Ионные технолгии упрочнения металлов:
азотирование, карбонитрация, оксидирование |  ION@PROCION.RU
Детали промышленных трубопроводов:
продажа, проектиривание,
производство |  INFO@PROCION.RU
Детали промышленных трубопроводов:  INFO@PROCION.RU
Ионные технолгии упрочнения металлов:  ION@PROCION.RU
Упрочнение резьб

 

ООО "Ионные Технологии" руководитель НИОКР, главный тех.эксперт В.В. Богданов
bogdan.ion@mail.ru
ООО "Ионные технологии" директор А.В. Оборин
oborin@procion.ru
ООО "Ионные технологии" инженеры исследователи Д.М. Кинзибаев
И.С. Соколова
Е.С. Уткин
lab@procion.ru

Одним из самых нагруженных и ответственных узлов в различных отраслях машиностроения являются резьбовые соединения. Передача нагрузки через разветвлённую поверхность различного профиля требует высоких триботехнических и антикоррозионных свойств, которые обеспечиваются плотноупакованной твёрдой и износостойкой упрочнённой зоной,работающей как мембрана на упругом основании. При таком принципе проектирования диффузионных покрытий возможно применение различных сталей, сплавов, металлокерамики и титана.

Технология ионного азотирования и карбонитрирования позволяет создавать равномерные, бездефектные, упрочнённые слои в широком диапазоне размеров, с неизменно высоким качеством и наилучшими прочностными характеристиками. Прогрессивные технологии ионной химико-термической обработки вместе с автоматизированным инновационным оборудованием позволяют рационально модифицировать структуру металла в соответствии с перспективными конструкторско-технологическими требованиями, улучшая экологические и экономические нормативы, обеспечивая кратный рост темпа производства и масштабируемость процесса. Эксплуатационный ресурс металлических резьбовых соединений, упрочнённых методами ионной ХТО, вырастает в десятки раз, что подтверждается многочисленными производственными испытаниями и широчайшим применением в народном (капиталистическом) хозяйстве.

азотирование резьбового фланцаупрочнение резьбового фланца фотография во время процесса упрочнения
азотирование резьбовых муфтупрочнение резьбовых муфт
азотирование резьбовых отводов, муфт и фланцевупрочнение резьбовых отводов, муфт и фланцев
Рисунок 1. Общий вид упрочняемых деталей

Инженеры нашего научно-производственного предприятия провели исследования и отработали технологию по упрочнению резьбовых деталей методом ионной химико-термической обработки (ионно-плазменное азотирование, карбонитрирование, оксидирование) из разных марок сталей и сплавов титана. Конструкторско-технологический анализ причин разрушения резьбовых соединений выявил основную причину - большая глубина диффузионного слоя, снижающая упругую деформацию, что ведёт к образованию трещин под слоем. Рациональное проектирование, применение современного оборудования позволяющего создавать равномерное температурное поле в вакуумной камере и высокоточный контроль параметров процесса - обязательные условия для обеспечения стабильного качества каждой партии деталей.

Объектом для сравнительного исследования триботехнических свойств  выбрана коническая трубная резьба с углом при вершине 550. Детали изготовлены в стандартной форме угольника, что позволяет обеспечить соответствие характеристик испытуемой и исследуемой резьбы на каждом типе материала, гарантируя достоверность результатов эксперимента. Малый размер деталей позволяет прикладывать нагрузку не прибегая к испытательному оборудованию, кроме динамометрического ключа. Стойкость резьбовых соединений к спаиванию (взаимной диффузии металлов) по результатам эксперимента позволяет однозначно утверждать о кратном увеличении несущей способности для всех сталей, сплавов и титана при их взаимном сопряжении. Результаты экспериментов приведены в нескольких частях.

ЧАСТЬ 1

Исследования деталей-имитаторов «Угольник» и  «Резьбовой фланец» из стали 12Х18Н10Т, титана марок ВТ1-0 и ВТ6, На стали 12Х18Н10Т были проведены низкотемпературный и высокотемпературный режимы ионного азотирования.

азотирование резьбового фланца и резьбового отводаупрочнение резьбового фланца и резьбового отвода
низкотемпературный режимвысокотемпературный режим
Рисунок 2. Вид исследуемых деталей-имитаторов из стали 12Х18Н10Т после режимов ионного азотирования

 

азотирование титана, детали до упрочненияупрочнение титана, детали во время ионного азотирования
до обработкиво время азотирования
азотирование титана, плазма отключенаупрочнение титана, детали после ионного азотирования
плазма отключенапосле ионного азотирования
Рисунок 3. Вид исследуемых деталей-имитаторов из ВТ1-0 и ВТ6

 

Таблица 1. Характеристики азотированного слоя на сталях 12Х18Н10Т и титане ВТ1-0, ВТ6
 12Х18Н10Т
низкотемпературный
12Х18Н10Т
высокотемпературный
ВТ1-0ВТ6
Поверхностная твердость HV 0.05, кгс/мм21020 - 11201050 - 1120600 - 660600 - 660
Глубина слоя по микроструктуре hm, мм10 - 1238 - 4020 - 3025 - 30
Глубина слоя по микротвердости hс, мм30405058
Толщина нитридной зоны, мкмотсутствуетотсутствует2-42 - 3

 

фотография микрструктуры азотированного слоя на стали 12Х18Н10Т после низкотемпературнго режима азотирования
Рисунок 4. Микроструктура азотированного слоя на стали 12Х18Н10Т после низкотемпературнго режима азотирования

 

фотография микрструктуры азотированного слоя на стали 12Х18Н10Т после высокотемпературнго режима азотирования
Рисунок 5. Микроструктура азотированного слоя на стали 12Х18Н10Т после высокотемпературнго режима азотирования

 

График распределения микротвердости по глубине азатированного слоя на стали 12Х18Н10Т
Рисунок 6. График распределения микротвердости по глубине азатированного слоя на стали 12Х18Н10Т (высоко- и низкотемпературный режим)

Распределение микротвердости на стали 12Х18Н10Т имеет плавный профиль снижения с 1090 HV до 300 HV на расстоянии до 30 мкм при низкотемпературном режиме и с 1090 HV до 180 HV на расстоянии 40 мкм при высокотемпературном режиме.

Режим низкотемпературного ионного азотирования позволяет не только улучшить поверхностную структуру, но и сохранить твердость сердцевины после среднего отпуска, при этом значительно повысить коррозионную стойкость деталей.

 

фотография микрструктуры азотированного слоя титана марки ВТ1-0
Рисунок 7. Микроструктура азотированного слоя титана марки ВТ1-0

 

фотография микрструктуры азотированного слоя титана марки ВТ1-0 фотография со светофильтром
Рисунок 8. Микроструктура азотированного слоя титана марки ВТ1-0 при использовании светофильтра
 
На рисунке 8(х100) наблюдается столбчатая структура нитридных соединений образующихся в процессе диффузии азота в титан.
 
фотография микрструктуры азотированного слоя титана марки ВТ6
Рисунок 9. Микроструктура азотированного слоя титана марки ВТ6

 

График распределения микротвердости по глубине азатированного слоя на титане марки ВТ1-0, ВТ6
Рисунок 10. График распределения микротвердости по глубине азотированного слоя на титане марки ВТ1-0, ВТ6

Распределение микротвердости на титане марки ВТ1-0 имеет плавный характер снижения твердости с 640 HV до 180 HV на расстоянии 50 мкм. Поверхностная микротвердость на титане марки ВТ6 имеет плавный характер снижения твердости с 630 HV до 280 HV на расстоянии 60 мкм.

ЧАСТЬ 2

Проведены исследования на азотированных деталях «Угольник» и «Резьбовой фланец» из сталей 09Г2С и 38Х2МЮА, а также детали «Муфта» из стали 40Х.

азотирование резьбовой муфты сталь 40Хазотирование резьбового угольника и резьбового фланца сталь 09Г2Супрочнение резьбового отвода и резьбового фланца сталь 38Х2МЮА
40Х09Г2С38Х2МЮА
Рисунок 11. Вид исследуемых деталей-имитаторов после режима ионного азотирования

На рисунке 12а представлены детали «Угольник» и «Вал» из стали 40Х с полимерным покрытием, на которых проведено оксидирование совместно с режимом ионного азотирования.

оксидирование резьбового вала и угольника сталь 40Хоксидирование резьбового угольника и резьбового фланца сталь 09Г2Соксидирование резьбового отвода и резьбового фланца сталь 38Х2МЮА
40Х09Г2С38Х2МЮА
Рисунок 12. Вид деталей после оксидирования из сталей

Оксидирование низколегированных сталей, применяемое совместно с упрочнением ионным азотированием или карбонитрированием (углерод+азот) позволяет создать комбинированное покрытие, устойчивое к агрессивным воздействиям солей (соляного тумана) и слабым растворам щелочей и кислот. Дополнительная обработка сразу после извлечения из вакуумной камеры парафинами, эпиламами или эмульсиями, грунтовками или маслами, обеспечивает наилучшее комплексное покрытие  с высокими адгезионными свойствами к металлу. Полимерный материал, проникающий на глубину 5 – 10 мкм в абсолютно чистый упрочнённый слой под воздействием вакуумного эффекта, образует защитную плёнку неотделимую от металла, что гарантирует наилучшие триботехнические и антикоррозионные свойства изделий.

Таблица 2. Характеристики азотированного слоя на сталях 40Х, 09Г2С, 38Х2МЮА
 40Х09Г2С38Х2МЮА
Поверхностная твердость HV 0.05, кгс/мм2985 - 1000825 - 8501050 - 1200
Глубина слоя по микротвердости hс, мм6090110
Толщина нитридной зоны, мкм4 - 54 - 52 - 3

 

фотография микрструктуры азотированного слоя стали 09Г2С
Рисунок 13. Микроструктура азотированного слоя стали 09Г2С

 

фотография микрструктуры азотированного слоя стали 40Х
Рисунок 14. Микроструктура азотированного слоя стали 40Х

 

фотография микрструктуры азотированного слоя стали 38Х2МЮА
Рисунок 15. Микроструктура азотированного слоя стали 38Х2МЮА

На сталях 40Х и 09Г2С, кратковременные режимы азотирования позволяют получить  качественную упрочненную поверхность с мелкодисперсными нитридами, определяющими высокую   микротвёрдость, которая и обеспечивает отличные триботехнические свойства.

График распределения микротвердости по глубине азатированного слоя на сталях 40X, 09Г2С, 38Х2МЮА
Рисунок 16. График распределения микротвердости по глубине азотированного слоя на сталях 40X, 09Г2С, 38Х2МЮА

Поверхностная микротвердость на сталях 40Х и 38Х2МЮА имеет более резкий профиль снижения, в отличии от стали 09Г2С, что обусловлено повышенным содержанием углерода, который препятствует диффузии азота в кристаллическую решётку. Наглядно показана возможность азотирования низкоуглеродистых сталей и образование малых качественных диффузионных слоёв с высокой твёрдостью. На стали 40Х микротвердость снижается с 1000 HV до 260 HV на расстоянии до 60 мкм. На стали 38Х2МЮА микротвердость снижается с 1150 HV до 200 HV на расстоянии до 110 мкм. Распределение микротвердости на стали 09Г2С имеет плавный профиль снижения с 880 HV до 240 HV на расстоянии до 90 мкм.

ЧАСТЬ 3

Исследование азотированной деталей «Переводник» из сталей 40ХГМА и 40ХН2МА.

Вид исследуемых деталей после режима ионного азотирования из сталей 40ХГМА 40ХН2МА
Рисунок 17. Вид исследуемых деталей после режима ионного азотирования из сталей: а – 40ХГМА; б – 40ХН2МА

 

Таблица 3. Характеристики азотированного слоя на сталях 40ХГМА, 40ХН2МА
 40ХГМА40ХН2МА
Поверхностная твердость HV 10, кгс/мм2560 - 620680 - 710
Поверхностная твердость HV 5, кгс/мм2780 - 860710 - 720
Поверхностная микротвердость HV 0.1, кгс/мм2910 - 980790 - 810
Глубина слоя по микроструктуре hм, мкм90 - 100150 - 170
Глубина слоя по микротвердости hс, мкм200200
Толщина нитридной зоны, мкм3 - 54 - 8

 

Микроструктура азотированного слоя стали 40ХН2МА
Рисунок 18. Микроструктура азотированного слоя стали 40ХН2МА: а – х100; б – х1000

 

График распределения микротвердости по глубине азотированного слоя на стали 40ХН2МА
Рисунок 19. График распределения микротвердости по глубине азотированного слоя на стали 40ХН2МА

 

Микроструктура азотированного слоя стали 40ХГМА
Рисунок 20. Микроструктура азотированного слоя стали 40ХГМА: а – х200; б – х500; в – х1000

 Поверхностная микротвердость на стали 40ХН2МА имеет плавный профиль снижения с 780 HV до 250 HV на расстоянии до 200 мкм.

Общий вид шлифов деталей из стали 40ХГМА
Рисунок 21. Общий вид шлифов деталей из стали 40ХГМА (см. расположение дорожек микротвердости 1 – 6)

 

Распределение микротвердости по глубине азотированного слоя на стали 40ХГМА
Рисунок 22. Распределение микротвердости по глубине азотированного слоя на стали 40ХГМА

Поверхностная микротвердость на стали 40ХГМА имеет плавный профиль снижения с 970 HV до 300 HV на расстоянии до 200 мкм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведен комплекс НИОКР по упрочнению резьбовых деталей из различных марок сталей и титана методом ионной ХТО. Подобраны оптимальные режимы азотирования, карбонитрирования и оксидирования. Выявлены особенности формирования азотированных слоев на разных материалах в зависимости от параметров процесса ионной ХТО.

На сегодняшний день ионно-вакуумное азотирование является передовой технологией поверхностного упрочнения деталей, превышающей по своим техническим характеристикам другие типы покрытий, в том числе хромирование. Ионная ХТО успешно применяется для упрочнения резьбовых соединений насосно-компрессорных и буровых труб, а также различных деталей высокого давления (до 125 МПа). Предприятия, использующие наши разработки, являются признанными лидерами отрасли: АО «ЭЛКАМ-Нефтемаш» и ЗАО «ПКНМ» г. Пермь; Завод «Синергия» г. Пермь; ООО «БИТАС», г. Самара и др.

Многолетний опыт, компетенции и приоритетные конструкторско-технологические решения позволили нам занять лидирующие позиции в разработке многих проектов «под ключ» в России и за рубежом

Одним из самых нагруженных и ответственных узлов в различных отраслях машиностроения являются резьбовые соединения. Передача нагрузки через разветвлённую поверхность различного профиля требует высоких триботехнических и антикоррозионных свойств, которые обеспечиваются плотноупакованной твёрдой и износостойкой упрочнённой зоной, работающей как мембрана на упругом основании. При таком принципе проектирования диффузионных покрытий возможно применение различных сталей, сплавов, металлокерамики и титана.