Карбонитрация – эффективный метод поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента

Автор статьи М.В. Толкачев, генеральный директор ООО «Новые технологии упрочнения «Карбаз»

Карбонитрация используется для повышения износостойкости и усталостной прочности деталей, а в сочетании с оксидированием, и для увеличения их коррозионной стойкости. Во многих случаях эта технология является выгодной альтернативой таким процессам, как поверхностная закалка, гальваническое хромирование, цементация, нитроцементация и другие.

Суть карбонитрации или метода «жидкостного» азотирования заключается в упрочнении поверхностного слоя изделий из стали и чугуна методом диффузионного насыщения азотом и углеродом в расплаве солей, синтезированных из аммоноуглеродных соединений (меламин, мелон, дициандиамид), при температуре 560-580°С.

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, являющимся наиболее близким аналогом описываемого метода.

Среди всех технологий низкотемпературного упрочнения, он является наиболее экономичным процессом, так как при одинаковых требованиях к толщине упрочненного слоя в 5 и более раз сокращается длительность насыщения (до 0,5-4 ч, вместо 10-60 ч), по сравнению с газовым азотированием.

Технология карбонитрирования позволяет упрочнять поверхность деталей практически из любых марок стали и чугуна. Толщина упрочненного слоя для перлитных сталей гарантированно составляет от 0,3 до 0,6 мм, для высоколегированных и специальных сталей – порядка 0,1 мм, но при этом слой получается очень твердый и значительно повышает их усталостную прочность и износостойкость.

Преимущества процесса карбонитрации:

  • высокая скорость и равномерность насыщения и нагрева;
  • снижение термических напряжений, что обеспечивает минимальные величины деформаций в пределах допуска чертежа (обеспечивает микронную точность);
  • регулирование в широких пределах скорости охлаждения после насыщения;
  • повышение усталостной прочности деталей на 50-80%;
  • значительное увеличение износостойкости деталей (в 2-11 раз), по сравнению с цементацией, нитроцементацией, газовым азотированием,
  • технология применима для упрочнения деталей из любых марок сталей и чугуна;
  • является наиболее экономичным процессом, т.к. сокращает длительность насыщения до 0,5-4 ч, вместо 10-60 ч при газовом азотировании;
  • отсутствует хрупкость карбонитрированного слоя;
  • повышение коррозионной стойкости перлитных сталей в 1,5-2 раза;
  • снижение коэффициента трения в 1,5-5 раз.

Один из важных аспектов – возможность упрочнения изделий из недорогих низкоуглеродистых сталей (типа стали 20, 40, 45), которые практически не азотируются традиционным методом. При этом в процессе карбонитрации им можно придать высокую поверхностную твердость (от 45 до 60 HRC), соответствующую свойствам более дорогих и сложных в обработке марок сталей.

Также данный метод хорошо применим и для обработки высоколегированных коррозионностойких сталей. Поскольку на их поверхности имеется пассивирующая пленка, состоящая из оксидов хрома и других легирующих элементов, традиционное газовое азотирование таких сталей проходит с большими сложностями, а для отдельных марок данный процесс невозможен в принципе.

Еще один существенный довод в пользу применения данной технологии заключается в том, что карбонитрация – это, по сути, финишный процесс. При других методах повышения поверхностной прочности деталей необходимо предусматривать припуск на последующую механическую обработку, поскольку при упрочнении происходит определенное изменение размеров или деформация, которые, как правило, необходимо компенсировать последующей шлифовкой. После карбонитрации такого не наблюдается: рядовые детали могут эксплуатироваться без дополнительной мехобработки, а более ответственные – после полировки (хонингования) на глубину 1-2 мкм.

Благодаря высокой равномерности нагрева, обеспечиваемой в расплаве солей, коробление и деформация деталей в процессе карбонитрации исключены при условии проведения соответствующим образом предварительной термообработки – стабилизирующего отпуска, снимающего напряжения после мехобработки.

Еще одной особенностью данной технологии является возможность обработки деталей с частичным погружением, когда необходимо упрочнить только определенный участок, что в газовой азотировочной печи или при цементации, нитроцементации реализовать практически невозможно.

Каким образом ООО «НТУ «Карбаз» оказывает своим клиентам услуги по упрочнению деталей методом карбонитрации?

Последовательность операций следующая: мы получаем от заказчика окончательно готовые детали (при необходимости, выполненные с минимальным припуском под полировку посадочных поверхностей), далее они проходят предварительную подготовку – очистку и обезжиривание, затем следует подогрев в специальной печи и далее собственно «жидкостное» азотирование – карбонитрация. По окончании этого процесса производится охлаждение деталей на воздухе, в воде или масле в зависимости от марки стали. В случае необходимости дополнительного повышения коррозионной стойкости выполняется оксидирование деталей в отдельной печи-ванне. Далее выполняется промывка, сушка и все – деталь готова к отгрузке заказчику.

По сравнению с традиционными методами химико-термической обработки, такой процесс занимает в разы меньше времени. К примеру, деталь типа «кольцо» диаметром ~900мм массой ~200-300кг, с момента поступления к нам на обработку, с учетом подготовительно-заключительных операций и получения требуемой глубины слоя, уже через 8-12 часов может быть отгружена заказчику.

С момента освоения нами данной технологии, в течение более 2-х лет, методом карбонитрации в ООО НТУ «Карбаз» было проведено упрочнение широчайшей номенклатуры деталей из сталей и чугуна:

  • режущий инструмент – сверла, метчики, фрезы, ножи;
  • пресс-формы различного назначения – для литья под давлением, прессования полимерных и др. материалов;
  • пары трения - штока, поршни, пробки, седла, золотники, пальцы;
  • элементы зубчатых передач – колеса, шестерни, звездочки, вал-шестерни, торсионы и т.д.;
  • детали насосов – рабочие колеса, уплотнительные и щелевые кольца, втулки;
  • валки для размалывания неметаллических материалов
  • и мн. др.

На сегодняшний день сфера применения данной технологии расширилась настолько, что некоторые заказчики (машиностроительные, ремонтные предприятия) привозят к нам на упрочнение практически все детали, как говорится «из под резца», мотивируя это тем, что в любом случае после карбонитрирования они будут иметь более высокие рабочие характеристики и коррозионную стойкость.

Очень важный и актуальный вопрос – соответствие предлагаемой технологии экологическим нормам и требованиям. В данном аспекте процесс карбонитрации абсолютно безопасен, поскольку основан на использовании неядовитых соединений (цианаты и карбонаты щелочных металлов). Необходимые проверки проводились еще в Советском Союзе, непосредственно в ходе самого процесса разработки технологии. Современные заключения органов промсанитарии также однозначны – технология абсолютно безопасна и может использоваться в промышленных целях, без каких-либо ограничений.

За счет использования испарителя, технология карбонитрации не дает жидких отходов. Вода, используемая для промывки, выпаривается, получаемый сухой остаток классифицируется по 3-му классу безопасности, и может быть утилизирован как обычный производственный мусор.

История процесса жидкостного азотирования берет свое начало еще с 30-х годов прошлого столетия. Окончательно задача, связанная с разработкой технологически приемлемой жидкой среды для низкотемпературного упрочнения металлических изделий, была решена в 70-е годы в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Именно тогда была предложена к промышленному применению экологически чистая технология и получившая название – «карбонитрация».

Впоследствии, на основе собственных разработок, подобные методики упрочнения поверхностей деталей появились в Германии (Тенифер-процесс), в США (Мелонайт), в Японии («Мягкое азотирование»), Франции (Сюрсульф). Сейчас эти технологии широчайшим образом распространены в этих и других странах. В России в последние годы процесс карбонитрации также находит все более широкое распространения на предприятиях машиностроительной отрасли.

В Украине наше предприятие не первым начало применение карбонитрации. Тем не менее, уже на первых пробах выяснилось, что данная технология, благодаря своей простоте и высокой эффективности. действительно востребована на машиностроительных предприятиях. И сегодня спрос на этот метод повышения долговечности и работоспособности деталей машин и инструмента только растет.

На нынешнем этапе деятельности ООО «НТУ «Карбаз» предлагает только услуги по упрочнению, но мы находимся в начальной стадии освоения процесса карбонитрации и рассчитываем, что в дальнейшем будем рассматривать возможности ее внедрения на других предприятиях – с поставкой и монтажом требуемого комплекта оборудования и обучением персонала. Все это в перспективе и в наших планах.

ФОТО обрабатываемых нами деталей см. на сайте www.karbaz.com.ua