Микротвердость слоя после кратковременного азотирования плавно снижается по мере удаления от поверхности ( рис. 10а) в соответствии со снижением концентрации растворенного азота и объемной доли нитридов. Определение дисперсности порошка (-фазы проводили по методике, основанной на различии в скорости осаждения из жидкости частиц порошка разного размера (закон Стокса). Полученное распределение частиц порошка по размерам показало, что преобладающий размер фракции составляет 40-60 нм ( рис. 9б).

После длительного азотирования стали 40Х13 максимальная микротвердость достигается на некотором расстоянии от поверхности, что связано с образованием мягкого поверхностного слоя порошка (-фазы, она сохраняется на глубине до 100 мкм, а затем плавно падает до сердцевины ( рис. 10 б). Такое распределение микротвердости благоприятно для деталей, работающих при повышенных ударных нагрузках.

Рис. 10. Распределение микротвердости по толщине слоя: а) -стали 20Х3МВФ, tаз=540°C, (аз=45 мин, б) - стали 40Х13,t = 580°C, ( = 4 час

Строение композиционных покрытий, полученных путем азотирования через оксидный барьер, благоприятно для повышения их износостойкости. Незначительные изменения коэффициента трения (0,06…0,08) и скорости износа (0,004 мм3/мин) при изнашивании стали 20Х3МВФ обусловлены наличием на поверхности оксидной пленки, опирающейся на твердую зону внутреннего азотирования с высокими антифрикционными свойствами. Такая структура способствует лучшей прирабатываемости, снижает склонность к схватыванию при контакте трущихся поверхностей деталей, что важно для работоспособности узла трения в начальный период износа.

После длительного азотирования высокохромистой стали 40Х13 повышение триботехнических характеристик обусловлено образованием на поверхности нанопорошка нитридов железа, который играет роль естественной смазки при работе деталей на истирание. В результате азотирования через оксидный барьер коэффициент трения поверхности снижается по сравнению с классическим азотированием, а износостойкость повышается: в условиях трения скольжения без смазки в 4…4,5 раз (рис. 11а), в условиях абразивного и гидроабразивного изнашивания в 2…2,5 раза (рис. 11 б).

Рис. 11. Износостойкость стали 40Х13, азотированной через оксидный барьер (1) и по классической технологии (2) в условиях трения без смазки (а) и гидроабразивного износа (б)

Малая амплитуда изменения коэффициента трения в условиях изнашивания указывает на ровную поверхность детали с модифицированным слоем, что предполагает сохранение ее геометрии. Эллипсность изделий составляет 1-1,5 мкм по сравнению с 4,5-5 мкм при классическом азотировании. Гладкая поверхность трения с минимальной шероховатостью зафиксирована фрактографическими исследованиями.

Азотирование через оксидный барьер позволяет повысить коррозионную стойкость изделий по сравнению с традиционной обработкой в аммиаке, что обусловлено плотной структурой приповерхностного слоя, а также образованием оксидной пленки. Сохранение стойкости к электрохимической и газовой коррозии особенно актуально для коррозионностойких высокохромистых сталей. Сталь 40Х13, азотированная через оксидный барьер, характеризуется положительным значением стационарного потенциала в отличие стали после классического азотирования, повышается в 2 раза стойкость к питтинговой коррозии.

Азотирование быстрорежущих сталей через оксидный барьер позволяет, с одной стороны, повысить твердость инструмента, а, с другой стороны, избежать больших напряжений, приводящих к повышенной хрупкости поверхностного слоя, в результате чего существенно увеличивается стойкость инструмента. Кроме того, геометрия поверхности сохраняется в исходном состоянии, что особенно важно для измерительного инструмента типа калибр – скоба мерительная и пробка внутренняя.

В шестой главе описаны пути внедрения разработанного технологического процесса «Азотирование с предварительным окислением деталей». Разработка оптимальных технологических схем для упрочнения различных деталей машин и инструмента из легированных сталей базируется на выработанных требованиях к модифицированному слою для работы в различных условиях нагружения.

Для деталей, работающих на износ при малых удельных давлениях, требуется композиционный слой, состоящий из поверхностной зоны нанодисперсного порошка нитридов железа, который обеспечивает приработку трущихся поверхностей, слоя оксидов железа и зоны внутреннего азотирования, содержащей дисперсные нитриды хрома (?-FeN+CrN).

В условиях износа при повышенных контактных нагрузках необходимо создание композита из поверхностного оксидного слоя, опирающегося на высокопрочную сложнолегированную зону внутреннего азотирования, состоящую из легированного феррита (?-FeN,ЛЭ) или феррита с выделениями нитридов легирующих элементов (?-FeN+ЛЭN).

Для режущего инструмента, а также деталей из высоколегированных сталей, режим эксплуатации которых сопровождается повышенным износом и ударными нагрузками, желательно формирование развитой высокопрочной зоны внутреннего азотирования (?-FeN,ЛЭ или ?-FeN+ЛЭN) без хрупкого поверхностного нитридного слоя.

Регулирование фазового состава слоя путем варьирования параметров ХТО позволяет реализовывать оптимальные технологические схемы для получения требуемых физико-механических свойств стали (табл.1).

Таблица 1

Технологические варианты азотирования через оксидный барьер для повышения эксплуатационных свойств легированных сталей

Комплекс свойств Структура покрытия Режим обработки

Максимальная износостойкость при малых удельных давлениях + коррозионная стойкость;

Износостойкость при повышенных контактных нагрузках;

Гидроабразивная износостойкость;

(на примере стали 40Х13) Слой порошкообразной ?-фазы;

Слой оксидов железа;

Зона ВА (?-FeN +CrN)

tок= 550°С,

?ок=15 мин

tаз=570-590°С;

?аз=1,5-4,0 час

Устойчивость к динамическому износу и ударным нагрузкам режущего инструментов (на примере Р6М5) и конструкторских деталей из высоколегированных сталей (на примере 40Х13) Слой оксидов железа;

Зона ВА (?-FeN +ЛЭN)

tок= 550°С,

?ок=15 мин

tаз=550°С;

?аз=45-60 мин

Повышенная поверхностная микротвердость прецизионных деталей + сохранение микрогеометрии поверхности (на примере 20Х3МВФ) Слой оксидов железа;

Зона ВА (?-FeN,ЛЭ) tок= 550°С,

?ок=15 мин

tаз=540°С;

?аз=45-60 мин

Разработанная технология применена для упрочнения деталей скважинных приборов нефтегазодобывающей отрасли, работающих в условиях износа и коррозии, с жесткими требованиями к стабильности размеров. Детали из стали 40Х13, обработанные по разработанной технологии азотирования через оксидный барьер, испытаны в условиях предприятия-заказчика ОАО НПП «ГЕРС». Ресурс их работы увеличился с 45 минут до 9 часов.

Технология азотирования через оксидный барьер применена для увеличения стойкости инструмента из быстрорежущих сталей. Оптимизированы режимы обработки режущего и измерительного инструмента (фрезы, резцы, сверла, калибры) из сталей Р9, Р18, Р6М5 в зависимости от его типа, размера и кривизны режущей кромки. Инструмент из стали Р6М5, применяющийся для обработки мелкосерийных деталей на НПП КОММАШ, показал повышение стойкости в 2,5-3 раза.