitrocarburizing) по достоинству оценен и применяется во всех промышленно развитых странах Европы (Германия, Франция, Великобритания и др.), Америки (США, Канада) и Азии (Япония, Китай, Индия и др.). Об этом говорится во многих печатных изданиях и на страницах Wikipedia, это подтверждает поисковый запрос по данной теме в любом из популярных поисковиков Интернета. Множество компаний из указанных выше стран активно применяют для собственных нужд и оказывают услуги поверхностного упрочнения различных изделий методом «liquid nitrocarburizing». Область применения данной технологии без преувеличения огромна — от с/х машиностроения до аэрокосмической промышленности (табл. 2).

Таблица 2. Преимущества технологии

Упрочнение деталей из любых марок стали и чугуна Возможность значительно повышать твердость и износостойкость углеродистых сталей типа стали 3, 20, 09Г2С, а также аустенитных нержавеющих сталей типа Х18Н10Т, которые плохо подвергаются упрочнению при традиционном газовом азотировании
Высокая скорость насыщения За 1–4 часа на поверхности формируется упрочненный слой, который по глубине и твердости аналогичен или превышает получаемый за 10–60 часов традиционного газового азотирования
Равномерность нагрева и насыщения в расплаве Отсутствует коробление. Обеспечивается равномерный слой в труднодоступных местах
Упрочнению подвергаются окончательно механически обработанные детали Не требуется наличие дополнительного припуска Повышение усталостной прочности деталей на 50–80 %
Повышается работоспособность деталей, работающих с циклическими нагрузками, за счет создания сжимающих напряжений на поверхности Увеличение износостойкости, задиростойкости поверхности
Ориентировочно в 2–11 раз, по сравнению с цементацией, нитроцементацией, газовым азотированием Отсутствует хрупкость карбонитрированного слоя Резьбовые и другие тонкие поверхности не требуют защиты от упрочнения
Повышение коррозионной стойкости перлитных («черных») сталей Углеродистые и низколегированные стали после карбонитрации приобретают свойства, сходные с высоколегированными нержавеющими сталями
Снижение коэффициента трения в 1,5–5 раз Карбонитрированный слой выполняет роль дополнительной смазки в парах трения Экологичность Процесс не токсичен. Не используются ядовитые соли (как при цианировании) и аммиак (как при газовом азотировании)

Сообществом автомобильных инженеров (Society of Automotive Engineers, SAE), специализирующемся на разработке технической документации для производства, обслуживания и управления транспортных средств, использующихся на земле, в море, воздухе или космосе, еще в 1978 г. разработана спецификация: SAE AMS (Aerospace Material Specifications) 2753 «Liquid Salt Bath Ferritic Nitrocarburizing Non-Cyanide Bath». Данный нормативный документ регламентирует технические требования к упрочненному поверхностному слою, получаемому методом низкотемпературной жидкостной карбонитрации, в соляных безцианидных ваннах.

Технологическая схема процесса карбонитрации с последующим оксидированием

 

Структура карбонитрированного слоя

В процессе карбонитрации на поверхности сталей формируется упрочненный слой, состоящий из нескольких зон. Верхний слой представляет собой ε-карбонитрид типа Fe3 (N, C) — зона соединений (Compound layer), т. н. «белый слой», под которым находится диффузионная зона (Diffusion layer), т. н. «гетерофазный слой», состоящий из твердого раствора углерода и азота в железе с включениями карбонитридных фаз, твердость которой значительно выше твердости сердцевины.

Типовая микроструктура стали после карбонитрации

Схема образования упрочненного слоя в расплаве солей

Сталь 3. Карбонитрация 580 °С, 3 часа. Глубина слоя – 0,2 мм

Ниже приведены результаты проведенных компанией DURFERRITE (Германия) коррозионных испытаний упрочненного слоя, полученного методом TENIFER-QPQ, в сравнении с другими способами поверхностной обработки.

Зависимость износа образца из Cтали 20 от пути трения со смазкой. Путь трения км х 100

Сравнение износостойкости образца из стали 40Х после карбонитрации (1) и газового азотирования в среде аммиака (2)

Коррозионные испытания (CASS) в соответствии с немецким стандартом DIN 50021 стали SAE 1045

На указанных примерах наглядно видны преимущества карбонитрированного слоя по сравнению с традиционными, наиболее часто применяемыми у нас процессами поверхностной обработки: цементацией, азотированием, хромированием. Кроме того, следует отметить, что при хромировании снижается усталостная прочность при циклическом изгибе основного материала. По сравнению с этим, при карбонитрировании всегда увеличивается усталостная прочность. После карбонитрации с последующим оксидированием повышение усталостной прочности составляет более 50%, в то время как после твердого хромирования усталостная прочность, наоборот, снижается на 20%.

Всё вышесказанное предопределило массовое распространение технологии жидкостного карбонитрирования за рубежом. Какова же ситуация в нашей стране?

Таблица 3. Результат теста на коррозионную устойчивость стали С45 (3% NaCl, 0.1% H2O2

Исследованные виды поверхностного упрочнения
Потеря в весе в г/м2 через 24 ч
Карбонитрация с последующим оксидированием + полировка + оксидирование (QPQ)
0,34
Твердое хромирование: 12 мкм
7,10
Двойное хромирование: 20 мкм мягкого хрома, 25 мкм твердого хрома
7,20
Никель: 20 мкм
2,90
Тройное покрытие: 37 мкм меди, 45 мкм никеля, 1,3 мкм хрома
1,45

НАШИ РАБОТЫ:

Наш опыт работы как с крупными, так и малыми предприятиями по всей Украине показывает, что, к сожалению, в большинстве случаев при изготовлении тех или иных деталей следуют указаниям устаревшей конструкторской документации времен СССР, где присутствуют традиционные требования по поверхностному упрочнению (азотирование, цементация, ТВЧ, хромирование), воспринимаемые специалистами как догма, отход в сторону от которой дается очень нелегко. Во вновь разрабатываемую документацию с постоянным упорством разработчики переносят всё те же требования, игнорируя мировые тенденции в данной области. Это происходит всего лишь потому, что специалисты с ними просто не знакомы.

За годы популяризации данной технологии среди машиностроителей Украины мы с уверенностью можем сказать, что достигли неплохих результатов и смогли показать и доказать эффективность жидкостного карбонитрирования во всех отраслях.

На сегодня нашими постоянными заказчиками являются более 100 предприятий машиностроительного комплекса, в том числе те, которые производят или ремонтируют насосы, компрессорную технику, запорную арматуру, железнодорожную технику; изготавливают запчасти для авиационной техники, оборудование и инструмент для производства штампов и пресс-форм и другие.

Сегодня уже ремонтные подразделения предприятий многих отраслей промышленности и сельского хозяйства все чаще проявляют интерес к пропагандируемой нами технологии, позволяющей в разы повысить работоспособность и долговечность деталей, а, следовательно, качество и конкурентоспособность продукции в целом. Наше предприятие имеет опыт карбонитрации широчайшей гаммы деталей: колец, втулок, рабочих колес насосов, корпусов, зубчатых колес, валов-шестерен, фланцев, звездочек, пробок и седел шаровых кранов, пальцев, шнеков, червяков, шпинделей, штоков, задвижек, валов, коленчатых валов, торсионов, пресс-форм, режущего и штампового инструмента из углеродистых, легированных и высоколегированных нержавеющих сталей, а также различных марок чугуна.

В последнее время большой интерес к предлагаемой нами технологии проявляют предприятия оборонного комплекса. Что не удивительно, т. к. зарубежные компании Glock Ges. m.b.H., Smith & Wesson, Springfield Armory, Inc., Heckler & Koch, Caracal International L. L.C, Grandpower давно применяют технологию Salt bath ferritic nitrocarburizing для обработки стволов и других частей стрелкового оружия.

О реализованных проектах

Наша компания ООО «Новые технологии упрочнения «KARBAZ» более 7 лет оказывает украинским предприятиям услуги поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента методом карбонитрации. Сотрудничаем мы и с международными компаниями. Одна из них — датско-украинское предприятие DANICO. Часть изготавливаемых данной компанией деталей подвергается поверхностному упрочнению на нашем предприятии, после чего поставляется в Европу. По оценкам европейских потребителей, изделия по качеству не уступают изготовленным у них. Это позволяет нам со страниц данного журнала с полной уверенностью в результате призвать отечественных производителей воспользоваться выгодами инновационной технологии поверхностного упрочнения.

Наши преимущества

  • Скорость выполнения работ. Наше оборудование работает 24 часа в сутки 7 дней в неделю. Вам не нужно ждать, пока сформируется садка или обеспечивать своим заказом полную загрузку печи. Мы понимаем, что такое «нужно вчера», поэтому всегда готовы работать «с колес».
  • Оперативный контроль качества упрочненного слоя деталей.В нашем распоряжении аттестованное оборудование для измерения твердости и глубины упрочненного слоя.
  • Квалифицированный персонал со спе­циализацией металловедения. Мы понимаем все тонкости термической и химико-термической обработки и разрабатываем все необходимые техпроцессы для получения максимально качественных изделий по требованию наших клиентов.
  • Упрочнение всех известных марок сталей и чугунов. Это позволяет подобрать более дешевый материал — использовать низколегированную сталь или заменить нержавеющую сталь на рядовую — и с помощью карбонитрации обеспечить высокую работоспособность и стойкость, характерные для более дорогостоящих материалов.
  • Для нас нет мелких заказов. Обрабатываем детали от нескольких грамм до двух тонн.
  • Предлагаем минимальные цены. Формируем цены в зависимости от общей массы деталей, направляемых на упрочнение.

Наши возможности

На нашей производственной площадке расположены две линии карбонитрации:

  • линия для карбонитрации деталей типа «Кольцо» (Л001) — позволяет производить весь цикл обработки деталей типа: кольцо, зубчатый венец, фланец, рабочее колесо и прочих осесимметричных деталей диаметром до 940 мм, высотой до 500 мм (до 950 мм по технологии «с переворотом»);
  • линия для карбонитрации деталей типа «Вал» (Л002) — позволяет производить обработку деталей типа: вал, шток и т. п. диаметром до 440 мм, длиной до 2300 мм (до 4500 мм по технологии «с переворотом»).

Технология позволяет также выполнять локальное упрочнение с частичным погружением детали в расплав.

Пропускная способность участка: до 4 тонн/сутки. Вес обрабатываемых деталей: до 2 тонн. Срок выполнения работ: 1–2 рабочих дня.


ООО «Новые технологии упрочнения «KARBAZ»

+380 66 322-09-18
+380 99 351-66-15
+380 68 789-37-59
E-mail: karbaz@ukr.net; kmvs-karbaz@ukr.net
Сайт: www.karbaz.com.ua

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.