В целях повышения поверхностной твердости, износостойкости, предела усталости и сопротивления коррозии в среде пара и воды детали арматуры подвергают азотированию, состоящему в длительном нагреве их при температуре 480—650° С в атмосфере аммиака ΝΗ3.
Различают два вида азотирования: прочностное и антикоррозионное. В тех случаях, когда наличие высокой твердости и сопротивления износу является главным требованием, детали подвергают прочностному азотированию, а когда азотирование производится для повышения коррозийной стойкости и предела усталости, детали подвергают антикоррозионному азотированию.
Антикоррозионное азотирование отличается от прочностного кратковременностью и небольшой глубиной азотированного слоя (0,025—0,06 мм).
Азотированию обычно подвергают среднеуглеродистые легированные стали, содержащие алюминий, хром и молибден. С легирующими элементами азот образует нитриды типа Cr2N, Mo2N и др.
Все более широкое применение находит азотирование аустенитной стали. Эта сталь имеет низкую износостойкость, но обладает рядом ценных свойств, таких как немагнитность, высокая жаропрочность, коррозионная устойчивость и высокая ударная вязкость при температурах ниже нуля. Азотирование—наиболее эффективный способ резкого повышения износостойкости аустенитной стали. Так же эффективно азотирование действует и на нержавеющую хромистую сталь.
Венюковский арматурный завод подвергает твердостному азотированию тарелки и грибки в паровых и водяных задвижках, шиберы в регулирующих питательных клапанах, штоки, поршни и демпферы в главных предохранительных клапанах и антикоррозионному азотированию— шпиндели в вентилях и задвижках.
Таганрогский котельный завод подвергает твердостному азотированию тарелки, уплотнительные кольца, опоры и соединительные планки задвижек Dy 150/100, рассчитанных на Ру 64 и 100, а антикоррозионному азотированию — шпиндели в вентилях и задвижках на эти же параметры.
УТМЗ подвергает твердостному азотированию штоки вентилей системы водяного автоматического регулирования, сопла и лопатки турбин.
ХТГЗ подвергает азотированию детали турбин, работающие при температуре до 550° С (сопловые аппараты и лопатки), а также резьбу прецизионных болтов и шпилек, крепления цилиндров турбин. На этом заводе большинство крепежа, подвергаемого азотированию, изготовляется из хромомолибденовой стали марки 25Х2МФА. Для испытания качества азотированных резьбовых соединений на заводе были изготовлены три комплекта шпилек и гаек, по размерам и форме соответствующих одной из рабочих деталей машины. Азотированию подвергались только шпильки. Для большего приближения условий испытаний к действительным условиям работы резьбовое соединение было подвергнуто испытанию на закручивание гайки под нагрузкой, а также сжатию усилиями разной величины. Результаты проведенных испытаний показывают, что резьбовая пара, состоящая из азотированной шпильки с неазотированной гайкой или из азотированной гайки с неазотированной шпилькой, обеспечивает надежность при довольно тяжелых условиях работы. Глубина азотирования 0,2 мм даже для мелкой резьбы (2Л452) является вполне достаточной. Азотирование призонных болтов и шпилек дает возможность повысить твердость и полностью предохранить резьбу от задирания.
В отечественной промышленности азотированию подвергают хромомолибденовую сталь марки 38ХМЮА, имеющую 1,10% А1 и 0,15—0,25% Мо. Присутствие в стали алюминия, хрома и молибдена позволяет получить азотированный слой, обладающий исключительно высокой твердостью и износостойкостью. В настоящее время вместо стали 38ХМЮА начинают применять менее дорогую сталь марки 38ХВФЮ, которая не содержит дефицитного молибдена. Эта сталь легирована алюминием, вольфрамом и ванадием.
Когда производится антикоррозионное азотирование, детали могут быть изготовлены из конструкционных (10, 20, 30, 40 и т. д.), хромистых (20Х, 40Х и т. д.) и хромовольфрамовых (4Х14Н14В2М) сталей.
Различные заводы освоили и успешно применяют для азотирования следующие марки стали: 1) ВАЗ— 38ХМЮА, 38ХВФЮ, 4Х14Н14В2М, 35; 2) ТКЗ—38ХМЮА, 3) УТМЗ—38ХМЮА, 25Х2МФА и 4) ХТГЗ—38ХМЮА, 25Х2МФА, 35ХМА, 40Х, 50ХФА, 18ХМВА, 60С2, 1X13, ЭИ-415, ЭИ-723, 20, 30, 40, 35, 15Х11МФ, 15Х12ВМФ.
Для азотирования применяется различное термическое оборудование. На Барнаульском котельном заводе азотирование деталей арматуры производится в электрической печи типа Ц-105 (рабочие размеры реторты; диаметр 600 мм, глубина 1 200 мм, номинальная мощность 105 кВт, максимальная температура 950° С), применяемой обычно для газовой цементации.
На Венюковском арматурном заводе создана и длительное время успешно применяется для азотирования электрическая печь, представленная на рис. 4-5. Печь состоит из каркаса, внутри которого выложен огнеупорный кирпич. В пазах установлена нагревательная спираль. Контейнеры выполнены из листовой хромоникелевой стали. Печь имеет два таких контейнера, с тем чтобы, пока идет процесс азотирования в одном из них, можно было подготовить второй контейнер. Внутри контейнера на решетке (из этой же марки стали) устанавливают подлежащие азотированию тарелки, грибки и т. п. Шпиндели для уменьшения деформаций подвешивают к крышке контейнера. Аммиак (ΝΗ3) в контейнер подается по специальной трубке. Неразложившийся аммиак выходит из контейнера по другой трубке.
Для удобства азотирования печь в полу углубляют на 0,5—0,6 м. Подъем и транспортировку контейнера осуществляют электротельфером грузоподъемностью 1 т. Для хранения деталей установлены два стеллажа. Приборы для контроля азотирования (диссоциометр и др.) установлены на специальном столе. Баллоны с аммиаком устанавливаются в количестве 3—4 шт.
Приведенная конструкция электрической печи для азотирования изготовлена и успешно применяется также на ряде других ремонтных заводов энергосистем (ЦРМЗ Мосэнерго и др.) и в механических цехах электростанций (ГРЭС № 10 Тулэнерго, ТЭЦ № 17 Мосэнерго и др.).
Рис. 4-5. Печь для азотирования, применяемая па Венюковском заводе, 1 —кожух; 2 —контейнер; 3 — огнеупорный кирпич; 4 - тепловая изоляция; 5 — электронагреватели.
На Калужском турбинном заводе для азотирования деталей турбин и арматуры используют обычные (универсальные) электрические печи типов Н-15, Н-30 и Н-45, имеющиеся почти во всех механических цехах электростанций. Азотирование деталей арматуры производится в контейнере из углеродистой стали, устанавливаемом в рабочее пространстве электрической печи. Для удобства загрузки контейнера в печи закрепляют специальную подставку. Срок службы такого контейнера при ежедневной работе составляет не более одного года. Контейнер изготовляют из листовой малоуглеродистой стали толщиной 6—8 мм или из трубы большого диаметра. Детали и образцы укладывают на решетку. Размеры контейнера определяют, исходя из рабочего пространства имеющейся электрической печи. Так, например, у печи Н-15 контейнер имеет диаметр 194 мм, а у печи Н-30 — диаметр 245 мм и у печи Н-45 — диаметр 299 мм. Контейнер устанавливают на колесах, что облегчает его передвижение и выемку из печи.
Для обеспечения герметичности на крышку фланца контейнера накладывают густо пропитанную жидким стеклом, смешанным с мелом или огнеупорной глиной (до консистенции сметаны), асбестовую прокладку, которая прижимается к контейнеру болтами. Все шланговые соединения с баллоном-осушителем и контейнером покрывают этой же смесью.
Рис. 4-6. Установка и схема азотирования, применяемая на КТЗ.
Схема установки для азотирования приведена на рис. 4-6. Аммиак из баллона 3 поступает в осушитель 4, в который каждый раз перед азотированием засыпают погашенную известь, прокаленную при температуре 900° С. Из осушителя аммиак поступает в контейнер 2, установленный в печи 1, и из него — в бутыль с водой 5. Контроль степени диссоциации (разложения) аммиака производится диссоциометром 6.
Для азотирования применяется аммиак в баллонах с давлением до 15 кг/см2, содержащий до 0,2% влаги (ОСТ/НКТП 2299).
Технологический процесс азотирования с целью повышения поверхностной твердости, сопротивляемости износу и антикоррозионной стойкости может быть сведен к следующим последовательным этапам.
- П р е д в а р и т е л ь н а я термическая обработка (закалка и отпуск стали) для повышения прочности и вязкости металла. Детали, идущие на термическую обработку, должны иметь припуск на механическую обработку не менее 5 мм на сторону.
Сталь 4Х14Н14В2М (ЭИ-69) подвергается закалке и стабилизации. Режим термической обработки сталей 38ХМЮА и 38ХВФЮА следующий. Закалка при температуре 900—950° С. Выдержка 1,5—2 ч. Охлаждение в теплой воде (30—40°С). Отпуск с нагревом до 630—650° С и выдержка 2 ч. Охлаждение после отпуска до 200° С вместе с печью. Такой отпуск необходим для полноты структурных превращений закаленной стали. Медленное охлаждение после отпуска делается во избежание появления в стали внутренних напряжений, вызывающих коробление детали в процессе азотирования. Твердость детали после термической обработки соответствует отпечатку 3,5—3,8 по Бринелю при диаметре шарика 10 мм и нагрузке 2 000 кг.
- Механическая обработка. На термически обработанных заготовках при механической обработке перед азотированием снимают припуск. Окончательной механической обработкой перед азотированием являются шлифование и полирование. На поверхности, подлежащей азотированию, не допускаются надрезы и острые углы, которые следует закруглить радиусом не менее 0,5 мм.
- Защита участков, не подлежащих азотированию. На Венюковском заводе места деталей арматуры, не подвергающиеся азотированию (резьба и г. п.), покрывают пастой, состоящей из равных частей жидкого стекла и мелко истолченного мела, после чего детали просушивают.
На ХТГЗ для местной защиты от азотирования применяют гальваническое или обычное лужение на глубину 0,01—0,05 мм и двукратное нанесение слоя толщиной 1—2 мм на поверхность жидкого стекла с последующей сушкой при температуре 80—120° С или на открытом воздухе в течение 8—10 ч.
- Азотирование. Перед процессом азотирования детали очищают от ржавчины тонкой наждачной бумагой, затем промывают бензином от масла и жира и начисто протирают чистыми концами или ветошью. Нержавеющая сталь покрывается окисной пленкой, препятствующей азотированию. Для разрушения такой пленки на ХТГЗ детали перед азотированием подвергают полированию наждачной бумагой № 180—220. После полирования непосредственно перед загрузкой места, подлежащие азотированию, подвергают травлению реактивом следующего состава: один объем 4%-ного раствора пикриновой кислоты в спирте и пять объемов 10%-ного раствора соляной кислоты в спирте. Травление производится до появления темноматового оттенка на поверхности металла.
Азотирование деталей арматуры производится по следующему режиму.
Твердостное азотирование стали 38ХМЮА.
Нагрев до температуры 500—510° С, выдержка при этой температуре 12 ч, затем нагрев до температуры 540—570° С, выдержка в течение 17 ч. После делается отпуск в атмосфере полностью диссоциированного аммиака при температуре 560° С в течение 2 ч (твердость не менее 900 Нв и толщина слоя не менее 0,45 мм).
Азотирование стали 4Х14Н14В2М. (ЭИ-69).
Нагрев до температуры 540—560° С и выдержка при этой температуре 58 ч, затем отпуск в атмосфере полностью диссоциированного аммиака при температуре 550° С в течение 2 ч (твердость не менее 900—1 000 Нв и толщина слоя 0,15—0,20 мм).
Азотирование стали 25Х2МФА (ЭИ-10).
Нагрев до температуры 500—510° С, выдержка при этой температуре 12 ч, затем нагрев до температуры 540—570° С и выдержка в течение 17 ч. После этого производится отпуск в атмосфере полностью диссоциированного аммиака при температуре 560° С в течение 2 ч.
Антикоррозионное азотирование стали 35.
Нагрев до температуры 540—560° С, выдержка при этой температуре 4 ч, затем нагрев до температуры 500,—510° С и выдержка в течение 2 ч. Температура при выгрузке из муфеля должна быть не более 200° С (толщина слоя 0,1—0,2 мм).
Антикоррозионное азотирование стали 38ХМЮА.
Нагрев до температуры 500—510° С, выдержка при этой температуре 3 ч, затем нагрев до температуры 540— 560° С и выдержка в течение 9 ч. Температура при выгрузке из муфеля должна быть не более 200° С (глубина слоя 0,1—0,3 мм).
При правильно проведенном процессе азотирования детали приобретают серовато-белый матовый цвет. Наличие цветов побежалости на азотированной поверхности свидетельствует о попадании воздуха в контейнер. В процессе насыщения стали азотом отмечается некоторое изменение размеров деталей за счет увеличения объема поверхностного слоя, а также их деформация. То и другое зависит от степени насыщения слоя азотом, глубины азотированного слоя, температуры процесса, а также размеров и конфигурации деталей. Чем выше температура азотирования, больше глубина слоя и сложнее конфигурация детали, тем больше ее деформация.
- Контроль качества. Контроль качества азотирования производится при помощи так называемых свидетелей. Проверке подлежат следующие показатели:
твердость, которая определяется на приборе Виккерса: на этом приборе при небольших нагрузках (от 1 до 50 кг) можно определить твердость очень тонких поверхностных слоев деталей;
сплошность азотированного слоя, которая устанавливается при помощи свидетеля погружением последнего в 5—7% -ный раствор медного купороса на 30—60 сек или смачиванием свидетеля помазком: при контроле антикоррозионного азотирования медным купоросом на азотированной поверхности не должно быть отложений меди;
глубина азотированного слоя, определяемая по толщине каемки излома свидетеля.
При азотировании весьма важно строгое соблюдение Правил по технике безопасности. Следует иметь в виду, что смесь газов, отходящих от контейнера, горюча и может вызвать пожар. Раствор аммиака в воде — сильная щелочь. Поэтому следует избегать попадания капель насыщенной аммиаком воды на незащищенные места тела и особенно в глаза.
При сильной протечке газа в каком-либо месте газопроводящей системы необходимо опасаться попадания струи газа в глаза и дыхательные пути, что может вызвать сильный ожог. В случае попадания газообразного аммиака или насыщенной аммиаком воды на тело или в глаза пораженные места следует немедленно промыть слабым раствором борной кислоты, являющейся нейтрализующим средством. При попадании в дыхательные пути пострадавших необходимо вывести на свежий воздух и оказать им медицинскую помощь.
