Ионно-плазменное азотирование

Салимов Артур Зуфарович, Добрусин Ростислав Олегович, студенты группы КТО-328д, филиала ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» в г. Кумертау

Научный руководитель: Кононова Анастасия Юрьевна, ассистент кафедры «Технология производства летательных аппаратов», филиала ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» в г. Кумертау

В настоящее время актуальными являются вопросы повышения надёжности и долговечности машин, приборов, установок, а также повышение их качества и эффективности работы. Решение этих проблем, прежде всего, связано с упрочнением поверхностных слоев изделий.

Свойства поверхности можно изменить различными способами: нанесением на поверхность нового материала с необходимыми свойствами или изменением состава поверхностного слоя металла с помощью диффузионной химико-термической обработке (ХТО), в результате которой на поверхности изделия образуется новый, отличающийся от сердцевины, сплав.

Химико-термическая обработка позволяет получить в поверхностном слое изделия сплав практически любого состава и, следовательно, обеспечить комплекс необходимых свойств - физических, химических, механических и других, а также для повышения износостойкости, контактной выносливости, коррозионной стойкости, сопротивления усталости поверхности деталей [1].

Наиболее распространенными методами ХТО в настоящее время являются: азотирование, нитроцементация, карбонитрирование и другие. Использование данных способов не всегда позволяет обеспечить требуемые свойства поверхностного слоя, а их использование не всегда экономически целесообразно. Сейчас уделяется особое внимание разработке наукоемких и ресурсосберегающих технологий, позволяющих получать естественно армированные поверхности материалов с высокой конструкционной прочностью, а также сочетать в одном материале различные физические свойства (высокая прочность, высокая коррозионная и износостойкость, высокие антифрикционные свойства).

В данной статье рассматривается одна из таких технологий – ионно-плазменное азотирование.

Ионно-плазменное азотирование (ИПА) - это разновидность химико-термической обработки деталей машин, инструмента, штамповой и литьевой оснастки, обеспечивающая диффузионное насыщение поверхностного слоя стали и чугуна азотом или азотом и углеродом в азотно-водородной плазме при температуре 450-600⁰С, а также титана и титановых сплавов при температуре 800-950⁰С в азотной плазме.

Схема установки ионно-плазменного азотирования представлена на рисунке 1.

 

 

Рисунок 1. Схема установки для ионно-плазменного азотирования: 1 – камера (анод); 2 – азотируемые детали (катод); 3 –насос, коммуникации и приборы контроля; 4 – газобаллонная станция; 5 – приборы контроля и регулировки температуры; 6 – блок питания

Установки для ИПА работают в разряженной атмосфере при давлении до 1000 Па. В камеру (1), действующую по принципу катодно-анодной системы, подается азотно-водородная смесь для обработки чугуна и различных сталей или чистый азот в качестве рабочего газа для работы с титаном и его сплавами. Катодом служит заготовка (2), анодом – стенки камеры (1). Возбуждение аномально тлеющего заряда инициирует образование плазмы и, как следствие, активной среды, включающей в себя заряженные ионы, атомы и молекулы рабочей смеси, находящиеся в возбужденном состоянии. Низкое давление обеспечивает равномерное и полноценное покрытие заготовки свечением. Температура плазмы колеблется от 400 до 950 градусов в зависимости от рабочего газа [2].

Варьируя состав насыщающего газа, давление, температуру и время выдержки, можно получать слои заданной структуры и фазового состава, обеспечивая строго регламентируемые свойства сталей, чугунов, титана и сплавов. Оптимизация свойств упрочняемой поверхности обеспечивается за счет необходимого сочетания нитридного и диффузионного слоев, которые врастают в основной материал.

При этом, в зависимости от целей обработки, в результате ионно-плазменного азотирования возможно получение:

- диффузионного слоя с развитой нитридной зоной, обеспечивающей высокую сопротивляемость коррозии и прирабатываемость трущихся поверхностей - для деталей, работающих на износ;

- диффузионного слоя без нитридной зоны – для режущего и штампового инструмента и деталей, работающих при знакопеременных нагрузках в условиях изнашивания при высоких давлениях.

Ионно-плазменное азотирование исключает деформацию заготовки, а структура азотированного слоя остается неизменной даже при нагреве детали до 650 градусов, что вкупе с возможностью тонкой корректировки физико-механических свойств позволяет использовать ИПА для решения самых разнообразных задач. Кроме того, азотирование ионно-плазменным методом отлично подходит для обработки сталей разных марок, поскольку рабочая температура процесса в азотно-углеродной смеси не превышает 600 градусов, что исключает нарушения внутренней структуры и даже наоборот – способствует снижение вероятности усталостных разрушений и повреждений из-за высокой хрупкости нитридной фазы [3].

Для повышения антикоррозионных показателей и поверхностной твердости методом ионно-плазменного азотирования подходят заготовки любой формы и размеров со сквозными и глухими отверстиями.

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:

¾ более высокая поверхностная твердость азотированных деталей;

¾ отсутствие деформации деталей после обработки и высокая чистота поверхности;

¾ повышение предела выносливости и увеличение износостойкости обработанных деталей;

¾ более низкая температура обработки, благодаря чему, в стали не происходит структурных превращений;

¾ сохранение твердости азотированного слоя после нагрева до 600-650°С;

¾ возможность получения слоев заданного состава;

¾ возможность обработки изделий неограниченных размеров и форм;

¾ отсутствие загрязнения окружающей среды;

¾ повышение культуры производства;

¾ снижение себестоимости обработки в несколько раз.

По сравнению с газовым азотированием в печах, ИПА обеспечивает:

¾ сокращение продолжительности обработки в 2–5 раз, как за счет снижения времени нагрева и охлаждения садки, так и за счет уменьшения времени изотермической выдержки;

¾ снижение хрупкости упрочненного слоя;

¾ сокращение расхода рабочих газов в 20–100 раз;

¾ сокращение расхода электроэнергии 1,5-3 раза;

¾ снижение деформации настолько, чтобы исключить финишную шлифовку;

¾ улучшение санитарно-гигиенических условий производства;

¾ полное соответствие технологии всем современным требованиям по охране окружающей среды [3].

По сравнению с закалкой обработка методом ИПА позволяет:

¾ исключить деформации;

¾ увеличить ресурс работы азотированной поверхности в 2-5 раз [4].

Таким образом, ионно-плазменное азотирование может использоваться на производстве взамен жидкостного и газового азотирования, цементации, нитроцементации и ТВЧ-закалки. Кроме того, процесс ИПА обеспечивает полную экологическую безопасность.