Scienza dei materiali: appunti delle lezioni Alekseev Viktor Sergeevich

7. Trattamento chimico-termico: nitrurazione, nitrurazione ionica

Trattamento chimico-termico– la nitrurazione viene utilizzata per aumentare la durezza superficiale di varie parti – ruote dentate, manicotti, alberi, ecc. realizzati con acciai 38KhMYuA, 38KhVFYuA, 18Kh2N4VA, 40KhNVA, ecc. Nitrurazione- ultima operazione processo tecnologico produzione di parti. Prima della nitrurazione vengono eseguiti trattamenti termici e meccanici completi e anche la rettifica; dopo la nitrurazione è consentita solo la finitura con asportazione di metallo fino a 0,02 mm per lato. Nitrurazione chiamato trattamento chimico-termico, in cui avviene la saturazione per diffusione dello strato superficiale con azoto. Come risultato della nitrurazione si ottengono: elevata durezza dello strato superficiale (fino a 72 HRC), elevata resistenza alla fatica, resistenza al calore, deformazione minima, elevata resistenza all'usura e alla corrosione. La nitrurazione viene effettuata a temperature comprese tra +500 e +520 °C per 8–9 ore, la profondità dello strato nitrurato è di 0,1–0,8 mm. Al termine del processo di nitrurazione, i pezzi vengono raffreddati a +200–300 °C insieme al forno in un flusso di ammoniaca e poi all'aria.

Lo strato superficiale non è suscettibile all'incisione. Più profondo di quanto non sia una struttura simile alla sorbite. Il processo di nitrurazione liquida nei sali di cianuro fuso è ampiamente utilizzato nell'industria. Lo spessore dello strato nitrurato è di 0,15-0,5 mm.

Lo strato nitrurato non è soggetto a fratture fragili. La durezza dello strato nitrurato degli acciai al carbonio è fino a 350 HV, legato - fino a 1100 HV. Gli svantaggi del processo sono la tossicità e l'alto costo dei sali di cianuro.

In numerosi settori viene utilizzata la nitrurazione ionica, che presenta numerosi vantaggi rispetto alla nitrurazione gassosa e liquida. La nitrurazione ionica viene eseguita in un contenitore sigillato in cui viene creata un'atmosfera contenente azoto rarefatto. A tale scopo vengono utilizzati azoto puro, ammoniaca o una miscela di azoto e idrogeno. Le parti poste all'interno del contenitore sono collegate al polo negativo di una sorgente di costante forza elettromotiva Agiscono come un catodo. L'anodo è il corpo del contenitore. Un'alta tensione (500-1000 V) viene attivata tra l'anodo e il catodo: si verifica la ionizzazione del gas. I risultanti ioni di azoto caricati positivamente si precipitano verso il polo negativo, il catodo. L'alta tensione viene creata vicino al catodo campo elettrico. L'elevata energia cinetica posseduta dagli ioni di azoto si trasforma in energia termica. Dettaglio per poco tempo(15–30 min) si riscalda da +470 a +580 °C, l'azoto si diffonde in profondità nel metallo, cioè nitrurando.

Rispetto alla nitrurazione in forno, la nitrurazione ionica permette di ridurre di 2-3 volte la durata complessiva del processo, per ridurre la deformazione dei pezzi dovuta al riscaldamento uniforme.

La nitrurazione ionica di acciai e leghe resistenti alla corrosione si ottiene senza ulteriore trattamento di depassivazione. Lo spessore dello strato nitrurato è di 1 mm o più, la durezza superficiale è di 500-1500 HV. La nitrurazione ionica viene applicata a parti di pompe, iniettori, viti di comando di macchine utensili, alberi e molto altro.

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Possibilità tecnologiche nitrurazione ionica nei prodotti indurenti di acciai da costruzione e per utensili

M. N. Bosyakov, S. V. Bondarenko, D. V. Zhuk, P. A. Matusevich

JV "Avicenna International", Repubblica di Bielorussia, Minsk,

st. Surganova, 2a, 220012, tel. +375 17 2355002

La nitrurazione ione-plasma (IPA) è un metodo di trattamento chimico-termico di prodotti in acciaio e ghisa dalle grandi capacità tecnologiche, che consente di ottenere strati di diffusione della composizione desiderata utilizzando diversi mezzi gassosi, ad es. il processo di saturazione della diffusione è controllabile e può essere ottimizzato a seconda dei requisiti specifici di profondità dello strato e durezza superficiale. L'intervallo di temperatura della nitrurazione ionica è più ampio di quello della nitrurazione gassosa ed è compreso tra 400 e 600 0 С. le loro proprietà operative sono notevolmente aumentate pur mantenendo la durezza del nucleo al livello di 55-60 HRC. Parti e strumenti di quasi tutte le industrie sono sottoposti a trattamento di indurimento con il metodo IPA (Fig. 1).

Riso. 1. Applicazione della nitrurazione ione-plasma per l'indurimento di vari prodotti

Come risultato dell'IPA, le seguenti caratteristiche dei prodotti possono essere migliorate: resistenza all'usura, resistenza alla fatica, proprietà a pressioni estreme, resistenza al calore e resistenza alla corrosione. Rispetto ai metodi ampiamente utilizzati per il trattamento chimico-termico di indurimento delle parti in acciaio, come la cementazione, la carbonitrurazione, la cianurazione e la nitrurazione gassosa nei forni, il metodo IPA presenta i seguenti principali vantaggi:

maggiore durezza superficiale delle parti nitrurate; nessuna deformazione delle parti dopo la lavorazione ed elevata finitura superficiale; aumentare il limite di resistenza e aumentare la resistenza all'usura delle parti lavorate; minore temperatura di lavorazione, grazie alla quale non si verificano trasformazioni strutturali nell'acciaio; la possibilità di elaborare fori sordi e passanti; conservazione della durezza dello strato nitrurato dopo il riscaldamento a 600-650 С; la possibilità di ottenere strati di una data composizione; la possibilità di elaborare prodotti di dimensioni e forme illimitate; nessun inquinamento ambiente; migliorare la cultura della produzione; riducendo più volte il costo dell'elaborazione.

I vantaggi dell'IPA si manifestano anche in una significativa riduzione dei principali costi di produzione. Quindi, ad esempio, rispetto alla nitrurazione gassosa nei forni, l'IPA fornisce:

riduzione del tempo di elaborazione di 2-5 volte, sia riducendo il tempo di riscaldamento e raffreddamento della carica, sia riducendo il tempo di mantenimento isotermico; ridurre la fragilità dello strato indurito; riduzione del consumo di gas di lavoro di 20-100 volte; riduzione del consumo di elettricità di 1,5-3 volte; esclusione dell'operazione di depassivazione; riduzione della deformazione in modo da escludere la rettifica di finitura; semplicità e affidabilità della protezione dello schermo contro la nitrurazione delle superfici non indurite; miglioramento delle condizioni igienico-sanitarie di produzione; piena conformità della tecnologia a tutti i requisiti moderni per la protezione dell'ambiente.

Rispetto all'indurimento L'elaborazione IPA lo consente:

escludere deformazioni; aumentare la durata della superficie nitrurata di 2-5 volte.

L'utilizzo dell'IPA in sostituzione della cementazione, nitrocarburazione, nitrurazione gassosa o liquida, tempra volumetrica o ad alta frequenza consente di risparmiare le principali attrezzature e aree di produzione, riducendo le costi di trasporto, ridurre il consumo di elettricità e mezzi gassosi attivi. Il principio di funzionamento dell'IPA è che in un mezzo gassoso contenente azoto scaricato (p = 200-1000 Pa) tra il catodo - parti - e l'anodo - le pareti della camera a vuoto - viene eccitata una scarica di bagliore anormale, formando un mezzo attivo (ioni, atomi, molecole eccitate), che fornisce la formazione di uno strato nitrurato, costituito da una zona di nitruro esterna e una zona di diffusione situata sotto di essa. I fattori tecnologici che influenzano l'efficienza della nitrurazione ionica sono la temperatura di processo, la durata della saturazione, la pressione, la composizione e il consumo della miscela di gas di lavoro. Temperatura di processo, l'area della carica coinvolta nello scambio termico e l'efficienza di scambio termico con la parete (il numero di schermi) determinano la potenza necessaria per mantenere la scarica e fornire la temperatura desiderata dei prodotti.La scelta della temperatura dipende da il grado di lega dell'acciaio formante nitruro con elementi formanti nitruro: maggiore è il grado di lega, maggiore è la temperatura. La temperatura di lavorazione dovrebbe essere almeno 10-20 0 С inferiore alla temperatura di rinvenimento. Durata e temperatura del processo le saturazioni determinano la profondità dello strato, la distribuzione della durezza sulla profondità e lo spessore della zona di nitruro. La composizione del mezzo saturante dipende dal grado di lega dell'acciaio trattato e dai requisiti di durezza e profondità dello strato nitrurato. Pressione di processo deve essere tale da garantire un "accoppiamento" ermetico mediante lo scarico della superficie dei prodotti e ottenere uno strato uniforme di nitrurazione. Tuttavia, va tenuto presente che la scarica in tutte le fasi del processo deve essere anomala, ovvero la superficie di tutte le parti della carica deve essere completamente ricoperta di luminescenza e la densità di corrente di scarica deve essere maggiore della normale densità per una data pressione, tenendo conto del gas ad effetto riscaldante nella regione catodica della scarica. Con l'avvento di una nuova generazione di impianti IPA, che utilizzano come mezzo di lavoro miscele a composizione controllata di idrogeno, azoto e argon, nonché plasma "pulsante" anziché a corrente continua, la producibilità del processo di nitrurazione ionica è aumentata in modo significativo. L'utilizzo del riscaldamento combinato (pareti “calde” della camera) o della protezione termica potenziata (triplo scudo termico), unitamente alla possibilità di regolare autonomamente la composizione e la pressione del gas nella camera, consente di evitare il surriscaldamento dei taglienti sottili durante il riscaldamento della carica durante la lavorazione dell'utensile da taglio, per controllare con precisione il tempo di saturazione e, rispettivamente, e la profondità dello strato, perché i prodotti possono essere riscaldati in un ambiente privo di azoto, ad esempio in una miscela di Ar+H 2 . L'efficiente isolamento termico della camera di lavoro (triplo scudo termico) consente la lavorazione di prodotti a basso consumo energetico specifico, che consente di minimizzare le differenze di temperatura all'interno del carico durante la lavorazione. Ciò è evidenziato dalla distribuzione della microdurezza sulla profondità dello strato nitrurato per campioni situati in punti diversi della carica (Fig. 2).

Riso. 2. Distribuzione della microdurezza sulla profondità dello strato nitrurato per tre campioni situati in punti diversi della gabbia.

a, c - attrezzatura del peso di 10,1 kg, 51 pezzi, st - 40X, modulo 4.5, esposizione 16 ore, T = 530 0 С;

b, d - ingranaggio del peso di 45 kg, 11 pezzi, st - 38KhN3MFA, modulo 3.25 (anello esterno)

e 7 mm (corona interna), esposizione 16 ore, Т=555 0 С.

La nitrurazione ionica è un metodo efficace per il trattamento di indurimento delle parti in acciai strutturali legati: ingranaggi, corone dentate, alberi per ingranaggi, alberi, ruote dentate cilindriche, coniche e cilindriche, giunti, alberi per ingranaggi di configurazione geometrica complessa, ecc. alberi, ecc.) di bassa e media precisione, che non necessitano di successiva rettifica. Questi tipi di trattamento termico non sono economicamente fattibili nella produzione di parti di alta precisione a carico medio e basso, perché con questo trattamento si osservano notevoli deformazioni e si rende necessaria la successiva molatura. Di conseguenza, durante la molatura, è necessario rimuovere uno spessore significativo dello strato indurito. L'IPA può ridurre significativamente la deformazione e la deformazione delle parti mantenendo la rugosità superficiale entro Ra = 0,63 ... 1,2 µm, il che consente nella stragrande maggioranza dei casi di utilizzare l'IPA come trattamento di finitura. Applicata all'industria delle macchine utensili, la nitrurazione ionica degli ingranaggi riduce significativamente le caratteristiche di rumorosità delle macchine utensili, aumentando così la loro competitività sul mercato. L'IPA è più efficace nella lavorazione di parti simili su larga scala: ingranaggi, alberi, assali, alberi dentati, ingranaggi albero-dentato, ecc. Gli ingranaggi nitrurati al plasma hanno una migliore stabilità dimensionale rispetto agli ingranaggi cementati e possono essere utilizzati senza ulteriore lavorazione. Allo stesso tempo, la capacità portante della superficie laterale e la resistenza della base del dente, ottenuta mediante nitrurazione al plasma, corrispondono a ingranaggi cementati (Tabella 1).

Tabella 1

Caratteristiche di resistenza alla fatica degli acciai in funzione dei metodi di tempra degli ingranaggi

Tipo acciaio	Tipo di lavorazione	Limite di resistenza alla flessione, MPa	Limite di resistenza al contatto superficiale, MPa	Durezza del fianco del dente, HV
legato	indurimento
Migliorato (40X, 40XH, 40XFA, 40XH2MA, 40XMFA, 38XM, 38XH3MFA, 38X2H2MFA, 30X2NM, ecc.)	Nitrurazione
Normalizzato	Plasma o tempra ad induzione
Speciale nitrurato (38HMYUA, 38H2MYUA, 35HYUA, 38HVFYUA, 30H3MF, ecc.)	Nitrurazione
legato	Cementazione e nitrocarburazione

Durante il trattamento di tempra mediante nitrurazione ionica di parti in acciai cementati, basso e medio legati (18KhGT, 20KhNZA, 20KhGNM, 25KhGT, 40Kh, 40KhN, 40KhFA, ecc.), è necessario migliorare i forgiati all'inizio - tempra volumetrica e rinvenimento a una durezza di 241-285 HB (per alcuni acciai - 269-302 HB), quindi lavorazione e, infine, nitrurazione ionica. Per garantire la minima deformazione dei prodotti prima della nitrurazione di distensione, si consiglia di eseguire la ricottura in un'atmosfera di gas protettivo e la temperatura di ricottura dovrebbe essere superiore alla temperatura di nitrurazione. La ricottura deve essere eseguita prima della lavorazione di precisione. La profondità dello strato di nitrurazione formato su questi prodotti, realizzati con acciai 40Kh, 18KhGT, 25KhGT, 20Kh2N4A, ecc., è di 0,3-0,5 mm con una durezza di 500-800 HV, a seconda del tipo di acciaio (Fig. 3). Per gli ingranaggi che operano in condizioni di carichi più pesanti, lo strato di nitrurato dovrebbe essere al livello di 0,6-0,8 mm con una sottile zona di nitruro o senza di essa.

Riso. 3. Distribuzione della microdurezza sulla profondità dello strato nitrurato per diversi acciai

L'ottimizzazione delle proprietà dello strato indurito è determinata dalla combinazione delle caratteristiche del materiale di base (durezza del nucleo) e dei parametri dello strato nitrurato. La natura del carico determina la profondità dello strato di diffusione, il tipo e lo spessore dello strato di nitruro:

indossare - g'- o e-strato; carico dinamico - spessore limitato dello strato di nitruro o nessuno strato di nitruro; corrosione - strato elettronico.

Il controllo indipendente della portata di ciascuno dei componenti della miscela gassosa, la pressione nella camera di lavoro e la variazione della temperatura del processo consentono di formare strati di diversa profondità e durezza (Fig. 4), garantendo così una qualità di lavorazione stabile con una diffusione minima delle proprietà da parte a parte e da carica a carica ( Fig. 5).

Riso. 4. Distribuzione della microdurezza sulla profondità dello strato nitrurato di acciaio 40Kh

1, 3, 5 - processo a una fase;

2.4 - processo in due fasi per contenutoN 2 nella miscela di lavoro

1,2 – T=530 0 C, T=16 ore; 3-T=560 0 C, T=16 ore;

4 – T=555 0 C, T\u003d 15 ore, 5 - T \u003d 460 0 C, t = 16 ore

Riso. 5. Diffusione della microdurezza sulla profondità dello strato nitrurato

per acciaio 40Kh (a) e 38KhNZMFA (b) per lavorazioni seriali.

La nitrurazione ionica è ampiamente conosciuta come una delle metodi efficaci aumentare la resistenza all'usura degli utensili da taglio in acciai rapidi gradi R6M5, R18, R6M5K5, R12F4K5, ecc. La nitrurazione aumenta la resistenza all'usura dell'utensile e la sua resistenza al calore. La superficie nitrurata dell'utensile, che presenta un coefficiente di attrito ridotto e migliori proprietà antifrizione, facilita l'asportazione dei trucioli e impedisce inoltre che i trucioli si attacchino ai taglienti e la formazione di fori di usura, il che consente di aumentare la velocità di avanzamento e taglio. La struttura ottimale dell'acciaio rapido nitrurato è la martensite ad alto contenuto di azoto, che non contiene nitruri in eccesso. Questa struttura è assicurata dalla saturazione della superficie dell'utensile con azoto a una temperatura di 480-520 ° C durante la nitrurazione a breve termine (fino a 1 ora). In questo caso, si forma uno strato indurito con una profondità di 20–40 μm con una microdurezza superficiale di 1000–1200 HV0.5 con una durezza del nucleo di 800–900 HV (Fig. 6) e la durata dell'utensile dopo la nitrurazione ionica aumenta di 2-8 volte, a seconda del tipo e del tipo di materiale in lavorazione.

Riso. 6. La struttura dello strato nitrurato di acciaio R6M5 (a) e la distribuzione della microdurezza sulla profondità dello strato (b).

Il vantaggio principale della nitrurazione ionica dell'utensile è la possibilità di ottenere solo uno strato indurito per diffusione, ovvero uno strato con nitruro monofase Fe 4 N (fase ') sulla superficie, a differenza della classica nitrurazione gassosa in ammoniaca, dove il lo strato di nitruro è costituito da due fasi - '+ , che è una fonte di sollecitazioni interne al confine di fase e provoca fragilità e desquamazione dello strato indurito durante il funzionamento. La nitrurazione ionica è anche uno dei metodi principali per aumentare la durabilità. strumenti di stampaggio e attrezzature per lo stampaggio ad iniezione da acciai 5KhNM, 4Kh5MFS, 3Kh2V8, 4Kh5V2FS, 4Kh4VMFS, 38Kh2MYUA, Kh12, Kh12M, Kh12F1. Come risultato della nitrurazione ionica, le seguenti caratteristiche dei prodotti possono essere migliorate:

Forgiatura muore per stampa a caldo e stampi per la fusione di metalli e leghe - aumenta la resistenza all'usura, diminuisce l'adesione del metallo. Stampi per pressofusione in alluminio - Lo strato nitrurato impedisce al metallo di attaccarsi nell'area del getto di liquido e il processo di riempimento dello stampo è meno turbolento, il che aumenta la durata degli stampi e la fusione è di qualità superiore.

Migliora significativamente la nitrurazione ionica e caratteristiche di performance strumento per il freddo (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 γ-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.

Tavolo 2.

Caratteristiche degli acciai legati dopo nitrurazione ionica-plasmatica.

grado di acciaio	Durezza del cuoreecolpevolezza	Temperatura di processo 0 CON	Caratteristiche dello strato			Tipo di livello di connessione consigliato
			Profondità, mm	TV, HV 1	Spessore dello strato composto,
Acciai per lavorazioni a caldo
Acciai per lavorazioni a freddo

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Nitrurazione ionica.

A volte questo processo è chiamato ionitrazione o nitrurazione in un plasma a scarica luminescente. L'essenza di questo metodo sta nel fatto che in un contenitore sigillato viene creata un'atmosfera contenente azoto rarefatto. A tale scopo si può utilizzare azoto puro, ammoniaca o una miscela di azoto e idrogeno. All'interno del contenitore vengono poste delle parti nitrurate, che sono collegate al polo negativo di una sorgente a tensione costante. Svolgono il ruolo di un catodo. La parete del contenitore funge da anodo. Un'alta tensione (500-1000 V) viene attivata tra il catodo e l'anodo. In queste condizioni si verifica la ionizzazione del gas. I risultanti ioni di azoto caricati positivamente si precipitano verso il polo negativo, il catodo. La resistenza elettrica del mezzo gassoso vicino al catodo aumenta bruscamente, per cui quasi tutta la tensione fornita tra l'anodo e il catodo ricade sulla resistenza vicino al catodo, a una distanza di alcuni millimetri da esso. Questo crea un'intensità di campo elettrico molto elevata vicino al catodo.

Gli ioni di azoto, entrando in questa zona di alta tensione, vengono accelerati a velocità elevate e, scontrandosi con la parte (catodo), vengono introdotti nella sua superficie. In questo caso, l'elevata energia cinetica che avevano gli ioni di azoto viene convertita in energia termica. Di conseguenza, la parte in breve tempo, circa 15-30 min, viene riscaldata ad una temperatura di 470-580°C, alla quale l'azoto si diffonde nella profondità del metallo, cioè avviene il processo di nitrurazione. Inoltre, quando gli ioni entrano in collisione con la superficie del pezzo, gli ioni di ferro vengono espulsi dalla sua superficie. A causa di ciò, la superficie viene pulita dai film di ossido che impediscono la nitrurazione. Ciò è particolarmente importante per la nitrurazione di acciai resistenti alla corrosione, in cui un tale film passivante è molto difficile da rimuovere con metodi convenzionali.

La nitrurazione ionica presenta i seguenti vantaggi rispetto alla nitrurazione in forno:

1) riduzione della durata totale del processo di 1,5-2 volte;

2) la possibilità di controllare il processo per ottenere uno strato nitrurato con le proprietà desiderate;

3) minore deformazione delle parti grazie al riscaldamento uniforme; 4) la possibilità di nitrurare acciai e leghe resistenti alla corrosione senza ulteriore trattamento depassivante.

E le produzioni industrialmente sviluppate oggi privilegiano il trattamento chimico-termico, in particolare la nitrurazione ione-plasma (di seguito IPA), che si differenzia favorevolmente dal punto di vista economico da tecnologie termiche. Oggi, l'IPA è attivamente utilizzato nella costruzione di macchine, navi e macchine utensili, nell'industria agricola e di riparazione, per la produzione di impianti per l'industria energetica. Tra le imprese che utilizzano attivamente la tecnologia della nitrurazione ionica-plasma ci sono grandi nomi come la tedesca Daimler Chrysler, il gigante automobilistico BMW, la svedese Volvo, lo stabilimento bielorusso di trattori a ruote, KamAZ e BelAZ. Inoltre, il vantaggio dell'IPA è stato apprezzato dai produttori di utensili per la pressatura: Skandex, Nughovens.

Tecnologia di processo

La nitrurazione ione-plasma, utilizzata per utensili da lavoro, parti di macchine, attrezzature per stampaggio e fusione, assicura la saturazione dello strato superficiale del prodotto con azoto o una miscela azoto-carbonio (a seconda del materiale del pezzo). Gli impianti IPA operano in atmosfera rarefatta a pressioni fino a 1000 Pa. La camera, che funziona secondo il principio di un sistema catodo-anodo, viene alimentata con una miscela di azoto-idrogeno per la lavorazione di ghisa e acciai vari, oppure azoto puro come gas di lavoro per la lavorazione del titanio e sue leghe. Il pezzo in lavorazione funge da catodo e le pareti della camera fungono da anodo. L'eccitazione di una carica anormalmente luminosa avvia la formazione di un plasma e, di conseguenza, un mezzo attivo, che include ioni caricati, atomi e molecole della miscela di lavoro che si trovano in uno stato eccitato. La bassa pressione fornisce un rivestimento uniforme e completo del pezzo con un bagliore. La temperatura del plasma varia da 400 a 950 gradi, a seconda del gas di lavoro.

Per la nitrurazione ionica-plasma è necessaria 2-3 volte meno energia elettrica e la qualità della superficie del prodotto lavorato consente di eliminare completamente la fase di finitura della macinazione

Il film formatosi sulla superficie è costituito da due strati: lo strato di diffusione inferiore e lo strato superiore di nitruro. La qualità dello strato superficiale modificato e efficienza economica Il processo nel suo complesso dipende da una serie di fattori, tra cui la composizione del gas di lavoro, la temperatura e la durata del processo.

Garantire una temperatura stabile dipende dai processi di scambio termico che avvengono direttamente all'interno della camera IPA. Per ridurre l'intensità processi metabolici con le pareti della camera vengono utilizzati speciali scudi termici non conduttivi. Consentono un notevole risparmio nel consumo energetico. La temperatura del processo, unita alla durata, influisce sulla profondità di penetrazione dei nitruri, che provoca cambiamenti nel grafico della distribuzione della profondità degli indicatori di durezza. Le temperature inferiori a 500 gradi sono ottimali per la nitrurazione di acciai legati lavorati a freddo e materiali martensitici, poiché le prestazioni migliorano senza modificare la durezza del nucleo o il degrado termico. struttura interna.
La composizione del mezzo attivo influisce sulla durezza finale e sulla dimensione della zona di nitruro e dipende dalla composizione del pezzo.

Risultati dell'applicazione della nitrurazione ione-plasma

La nitrurazione ione-plasma consente di aumentare gli indicatori di resistenza all'usura con una simultanea diminuzione della tendenza al danneggiamento da fatica della struttura metallica. L'ottenimento delle proprietà superficiali richieste è determinato dal rapporto tra profondità e composizione degli strati di diffusione e nitruro. Lo strato di nitruro, in base alla composizione chimica, è solitamente suddiviso in due fasi determinanti: "gamma" con alta percentuale di composti Fe4N e "upsilon" con Fe2N Fe3N. -fase è caratterizzata da una bassa plasticità dello strato superficiale con valori di resistenza elevati tipi diversi corrosione, la fase ε fornisce un rivestimento resistente all'usura relativamente duttile.

Per quanto riguarda lo strato di diffusione, la zona di nitruro sviluppata adiacente riduce la probabilità di corrosione intergranulare, fornendo un grado di rugosità sufficiente per l'attrito attivo. Le parti con un tale rapporto di strati vengono utilizzate con successo nei meccanismi di usura. L'esclusione dello strato di nitruro consente di prevenire la distruzione con una variazione costante della forza di carico in condizioni di pressione sufficientemente elevata.

Quello. la nitrurazione ionica-plasma viene utilizzata per ottimizzare la resistenza all'usura, al calore e alla corrosione con un cambiamento nella resistenza alla fatica e nella rugosità, che influisce sulla probabilità di rigatura dello strato superficiale.

Vantaggi della nitrurazione ionica al plasma

La nitrurazione ione-plasma in un processo tecnico ben regolato fornisce una diffusione minima delle proprietà superficiali da parte a parte a un'intensità energetica relativamente bassa, il che rende l'IPA più attraente della tradizionale nitrurazione gassosa, carbonitrurazione e cianurazione.

La nitrurazione al plasma ionico elimina la deformazione del pezzo e la struttura dello strato nitrurato rimane invariata anche quando la parte viene riscaldata a 650 gradi, il che, insieme alla possibilità di regolazione fine delle proprietà fisiche e meccaniche, consente di utilizzare l'IPA per risolvere un'ampia varietà di problemi. Inoltre, la nitrurazione con il metodo ion-plasma è eccellente per la lavorazione di acciai di diversi gradi, poiché la temperatura operativa del processo in una miscela azoto-carbonio non supera i 600 gradi, il che elimina le violazioni della struttura interna e, al contrario , aiuta a ridurre la probabilità di rotture per fatica e danni dovuti all'elevata fragilità della fase nitrurata.

Per migliorare le prestazioni anticorrosive e la durezza superficiale mediante nitrurazione a plasma ionico, sono adatti pezzi di qualsiasi forma e dimensione con fori passanti e ciechi. La protezione dello schermo contro la nitrurazione non è una soluzione ingegneristica complessa, quindi l'elaborazione di singole sezioni di qualsiasi forma è facile e semplice.

Rispetto ad altri metodi di indurimento e aumento della resistenza intergranulare, l'IPA è caratterizzato da una durata del processo molte volte più breve e da una doppia riduzione del consumo di gas di lavoro. Quello. la nitrurazione ionica-plasma richiede 2-3 volte meno elettricità e la qualità della superficie del prodotto lavorato consente di eliminare completamente la fase di finitura della macinazione. Inoltre, è possibile invertire il processo di nitrurazione, ad esempio prima della rettifica.

Epilogo

Sfortunatamente, sullo sfondo anche dei paesi vicini, i produttori nazionali usano abbastanza raramente la nitrurazione con il metodo del plasma ionico, sebbene i vantaggi economici, fisici e meccanici siano visibili ad occhio nudo. L'introduzione della nitrurazione al plasma ionico nella produzione migliora le condizioni di lavoro, aumenta la produttività e riduce il costo del lavoro, mentre la durata del prodotto lavorato aumenta di 5 volte. Di norma, la questione della costruzione di processi tecnici utilizzando installazioni per IPA si basa sul problema piano finanziario, sebbene non ci siano ostacoli soggettivamente reali. La nitrurazione al plasma ionico, con un design dell'apparecchiatura abbastanza semplice, esegue più operazioni contemporaneamente, la cui implementazione con altri metodi è possibile solo per fasi, quando il costo e la durata aumenteranno notevolmente. Inoltre, ci sono diverse società in Russia e Bielorussia che collaborano con produttori stranieri di apparecchiature IPA, il che rende l'acquisto di tali unità più conveniente ed economico. A quanto pare, il problema principale sta solo nel banale processo decisionale, che, come tradizione russa, nascerà nel nostro Paese per molto tempo e difficile.

Indurimento ione-plasma Vuoto metodi ioni-plasma l'indurimento delle superfici delle parti comprende i seguenti processi: generazione (formazione) di un flusso corpuscolare di materia; la sua attivazione, accelerazione e messa a fuoco; ; condensa e penetrazione nella superficie delle parti (substrati). Generazione: il flusso corpuscolare della materia è possibile mediante la sua evaporazione (sublimazione) e spruzzatura. Evaporazione: la transizione della fase condensata in vapore viene effettuata a seguito della fornitura di energia termica alla sostanza evaporata. I solidi di solito si sciolgono quando riscaldati e poi si trasformano in uno stato gassoso. Alcune sostanze passano allo stato gassoso bypassando fase liquida. Questo processo è chiamato sublimazione. .

Utilizzando i metodi della tecnologia del plasma ionico sottovuoto, è possibile eseguire: 1) modifica degli strati superficiali: saturazione della diffusione ionica; (nitrurazione ionica, cementazione, borurazione, ecc.); attacco ionico (plasma) (pulizia); impianto ionico (implementazione); ricottura a scarica luminescente; CTO in ambiente di scarica non autosostenuta; 2) rivestimento: polimerizzazione a scarica luminescente; deposizione di ioni (sistema di sputtering a triodo, sistema di sputtering a diodi, mediante scarica a catodo cavo); evaporazione ad arco elettrico; metodo del cluster ionico; polverizzazione catodica (cc, alta frequenza); deposizione chimica nel plasma a scarica luminescente.

Vantaggi dei metodi di indurimento con plasma ionico sottovuoto elevata adesione del rivestimento al substrato; uniformità di spessore del rivestimento su una vasta area; variazione della composizione del rivestimento in un'ampia gamma, all'interno di un ciclo tecnologico; ricezione purezza elevata superficie di rivestimento; pulizia ecologica ciclo produttivo.

Sputtering di ioni Gli sputter di ioni si dividono in due gruppi: sputter plasmonici, in cui il bersaglio si trova in un plasma a scarica di gas creato da un bagliore, un arco e una scarica ad alta frequenza. Lo sputtering si verifica a seguito del bombardamento del bersaglio con ioni estratti dal plasma; sorgenti autonome senza focalizzazione e con focalizzazione di fasci ionici che bombardano il bersaglio.

Sistema di nebulizzazione principale 1 - camera; 2 - porta substrato; 3 - dettagli (substrati); 4 - bersaglio; 5 - catodo; 6 - schermo; 7 - fornitura di gas di lavoro; 8 - alimentazione; 9 - pompaggio.

CTO in un ambiente a scarica luminescente Gli impianti di diffusione a scarica luminescente vengono utilizzati per la nitrurazione, carburazione, siliconizzazione e altri tipi di CTO dalla fase gassosa. La profondità dello strato di diffusione raggiunge diversi millimetri con saturazione uniforme dell'intera superficie del prodotto. Il processo viene eseguito a una pressione ridotta di 10 -1 - 10 -3 Pa, che garantisce l'esistenza di una scarica luminescente. Vantaggi dell'utilizzo di una scarica luminescente: alta efficienza energetica (consumo solo per ionizzazione del gas e riscaldamento del pezzo); ridurre la durata del processo, grazie al rapido riscaldamento a temperatura di saturazione; aumento dell'attività del mezzo gassoso e dello strato superficiale; la possibilità di ottenere rivestimenti da metalli refrattari, leghe e composti chimici. Svantaggi del processo: bassa pressione nella camera (10 -1 Pa), bassa produttività, funzionamento a lotti, impossibilità di lavorare prodotti lunghi (ad esempio tubi), consumo energetico significativo, costo elevato delle installazioni.

Saturazione a diffusione ionica Vantaggi rispetto alla nitrurazione gassosa convenzionale: riduzione del tempo di ciclo di 3-5 volte; riduzione della deformazione delle parti di 3-5 volte; la possibilità di effettuare processi di nitrurazione controllata per ottenere strati di data composizione e struttura; la possibilità di ridurre la temperatura del processo di nitrurazione a 350 -400 0 С, che consente di evitare l'ammorbidimento dei materiali di base dei prodotti; riducendo la fragilità dello strato e aumentandola caratteristiche di performance; facilità di protezione delle singole sezioni delle parti dalla nitrurazione; eliminazione del pericolo di esplosione del forno; riduzione dei costi unitari energia elettrica 1,5-2 volte e gas di lavoro 30-50 volte; miglioramento delle condizioni di lavoro dei lavoratori termici. Svantaggi: l'impossibilità di accelerare il processo aumentando la densità del flusso ionico, perché a causa del surriscaldamento delle parti diminuisce la durezza superficiale; intensificazione del processo di nitrurazione ionica; applicare un campo magnetico per aumentare la densità di corrente e ridurre la pressione del gas; creando la superficie della parte di una determinata difettosità (deformazione plastica preliminare, trattamento termico).

Unità di carburazione ionica EVT

Cementazione ionica La cementazione ionica crea un elevato gradiente di concentrazione di carbonio nello strato limite. Il tasso di crescita dello strato cementato di materiale è di 0,4…0,6 mm/h, che è 3…5 volte superiore rispetto ad altri metodi di cementazione. La durata della cementazione ionica per ottenere uno strato con uno spessore di 1 ... 1,2 mm è ridotta a 2 ... 3 ore. A causa del basso consumo di gas, elettricità e tempi di lavorazione brevi costi di produzione diminuire di 4 ... 5 volte. I vantaggi tecnologici della carburazione ionica includono un'elevata uniformità di carburazione, l'assenza di ossidazione esterna ed interna e una diminuzione della deformazione delle parti. La quantità di lavorazione è ridotta del 30%, il numero operazioni tecnologicheè ridotto del 40%, il tempo di ciclo è ridotto del 50%.

Nitrurazione ione-plasma (IPA) L'IPA è un tipo di trattamento chimico-termico di parti di macchine, utensili, attrezzature per pressofusione e colata, che prevede la saturazione per diffusione dello strato superficiale dell'acciaio (ghisa) con azoto o azoto e carbonio in azoto- plasma di idrogeno a una temperatura di 450 - 600 ° C , nonché titanio o leghe di titanio a una temperatura di 800 - 950 ° C in plasma di azoto. L'essenza della nitrurazione ione-plasma è quella in un mezzo gassoso contenente azoto scaricato a 200-1000 Pa tra il catodo, su cui si trovano i pezzi, e l'anodo, il cui ruolo è svolto dalle pareti della camera a vuoto , viene eccitata una scarica luminescente anormale, formando un mezzo attivo (ioni, atomi, molecole eccitate). Ciò garantisce la formazione di uno strato nitrurato sulla superficie del prodotto, costituito da una zona esterna di nitruro con una zona di diffusione situata sotto di essa.

Microstruttura dello strato nitrurato acciaio per utensili 4 X 5 MFS a b Microstrutture di acciai U 8 (a) e 20 X 13 (b) dopo nitrurazione ione-plasma

Installazione UA-63 -950/3400 con geometria variabile della camera di lavoro (altezza 1,7 o 3,4 m)

Applicazione del metodo di nitrurazione ionico-plasma con questo metodo vengono elaborati i seguenti prodotti: ugelli per automobili, piastre di supporto per trasmissioni automatiche, matrici, punzoni, matrici, stampi (Daimler Chrysler); molle per il sistema di iniezione (Opel); alberi motore (Audi); alberi di distribuzione (a camme) (Volkswagen); alberi motore per il compressore (Atlas, USA e Wabco, Germania); ingranaggi per BMW (Handl, Germania); ingranaggi per autobus (Voith); tempra degli utensili di pressatura nella produzione di prodotti in alluminio (Nughovens, Scandex, John Davis, ecc.). Vivi un'esperienza positiva uso industriale questo metodo Paesi della CSI: Bielorussia - MZKT, MAZ, Bel. AZ; Russia - Auto. VAZ, Kam. AZ, MMPP Salyut, Ufa Engine Building Association (UMPO). Il metodo IPA elabora: ingranaggi (MZKT); ingranaggi e altre parti (MAZ); ingranaggi di diametro grande (più di 800 mm) (Bel. AZ); valvole di aspirazione e scarico (Avto. VAZ); alberi motore (Kam. AZ).

La metallizzazione dei prodotti secondo il tipo 1 viene eseguita a scopo decorativo, per aumentare la durezza e la resistenza all'usura, per proteggere dalla corrosione. A causa della scarsa adesione del rivestimento al supporto, questo tipo di metallizzazione non è consigliabile per parti operanti sotto carichi e temperature elevate. La tecnologia di metallizzazione secondo i tipi 1 e 2 a prevede l'applicazione di uno strato di una sostanza sulla superficie di un prodotto freddo o riscaldato a temperature relativamente basse. Questi tipi di metallizzazione includono: elettrolitica (galvanica); chimico; processi a fiamma di gas per l'ottenimento di rivestimenti (sputtering); rivestimento mediante rivestimento (meccanotermico); diffusione, immersione in metalli fusi. La tecnologia di metallizzazione secondo il tipo 2 b prevede la saturazione per diffusione della superficie delle parti riscaldate ad alte temperature con elementi metallici, a seguito della quale si forma una lega nella zona di diffusione dell'elemento (metallizzazione per diffusione). In questo caso, la geometria e le dimensioni della parte metallizzata praticamente non cambiano.

Metallizzazione ione-plasma La metallizzazione ione-plasma presenta una serie di vantaggi significativi rispetto ad altri tipi di metallizzazione. L'elevata temperatura del plasma e l'ambiente neutro consentono di ottenere rivestimenti con maggiore uniformità strutturale, minore ossidabilità, maggiori proprietà coesive e adesive, resistenza all'usura, ecc. rispetto a queste proprietà di altri tipi di metallizzazione. Con questo metodo di metallizzazione si possono spruzzare vari materiali refrattari: tungsteno, molibdeno, titanio, ecc., leghe dure, nonché ossidi di alluminio, cromo, magnesio, ecc. La metallizzazione vera e propria consiste in tre processi: fusione del metallo solido del filo o della polvere (durante la metallizzazione a ioni-plasma), spruzzatura del metallo fuso e formazione di un rivestimento. I materiali spray possono essere qualsiasi metalli refrattari sotto forma di filo o polvere, ma possono essere utilizzati anche fili a medio tenore di carbonio o legati dei tipi Np-40, Np-ZOHGSA, Np-ZKh 13, ecc.. elevata resistenza all'usura e resistenza alla corrosione.