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.

h, мкм	Содержание химических элементов, %				ε
	C	N	Cr	Ni
20	0,70	10,0	19,0	11,0	9,5
40	0,85	12,0	25,0	8,0	10,7
45	0,88	15,0	25,0	8,0	11,2
50	0,92	10,0	25,0	8,0	11,0
70	0,90	0	14,0	12,0	1,7
* — остальное Fe Примечания: 1. Испытания на изнашивание проводили на машине «Шкода-Савин». 2. Относительную износостойкость определяли по отношению объёмов вытертых лунок на эталоне (стальной образец с твёрдостью 51 HRC) и исследуемом образце ε = V эт /V обр (относительная износостойкость сердцевины ε=0,08).

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.

Короткий путь http://bibt.ru

Ионное азотирование.

Иногда такой процесс называют ионитрированием или азотированием в плазме тлеющего разряда. Сущность этого метода заключается в том, что в герметичном контейнере создается разреженная азотосодержащая атмосфера. С этой целью можно использовать чистый азот, аммиак или смесь азота и водорода. Внутри контейнера размещают азотируемые детали, которые подключают к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения. Они играют роль катода. Анодом служит стенка контейнера. Между катодом и анодом включается высокое напряжение (500—1000 В). В этих условиях происходит ионизация газа. Образующиеся положительно заряженные ионы азота устремляются к отрицательному полюсу — катоду. Электрическое сопротивление газовой среды вблизи катода резко возрастает, вследствие чего почти все напряжение, подаваемое между анодом и катодом, падает на сопротивление вблизи катода, на расстоянии нескольких миллиметров от него. Благодаря этому создается очень высокая напряженность электрического поля вблизи катода.

Ионы азота, входя в эту зону высокой напряженности, разгоняются до больших скоростей и, соударяясь с деталью (катодом), внедряются в ее поверхность. При этом высокая кинетическая энергия, которую имели ионы азота, переходит в тепловую. В результате деталь за короткое время, примерно 15— 30 мин, разогревается до температуры 470—580°С, при которой происходит диффузия азота в глубь металла, т. е. идет процесс азотирования. Кроме того, при соударении ионов с поверхностью детали происходит выбивание ионов железа с ее поверхности. Благодаря этому происходит очистка поверхности от окисных пленок, препятствующих азотированию. Это особенно важно для азотирования коррозионно-стойких сталей, у которых такая пассивирующая пленка обычными способами удаляется очень трудно.

Ионное азотирование по сравнению с азотированием в печах имеет следующие преимущества:

1) сокращение общей продолжительности процесса в 1,5—2 раза;

2) возможность регулирования процесса с целью получения азотированного слоя с заданными свойствами;

3) меньшую деформацию деталей благодаря равномерному нагреву; 4) возможность азотирования коррозионно-стойких сталей и сплавов без дополнительной депассивирующей обработки.

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.

Марка стали	Твердость сердцевины, HRC	Температура процесса	Характеристики слоя	Тип реко-менду-емого слоя соеди-нений
	Глубина, мм	Пов. тв-сть,HV 1	Толщина слоя соед.,мкм
Стали для горячей обработки
Стали для холодной обработки

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.

Ионно-плазменное азотирование (ИПА) – современный упрочняющий метод химико-термической обработки изделий из чугуна, углеродистых, легированных и инструментальных сталей, титановых сплавов, металлокерамики, порошковых материалов. Высокая эффективность технологии достигается путём использования разных газовых сред, влияющих на образование диффузионного слоя различного состава в зависимости от конкретных требований к его глубине и твёрдости поверхности.

Азотирование ионно-плазменным методом актуально для обработки нагруженных деталей, работающих в агрессивных средах, подвергающихся трению и химической коррозии, поэтому широко применяется в машиностроительной отрасли, включая станкостроение, авто- и авиационную промышленность, а также в нефтегазовом, топливно-энергетическом и горнодобывающем секторе, инструментальном и высокоточном производстве.

В процессе поверхностной обработки ионным азотированием улучшаются поверхностные характеристики металлов и эксплуатационная надёжность ответственных деталей машин, двигателей, станков, гидравлики, точной механики и прочих изделий: повышается усталостная и контактная прочность, поверхностная твёрдость и сопротивляемость к трещинообразованию, увеличивается износо-задиростойкость, тепло- и коррозионная стойкость.

Преимущества ионно-плазменного азотирования

Технология ИПА имеет ряд неоспоримых достоинств, основное из которых – стабильное качество обработки с минимальным разбросом свойств. Управляемый процесс диффузионного насыщения газа и нагрева обеспечивает равномерное покрытие высокого качества, заданного фазового состава и структуры.

• Высокая поверхностная твёрдость азотированных деталей.
• Отсутствие деформации деталей после обработки и высокая чистота поверхности.
• Сокращение времени обработки сталей в 3-5 раз, титановых сплавов – в 5-10.
• Повышение эксплуатации азотированной поверхности в 2-5 раз.
• Возможность обработки глухих и сквозных отверстий.

Низкотемпературный режим исключает структурные превращения стали, снижает вероятность усталостных разрушений и повреждений, позволяет проводить охлаждение с любой скоростью без риска возникновения мартенсита. Обработка при температурах ниже 500 °С особенно эффективна при упрочнении изделий из инструментальных легированных, быстрорежущих и мартенситно-стареющих сталей: их эксплуатационные свойства повышаются без изменения твёрдости сердцевины (55-60 HRC).

Экологически безопасный метод ионно-плазменного азотирования предотвращает искривление и деформацию деталей при сохранении исходной шероховатости поверхности в пределах Ra=0,63…1,2 мкм – вот почему технология ИПА эффективна в качестве финишной обработки.

Технология процесса

Установки для ИПА работают в разряженной атмосфере при давлении 0,5-10 мбар. В камеру, действующую по принципу катодно-анодной системы, подаётся ионизированная газовая смесь. Между обрабатываемой заготовкой и стенками вакуумной камеры образуется тлеющий импульсный разряд. Созданная под его воздействием активная среда, состоящая из заряженных ионов, атомов и молекул, формирует на поверхности изделия азотированный слой.

Состав насыщающей среды, температура и продолжительность процесса влияют на глубину проникновения нитридов, вызывающих значительное увеличение твёрдости поверхностного слоя изделий.

Ионное азотирование деталей

Ионное азотирование широко применяется в целях упрочнения деталей машин, рабочих инструментов и технологической оснастки неограниченных типоразмеров и форм: зубчатых венцов, коленчатых и распределительных валов, конических и цилиндрических шестерён, экструдеров, муфт сложной геометрической конфигурации, шнеков, режущего и бурового инструмента, оправок, матриц и пуансонов для штамповки, пресс-форм.

Для ряда изделий (шестерён большого диаметра для большегрузных автомобилей, экскаваторов и т. д.) ИПА – единственный способ получения готовой продукции с минимальным процентом брака.

Свойства изделий после упрочнения методом ИПА

Упрочнение зубчатых колёс методом ионного азотирования повышает предел выносливости зубьев при испытаниях на усталость при изгибе до 930 МПа, значительно снижает шумовые характеристики станков и повышает их конкурентоспособность на рынке.

Технология ионно-плазменного азотирования широко применяется для упрочнения поверхностного слоя пресс-форм, используемых при литье под давлением: азотированный слой препятствует прилипанию металла в зоне подачи жидкой струи, и процесс заполнения формы становится менее турбулентным, что увеличивает срок службы пресс-форм, и обеспечивает высокое качество отливки.

Ионно-плазменное азотирование в 4 и более раз повышает износостойкость штампового и режущего инструмента, изготовленного из сталей марок Р6М5, Р18, Р6М5К5, Р12Ф4К5 и других, с одновременным увеличением режимов резания. Азотированная поверхность инструмента за счёт пониженного коэффициента трения обеспечивает более лёгкий отвод стружки, а также предотвращает её налипание на режущие кромки, что позволяет увеличить подачу и скорость резания.

Компания «Ионмет» оказывает услуги по поверхностному упрочнению конструкционных материалов различных типов деталей и инструмента методом ионно-плазменного азотирования – корректно подобранный режим позволит достигнуть необходимых технических показателей твёрдости и глубины азотированного слоя, обеспечит высокие потребительские свойства продукции.

• Упрочнение поверхностного слоя мелкомодульных и крупномодульных зубчатых колёс, коленчатых и распределительных валов, направляющих, втулок, гильз, шнеков, цилиндров, пресс-форм, осей и т. д.
• Повышение стойкости к циклической и пульсирующей нагрузке коленчатых и кулачковых валов, толкателей, клапанов, зубчатых колёс и т. д.
• Повышение износостойкости и коррозионной стойкости, уменьшение прилипания металла при литье пресс-форм, прессовых и молотовых штампов, пуансонов для глубокой вытяжки, матриц.

Процесс азотирования происходит в современных автоматизированных установках:

• Ø стола 500 мм, высотой 480 мм;
• Ø стола 1000 мм, высотой 1400 мм.

Уточнить полную номенклатуру изделий для упрочняющей обработки, а также возможность азотирования крупногабаритных деталей со сложной геометрией можно у специалистов компании «Ионмет». Для определения технических условий азотирования и начала сотрудничества отправьте нам чертёж, укажите марки стали и примерную технологию изготовления деталей.