Важнейший этап производства деталей — обработка для повышения прочности и устойчивости к коррозии. Одна из часто применяемых технологий — ионное азотирование, когда стальную поверхность насыщают азотом. Такой способ увеличивает эксплуатационный ресурс деталей более чем в два раза. Однако перед началом этого процесса детали должны иметь чистые поверхности, без следов коррозии, мазута, грязи и смазочно-охлаждающих жидкостей. Последние из них повсеместно применяют при механической обработке. В результате детали загрязняются разными примесями, и это приводит к появлению серьезных дефектов при азотировании. Ученые ПНИПУ выяснили и описали влияние смазочно-механических жидкостей на процесс обработки. Результаты исследования помогут доказать важность очистки и избежать негативных последствий после азотирования.
Исследование представлено на конференции «Инновационные технологии в материаловедении и машиностроении (ИТММ-2023)».
Способов упрочнения поверхности существует достаточно много, например цементация, хромирование, обработка токами высокой частоты. Но такие методы имеют ряд ограничений и менее эффективны в массовом использовании. Ионное азотирование — универсальный процесс, позволяющий упрочнять детали любой конфигурации массой от нескольких грамм до тонн.
Сейчас эта технология изучается в Германии, Австрии, Белоруссии, Болгарии и других странах. Она нашла применение во всех отраслях промышленности, в том числе нефтегазовой, трубопроводной, машиностроительной. Однако исследование ученых Пермского Политеха позволило создать обширную базу производственных данных и выявить практическое влияние смазочно-охлаждающих жидкостей на процесс упрочнения. Так были обнаружены и зафиксированы дефекты, которые ранее не были описаны.
Пермские политехники взяли две партии деталей трубопроводной промышленности: задвижки, переводники и др., поступившие на производство со следами смазочно-охлаждающих жидкостей после механической обработки. При визуальном осмотре на поверхности деталей ученые ПНИПУ сразу заметили белые разводы, пятна и въевшуюся технологическую грязь. Наиболее загрязненными местами оказались отверстия и резьба.
Каждую деталь, в том числе внешний и внутренний диаметр, мелкие отверстия и резьбу вручную промыли бензином, ацетоном, поверхностно активными веществами (ПАВ) с теплой водой и раствором холодного химического обезжиривания. Затем протерли насухо белой ветошью, чтобы отследить чистоту поверхности. В результате на первой партии деталей после применения бензина и ПАВ поверхности были чистыми. На остальных деталях даже после применения всех средств устранить полностью следы смазочно-охлаждающей жидкости не удалось.
Затем на всех деталях провели ионное азотирование и повторный осмотр. Ученые зафиксировали дефекты и измерили поверхностную твердость деталей при помощи специального устройства — ультразвукового твердомера.
— В процессе ионной обработки остатки смазочно-охлаждающей жидкости и примеси выгорали, искрились и загрязнили камеру установки и вакуумную систему. Мы наблюдали неравномерное свечение плазмы на деталях во время температурной выдержки. Обычно после упрочнения поверхность металла становится равномерно матово-серой или черной, а у нас цвет был неравномерным на всех деталях. На второй партии появились ярко выраженные радужные пятна, поскольку в процессе закалки частицы смазочно-охлаждающих жидкостей образуют тонкие полимерные пленки, которые тормозят проникновение азота вглубь металла, — рассказывает аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ Ирина Соколова.
— Результаты измерений поверхностной твердости, которые были проведены, доказывают неравномерность и дефектность полученного упрочнения. Твердость таких деталей оказалась либо на 20-40% ниже, чем на однородной поверхности, либо не изменилась в сравнении с незакаленным металлом, — подводит итог профессор кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ Светлана Порозова.
Так ученые Пермского Политеха выяснили, что различные жидкости влияют на образование азотированного слоя по-разному. Например, в одной из рассмотренных жидкостей оказались трудноудаляемые тяжелые фракции органических веществ, температура выгорания которых может достигать 1000 градусов Цельсия. Полностью очистить поверхность деталей от смазочно-охлаждающих жидкостей можно с использованием специальных химических растворов, но их необходимо подбирать исходя из анализа состава.
Благодаря исследованиям пермских политехников стало ясно, что перед ионным азотированием детали необходимо очищать от смазочно-охлаждающих жидкостей, поскольку их остатки замедляют процесс проникновения азота и становятся причиной возникновения внешних дефектов. Проведенная работа позволит усовершенствовать технологические процессы, чтобы повысить производительность и качество изделий, сократить количество бракованных деталей, например, для строительства автомобилей. Результаты исследований уже нашли свое применение на практике — их учитывают при приеме деталей для азотирования специалисты компании ООО «Ионные технологии», которые занимаются химико-термической обработкой деталей, инструмента, узлов механизмов из сталей, чугуна, титана и сплавов.