Новая технология каталитического азотирования рабочих поясков прессовых матриц - эффективный способ повышения их стойкости

Главный специалист по термообработке ЗАО НПК «Накал» В.Я. Сыропятов

Принципы, заложенные в разработку каталитического газового азотирования, были настолько непривычны, что первой реакцией научной общественности было недоверие. А в этом случае новая технология, не имеющая официальной поддержки авторитетов, прорывается на рынок с большим трудом. 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.

Чем обусловлена такая популярность нашей технологии среди предприятий, производящих профиль? Основной особенностью КГА 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.

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».