Ионно плазменное азотирование стали. Ионно-плазменное азотирование. Предел контактной выносливости поверхности, МПа

Улучшение свойств металла может проходить путем изменения его химического состава. Примером можно назвать азотирование стали – относительно новая технология насыщения поверхностного слоя азотом, которая стала применяться в промышленных масштабах около столетия назад. Рассматриваемая технология была предложена для улучшения некоторых качеств продукции, изготавливаемой из стали. Рассмотрим подробнее то, как проводится насыщение стали азотом.

Назначение азотирования

Многие сравнивают процесс цементирования и азотирования по причине того, что оба предназначены для существенного повышения эксплуатационных качеств детали. Технология внесения азота имеет несколько преимуществ перед цементацией, среди которых отмечают отсутствие необходимости повышения температуры заготовки до значений, при которых проходит пристраивание атомной решетки. Также отмечается тот факт, что технология внесения азота практически не изменяет линейные размеры заготовок, за счет чего ее можно применять после финишной обработки. На многих производственных линиях азотированию подвергают детали, которые прошли закалку и шлифование, практически готовы к выпуску, но нужно улучшить некоторые качества.

Назначение азотирования связано с изменением основных эксплуатационных качеств в процессе нагрева детали в среде, которая характеризуется высокой концентрацией аммиака. За счет подобного воздействия поверхностный слой насыщается азотом, и деталь приобретает следующие эксплуатационные качества:

1. Существенно повышается износостойкость поверхности за счет возросшего индекса твердости.
2. Улучшается значение выносливости и сопротивление к росту усталости структуры металла.
3. Во многих производствах применение азотирования связано с необходимостью придания антикоррозионной стойкости, которая сохраняется при контакте с водой, паром или воздухом с повышенной влажностью.

Вышеприведенная информация определяет то, что результаты азотирования более весомы, чем цементации. Преимущества и недостатки процесса во многом зависят от выбранной технологии. В большинстве случаев переданные эксплуатационные качества сохраняются даже при нагреве заготовки до температуры 600 градусов Цельсия, в случае цементирования поверхностный слой теряет твердость и прочность после нагрева до 225 градусов Цельсия.

Технология процесса азотирования

Во многом процесс азотирования стали превосходит другие методы, предусматривающие изменение химического состава металла. Технология азотирования деталей из стали обладает следующими особенностями:

1. В большинстве случаев процедура проводится при температуре около 600 градусов Цельсия. Деталь помещается в герметичную муфельную печь из железа, которая помещается в печи.
2. Рассматривая режимы азотирования, следует учитывать температуру и время выдержки. Для разных сталей эти показатели будут существенно отличаться. Также выбор зависит от того, каких эксплуатационных качеств нужно достигнуть.
3. В созданный контейнер из металла проводится подача аммиака из баллона. Высокая температура приводит к тому, что аммиак начинает разлагаться, за счет чего начинают выделяться молекулы азота.
4. Молекулы азота проникают в металл по причине прохождения процесса диффузии. Засчет этого на поверхности активно образуются нитриды, которые характеризуются повышенной устойчивостью к механическому воздействию.
5. Процедура химико-термического воздействия в данном случае не предусматривает резкое охлаждение. Как правило, печь для азотирования охлаждается вместе с потоком аммиака и деталью, за счет чего поверхность не окисляется. Поэтому рассматриваемая технология подходит для изменения свойств деталей, которые уже прошли финишную обработку.

Классический процесс получения требуемого изделия с проведением азотирования предусматривает несколько этапов:

1. Подготовительная термическая обработка, которая заключается в закалке и отпуске. За счет перестроения атомной решетки при заданном режиме структура становится более вязкой, повышается прочность. Охлаждение может проходить в воде или масле, иной среде – все зависит от того, насколько качественным должно быть изделие.
2. Далее выполняется механическая обработка для придания нужной форы и размеров.
3. В некоторых случаях есть необходимость в защите определенных частей изделия. Защита проводится путем нанесения жидкого стекла или олова слоем толщиной около 0,015 мм. За счет этого на поверхности образуется защитная пленка.
4. Выполняется азотирование стали по одной из наиболее подходящих методик.
5. Проводятся работы по финишной механической обработке, снятию защитного слоя.

Получаемый слой после азотирования, который представлен нитридом, составляет от 0,3 до 0,6 мм, за счет чего отпадает необходимость в проведении процедуры закаливания. Как ранее было отмечено, азотирование проводят относительно недавно, но сам процесс преобразования поверхностного слоя металла был уже практически полностью изучен, что позволило существенно повысить эффективность применяемой технологии.

Металлы и сплавы, подвергаемые азотированию

Существуют определенные требования, которые предъявляются к металлам перед проведением рассматриваемой процедуры. Как правило, уделяется внимание концентрации углерода. Виды сталей, подходящих для азотирования, самые различные, главное условие заключается в доле углерода 0,3-0,5%. Лучших результатов достигают при применении легированных сплавов, так как дополнительные примеси способствуют образованию дополнительных твердых нитритов. Примером химической обработки металла назовем насыщение поверхностного слоя сплавов, которые в составе имеют примеси в виде алюминия, хрома и другие. Рассматриваемые сплавы принято называть нитраллоями.

Внесение азота проводится при применении следующих марок стали:

1. Если на деталь будет оказываться существенное механическое воздействие при эксплуатации, то выбирают марку 38Х2МЮА. В ее состав входит алюминий, который становится причиной снижения деформационной стойкости.
2. В станкостроении наиболее распространение получили стали 40Х и 40ХФА.
3. При изготовлении валов, которые часто подвергаются изгибающим нагрузкам применяют марки 38ХГМ и 30ХЗМ.
4. Если при изготовлении нужно получить высокую точность линейный размеров, к примеру, при создании деталей топливных агрегатов, то используется марка стали 30ХЗМФ1. Для того чтобы существенно повысить прочность поверхности и ее твердость, предварительно проводят легирование кремнем.

При выборе наиболее подходящей марки стали главное соблюдать условие, связанное с процентным содержанием углерода, а также учитывать концентрацию примесей, которые также оказывают существенное воздействие на эксплуатационные свойства металла.

Основные виды азотирования

Выделяют несколько технологий, по которым проводят азотирование стали. В качестве примера приведем следующий список:

1. Аммиачно-пропановая среда. Газовое азотирование сегодня получило весьма большое распространение. В данном случае смесь представлена сочетанием аммиака и пропана, которые берутся в соотношении 1 к 1. Как показывает практика, газовое азотирование при применении подобной среды требует нагрева до температуры 570 градусов Цельсия и выдержки в течение 3-х часов. Образующийся слой нитридов характеризуется небольшой толщиной, но при этом износостойкость и твердость намного выше, чем при применении классической технологии. Азотирование стальных деталей в данном случае позволяет повысить твердость поверхности металла до 600-1100 HV.
2. Тлеющий разряд – методика, которая также предусматривает применение азотсодержащей среды. Ее особенность заключается в подключении азотируемых деталей к катоду, в качестве положительного заряда выступает муфель. За счет подключение катода есть возможность ускорить процесс в несколько раз.
3. Жидкая среда применяется чуть реже, но также характеризуется высокой эффективностью. Примером можно назвать технологию, которая предусматривает использование расплавленного цианистого слоя. Нагрев проводится до температуры 600 градусов, период выдержки от 30 минут до 3-х часов.

В промышленности наибольшее распространение получила газовая среда за счет возможность обработки сразу большой партии.

Каталитическое газовое азотирование

Данная разновидность химической обработки предусматривает создание особой атмосферы в печке. Диссоциированный аммиак проходит предварительную обработку на специальном каталитическом элементе, что существенно повышает количество ионизированных радикалов. Особенности технологии заключаются в нижеприведенных моментах:

1. Предварительная подготовка аммиака позволяет увеличить долю твердорастворной диффузии, что снижает долю реакционных химических процессов при переходе активного вещества от окружающей среды в железо.
2. Предусматривает применение специального оборудования, которое обеспечивает наиболее благоприятные условия химической обработки.

Применяется данный метод на протяжении нескольких десятилетий, позволяет изменять свойства не только металлов, но и титановых сплавов. Высокие затраты на установку оборудования и подготовку среды определяют применимость технологии к получению ответственных деталей, которые должны обладать точными размерами и повышенной износостойкостью.

Свойства азотированных металлических поверхностей

Довольно важным является вопрос о том, какая достигается твердость азотированного слоя. При рассмотрении твердости учитывается тип обрабатываемой стали:

1. Углеродистая может иметь твердость в пределах 200-250HV.
2. Легированные сплавы после проведения азотирования обретают твердость в пределе 600-800HV.
3. Нитраллои, которые имеют в составе алюминий, хром и другие металлы, могут получить твердость до 1200HV.

Другие свойства стали также изменяются. К примеру, повышается коррозионная стойкость стали, за счет чего ее можно использовать в агрессивной среде. Сам процесс внесения азота не приводит к появлению дефектов, так как нагрев проводится до температуры, которая не изменяет атомную решетку.

Ионно-плазменное азотирование (ИПА) - метод химико-термической обработки изделий из стали и чугуна с большими технологическими возможностями, позволяющий получать диффузионные слои нужного состава путем использования разных газовых сред, т.е. процесс диффузионного насыщения управляем и может быть оптимизирован в зависимости от конкретных требований к глубине слоя и твердости поверхности. плазменный азотирование микротвердость легированный

Температурный диапазон ионного азотирования шире, чем газового и находится в пределах 400-600 0 С. Обработка при температурах ниже 500 0 С особенно эффективна при упрочнении изделий из инструментальных легированных сталей для холодной обработки, быстрорежущих и мартенситно-стареющих сталей, т.к. значительно повышаются их эксплуатационные свойства при сохранении твердости сердцевины на уровне 55-60 HRC.

Упрочняющей обработке методом ИПА подвергаются детали и инструменты практически всех отраслей промышленности (рис.1).

Рис. 1.

В результате ИПА можно улучшить следующие характеристики изделий: износостойкость, усталостную выносливость, антизадирные свойства, теплостойкость и коррозионную стойкость.

В сравнении с широко используемыми способами упрочняющей химико-термической обработки стальных деталей, такими, как цементация, нитроцементация, цианирование и газовое азотирование в печах, метод ИПА имеет следующие основные преимущества:

• · более высокая поверхностная твердость азотированных деталей;
• · отсутствие деформации деталей после обработки и высокая чистота поверхности;
• · повышение предела выносливости и увеличение износостойкости обработанных деталей;
• · более низкая температура обработки, благодаря чему, в стали не происходит структурных превращений;
• · возможность обработки глухих и сквозных отверстий;
• · сохранение твердости азотированного слоя после нагрева до 600-650 С;
• · возможность получения слоев заданного состава;
• · возможность обработки изделий неограниченных размеров и форм;
• · отсутствие загрязнения окружающей среды;
• · повышение культуры производства;
• · снижение себестоимости обработки в несколько раз.

Преимущества ИПА проявляются и в существенном сокращении основных издержек производства.

Так, например, по сравнению с газовым азотированием в печах, ИПА обеспечивает:

• · сокращение продолжительности обработки в 2-5 раз, как за счет снижения времени нагрева и охлаждения садки, так и за счет уменьшения времени изотермической выдержки;
• · снижение хрупкости упрочненного слоя;
• · сокращение расхода рабочих газов в 20-100 раз;
• · сокращение расхода электроэнергии 1,5-3 раза;
• · исключение операции депассивации;
• · снижение деформации настолько, чтобы исключить финишную шлифовку;
• · простота и надежность экранной защиты от азотирования неупрочняемых поверхностей;
• · улучшение санитарно-гигиенических условий производства;
• · полное соответствие технологии всем современным требованиям по охране окружающей среды.

По сравнению с закалкой обработка методом ИПА позволяет :

• · исключить деформации;
• · увеличить ресурс работы азотированной поверхности в 2-5 раз.

Применение ИПА вместо цементации, нитроцементации, газового или жидкостного азотирования, объемной или ТВЧ закалки позволяет сэкономить основное оборудование и производственные площади, снизить станочные и транспортные затраты, уменьшить расход электроэнергии и активных газовых сред.

Принцип действия ИПА заключается в том, что в разряженной (р =200-1000 Па) азотсодержащей газовой среде между катодом - деталями - и анодом - стенками вакуумной камеры - возбуждается аномальный тлеющий разряд, образующий активную среду (ионы, атомы, возбужденные молекулы), обеспечивающую формирование азотированного слоя, состоящего из внешней - нитридной зоны и располагающейся под ней диффузионной зоны.

Технологическими факторами, влияющими на эффективность ионного азотирования, являются температура процесса, продолжительность насыщения, давление, состав и расход рабочей газовой смеси.

Температура процесса , площадь садки, участвующей в теплообмене и эффективность теплообмена со стенкой (количество экранов) определяют мощность, необходимую для поддержания разряда и обеспечивающую нужную температуру изделий. Выбор температуры зависит от степени легированности азотируемой стали нитридообразующими элементами: чем выше степень легированности, тем выше температура.

Температура обработки должна быть как минимум на 10-20 0 С ниже температуры отпуска.

Длительность и температура процесса насыщения определяют глубину слоя, распределение твердости по глубине и толщину нитридной зоны.

Состав насыщающей среды зависит от степени легирования обрабатываемой стали и требований к твердости и глубине азотированного слоя.

Давление процесса должно быть таким, чтобы обеспечивалось плотное «облегание» разрядом поверхности изделий и получение равномерного азотированного слоя. Однако, при этом следует иметь в виду, что разряд на всех стадиях процесса должен быть аномальным, т. е. поверхность всех деталей в садке полностью должна быть покрыта свечением, а плотность разрядного тока должна быть больше нормальной плотности для данного давления с учетом эффекта нагрева газа в катодной области разряда.

С появлением установок ИПА нового поколения, использующих в качестве рабочей среды регулируемые по составу смеси водорода, азота и аргона, а так же плазму «пульсирующего», а не постоянного тока, технологичность процесса ионного азотирования существенно возросла.

Использование комбинированного нагрева («горячие» стенки камеры) либо усиленной тепловой защиты (тройной теплозащитный экран) наряду с возможностью независимо регулировать состав газа и давление в камере позволяют при обработке режущего инструмента избежать перегрева тонких режущих кромок в процессе разогрева садки, точно регулировать время насыщения а, соответственно, и глубину слоя, т.к. разогрев изделий возможно производить в безазотной среде, например, в смеси Ar+H 2 .

Эффективная теплоизоляция в рабочей камере (тройной теплозащитный экран) позволяет обрабатывать изделия с низким удельным энергопотреблением, что позволяет свести к минимуму температурные различия внутри садки во время обработки. Об этом свидетельствует распределение микротвердости по глубине азотированного слоя для образцов, располагавшихся в разных местах садки (рис. 2).

Рис. 2.

а, в - шестерня массой 10,1 кг, 51 шт., ст - 40Х, модуль 4,5, выдержка 16 часов, Т= 530 0 С;

б, г - шестерня массой 45 кг, 11 шт., ст - 38ХН3МФА, модуль 3,25 (наружный венец) и 7 мм (внутренний венец), выдержка 16 часов, Т=555 0 С.

Ионное азотирование - эффективный метод упрочняющей обработки деталей из легированных конструкционных сталей : шестерен, зубчатых венцов, вал-зубчатых шестерен, валов, прямозубых, конических и цилиндрических шестерен, муфт, валов-шестерен сложной геометрической конфигурации и др.

Цементация, нитроцементация и ТВЧ-закалка оправдывают себя при изготовлении тяжелонагруженных деталей (зубчатые колеса, оси, валы и др.) низкой и средней точности, не требующих последующей шлифовки.

Указанные виды термообработки экономически нецелесообразны при изготовлении средне- и низконагруженных высокоточных деталей, т.к. при данной обработке наблюдается значительное коробление и требуется последующая шлифовка. Соответственно, при шлифовке необходимо снимать значительную толщину упрочненного слоя.

ИПА позволяет существенно снизить коробление и деформацию деталей при сохранении шероховатости поверхности в пределах Ra=0,63…1,2 мкм, что позволяет в подавляющем большинстве случаев использовать ИПА как финишную обработку.

Применительно к станкостроению, ионное азотирование зубчатых колес в существенной мере снижает шумовые характеристики станков, тем самым, повышая их конкурентоспособность на рынке.

ИПА наиболее эффективно при обработке крупносерийных однотипных деталей: шестерен, валов, осей, зубчатых валов, вал-зубчатых шестерен и др. Шестерни, подвергнутые плазменному азотированию, имеют лучшую стабильность размеров по сравнению с цементованными шестернями и могут использоваться без дополнительной обработки. При этом несущая способность боковой поверхности и прочность основания зуба, достигаемые с помощью плазменного азотирования, соответствуют цементованным шестерням (таб. 1).

Таблица 1. Характеристики сопротивления усталости сталей в зависимости от способов упрочнения зубчатых колес

При упрочняющей обработке методом ионного азотирования деталей из цементуемых, низко- и среднелегированных сталей (18ХГТ, 20ХНЗА, 20ХГНМ, 25ХГТ, 40Х, 40ХН, 40ХФА и др.) необходимо в начале проводить улучшение поковок - объемную закалку и отпуск до твердости 241-285 НВ (для некоторых сталей - 269-302 НВ), затем механическую обработку и в завершение - ионное азотирование. Для обеспечения минимальной деформации изделий перед азотированием для снятия напряжений рекомендуется проводить отжиг в атмосфере защитного газа, причем температура отжига должна быть выше температуры азотирования. Отжиг следует проводить перед точной механической обработкой.

Глубина азотированного слоя, формируемого на указанных изделиях, изготовленных из сталей 40Х, 18ХГТ, 25ХГТ, 20Х2Н4А и др., составляет 0,3-0,5 мм при твердости 500-800 HV в зависимости от марки стали (рис 3).

Для передач, работающих в условиях более тяжелых нагрузок, азотированный слой должен быть на уровне 0,6-0,8 мм с тонкой нитридной зоной или вообще без нее.

Рис. 3.

Оптимизация свойств упрочненного слоя определяется совокупностью характеристик основного материала (твердость сердцевины) и параметрами азотированного слоя. Характер нагрузки определяет глубину диффузионного слоя, тип и толщину нитридного слоя:

• · износ - "- или -слой;
• · динамическая нагрузка - ограниченная толщина нитридного слоя или вообще без нитридного слоя;
• · коррозия - -слой.

Независимое управление расходом каждого из компонентов газовой смеси, давлением в рабочей камере и вариация температурой процесса позволяют формировать слои различной глубины и твердости (рис. 4), обеспечивая тем самым стабильное качество обработки с минимальным разбросом свойств от детали к детали и от садки к садке (рис. 5).

Рис. 4.

• 1, 3, 5 - одностадийный процесс;
• 2,4 - двухстадийный процесс по содержанию N 2 в рабочей смеси
• 1,2 - T=530 0 C, t=16 часов; 3 - T=560 0 C, t=16 часов;
• 4 - T=555 0 C, t=15 часов, 5 - T = 460 0 С, t = 16 часов

Рис. 5.

Ионное азотирование широко известно и как один из эффективных методов повышения износостойкости режущего инструмента, изготовленного из быстрорежущих сталей марки Р6М5, Р18, Р6М5К5, Р12Ф4К5 и др.

Азотирование повышает износостойкость инструмента и его теплостойкость. Азотированная поверхность инструмента, обладающая пониженным коэффициентом трения и улучшенными антифрикционными свойствами, обеспечивает более легкий отвод стружки, а также предотвращает ее налипание на режущие кромки и образование лунок износа, что дает возможность увеличить подачу и скорость резания.

Оптимальной структурой азотированной быстрорежущей стали является высокоазотистый мартенсит, не содержащий избыточных нитридов. Указанная структура обеспечивается насыщением поверхности инструмента азотом при температуре 480-520 0 С в процессе кратковременного азотирования (до 1 часа). При этом формируется упрочненный слой глубиной 20-40 мкм с микротвердостью поверхности 1000-1200 HV0,5 при твердости сердцевины 800-900 HV (рис. 6) , а стойкость инструмента после ионного азотирования увеличивается в 2-8 раз в зависимости от его типа и вида обрабатываемого материала.

Рис. 6.

Главным достоинством ионного азотирования инструмента является возможность получения только диффузионного упрочненного слоя, либо слоя с монофазным нитридом Fe 4 N ("-фаза) на поверхности, в отличие от классического газового азотирования в аммиаке, где нитридный слой состоит из двух фаз - "+, что является источником внутренних напряжений на границе раздела фаз и вызывает хрупкость и отслаивание упрочненного слоя при эксплуатации.

Ионное азотирование является также одним из основных методов увеличения долговечности штампового инструмента и литьевой оснастки из сталей 5ХНМ, 4Х5МФС, 3Х2В8, 4Х5В2ФС, 4Х4ВМФС, 38Х2МЮА, Х12, Х12М, Х12Ф1.

В результате ионного азотирования можно улучшить следующие характеристики изделий:

• · Ковочные штампы для горячей штамповки и пресс-формы для литья металлов и сплавов - повышается износостойкость, уменьшается прилипание металла.
• · Пресс-формы для литья алюминия под давлением - азотированный слой препятствует прилипанию металла в зоне подачи жидкой струи, и процесс заполнения формы является менее турбулентным, что увеличивает срок службы пресс-форм, а отливка получается более высокого качества.

Существенно улучшает ионное азотирование и эксплуатационные характеристики инструмента для холодной (T < 250 0 С) обработки - вытяжка, гибка, штамповка, прессование, резка, чеканка и прошивка.

Основные требования, обеспечивающие высокую работоспособность такого инструмента - высокая прочность при сжатии, износостойкость и сопротивление холодной ударной нагрузке - достигаются в результате упрочняющей обработки методом ионного азотирования.

Если для инструмента используется высокохромистая сталь (12% хрома), то азотированный слой должен быть только диффузионным, если низколегированные стали - то дополнительно к диффузионному слою должен быть г-слой - твердый и пластичный.

Особенностью ионного азотирования высокохромистых сталей является то, что выбирая температуру процесса можно в широких пределах сохранять твердость сердцевины изделия, задаваемую предварительной термической обработкой (табл. 2).

Для получения износостойкого поверхностного слоя при сохранении вязкой сердцевины штампа необходимо проводить вначале закалку с отпуском на вторичную твердость, размерную обработку и затем ионное азотирование.

Для исключения или сведения к минимуму деформаций, возникающих при ионном азотировании штампового инструмента, перед окончательной механической обработкой рекомендуется проводить отжиг в среде инертного газа при температуре как минимум на 20 С ниже температуры отпуска.

При необходимости применяют полировку азотированных рабочих поверхностей.

Таблица 2. Характеристики легированных сталей после ионно-плазменного азотирования.

Варьируя состав насыщающей среды, температуру процесса и его длительность можно формировать слои разной глубины и твердости (рис. 7,8).

пуансон массой 237 кг
пресс-форма массой 1060 кг.

Рис. 7. Примеры обработки штамповой оснастки (а, б) и распределение микротвердости по глубине азотированного слоя (в, г).

Таким образом, как показывает мировой опыт, применение технологии ионного азотирования для упрочняющей обработки изделий из конструкционных сталей, а так же режущего и штампового инструмента эта технология является эффективной и относительно легко реализуемой, особенно с применением плазмы пульсирующего тока.

А.В. АРЗАМАСОВ
МГТУ им. Н. Э. Баумана
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 1. 1991 г.

Разработка новых производственных процессов ионного азотирования с целью повышения износостойкости поверхности деталей, изготовленных из аустенитных сталей, является актуальной задачей

Аустенитные стали относятся к трудноазотируемым, так как их поверхностные оксидные пленки препятствуют насыщению азотом и коэффициент диффузии азота в аустените меньше, чем в феррите. В связи с этим для удаления оксидных пленок при обычном азотировании необходима предварительная обработка поверхности стали или применение депассиваторов.

Обычное азотирование большинства аустенитных сталей проводят в аммиаке при 560-600 °С в течение 48-60 ч. Однако эти режимы не позволяют получить диффузионные слои толщиной более 0,12-0,15 мм, а на стали 45Х14Н14В2М (ЭИ69) невозможно получить толщину диффузионного слоя более 0,12 мм даже при азотировании в течение 100 ч. Повышение температуры азотирования в печи выше 700 °С приводит к более полной диссоциации аммиака и, вследствие этого, к понижению активности процесса.

Как правило, после обычного азотирования ухудшается коррозионная стойкость поверхностных слоев аустенитных сталей .

Ионное азотирование аустенитных сталей способствует увеличению коэффициента диффузии азота и не требует применения депассиваторов. При этом сокращается длительность процесса и улучшается качество получаемых азотированных слоев .

Однако ионное азотирование аустенитных сталей по ранее разработанным режимам не позволяло получать диффузионные слои большой толщины даже при длительных выдержках

На основании термодинамических расчетов и экспериментальных исследований был разработан режим ионного азотирования деталей из аустенитных сталей, позволяющий получать качественные глубокие износостойкие немагнитные коррозионно-стойкие диффузионные слои в сравнительно короткое время. Оксидные пленки удалялись с поверхности деталей в процессе химико-термической обработки .

Исследовали стандартные аустенитные стали 45Х14Н14В2М (ЭИ69), 12Х18Н10Т (ЭЯ1Т); 25Х18Н8В2 (ЭИ946) и опытные высокоазотистые, разработанные Институтом металловедения и технологии металлов Болгарской Академии наук - типа Х14АГ20Н8Ф2М (0,46% N), Х18АГ11Н7Ф (0,70% N), Х18АГ12Ф (0,88% N), Х18АГ20Н7Ф (1,09% N), Х18АГ20Ф (1,02% N), Х18АГ20Ф (2,00% N) .

Исследование структуры диффузионных слоев на сталях проводили с помощью металлографического, рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов. Установлено, что структурным критерием высокой износостойкости азотированных аустенитных сталей является наличие в диффузионном слое нитридов типа CrN. Анализ концентрационных кривых химических элементов, полученных с помощью микроанализаторов ISM-35 CF, Cameca MS-46, Camebax 23-APR-85 показал, что по сравнению с другими тяжелыми элементами хром наиболее скачкообразно распределяется по толщине слоя. В сердцевине образцов распределение хрома равномерное.

Неоднократное повторение экспериментов по исследованию распределения азота и хрома по толщине диффузионного слоя выявило синхронные скачкообразные изменения их концентраций. Кроме того, как показали послойные испытания на изнашивание, наибольшую износостойкость имеет микрозона диффузионного слоя с максимальным содержанием азота и хрома (табл. 1).

Таблица 1.

Дальнейшее исследование структуры азотированных аустенитных сталей с помощью микрорентгеноспектрального анализа позволило установить, что в микрозонах диффузионных слоев с повышенным содержанием азота и хрома наблюдается пониженная концентрация углерода, никеля и железа (табл. 1).

Сравнительный анализ микроструктуры слоя и сердцевины азотированной стали 45Х14Н14В2М, снятой в характеристическом хромовом К α -излучении показал, что в диффузионном слое содержится больше скоплений «белых точек» - соединений хрома, чем в сердцевине.

Послойные измерения магнитной проницаемости с помощью магнетоскопа F 1.067 и определение содержания ферритной фазы на ферритометре МФ-10И показали, что разработанный способ ионного азотирования деталей из аустенитных сталей способствует получению немагнитных диффузионных слоев (табл. 2).

Таблица 2.

Было также установлено, что азотированные стали 45Х14Н14В2М и типа Х14АГ20Н8Ф2М имеют удовлетворительную коррозионную стойкость.

По новому технологическому процессу была обработана партия шестерен, изготовленных из стали 45Х14Н14В2М. Детали соответствовали техническим требованиям. Микро- и макроструктурный анализ подтвердил наличие у шестерен качественного равномерного диффузионного слоя толщиной 270 мкм.

После длительных промышленных испытаний видимых дефектов на шестернях не обнаружено. Дальнейший контроль показал соответствие геометрических размеров шестерен технологическим требованиям, а также отсутствие изнашивания рабочих поверхностей деталей, что было подтверждено микроструктурным анализом.

Заключение. Разработанный режим ионного азотирования деталей из аустенитных сталей позволяет сократить длительность процесса более чем в 5 раз, при этом толщина слоя увеличивается в 3 раза, а износостойкость слоя - в 2 раза по сравнению с аналогичными параметрами после обычного азотирования. Кроме того, снижается трудоемкость, повышается культура производства и улучшается экологическая обстановка.

Список литературы:
1. Прогрессивные методы химико-термической обработки / Под ред. Г. Н. Дубинина, Я. Д. Когана. М.: Машиностроение, 1979. 184 с.
2. Азотирование и карбонитрирование / Р. Чаттерджи-Фишер, Ф. В. Эйзелл, Р. Хоффман и др.: Пер. с нем. М.: Металлургия, 1990. 280 с.
3. А. с. 1272740 СССР, МКИ С23С8/36.
4. Банных О. А., Блинов В. М. Дисперсионно-твердеющие немагнитные ванадийсодержащие стали. М.: Наука, 1980. 192 с.
5. Рашев Ц. В. Производство легированной стали. М.: Металлургия, 1981. 248 с.

Ионно-плазменное упрочнение Вакуумные ионно-плазменные методы упрочнения поверхностей деталей включают следующие процессы: генерацию (образование) корпускулярного потока вещества; его активизацию, ускорение и фокусировку; ; конденсацию и внедрение в поверхность деталей (подложек). Генерация: корпускулярного потока вещества возможна его испарением (сублимацией) и распылением. Испарение: переход конденсированной фазы в пар осуществляется в результате подводок тепловой энергии к испаряемому веществу. Твердые вещества обычно при нагревании расплавляются, а затем переходят в газообразное состояние. Некоторые вещества переходят в газообразное состояние минуя жидкую фазу. Такой процесс называется сублимацией. .

С помощью методов вакуумной ионно-плазменной технологии можно выполнить: 1) модифицирование поверхностных слоев: ионно-диффузионное насыщение; (ионное азотирование, науглероживание, борироване и др.); ионное (плазменное) травление (очистка); ионная имплантация (внедрение); отжиг в тлеющем разряде; ХТО в среде несамостоятельного разряда; 2) нанесение покрытий: полимеризация в тлеющем разряде; ионное осаждение (триодной распылительной системе, диодной распылительной системе, с использованием разряда в полом катоде); электродуговое испарение; ионно-кластерный метод; катодное распыление (на постоянном токе, высокочастотное); химическое осаждение в плазме тлеющего разряда.

Преимущества методов вакуумного ионно-плазменного упрочнения высокая адгезия покрытия к подложке; равномерность покрытия по толщине на большой площади; варьирование состава покрытия в широком диапазоне, в пределах одного технологического цикла; получение высокой чистоты поверхности покрытия; экологическая чистота производственного цикла.

Ионное распыление Ионные распылители разделяют на две группы: плазмоионные, в которых мишень находится в газоразрядной плазме, создаваемой с помощью тлеющего, дугового и высокочастотного разряда. Распыление происходит в результате бомбардировки мишени ионами, извлекаемыми из плазмы; автономные источники без фокусировки и с фокусировкой ионных пучков, бомбардирующих мишень.

Принципиальная система распыления 1 — камера; 2 — подложкодержатель; 3 — детали (подложки); 4 — мишень; 5 — катод; 6 — экран; 7 — подвод рабочего газа; 8 — источник питания; 9 — откачка.

ХТО в среде тлеющего разряда Диффузионные установки с тлеющим разрядом используются для проведения процессов азотирования, цементации, силицирования и других видов ХТО из газовой фазы. Глубина диффузионного слоя достигает нескольких миллиметров при равномерном насыщении всей по верхности изделия. Процесс ведется при пониженном давлении, равном 10 -1 – 10 -3 Па, что обеспечивает существование тлеющего разряда. Преимущества применения тлеющего разряда: высокий коэффициент использования электроэнергии (расход только на ионизацию газа и нагрев детали); уменьшение длительности процесса, за счет быстрого нагрева до температуры насыщения; увеличения активности газовой среды и поверхностного слоя; возможность получения покрытий из тугоплавких металлов, сплавов и химических соединений. Недостатки процесса: низкое давление в камере (10 -1 Па), малая производительность, работа в периодическом режиме, невозможность обработки длинномерных изделий (например, труб), значительный расход электроэнергии высокая стоимость установок.

Ионно-диффузионное насыщение Преимущества перед процессом обычного газового азотирования: сокращение длительности цикла в 3 -5 раз; уменьшение деформации деталей в 3 -5 раз; возможность проведения регулируемых процессов азотирования с получением слоев с заданным составом и структурой; возможность уменьшения температуры процесса азотирования до 350 -400 0 С, что позволяет избежать разупрочнения материалы сердцевины изделий; уменьшение хрупкости слоя и повышение его служебных характеристик; простота защиты отдельных участков деталей от азотирования; устранение опасности взрыва печи; снижение удельных расходов электрической энергии в 1, 5 -2 раза и рабочего газа в 30 -50 раз; улучшения условий труда термистов. Недостатки: невозможность ускорения процесса путем увеличения плотности ионного потока, т. к. в результате перегрева деталей снижается поверхностная твердость; интенсификация процесса ионного азотирования; наложение магнитного поля с целью увеличения плотности тока и снижения давления газа; за счет создания поверхности детали заданной дефектности (предварительное пластическое деформирование, термическая обработка).

Установка ионной цементации ЭВТ

Ионная цементация При ионной цементации в граничном слое создается высокий градиент концентрации углерода. Скорость роста науглероженного слоя материала составляет 0, 4… 0, 6 мм/ч, что в 3… 5 раз превышает этот показатель для других способов цементации. Продолжительность ионной цементации для получения слоя толщиной 1… 1, 2 мм сокращается до 2… 3 часов. Вследствие низкого расхода газов, электроэнергии и непродолжительного времени обработки производственные затраты снижаются в 4… 5 раз. К технологическим преимуществам ионной цементации следует отнести высокую равномерность науглероживания, отсутствие внешнего и внутреннего окисления, уменьшение коробления деталей. Объем механической обработки сокращается на 30 %, число технологических операций уменьшается на 40 %, продолжительность цикла обработки сокращается на 50 %.

Ионно-плазменное азотирование (ИПА) ИПА– разновидность химико-термической обработки деталей машин, инструмента, штамповой и литьевой оснастки, обеспечивающая диффузионное насыщение поверхностного слоя стали (чугуна) азотом или азотом и углеродом в азотно–водородной плазме при температуре 450 – 600 °С, а также титана или титановых сплавов при температуре 800 – 950 °С в азотной плазме. Сущность ионно-плазменного азотирования заключается в том, что в разряженной до 200– 1000 Па азотсодержащей газовой среде между катодом, на котором располагаются обрабатываемые детали, и анодом, роль которого выполняют стенки вакуумной камеры, возбуждается аномальный тлеющий разряд, образующий активную среду (ионы, атомы, возбужденные молекулы). Это обеспечивает формирование на поверхности изделия азотированного слоя, состоящего из внешней – нитридной зоны с располагающейся под ней диффузионной зоной.

Микроструктура азотированного слоя инструментальной стали 4 Х 5 МФС а б Микроструктуры сталей У 8 (а) и 20 Х 13 (б) после ионно-плазменного азотирования

Установка УА-63 -950/3400 с изменяемой геометрией рабочей камеры (высота 1, 7 или 3, 4 м)

Применение метода ионно-плазменного азотирования данным методом обрабатываются следующие изделия: форсунки для легковых автомобилей, несущие пластины автоматического привода, матрицы, пуансоны, штампы, пресс-формы (Daimler Chrysler); пружины для системы впрыска (Opel); коленчатые валы (Audi); распределительные (кулачковые) валы (Volkswagen); коленчатые валы для компрессора (Atlas, США и Wabco, Германия); шестерни для BMW (Handl, Германия); автобусные шестерни (Voith); упрочнения прессового инструмента в производстве алюминиевых изделий (Нугховенс, Скандекс, Джон Девис и др.). Есть положительный опыт промышленного использования данного метода странами СНГ: Беларусь – МЗКТ, МАЗ, Бел. АЗ; Россия – Авто. ВАЗ, Кам. АЗ, ММПП «Салют» , Уфимское моторостроительное объединение (УМПО). Методом ИПА обрабатываются: шестерни (МЗКТ); шестерни и другие детали (МАЗ); шестерни большого (более 800 мм) диаметра (Бел. АЗ); впускные и выпускные клапаны (Авто. ВАЗ); коленчатые валы (Кам. АЗ).

Металлизация изделий по типу 1 производится в декоративных целях, для повышения твёрдости и износостойкости, для защиты от коррозии. Из-за слабого сцепления покрытия с подложкой этот вид металлизации нецелесообразно применять для деталей, работающих в условиях больших нагрузок и температур. Технология металлизации по типам 1 и 2 а предусматривает наложение слоя вещества на поверхность холодного или нагретого до относительно невысоких температур изделия. К этим видам металлизации относятся: электролитические (гальванотехника); химические; газопламенные процессы получения покрытий (напыление); нанесение покрытий плакированием (механо-термический); диффузионный, погружением в расплавленные металлы. Технология металлизация по типу 2 б предусматривает диффузионное насыщение металлическими элементами поверхности деталей, нагретых до высоких температур, в результате которого в зоне диффузии элемента образуется сплав (Диффузионная металлизация). В этом случае геометрия и размеры металлизируемой детали практически не меняются.

Ионно-плазменная металлизация Ионно-плазменная металлизация имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими видами металлизации. Высокая температура плазмы и нейтральная среда позволяют получать покрытия с большей структурной однородностью, меньшей окисляемостью, более высокими когезионными и адгезионными свойствами, износостойкостью и др. по сравнению с этими свойствами других видов металлизации. С помощью этого метода металлизации можно распылять различные тугоплавкие материалы: вольфрам, молибден, титан и др. , твердые сплавы, а также окислы алюминия, хрома, магния и др. Нанесение покрытия можно осуществлять распылением как проволоки, так и порошка. Собственно металлизация состоит из трех процессов: плавления твердого металла проволоки или порошка (при ионно-плазменной металлизации), распыления расплавленного металла и формирования покрытия. Материалами для напыления могут быть любые тугоплавкие металлы в виде проволоки или порошка, но могут использоваться и среднеутлеродистые к легированные проволоки типа Нп-40, Нп-ЗОХГСА, Нп-ЗХ 13 и др. В условиях авторемонтных предприятий в качестве тугоплавких материалов может применяться сплав типа ВЗК (стеллит) или сормайт, обладающий высокими износостойкостью и коррозионной стойкостью.

При правильно выбранных составе и режиме нанесения износостойких покрытий эксплуатационные показатели режущего инструмента могут быть существенно улучшены. Однако вследствие неизменности свойств покрытия в пределах одного слоя на границе раздела с инструментальной основой резко изменяются физико-механический и теплофизические свойства (в первую очередь модуль упругости и коэффициент термического расширения), что приводит к образованию в покрытии высоких остаточных напряжений и снижению прочности его адгезионной связи с основой, которая является наиболее важным условием успешной эксплуатации режущего инструмента с покрытием.

Указанное, а также изменения контактных и тепловых процессов при обработке инструментом с покрытием, требуют создания между инструментальной основой и покрытием промежуточного переходного слоя, повышающего сопротивление режущего клина с покрытием, действующим нагрузкам.

Наиболее распространенный метод формирования такого слоя - ионное азотирование. При этом азотированный слой, формируемый перед нанесением покрытия, в зависимости от конкретных условий эксплуатации инструмента должен обладать определенной структурой, толщиной и микротвердостью. На практике такой обработке обычно подвергаются инструменты из быстрорежущих сталей.

Рисунок 4. Принципиальная схема вакуумно-дуговой установки для комбинированной обработки инструмента, включающей в себя ионное азотирование и нанесение покрытий: 1 - мишень; 2 - анод; 3 - экран; 4 - вакуумная камера; 5 - нейтральные атомы; 6 - ионы; 7 - электроны; 8 - обрабатываемые инструменты

Для ионного азотирования и последующего нанесения покрытия целесообразно применение установки на базе вакуумно-дугового разряда, в которой за один технологический цикл без перегрузки обрабатываемых инструментов можно реализовать все этапы комбинированного упрочнения.

Принцип работы такой установки заключается в следующем (рисунок 4).

Мишень испаряется катодными пятнами вакуумной дуги и используется в качестве катода дугового разряда. Специальный экран, расположенный между мишенью и анодом, делит камеру на две зоны, заполненные металлогазовой (слева от экрана) и газовой плазмой (справа). Этот экран непроницаем для микрокапель, нейтральных атомов и ионов металла, эмитируемых катодными пятнами на поверхности мишени. Только электроны проникают через экран, ионизуют по дороге к аноду подаваемый в камеру газ и таким путем образуют не содержащую металлических частиц газовую плазму.

Погруженные в плазму инструменты нагреваются электронами при подаче на них положительного потенциала, а при подаче отрицательного потенциала осуществляется их азотирование. По окончании азотирования экран смещается в сторону, а после того как частицы металлической мишени начинают поступать на поверхность инструмента, осуществляется синтез покрытия.

Осаждение покрытий - весьма энергоемкий процесс, сопровождающийся воздействием высокоэнергетического потока плазмы, особенно в момент ионной бомбардировки. В результате этого характеристики слоя, полученного при ионном азотировании, могут существенно изменяться.

Поэтому при оптимизации процесса комбинированной обработки быстрорежущего инструмента необходимо учитывать факторы не только процесса азотирования, но и последующего процесса нанесения износостойкого покрытия - в первую очередь время нанесения, от которого напрямую зависит толщина покрытия. С одной стороны, ее увеличение благоприятно сказывается на повышении износостойкости контактных площадок инструмента, а с другой - приводит к заметному увеличению количества дефектов в покрытии, снижению прочности сцепления покрытия с инструментальным материалом и уменьшению способности покрытия сопротивляться упругопластическим деформациям.

Важнейшими условиями комбинированной обработки являются температура и продолжительность процесса азотирования, объемная доля азота в газовой смеси с аргоном, а также время последующего процесса нанесения износостойкого покрытия. Другие факторы данного процесса: давление азота, опорное напряжение, ток дуги на катоде - влияют главным образом на характеристики покрытия и должны назначаться такими же, как и в случае осаждения традиционных покрытий.

В зависимости от типа режущего инструмента и условий его последующей эксплуатации при комбинированной обработке ее режимы обычно варьируют в следующих пределах: температура азотирования 420...510 °С; атомная доля азота N 2 в газовой смеси с аргоном 10...80 %; время азотирования 10...70 мин; давление газовой смеси ~ 9,75·10 -1 Па; время нанесения покрытий 40...80 мин.

Практика эксплуатации инструментов из быстрорежущих сталей после комбинированного упрочнения на различных операциях механообработки показывает, что наличие под покрытием азотированного слоя, в котором присутствует хрупкая нитридная зона (?- и?"-фазы), существенно ограничивает эффект от применения комбинированной обработки.

Такая структура формируется при азотировании в атмосфере чистого азота с использованием плазмы вакуумно-дугового разряда. Наличие сравнительно толстой нитридной зоны (> 0,5 мкм) при непрерывном резании (точении и сверлении) не обеспечивает существенного увеличения стойкости инструмента по сравнению с инструментом, имеющим традиционное покрытие, а при прерывистом резании (фрезеровании и долблении) часто ведет к выкрашиванию режущих кромок уже в первые минуты работы инструмента.

Введение аргона в состав азотсодержащей атмосферы при азотировании, предшествующем нанесению покрытия, позволяет управлять фазовым составом формируемого слоя и в зависимости от конкретных условий эксплуатации режущего инструмента и его служебного назначения получать необходимую структуру.

При эксплуатации быстрорежущего инструмента с комбинированной обработкой в условиях прерывистого резания оптимальной структурой азотированного слоя является вязкий и устойчивый к переменным нагрузкам твердый раствор азота в мартенсите, в котором допустимо образование незначительного количества дисперсных нитридов легирующих компонентов.

Указанная структура может быть получена при азотировании в среде, содержащей ~ 30 % N 2 и 70 % Аr.

В случае эксплуатации инструмента в условиях непрерывного резания наибольшей работоспособностью характеризуется слой, состоящий из азотистого мартенсита и специальных нитридов легирующих элементов (W, Mo, Cr, V).

Кроме того, допустимо наличие очень небольшого количества?-фазы. Данная структура повышает сопротивление поверхностного слоя инструмента термическим нагрузкам и может быть сформирована при азотировании в среде, содержащей ~ 60% N 2 и 40% Аг.

Покрытие из (Ti, Al)N, нанесенное на образцы, азотированные в разовых смесях, содержащих, %, 60 N 2 + 40 Ar и 30 N 2 + 70 Ar, отличается удовлетворительной прочностью адгезионной связи. На образцах не наблюдается ни отслаивания покрытия, ни явных трещин, которые были обнаружены на образцах, азотированных при 100 % N 2 .

Создание на контактных площадках режущего инструмента износостойкого комплекса, формируемого путем ионного азотирования с последующим нанесением покрытий в плазме вакуумно-дугового разряда, значительно влияет на интенсивность и характер изнашивания инструмента.

На рисунках 5 и 6 представлены экспериментально полученные профилограммы износа инструмента с покрытием и с комбинированной обработкой при продольном точении и торцевом фрезеровании конструкционной стали 45. Видно, что по сравнению с однослойным покрытием азотирование в сочетании с покрытием практически не изменяет характера изнашивания инструмента, но сильно снижает его интенсивность.

Для рассматриваемых условий эксплуатации отмечается невысокая эффективность инструмента с покрытием без азотирования, как при фрезеровании, так и при точении. Это связано с тем, что очень быстро разрушается покрытие и условия трения по задней поверхности все более приближаются к тем, которые характерны для инструмента без покрытия. А это означает, что увеличивается количество выделяющейся теплоты, возрастает температура вблизи задней поверхности, в результате чего в инструментальном материале начинаются необратимые процессы разупрочнения, которые и приводят к катастрофическому износу.

Исследования природы затупления инструмента с азотированием и покрытием позволяют сделать вывод, что основной вклад в снижение интенсивности изнашивания быстрорежущего инструмента вносит так называемый "краевой эффект", который состоит в следующем.

Уже в первые минуты работы инструмента, как видно из профилограмм его рабочих поверхностей (рисунки 5 и 6), покрытие разрушается на всю свою толщину на участках вблизи режущей кромки. Однако дальнейший рост очагов износа по длине и глубине сдерживается краями площадок контакта, сохраняющими износостойкую комбинацию покрытия и азотированного слоя.

Кроме того, поверхностный азотированный слой, обладающий повышенной твердостью в сочетании с высокой теплостойкостью, отличается более высоким сопротивлением микропластическим деформациям и способствует торможению процессов разупрочнения у задней поверхности.

Рисунок 5. Профилограммы изношенных участков режущих пластин из стали Р6М5 при точении стали 45: а - Р6М5 + (Ti, A1)N; б - Р6М5 + азотирование + (Ti, A1)N; режимы обработки: v = 82 м/мин; S = 0,2 мм/об; / = 1,5 мм (без СОЖ)

Рисунок 6. Профилограммы изношенных участков режущих пластин из стали Р6М5 при торцевом фрезеровании стали 45: а - Р6М5 + (Ti, Al)N; б - Р6М5 + азотирование + (Ti, Al)N; режимы обработки: v = 89 м/мин; S= 0,15 мм/зуб; В = 45 мм;

Производственный опыт показывает, что комбинированная обработка, предусматривающая предварительное азотирование и последующее нанесение покрытий, позволяет увеличить стойкость быстрорежущего инструмента самой широкой номенклатуры до 5 и до 3 раз по сравнению с инструментом соответственно без упрочнения и с традиционным покрытием.

На рисунке 7 показаны зависимости изменения износа во времени h 3 =f(T) режущих пластин из стали Р6М5, прошедших различные виды поверхностного упрочнения, при точении и торцевом фрезеровании стали 45. Видно, что стойкость до катастрофического износа инструмента при точении увеличивается в 2,6 раза, а при фрезеровании - в 2,9 раза по сравнению с инструментом с покрытием, но без азотирования.

Рисунок 7. Зависимость износа по задней поверхности инструмента из стали Р6М5 с различными вариантами поверхностной обработки от времени резания: -- *-- Р6М5 + (Ti, A1)N; --*-- Р6М5 + азотирование + (Ti-Al)N; а - точение стали 45 при v = 82 м/мин; S = 0,2 мм/об; /=1,5 мм; б - фрезерование стали 45: v = 89 м/мин; 5= 0,15 мм/зуб; В = 45 мм; t = 1,5 мм