3. Насыщение поверхности стали одновременно углеродом и азотом

Исследования показали, что в ряде случаев совместное диффузионное насыщение стали азотом и углеродом позволяет получать определенные преимущества. Например, азот способствует диффузии углерода, поэтому можно понизить температуру диффузионного насыщения до 850 °С и полу­чить примерно такое же науглероживание, как при цементации. В этом случае уменьшится рост зерна аустенита и последующую закалку мож­но проводить сразу же после некоторого подстуживания. Такой процесс называют нитроцементацией, так как исходной средой является смесь цементирующего газа с 3 - 5 % N113, а в диффузионной зоне образуются карбонитриды. Нитроцементованный слой хорошо сопротивляется износу и коррозии.

Нитроцементацию широко применяют на автомобильных и трактор­ных заводах для упрочнения поверхностей нешлифуемых деталей.

Одновременное насыщение стали углеродом и азотом можно также проводить при 820 — 860 °С в расплавленных солях, содержащих циани­стый натрий. В ванне, имеющей состав, %: 20 - 25 25 - 50 ^С1

и 25 - 50 ^₂СОз, за 1 ч выдержки при указанной температуре можно получить диффузионный слой толщиной примерно 0,3 мм, который после закалки от 820 — 860 °С из ванны и отпуска при 180 — 200 °С приобрета­ет поверхностную твердость 58 - 62 ИКС и содержит примерно 0,7 % С и 1 % N. Цианированный слой по сравнению с цементованным обладает более высокой износостойкостью.

Полагают, что при активном участии кислорода воздуха в цианистой ванне протекают следующие реакции:

2^СИ + 0₂ -♦ 2NаСN0

2NаСNО + 0₂ -» ^₂С0₃ + СО + 2N 2С0 -» С0₂ + С

Нейтральные соли ^С1 и ^₂СОз добавляют для повышения темпе­ратуры плавления ванны, что несколько уменьшает испарение дорогих и ядовитых солей при температурах цианирования. Существенный недоста­ток цианирования — ядовитость цианистых солей, что требует принятия специальных мер по охране труда и окружающей среды.

В связи с этим разработаны низкотемпературные процессы насыще­ния азотом и углеродом из расплавов нетоксичных солей — цианатов и карбонатов. Такие процессы известны под названием «Карбонитрация», (СССР), «Тенифер» (Германия) и «Мелонайт» (США).

Специальными мерами (продувка ванны воздухом, охлаждение дета­лей в расплаве едкого натра и нитрита натрия) добиваются ликвидации образования ионов [СN^_].

Для повышения стойкости быстрорежущего инструмента после за­калки и высокого отпуска проводят карбонитрацию.

В зависимости от вида инструмента режим процесса устанавливают в следующих пределах: температура расплава 530—570 °С, время выдержки 5-30 мин.

3. Ионная химико-термическая обработка сплавов

Ионизацией называют отрыв электронов от атомов и превраще­ние этих атомов и положительные ионы. Сущность ионной химико­термической обработки заключается в том, что в разреженной газовой среде между катодом (деталью) и анодом (стенкой вакуумной камеры) возбуждается тлеющий разряд. Физической основой возникновения тлею­щего разряда является столкновение носителей разряда в электростати­ческом поле. При этом вследствие ионизации газа непрерывно образуют­ся новые носители заряда, благодаря чему поддерживается постоянный ток между анодом и катодом. В табл. 7.2 представлены результаты масс- спектроскопического анализа ионного состава прикатодной области тлею­щего разряда, которые впервые были получены в МВТУ им. Н.Э. Баумана в 1965 г. Сопоставление данных, приведенных в табл. 7.2, с металлографи­ческим анализом диффузионных слоев после ионного азотирования железа по тем же режимам позволило сделать вывод, что интенсивность процесса зависит от оптимального количества ионов атомарного азота (К⁺). Так, в смеси 99 % N2 + 1 % О2 процесс ионного азотирования не состоялся (мало 1*1⁺), несмотря на то, что относительное количество 14^ возрастало с 55,5 до 61,5 %.

Ионная химико-термическая обработка — хорошо управляемый, эко­логически чистый процесс, который можно применять для деталей, изго­тавливаемых из любых сталей, чугунов и титановых сплавов. Изменяя плотность энергии плазмы, можно управлять интенсивностью диффузи­онного насыщения поверхности деталей. Ионная химико-термическая об­работка — это технологически совершенный процесс, более экономичный и производительный по сравнению с традиционными способами. При этом не требуются специальные методы защиты от азотирования или цемента­ции — экраны или заглушки легко предотвращают ионную бомбардиров­ку поверхности, не нужно приготавливать эндо- или экзогаз в газогенера­торах. Ионное азотирование можно проводить в слабом протоке чистого азота при сравнительно низком давлении 500 - 1300 Па и напряжении 300- 800 В.

Начальный этап технологического процесса связан с катодной очист­кой поверхности детали при давлении примерно 20 Па и напряжении 1000 В. В результате бомбардировки положительными ионами деталь разогревается до заданной температуры и азотируется в рабочей смеси газов. Если температура детали недостаточна для азотирования, приме­няют дополнительный радиационный нагрев. Схема установки для ион­ного азотирования представлена на рис. 7.9. Общий вид промышленных установок приведен на рис. 2 и 3 (см. цветную вклейку).

Таблица 7.2. Зависимость относительной интенсивности образования ионных соотношений от исходного состава газовой смеси (7/ = 800 В, р = 133 Па)

Состав га- зовой сре­ды, % (об.)	7%!Iобщ» %																м		м о		Лэбщ		-Ё'ОбЩ} кэВ
	N+	N1		N1	N11+	NN3+	N211+	N0+	N30+	Н+		н3+	н2о+			пА
1(Ш2	16,8	55,5	6,0	13,8	2,1	1,2	1,6	-	0,8	1,4	0,6	-	-	0,4		895		68		12		975		0,23
99^ + 1Н2	15,1	40,0	1,2	5,7	9,6	0,5	8,6	-	0,5	11,7	5,1	0,7	-	-		624		361		5		994		0,19
95^ + 5Н2	11,8	35,6	-	3,1	16,1	-	10,7	-	0,3	14,4	8,0	-	-	-		505		490		3		998		0,18
751Ч2 + 25Н2	9,8	30,0	-	2,3	16,7	-	10,8	-	-	17,0	13,0	-	-	-		477		647		-		1124		-
99]Ч2 + Ю2	8Д	61,5	-	0,8	-	-	1,9	9,0	1,1	1,8	0,8	-	9,0	9,5		436		28		111		620		0,16

Рис. 7.9. Принципиальная схема установки для ион­ного азотирования:

1 - трубопровод для подачи смеси азота с водородом; 2- трубо­провод к вакуумному насосу; 3 - шкаф управления установкой с вакуумным насосом, потенциометром, фильтрами, дугогася­щим устройством и другими приборами; 4 ~ вакуумный дат­чик; 5 - водоохлаждаемая рабочая камера установки; 6 - смо­тровое окно; 7 - садка азотируемых деталей; 8 - термопара для измерения температуры в детали-свидетеле; 9 - источник электропитания постоянным током; 10- катодная плита; 11 - подовая плита

В МГТУ им. Н.Э. Баумана и на ММПП «Салют» разработаны тех­нологические процессы ионного азотирования режущего и штампового ин­струментов. Ионное азотирование режущего инструмента из стали Р6М5 при 400 °С в течение 40 мин примерно в два раза повысило его стойкость при точении труднообрабатываемых сплавов (ВТ-1, ХН73МБТЮ). По­сле ионного азотирования при 500 — 600° С в течение 8 - 10 ч стойкость штампа из стали 4Х5В2ФС возросла в три раза при штамповке загото­вок из титановых сплавов ВТЗ-1, ВТ20 и никелевого сплава ХН77ТЮР. Кроме того, разработан технологический процесс изготовления высоко­точных зубчатых колес (рис. 4 и 5, цветная вклейка) из теплостойких ста­лей 16ХЗНВМФБ-Ш (ВКС-5) и 16Х2НЗМФБАЮ-Ш (ВКС-7) с примене­нием ионного азотирования и финишной операции хонингования вместо шлифования. Этот процесс особенно эффективен для ажурных зубчатых колес, обработка которых по старой технологии (цементация, закалка, от­пуск) сопровождалась их интенсивным короблением. Значительное повы­шение износостойкости (в 5 - 10 раз) обеспечивает ионное азотирование титановых сплавов в низкоазотных газовых смесях при температуре около 850 °С.

Следует заметить, что даже при ионном азотировании трудно по­лучить большую толщину диффузионного слоя при температуре около 500 °С. Поэтому для зубчатых колес с большим модулем зацепления, испытывающих значительные удельные нагрузки, можно рекомендовать технологический пропесс, включающий ионную нитроцементацию.