Модифицирование поверхности сталей, применяемых в арматуростроении

Введение

Во многих отраслях промышленности от качества труб и особенно запорно-регулирующей аппаратуры (ЗРА) зависит не только бесперебойная транспортировка жидкости и газов, но и в целом безаварийная работа производств [1–4]. Существенно повысить эксплуатационные характеристики изделий из металлов и сплавов позволяют защитные покрытия на поверхности, получаемые методами ионной химико-термической обработки (ИХТО), одним из наиболее перспективных вариантов которой является ионное азотирование [5–9]. В литературе встречаются несколько наименований данного процесса: ионно-вакуумное, ионно-плазменное и ионное азотирование [10–13]. Этот универсальный способ модифицирования поверхности в плазме тлеющего разряда в вакууме [14–16] достаточно простой в применении, позволяет упрочнять все виды сталей и сплавов и относится к процессам так называемой белой металлургии [17].

Инженеры израильской компании «HABONIM» одними из первых начали применять низкотемпературную обработку ионно-плазменным азотированием (ИПА) для повышения износостойкости деталей арматуростроения [18]. В настоящее время технология низкотемпературной карбонитрации в плазме шаровых кранов прописана во всех каталогах израильского производителя [19].

На сегодняшний день одними из признанных лидеров в сфере ионного азотирования являются австрийцы. Они разработали и запатентовали такие технологии как PLASNIT, PLASOX, PLAPOL, которые используют, в том числе, для упрочнения деталей арматуростроения [20].

Несмотря на то, что в России работы по изучению процесса ИХТО ведутся с 1970-х годов, активное использование ионного азотирования в промышленности началось относительно недавно [21–24]. Производить оборудование в России начали также намного позже, чем в других странах, но на сегодняшний день уже существуют отечественные установки для ИПА. Автоматизированное программное обеспечение, основанное на технологических разработках по принципу ноу-хау, использование микропроцессорной и высокоточной техники, а также технологий высокоскоростной передачи больших объемов информации и модульных роботизированных систем позволяют конкурировать с зарубежными аналогами [21].

На 2020 г. в структуре потребления промышленной ЗРА в России доля импорта составляла 53 % [3]. В 2023 г. по-прежнему необходимо импортировать недостающие товарные позиции [25], поэтому отечественные предприятия самостоятельно осваивают новые виды продукции и ведут поиск новых технологий для повышения надежности и качества продукции арматуростроения. В связи с этим сравнение результатов, получаемых на установках разных производителей, а также проведение исследований и обобщение данных по упрочнению сталей методом ИХТО в настоящее время являются актуальными задачами.

Цель настоящей работы – изучить модифицированные слои, полученные ионно-плазменным азотированием, на сталях, применяемых в арматуростроении, и сравнить данные, получаемые на установках болгарского и российского производств.

Методика исследований

Процесс ионно-плазменного азотирования проводили на установках от компаний «IONITECH» (Болгария) и ООО «Ионные технологии» (Россия). Температура режимов ИПА составляла 550–580 °С, давление – 4 мбар, смесь газов была состава 25 % N₂ + 75 % H₂. Время изотермической выдержки (5–12 ч) обусловлено тем, что для исследования были выбраны 4 различные марки стали. Для одинаковых образцов длительность выдержки на обеих установках была одинаковой. На рис. 1 приведены снимки деталей в процессе азотирования.

Исследования проводили на сталях марок 14Х17Н2, 20Х13, 07Х16Н6 и 12Х18Н10Т, которые используются для изготовления деталей ЗРА, таких какшибер, седло, шток, сепаратор, поршень, шпиндель, клин и др. Общие характеристики сталей приведены в табл. 1. Для разрушающего контроля вместе с деталями в рабочую камеру помещали образцы-свидетели.

После ИПА проводили визуальный контроль качества всей поверхности образцов на наличие внешних дефектов. Азотированную поверхность проверяли на равномерность цвета, отсутствие шелушения и сколов, особенно вдоль острых кромок, при увеличении в 15–30 раз. Хрупкость азотированного слоя контролировали по виду отпечатка алмазной пирамиды в соответствии со шкалой хрупкости ВИАМ (СТО ИНТИ S.70.2-2022).

Одним из ключевых показателей упрочнения является поверхностная твердость – это значение твердости тонкого модифицированного слоя, поэтому важно подобрать нагрузку так, чтобы при вдавливании индентора в поверхностный слой не было его продавливания (СТО ИНТИ S.70.2-2022). Подготовка к измерению этого показателя заключалась в осветлении поверхности шлифовальной бумагой P2500, после чего поверхностную твердость слоя определяли по методу Виккерса согласно ГОСТ 2999-75 под действием нагрузки 49,03 Н. Микротвердость поверхности [26] оценивали при нагрузке 0,98 H согласно ГОСТ 9450-76 на приборе ПМТ-3 (Россия).

Образцы для анализа микроструктуры запрессовывали в бакелитный порошок и по стандартной методике изготавливали шлифы (СТО ИНТИ S.70.2-2022). Микроструктурное исследование проводили на микроскопе БиОптик (Россия) при использовании универсального травителя (4 %-ной азотной кислоты) для выявления азотированного слоя. Согласно нормативам его общая глубина (h_тв) определяется по результатам измерения микротвердости от поверхности в нормальном к ней направлении до точки, в которой микротвердость соответствует значению микротвердости сердцевины. Глубину слоя контролировали дюрометрическим методом на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 0,98 H с выдержкой 10 с (СТО ИНТИ S.70.2-2022).

Результаты и их обсуждение

Результаты исследования азотированных слоев на сталях различного состава (см. табл. 1), полученных на ионно-плазменных установках болгарского и отечественного производств, представлены на рис. 2.

В результате ИПА на деталях сформирован равномерно развитый нехрупкий азотированный слой. Визуальный контроль показал, что детали и образцы имеют равномерный матово-серый цвет без внешних дефектов поверхности. Исследования шлифов сталей с содержанием Cr более 12 % выявило легко подвергающуюся травлению модифицированную зону с четкими границами. Глубина азотированных слоев по микроструктуре достигает h_с = 0,08÷0,22 мм (рис. 3), а по распределению микротвердости h_тв = 0,10÷0,25 мм. Во всех случаях глубина h_тв азотированного слоя, полученного на отечественной установке, больше.

Для сталей мартенситной и мартенситно-ферритной структур (см. табл. 1) можно отметить минимальные различия глубины азотированного слоя по микроструктуре и микротвердости у слоев, полученных в обоих случаях (рис. 3), хотя результаты с использованием отечественной установки выше. При азотировании поверхности аустенитно-мартенситной и аустенитной сталей (см. табл. 1) различия глубины азотированных слоев существенны (рис. 3), т.е. часть азотированного слоя (переходная зона) не выявляется при травлении использованными реактивами. Исходя из полученных данных можно сделать вывод, что метод определения глубины азотированного слоя по микротвердости является более информативным и корректным.
В табл. 2 приведены результаты измерения поверхностных твердости и микротвердости азотированных слоев, являющихся основными критериями износостойкости поверхности запорно-регулирующей арматуры.

Модифицирование поверхности металла привело к увеличению твердости поверхности всех исследуемых сталей. В процессе диффузионного насыщения поверхности азотом происходило образование нитридов железа и легирующих элементов, что обусловливает повышенную твердость азотированного слоя. Максимальный результат наблюдается на стали 07Х16Н6: микротвердость ее поверхности увеличилась в 5 раз с ~260 HV_0,1 до ~1200 HV_0,1. Минимальные показатели повышения микротвердости (в 2,8 раза) отмечены на стали 12Х18Н10Т.

Таким образом, технология поверхностного упрочнения позволила сохранить размерную и чистовую точность деталей [27]. Три наиболее крупных российских производителя ЗРА [3] уже используют ионное азотирование для повышения качества своей продукции и внедряют его в производственный цикл [28].

Заключение

Широко применяемые в арматуростроительной области стали 20Х13, 07Х16Н6, 14Х17Н2 и 12Х18Н10Т после ионно-плазменного азотирования в условиях проведенных исследований показывают увеличение поверхностной твердости в 2,8–5,0 раз.

Метод оценки глубины азотированного слоя по микротвердости является более корректным, чем определение по микроструктуре, так как при азотировании поверхности аустенитно-мартенситной и аустенитной сталей (см. табл. 1, рис. 3) часть этого слоя (переходная зона) не выявляется при травлении.

В результате сравнительного анализа микротвердости модифицированных слоев установлено, что российское оборудование, произведенное компанией ООО «Ионные технологии», при одинаковых режимах работы не уступает зарубежному и демонстрирует сопоставимые результаты упрочнения поверхности деталей с известным на мировом рынке оборудованием компании «IONITECH» (Болгария).