О карбонитрации

В последние десятилетия в мировой промышленной практике отмечается возрастание интере­са к процессам низкотемпературного насыщения спла­вов на основе железа азотом или совместно азотом и углеродом. Одно­временно все больше поступает сообщений об исключительно высо­кой эффективности результатов широкого внедрения этих процессов в производственный цикл на многочисленных предприятиях, в том числе ведущих промышленных фирм и объединений разных стран мира. Более того, наметилась явная тенденция к замене традицион­ных высокотемпературных методов цементации и нитроцемента­ции на азотирование, а чаще карбонитрирование, применительно к деталям основной номенклатуры машиностроительного производства.

Отмеченный интерес к проблеме существовал и ранее. Первые публикации по вопросам азоти­рования относятся еще к 1907 г.

Причиной отмеченного «неиссякаемого» внимания к проблеме азотирования, а в последние годы и карбонитрирования, является тот уникальный комплекс свойств, который, в принципе, может быть одновременно достигнут именно при низкотемпературном насыще­нии, например, стальной поверхности азотом или совместно азотом и углеродом. В этот комплекс повышенных свойств входят износо­стойкость, усталостная прочность и сопротивление коррозии, т.е. именно те факторы, недостаточность которых является причиной ежегодных безвозвратных потерь более трети мирового производст­ва металла и около 90 % аварийных поломок машин.

Другим важнейшим отличительным признаком азотирования и карбонитрирования, является пренебре­жимо малая величина деформаций и короблений деталей при ука­занных процессах низкотемпературной обработки, в ходе которой сталь не претерпевает фазовых переходов, как это имеет место в других видах поверхностного упрочнения (нитроцементации, цемен­тации, индукционной и лазерной закалке и др.).

Нельзя упускать из виду и тот факт, что при азоти­ровании и карбонитрировании достигаемое упрочнение не связа­но с получением в поверхности мартенситной структуры. Из этого следует, что локальные разогревы в месте контакта при трении не будут приводить к местному разупрочнению карбонитрированных слоев, чего нельзя избежать в случае мартенситных структур, например, полученных при нитроцементации.

Несмотря на очевидность преимуществ азотирования по сравне­нию с другими промышленными методами поверхностного упроч­нения, применимость его долгое время оставалась приоритетом уникальных случаев машиностроительного производства — деталей летательных аппаратов, морских судов, особо прецизионных стан­ков и т.п. Более широкому распространению метода мешала исклю­чительно высокая трудоемкость технологических процессов, невоз­можность «глубокого” поверхностного упрочнения, хрупкость по­верхностных зон азотированного слоя, резкое ухудшение шерохо­ватости азотированной поверхности, искажение геометрических размеров деталей.

Причина резкого возрастания интереса к низкотемпера­турным процессам насыщения сталей и чугунов азотом и углеро­дом заключается в разработке в 70-х годах и промышленном освое­нии скоростных и технологически надежных процессов карбонитрирования в жидких средах. Как показали исследования, при одновременном насыщении стальной поверхности азотом и уг­леродом, особенно при наличии в среде и при участии в реакции кислорода, возникающие в упрочняемой поверхности монофазные зоны карбонитридов (или оксикарбонитридов) не являются хрупки­ми, как при чистом азотировании. Именно эти зоны (слои соедине­ний) в большинстве случаев карбонитрирования, в отличие от азо­тирования, дают максимальный вклад в общее сопротивление изно­су. Резкое улучшение комплекса важнейших свойств карбонитрированных деталей достигается одновременно при значительном сок­ращении продолжительности процесса по сравнению с газовым азо­тированием. Максимальная продолжительность процесса жидкостного карбонитрирования не превышает 6ч, против 90 — 100 ч при газовом азотировании.

Особое развитие жидкостные процессы карбонитрирования по­лучили в результате создания так называемых экологически безопас­ных технологий с регенирируемыми карбонатцианатными распла­вами. В СССР безъядовый расплав для карбонитрирования впервые предложен в 1972г. известным советским ученым Д.А. Прокошкиным.

Интенсивные исследования в области низкотемпературного насыщения сталей азотом и углеродом часто приводят к тому, что многочисленные раз­работчики и отдельные фирмы, создавая собственные технологии, присваивают им специфические наименования, маскируя тем самым физическую сущность того или иного процесса, нередко вводя потре­бителя в заблуждение. Так, в разное время появилось свыше десят­ка названий для процессов карбонитрирования: «тенифер», «новый тенифер», «траффтрайд», «мелонайт», «деганит», «нитрок», «никотрирование», «ускоренное азотирование», «мягкое азотирование» и т.д.

Необходимо подчеркнуть важность правильного использования терминологии. В частности, Д.А. Прокошкин предложил применять для процессов карбонитрирования специальный термин — «карбонитрация», что отличает его от таких понятий как «нитроцементация» (высокотемпературный процесс с обязательным получением нетеплостойкого мартенситного поверхностного слоя) и «азотирование» (низкотемпературный процесс с получением хрупкого нитридного поверхностного слоя).

Убедительные примеры эффективности поверхностного упрочне­ния при карбонитрации, простота промышленной реализации, доступность и экономичность технологии, а также многочисленные закономерности влияния технологических факторов на различные показатели, делают ее весьма полезной для всех отраслей промышленности.