Азотирование и карбонирование

В ОБЩЕМ ОБ АЗОТИРОВАНИИ И КАРБОНИТРИРОВАНИИ

В последние десятилетия в мировой промышленной практике отмечается возрастание интереса к процессам низкотемпературного насыщения сплавовна основе железа азотом или совместно азотом и углеродом. Одновременно все больше поступает сообщений об исключительно высокой эффективности результатов широкого внедрения этих процессов в производственный цикл на многочисленных предприятиях, в том числе ведущих промышленных фирм и объединений разных стран мира. Более того, наметилась явная тенденция к замене традиционных высокотемпературных методов цементации и нитроцементации на азотирование, а чаще карбонитрирование, применительно к деталям основной номенклатуры машиностроительного производства.

Отмеченный интерес к проблеме существовал и ранее. Первые публикации по вопросам азотирования относятся еще к 1907 г.

Причиной отмеченного "неиссякаемого” внимания к проблеме азотирования, а в последние годы и карбонитрирования, является тот уникальный комплекс свойств, который, в принципе, может быть одновременно достигнут именно при низкотемпературном насыщении, например, стальной поверхности азотом или совместно азотом и углеродом. В этот комплекс повышенных свойств входят износостойкость, усталостная прочность и сопротивление коррозии, т.е. именно те факторы, недостаточность которых является причиной ежегодных безвозвратных потерь более трети мирового производства металла и около 90 % аварийных поломок машин.

Другим важнейшим отличительным признаком азотирования и карбонитрирования, является пренебрежимо малая величина деформаций и короблений деталей при указанных процессах низкотемпературной обработки, в ходе которой сталь не претерпевает фазовых переходов, как это имеет место в других видах поверхностного упрочнения (нитроцементации, цементации, индукционной и лазерной закалке и др.).

Нельзя упускать из виду и тот факт, что при азотировании и карбонитрировании достигаемое упрочнение не связано с получением в поверхности мартенситной структуры. Из этого следует, что локальные разогревы в месте контакта при трении не будут приводить к местному разупрочнению карбонитрированных слоев, чего нельзя избежать в случае мартенситных структур, например, полученных при нитроцементации.

Несмотря на очевидность преимуществ азотирования по сравнению с другими промышленными методами поверхностного упрочнения, применимость его долгое время оставалась приоритетом уникальных случаев машиностроительного производства - деталей летательных аппаратов, морских судов, особо прецизионных станков и т.п. Более широкому распространению метода мешала исключительно высокая трудоемкость технологических процессов, невозможность "глубокого” поверхностного упрочнения, хрупкость поверхностных зон азотированного слоя, резкое ухудшение шероховатости азотированной поверхности, искажение геометрических размеров деталей.

Причина резкого возрастания интереса к низкотемпературным процессам насыщения сталей и чугунов азотом и углеродом заключается в разработке в 70-х годах и промышленном освоении скоростных и технологически надежных процессов карбонитрирования в жидких средах. Как показали исследования, при одновременном насыщении стальной поверхности азотом и углеродом, особенно при наличии в среде и при участии в реакции кислорода, возникающие в упрочняемой поверхности монофазные зоны карбонитридов (или оксикарбонитридов) не являются хрупкими, как при чистом азотировании. Именно эти зоны (слои соединений) в большинстве случаев карбонитрирования, в отличие от азотирования, дают максимальный вклад в общее сопротивление износу. Резкое улучшение комплекса важнейших свойств карбонитрированных деталей достигается одновременно при значительном сокращении продолжительности процесса по сравнению с газовым азотированием. Максимальная продолжительность процесса жидкостного карбонитрирования не превышает 6ч, против 90 - 100 ч при газовом азотировании.

 Особое развитие жидкостные процессы карбонитрирования получили в результате создания так называемых экологически безопасных технологий с регенирируемыми карбонатцианатными расплавами. В СССР безъядовый расплав для карбонитрирования впервые предложен в 1972г. известным советским ученым Д.А. Прокошкиным.

Интенсивные исследования в области низкотемпературного насыщения сталей азотом и углеродом часто приводят к тому, что многочисленные разработчики и отдельные фирмы, создавая собственные технологии, присваивают им специфические наименования, маскируя тем самым физическую сущность того или иного процесса, нередко вводя потребителя в заблуждение. Так, в разное время появилось свыше десятка названий для процессов карбонитрирования: "тенифер”, "новый тенифер”, "траффтрайд", "мелонайт”, "деганит”, "нитрок”, "никотрирование”, "ускоренное азотирование”, "мягкое азотирование” и т.д.

Необходимо подчеркнуть важность правильного использования терминологии. В частности, Д.А. Прокошкин предложил применять для процессов карбонитрирования специальный термин - "карбонитрация”, что отличает его от таких понятий как "нитроцементация” (высокотемпературный процесс с обязательным получением нетеплостойкого мартенситного поверхностного слоя) и "азотирование” (низкотемпературный процесс с получением хрупкого нитридного поверхностного слоя).

Убедительные примеры эффективности поверхностного упрочнения при карбонитрации, простота промышленной реализации, доступность и экономичность технологии, а также многочисленные закономерности влияния технологических факторов на различные показатели, делают ее весьма полезной для всех отраслей промышленности.