Маршрутный технологический процесс азотирования деталей из стали 32Х2МЮА

МИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УПРАВЛЕНИЯ

 

 

 

 

 

 

 

УПРАВЛЯЕМАЯ САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Технологии хозяйственных комплексов»

на тему: «Маршрутный технологический процесс азотирования деталей из стали 32Х2МЮА»

 

 

 

 

 

Выполнила: студентка группы 130301с

                       Мшар О.В.

 

 

 

 

 

Минск - 2014

Содержание

 

 

Введение

 

На протяжении более чем 70 последних лет прошлого столетия проблема азотного потенциала по существу не рассматривалась, поскольку созданные представления об азотном потенциале как основной характеристики насыщающей способности атмосферы при азотировании, определяемой по соотношению парциальных давлений аммиака и водорода, позволяли успешно применять их в повседневной производственной практике, добиваясь определенного уровня регулирования технологических процессов с целью обеспечения заданного комплекса свойств азотированного слоя. Что касается «неспособности» традиционного азотного потенциала внести вклад в понимание некоторых спорных научных представлений о механизмах процесса насыщения металлов азотом, то эта сторона проблемы не считалась злободневной, и ее решение отодвигалось на второй план. Озадачивала очевидная нестабильность получаемых свойств в условиях проведения технического процесса в одинаковых, как считалось, условиях и при одинаковых значениях азотного потенциала. Но эта трудность также легко преодолевалась на практике.

Если говорить в общем, не вдаваясь в подробности, то все научные и производственные «издержки» азотирования связаны в первую очередь с неудовлетворительным понятием азотного потенциала. По-существу, в традиционном понимании, азотный потенциал характеризует процессы диссоциации аммиака и не больше того. Потребителя же интересует потенциал атмосферы, который указывает на количество азота в поверхностном слое металла. Конечно, путем подбора степени диссоциации аммиака можно изменить насыщающую способность атмосферы, что в настоящее время и делается. Но в идеале (как, например, при науглероживании) нужно иметь потенциал, который бы давал информацию о содержании насыщаемого компонента в поверхностном слое твердого тела.

В настоящей работе в концентрированном виде излагается новое понимание азотного потенциала, и предлагаются методы его определения. По-существу, идея этого понимания не является новой. Как и в случае науглероживания, она предполагает обязательное термодинамическое равновесие азота в тонком поверхностном слое (для фиксированных температур) и в насыщающей атмосфере. По составу насыщающей атмосферы может быть определен ее азотный потенциал в процессе азотирования для получения наповерхности, например, стали необходимой концентрации азота. Такой подход к проблеме азотного потенциала стал возможен в последнее десятилетие в связи с успехами в области создания твердоэлектролитных ячеек из диоксида циркония для определения парциального давления кислорода в печной атмосфере.

Новая трактовка азотного потенциала и разработанные методы его определения (фольговая проба) позволили решить две основные задачи. Во-первых, внести окончательную ясность в теорию азотирования: в понимание роли атомной и реакционной диффузии при формировании азотированного слоя. Во-вторых, создавать в полном смысле этого слова полностью управляемые технологические процессы азотирования. В первом случае задача была решена в связи с тем, что новый подход оказался очень результативным для трактовки механизмов насыщения в пределах малых концентраций азота с точки зрения образования азотистого твердого раствора и низших нитридов. Во втором случае решена техническая задача: на основе новой качественной модели азотирования создана система управления насыщающей способностью газовой аммиачной атмосферы, включающая каталитическое устройство и кислородный датчик. Реализация этой системы привела к созданию новых эффективных технологических процессов газового азотирования в аммиаке, которые объединены в особую группу - каталитическое газовое азотирования (КГА). Процессы КГА устраняют недостатки традиционных промышленных процессов азотирования, сокращают существенно их длительность, обеспечивают стабильную качественную микроструктуру поверхностных слоев деталей, устраняют их хрупкость, повышают эксплуатационные свойства деталей, расширяют ассортимент обрабатываемых материалов.

Результаты промышленного использования КГА показали, что сделан существенный шаг к достижению цели - превратить азотирования в действительно универсальный и надежный метод упрочнения деталей машин и инструментов.

Нестабильность результатов промышленной практики азотирования свидетельствует, что существующие процессы диффузионного насыщения железа и сталей азотом фактически неуправляемы. Это объясняется тем, что общепринятый азотный потенциал πN (rN, KN) является параметром, характеризующим процессы диссоциации аммиака, а не процессы обмена на границе раздела газ/металл. Управление фазовым составом поверхностного слоя азотируемого металла с помощью параметра, характеризующего термодинамику превращений в газовой фазе, невозможно. Стремление в течение 80 лет увязывать соотношение парциальных давлений аммиака и водорода с насыщающей способностью печной атмосферы представляется данью традиции. Фазовые превращения, определяемые содержанием азота в поверхностном слое железа (стали), протекают в зависимости от других факторов, действующих в реальных технологических процессах.

В силу указанных причин крайне необходимы исследования и разработка методов контроля и управления процессом азотирования, в основе которых должны находиться надежные данные обо всех превращениях, протекающих в обрабатываемых деталях на всех стадиях процесса азотирования. Безусловно, центральное место здесь принадлежит раскрытию понятия азотного потенциала и разработке надежных методов его контроля и управления.

 

1 Азотный потенциал

 

1.1 Традиционные представления  об азотном потенциале.

С целью создания методов контроля и управления составом газовой атмосферы для достижения более точного и стабильного регулирования содержания азота в поверхностных слоях упрочняемых деталей постоянно искали параметры, по которым можно было бы оценивать и регулировать насыщающую способность газовой атмосферы, применяемой при азотировании.

Известно, что при азотировании в печном пространстве в результате диссоциации аммиака по реакции:

2NH3=N2+3H2

образуется насыщающая атмосфера, состоящая из азота, водорода и оставшегося аммиака.   

 Переход азота из  газовой атмосферы в металл  осуществляется благодаря протеканию на поверхности деталей следующей вероятностной реакции:

NН3 ®3/2/H2Fe (N)®+N, N+Fe

Водород рассматривался как вредная составляющая атмосферы, так как ухудшает свойства еще не азотированной поверхности  и деазотирует уже обработанную поверхность; поэтому в данной работе рекомендовали удалять его от поверхности как можно быстрее.

В связи с этим насыщающую способность печной атмосферы сразу стали оценивать по содержанию ее компонентов. Прежде всего, для этой цели стали использовать содержание аммиака в атмосфере и отношение парциальных давлений аммиака и водорода. В 1931 году E. Lehrer построил диаграммы равновесия между фазами системы железо-азот и содержанием в атмосфере аммиака, а также отношением парциальных давлений аммиака и водорода – pNH32/pH23.   

 Энгельгардт и Вагнер  показали, что для описания метастабильного  равновесия между NH3 и Н2, находящимися  в атмосфере, и азотом, содержащемся  в стали, могут быть использованы  зависимости, справедливые при стабильном  равновесии. Поэтому согласно закону действующих масс при равновесии константа этой реакции равна:

где  aN - активность азота в твердом растворе,

РNH3 и P3/2H2 - парциальные давления водорода и аммиака в атмосфере.        

 Значение K определяется  только температурой. Считалось, что  все величины, входящие в уравнении, при постоянной температуре могут изменяться, но отношение их РNH3 и P3/2H2  в случае равновесия будет постоянным. Это значит, что между активностью азота в металле и составом газовой атмосферы при данной температуре предполагается определенная зависимость. В связи с этим азотирующая способность газовой атмосферы, образуемой из аммиака, определяется отношением РNH3 / P³/2  Н2.   

 Поэтому данное отношение  в настоящее время широко используется  как характеристика насыщающей  способности азотирующей атмосферы  и получила название «азотный  потенциал». В России он обозначается  как

πN = РNH3 / P³/2 Н2,

в Англии - rN, а в Германии – KN.  

        В работах школы Ю.М. Лахтина этот параметр был использован при построении диаграмм фазового равновесия при азотировании железа в аммиаке (рис. 2-4), при исследовании кинетики формирования азотированного слоя и для разработки математической модели процесса насыщения стали азотом, а также для создания приборов автоматического контроля активности насыщающей атмосферы и систем комплексной автоматизации технологических процессов азотирования.

Рис. 1 Фазовые равновесия в системе Fe-N при азотировании в аммиаке.

Рис. 2  Влияние состава азотсодержащей атмосферы и степени диссоциации аммиака a на азотный потенциал: 1 – 25% NH3; 2 – 50% NH3; 3 – 75% NH3; сплошные линии – 0% H2 с любым газом, не содержащим H2; штриховые линии – 40% H2 в разбавителе.

Рис. 3  Фазовые равновесия в системе Fe-N при азотировании в среде аммиака, разбавленного продуктами его предварительной диссоциации (N2+H2): штриховые линии – 25% NH3; сплошные линии – 50% NH3; штрихпунктирные линии – 75% NH3.

Считается, что поддерживая азотный потенциал на уровне растворимости азота в той или иной фазе азотированного слоя, можно получать слой, состоящий только из α–твердого раствора, когда протекает реакция:

Fe + NH3  Fe®α(N) + 3/2/H2

формировать в поверхностном слое детали γ-нитрид (Fe4N), обеспечивая протекание реакции

4 Feα(N) + NH3  Fe®4N + 3/2/H2

или получать ε-фазу (Fe2-3N) с низким содержанием азота, чтобы исключить хрупкость и пористость слоя, по реакции

Fe4N + NH3  2Fe®2-3N + 3/2/H2.    

С целью определения азотного потенциала в реальном масштабе времени и обеспечения возможности непрерывного управления процессом азотирования школой Ю.М. Лахтина для непосредственного измерения степени диссоциации аммиака был разработан ионный датчик, принцип действия которого основан на явлении ионизации молекул газов при их термической диссоциации. Автоматический ионный диссоциометр позволяет определять азотный потенциал в пределах 0,1-7,0% в температурном диапазоне 450-700 ºС.

Однако этот метод определения азотного потенциала не получил широкого применения из-за трудности определения отдельных параметров, сложности вычислительной автоматикии низкой стабильности получаемых результатов. И, что принципиально, из-за невозможности изменения степени диссоциации аммиака на реальных промышленных печах при постоянной температуре.

1.2 Новое понятие азотного  потенциала и методы его определения

Отсутствие взаимосвязи между азотным потенциалом в его традиционном понимании и результатами промышленного азотирования является объективной реальностью. Причина, видимо, в том, что общепринятый азотный потенциал является параметром, характеризующим процессы диссоциации аммиака, а не процессы обмена на границе раздела газ/металл. Естественно, что управление фазовым составом поверхностного слоя азотируемого металла с помощью параметра, характеризующего термодинамику превращений в газовой фазе, мягко говоря, затруднительно. Стремление в течение 80 лет увязывать соотношение парциальных давлений аммиака и водорода с насыщающей способностью печной атмосферы нам представляется данью традиции. Первые исследователи азотирования были очень стеснены в средствах контроля состава печных атмосфер и выбрали тот параметр, который могли измерять в 20-х годах XX века – содержание аммиака. Все дальнейшее развитие этого понятия и имеющееся на сегодняшний день противоречие свидетельствуют о необходимости принципиально новых подходов.

При разработке гипотезы авторы учитывали, что новое понятие азотного потенциала должно реально отражать насыщающую способность атмосферы (ее активность), внешнее сопротивление массопереносу (на границе раздела газ/металл) и внутреннее сопротивление диффузии (в металле). Такой интегральной характеристикой является концентрация азота в тонком поверхностном слое металла при достижении равновесия с газовой фазой. Более строго – содержание азота в образце после сквозного азотирования в атмосфере определенного состава при определенной температуре. Если принять для практики величину азотного потенциала равной содержанию азота в образце, находящемуся в равновесии с содержанием азота в газовой фазе, то можно установить и прямой метод определения этой величины. Это либо послойный анализ массивных образцов, либо, что более удобно и быстро – метод фольговой пробы. Фольга толщиной 50 – 70 мкм сравнительно просто подвергается химическому анализу и в такой фольге легко устанавливается равновесие по содержанию азота.

Подобное понятие потенциала насыщающей способности печной атмосферы широко применяется в газовой цементации для определения углеродного потенциалов. Оно позволило в высокотемпературной химико-термической обработке иметь прямой метод определения потенциала атмосферы в виде фольговой пробы. Именно комбинация периодического прямого и непрерывного косвенного контроля насыщающей способности печной атмосферы по содержанию в ней H2O, CO2 и О2 при высокотемпературной химико-термической обработке позволили выйти на высокий уровень надежности этих технологических процессов и обусловили их развитие за счет обеспечения возможности программного изменения насыщающей способности печной атмосферы во времени процесса. При таком подходе прямой метод контроля потенциала, фольговая проба, является как бы реперной точкой для корректировки процесса при работе с приборами непрерывного контроля содержания газовой фазы. Естественно, что должен быть разработан некий математический аппарат, позволяющий косвенно рассчитывать прогнозируемую концентрацию диффузанта на поверхности металла исходя из состава печной атмосферы и температуры. И в газовой цементации созданы и успешно применяются в течение десятилетий эти методики.