Nitrurazione al plasma - processo e passaggi. Possibilità tecnologiche della nitrurazione ionica nel rinforzo di prodotti da acciai strutturali e da utensili

Con la giusta composizione e modalità di applicazione dei rivestimenti resistenti all'usura, le prestazioni dell'utensile da taglio possono essere notevolmente migliorate. Tuttavia, a causa dell'invariabilità delle proprietà del rivestimento all'interno di uno strato all'interfaccia con la base dell'utensile, le proprietà fisiche, meccaniche e termiche (principalmente il modulo di elasticità e il coefficiente di dilatazione termica) cambiano drasticamente, il che porta alla formazione di elevate sollecitazioni residue nel rivestimento e una diminuzione della forza del suo legame adesivo con una base, che è la condizione più importante per il corretto funzionamento di un utensile da taglio rivestito.

Quanto specificato, così come i cambiamenti nei processi di contatto e termici durante la lavorazione con un utensile rivestito, richiedono la creazione di uno strato di transizione intermedio tra la base dell'utensile e il rivestimento, che aumenta la resistenza del cuneo tagliente rivestito ai carichi agenti.

Il metodo più comune per formare un tale strato è la nitrurazione ionica. In questo caso lo strato di nitrurazione formatosi prima del rivestimento, a seconda delle specifiche condizioni operative dell'utensile, deve avere una certa struttura, spessore e microdurezza. In pratica, gli utensili in acciaio rapido sono solitamente sottoposti a tale lavorazione.

Figura 4 schema elettrico unità ad arco sottovuoto per la lavorazione combinata degli utensili, inclusi nitrurazione ionica e rivestimento: 1 - target; 2 - anodo; 3 - schermo; 4 - camera a vuoto; 5 - atomi neutri; 6 - ioni; 7 - elettroni; 8 - strumenti elaborati

Per nitrurazione ionica e successiva verniciatura, è consigliabile utilizzare un impianto basato su scarica ad arco sottovuoto, in cui tutte le fasi di tempra combinata possono essere realizzate in un unico ciclo tecnologico senza sovraccaricare gli utensili lavorati.

Il principio di funzionamento di tale installazione è il seguente (Figura 4).

Il bersaglio viene evaporato dai punti catodici dell'arco a vuoto e viene utilizzato come catodo di scarica dell'arco. Uno schermo speciale situato tra il bersaglio e l'anodo divide la camera in due zone piene di gas metallico (a sinistra dello schermo) e gas plasma (a destra). Questo schermo è impermeabile alle microgocce, agli atomi neutri e agli ioni metallici emessi dai punti del catodo sulla superficie del bersaglio. Solo gli elettroni penetrano nello schermo, ionizzano il gas fornito alla camera nel loro cammino verso l'anodo, e in questo modo formano un gas plasma che non contiene particelle metalliche.

Gli utensili immersi nel plasma vengono riscaldati dagli elettroni quando viene loro applicato un potenziale positivo e quando viene applicato un potenziale negativo vengono nitrurati. Alla fine della nitrurazione, lo schermo viene spostato di lato e dopo che le particelle del bersaglio metallico iniziano a fluire sulla superficie dello strumento, viene sintetizzato il rivestimento.

La deposizione del rivestimento è un processo ad alta intensità energetica, accompagnato dall'azione di un flusso di plasma ad alta energia, specialmente al momento del bombardamento ionico. Di conseguenza, le caratteristiche dello strato ottenuto mediante nitrurazione ionica possono cambiare in modo significativo.

Pertanto, quando si ottimizza il processo di lavorazione combinata di utensili ad alta velocità, è necessario tenere conto non solo dei fattori del processo di nitrurazione, ma anche del successivo processo di applicazione di un rivestimento resistente all'usura, prima di tutto l'applicazione tempo, che influisce direttamente sullo spessore del rivestimento. Da un lato, il suo aumento ha un effetto positivo sull'aumento della resistenza all'usura dei cuscinetti di contatto dell'utensile e, dall'altro, porta ad un notevole aumento del numero di difetti nel rivestimento, una diminuzione dell'adesione resistenza del rivestimento al materiale dell'utensile e una diminuzione della capacità del rivestimento di resistere alle deformazioni elasto-plastiche.

Le condizioni più importanti per il trattamento combinato sono la temperatura e la durata del processo di nitrurazione, la frazione volumetrica di azoto nella miscela di gas con argon e il tempo del successivo processo di rivestimento resistente all'usura. Altri fattori in questo processo: pressione dell'azoto, tensione di riferimento, corrente d'arco sul catodo - influenzano principalmente le caratteristiche del rivestimento e dovrebbero essere impostati come nel caso della deposizione dei rivestimenti tradizionali.

A seconda del tipo di utensile da taglio e delle condizioni del suo successivo funzionamento durante la lavorazione combinata, le sue modalità variano solitamente entro i seguenti limiti: temperatura di nitrurazione 420 ... 510 ° C; frazione atomica di azoto N 2 in una miscela di gas con argon 10 ... 80%; tempo di nitrurazione 10...70 min; pressione della miscela di gas ~ 9,75·10 -1 Pa; tempo di applicazione del rivestimento 40...80 min.

La pratica di utilizzare utensili in acciai rapidi dopo la tempra combinata in varie operazioni di lavorazione mostra che la presenza di uno strato di nitrurato sotto il rivestimento, in cui è presente una zona di nitruro fragile (fase α e β), limita notevolmente la effetto del trattamento combinato.

Tale struttura si forma durante la nitrurazione in un'atmosfera di azoto puro utilizzando un plasma a scarica ad arco sotto vuoto. La presenza di una zona di nitruro relativamente spessa (> 0,5 µm) nel taglio continuo (tornitura e foratura) non fornisce un aumento significativo della durata dell'utensile rispetto ad un utensile con rivestimento tradizionale, e nel taglio interrotto (fresatura e scalpellatura) spesso porta alla scheggiatura dei taglienti già nei primi minuti di funzionamento dell'utensile.

L'introduzione di argon nella composizione di un'atmosfera contenente azoto durante la nitrurazione prima della deposizione del rivestimento consente di controllare la composizione di fase dello strato formato e, a seconda delle condizioni operative specifiche dell'utensile da taglio e del suo scopo di servizio, ottenere il struttura necessaria.

Quando si utilizza un utensile ad alta velocità con lavorazione combinata in condizioni di taglio intermittente, la struttura ottimale dello strato nitrurato è una soluzione solida viscosa e resistente al carico di azoto in martensite, in cui la formazione di una piccola quantità di nitruri dispersi di componenti di lega è ammissibile.

Questa struttura può essere ottenuta mediante nitrurazione in un mezzo contenente ~ 30% N 2 e 70% Ar.

Nel caso di funzionamento dell'utensile in condizioni di taglio continuo, lo strato costituito da martensite azotata e speciali nitruri di elementi di lega (W, Mo, Cr, V) è caratterizzato dalle più elevate prestazioni.

Inoltre, è ammissibile la presenza di una piccolissima quantità di fase α. Questa struttura aumenta la resistenza dello strato superficiale dell'utensile ai carichi termici e può formarsi durante la nitrurazione in un ambiente contenente ~ 60% N 2 e 40% Ag.

Il rivestimento (Ti, Al)N depositato su campioni nitrurati in miscele monouso contenenti, %, 60 N 2 + 40 Ar e 30 N 2 + 70 Ar, è caratterizzato da una soddisfacente forza di adesione. I campioni non presentano scrostamenti del rivestimento, né cricche evidenti, che sono state riscontrate su campioni nitrurati al 100% N 2 .

La creazione di un complesso resistente all'usura sui cuscinetti di contatto di un utensile da taglio, formato mediante nitrurazione ionica seguita da rivestimento in un plasma a scarica ad arco sotto vuoto, influisce in modo significativo sull'intensità e sulla natura dell'usura dell'utensile.

Le figure 5 e 6 mostrano i profilogrammi ottenuti sperimentalmente dell'usura dell'utensile con un rivestimento e con la lavorazione combinata durante la tornitura longitudinale e la spianatura dell'acciaio strutturale 45. la sua intensità.

Per le condizioni operative considerate, si ha una bassa efficienza di un utensile con rivestimento senza nitrurazione, sia in fresatura che in tornitura. Ciò è dovuto al fatto che il rivestimento viene distrutto molto rapidamente e le condizioni di attrito sulla superficie posteriore si avvicinano sempre più a quelle tipiche di un utensile non rivestito. Ciò significa che aumenta la quantità di calore rilasciato, aumenta la temperatura vicino alla superficie posteriore, a seguito della quale iniziano processi di ammorbidimento irreversibili nel materiale dell'utensile, che portano a un'usura catastrofica.

Gli studi sulla natura dello smussamento dell'utensile con nitrurazione e rivestimento ci consentono di concludere che il principale contributo alla riduzione dell'intensità dell'usura di un utensile ad alta velocità è dato dal cosiddetto "effetto tagliente", che consiste nel seguente.

Già nei primi minuti di funzionamento dell'utensile, come si può vedere dai profilogrammi delle sue superfici di lavoro (Figure 5 e 6), il rivestimento viene distrutto per tutto il suo spessore nelle zone vicine al tagliente. Tuttavia, l'ulteriore crescita dei centri di usura lungo la lunghezza e la profondità è limitata dai bordi delle aree di contatto, che conservano la combinazione resistente all'usura del rivestimento e dello strato nitrurato.

Inoltre, lo strato superficiale nitrurato, che presenta una maggiore durezza unita ad un'elevata resistenza al calore, è caratterizzato da una maggiore resistenza alle deformazioni microplastiche e contribuisce all'inibizione dei processi di rammollimento sulla superficie posteriore.

Figura 5. Profilogrammi delle sezioni usurate degli inserti da taglio in acciaio R6M5 durante la tornitura dell'acciaio 45: a - R6M5 + (Ti, A1)N; b - Р6М5 + nitrurazione + (Ti, A1)N; modalità di lavorazione: v = 82 m/min; S = 0,2 mm/giro; / = 1,5 mm (senza refrigerante)

Figura 6. Profilogrammi delle sezioni usurate degli inserti da taglio in acciaio R6M5 durante la spianatura dell'acciaio 45: a - R6M5 + (Ti, Al)N; b - Р6М5 + nitrurazione + (Ti, Al)N; modalità di lavorazione: v = 89 m/min; S= 0,15 mm/dente; H = 45mm;

L'esperienza produttiva dimostra che il trattamento combinato, che prevede la nitrurazione preliminare e il successivo rivestimento, consente di aumentare la vita utensile della più ampia gamma di utensili ad alta velocità rispettivamente fino a 5 e fino a 3 volte rispetto all'utensile, senza indurimento e con rivestimento tradizionale.

La Figura 7 mostra le dipendenze della variazione dell'usura nel tempo h 3 \u003d f (T) degli inserti da taglio in acciaio R6M5, che hanno subito vari tipi di indurimento superficiale, durante la tornitura e la spianatura dell'acciaio 45. Si può vedere che la resistenza all'usura catastrofica dell'utensile durante la tornitura aumenta di 2, 6 volte e nella fresatura - 2,9 volte rispetto a un utensile con rivestimento, ma senza nitrurazione.

Figura 7. Dipendenza dall'usura sulla superficie posteriore dell'utensile in acciaio R6M5 con varie opzioni trattamento superficiale dal momento del taglio: -- *-- Р6М5 + (Ti, A1)N; --*-- Р6М5 + nitrurazione + (Ti-Al)N; a - tornitura dell'acciaio 45 a v = 82 m / min; S = 0,2 mm/giro; /=1,5mm; b - fresatura dell'acciaio 45: v = 89 m/min; 5= 0,15 mm/dente; H = 45 mm; t = 1,5 mm

NITRURAZIONE ION-PLASMA COME UNO DEI METODI MODERNI DI INDURIMENTO SUPERFICIALE DEI MATERIALI

, , studenti;

, Arte. insegnante

Migliorare la qualità del metallo e dei suoi proprietà meccaniche- questo è il modo principale per aumentare la durata delle parti e una delle principali fonti di risparmio di acciai e leghe. Il miglioramento della qualità e della durata dei prodotti viene effettuato grazie alla scelta razionale dei materiali e dei metodi di indurimento, ottenendo al tempo stesso un'elevata efficienza tecnica ed economica. Ci sono molti vari metodi tempra superficiale - tempra con correnti ad alta frequenza, deformazione plastica, trattamento chimico-termico (CHT), lavorazione laser e plasma ionico.

Il processo di nitrurazione gassosa, tradizionalmente utilizzato nell'industria, come uno dei tipi di CTO, è il processo di saturazione per diffusione dello strato superficiale dell'acciaio con azoto. La nitrurazione con grande effetto può essere utilizzata per migliorare la resistenza all'usura, la durezza, la resistenza alla fatica, la resistenza alla corrosione e alla cavitazione di vari materiali (acciai strutturali, acciai e leghe resistenti al calore, acciai non magnetici, ecc.), ha una serie di innegabili vantaggi , come: la relativa semplicità del processo, la possibilità di utilizzare attrezzature e dispositivi universali per la posa di pezzi, la possibilità di nitrurare pezzi di qualsiasi dimensione e forma. Allo stesso tempo, la nitrurazione gassosa presenta anche una serie di svantaggi: un tempo di processo lungo (20-30 ore) anche quando si nitrura con spessori di strato ridotti (0,2-0,3 mm); il processo è difficile da automatizzare; la protezione locale di superfici non soggette a nitrurazione è difficoltosa; l'applicazione di vari rivestimenti galvanici (ramatura, stagnatura, nichelatura, ecc.) richiede l'organizzazione di una produzione speciale.

Una delle aree di intensificazione della produzione è lo sviluppo e l'implementazione di imprese industriali nuovi processi e tecnologie promettenti che migliorano la qualità dei prodotti, riducono i costi del lavoro per la sua produzione, aumentano la produttività del lavoro e migliorano le condizioni sanitarie e igieniche nella produzione.

Una tecnologia così progressiva è la nitrurazione ionica-plasmatica (IPA), una sorta di trattamento chimico-termico di parti di macchine, utensili, attrezzature per stampaggio e fusione, che fornisce la saturazione per diffusione dello strato superficiale di acciaio e ghisa con azoto (azoto e carbonio ) in plasma di azoto-idrogeno a una temperatura
400-600ºС, titanio e leghe di titanio a una temperatura di 800-950 ºС in plasma contenente azoto. Questo processo è attualmente diffuso in tutte le economie paesi sviluppati: USA, Germania, Svizzera, Giappone, Inghilterra, Francia.

In molti casi, la nitrurazione ionica è più appropriata della nitrurazione gassosa. Tra i vantaggi dell'IPA nel plasma a scarica luminescente vi sono i seguenti: la capacità di controllare il processo di saturazione, che fornisce un rivestimento di alta qualità, una data composizione e struttura della fase; assicurando l'assoluta attività del mezzo gassoso su tutta la superficie della parte interessata dalla scarica luminescente, ciò garantisce in ultima analisi la produzione di uno strato nitrurato di spessore uniforme; ridurre l'intensità del lavoro di protezione locale di superfici non soggette a nitrurazione, che viene effettuata da schermi metallici; una forte riduzione della durata delle parti in nitrurazione (2-2,5 volte); ridotta deformazione delle parti. 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.

L'essenza del processo di nitrurazione ionica è la seguente. In uno spazio evacuato chiuso tra la parte (catodo) e l'involucro del forno (anodo), viene eccitata una scarica luminescente. La nitrurazione viene effettuata con una scarica luminescente anomala, ad alta tensione dell'ordine dei watt. Le installazioni moderne garantiscono la stabilità della scarica a bagliore al confine della sua transizione a normale e ad arco. Il principio di funzionamento dei dispositivi di estinzione dell'arco si basa su un arresto a breve termine dell'impianto quando si accende un arco voltaico.

La nitrurazione migliora la resistenza alla corrosione delle parti in carbonio e acciai bassolegati. Le parti nitrurate per aumentare la resistenza superficiale e la resistenza all'usura acquisiscono contemporaneamente proprietà contro la corrosione in vapore, acqua di rubinetto, soluzioni alcaline, petrolio greggio, benzina, atmosfera inquinata. La nitrurazione ionica aumenta significativamente la durezza delle parti, che è dovuta a precipitati di nitruro altamente dispersi, la cui quantità e dispersione influiscono sulla durezza raggiunta. La nitrurazione aumenta il limite di fatica. Ciò è spiegato, in primo luogo, dall'aumento della resistenza della superficie e, in secondo luogo, dalla comparsa di tensioni di compressione residue in essa.

I vantaggi della nitrurazione ionica sono pienamente realizzati su larga scala e produzione di massa, quando si induriscono grandi lotti dello stesso tipo di parti. Variando la composizione del gas, la pressione, la temperatura e il tempo di mantenimento, è possibile ottenere strati di una data struttura e composizione di fase. L'uso della nitrurazione ionica produce effetti tecnici, economici e sociali.

20.01.2008

Nitrurazione ione-plasma (IPA)- questo è un tipo di trattamento chimico-termico di parti di macchine, utensili, attrezzature per stampaggio e fusione, che fornisce la saturazione per diffusione dello strato superficiale di acciaio (ghisa) con azoto o azoto e carbonio in plasma di azoto-idrogeno a una temperatura di 450- 600 °C, nonché titanio o leghe di titanio a temperatura 800-950 °C in plasma di azoto.

L'essenza della nitrurazione ione-plasma è quella in un mezzo gassoso contenente azoto scaricato a 200-000 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 di nitrurazione sulla superficie del prodotto, costituito da una zona di nitruro esterna con una zona di diffusione posta al di sotto di essa.

Variando la composizione del gas di saturazione, la pressione, la temperatura, il tempo di mantenimento, è possibile ottenere strati di una data struttura con la composizione di fase richiesta, fornendo proprietà rigorosamente regolate di acciai, ghise, titanio o sue leghe. L'ottimizzazione delle proprietà della superficie indurita è fornita dalla necessaria combinazione di strati di nitruro e diffusione che crescono nel materiale di base. Dipende da Composizione chimica lo strato di nitruro è in fase y (Fe4N) o in fase e (Fe2-3N). Lo strato di e-nitruro è resistente alla corrosione e lo strato y è resistente all'usura ma relativamente duttile.

Allo stesso tempo, con l'ausilio della nitrurazione ione-plasma, è possibile ottenere:

strato di diffusione con una zona di nitruro sviluppata, che fornisce un'elevata resistenza alla corrosione e rodaggio delle superfici di sfregamento - per parti soggette ad usura

strato di diffusione senza zona di nitruro - per tagliare, stampare utensili o parti che operano sotto alte pressioni con carichi alternati.

La nitrurazione ione-plasma può migliorare le seguenti caratteristiche dei prodotti:

resistenza all'usura

resistenza alla fatica

proprietà di estrema pressione

resistenza al calore

resistenza alla corrosione

Il vantaggio principale del metodo è qualità stabile della lavorazione con una dispersione minima delle proprietà di dettaglio in dettaglio, di gabbia in gabbia. Rispetto ai metodi ampiamente utilizzati di trattamento chimico-termico di indurimento delle parti in acciaio, come cementazione, carbonitrurazione, cianurazione, nitrurazione gassosa, il metodo di nitrurazione ionico-plasma presenta i seguenti principali vantaggi:

maggiore durezza superficiale delle parti nitrurate

nessuna deformazione delle parti dopo la lavorazione

aumento del limite di resistenza con aumento della resistenza all'usura delle parti lavorate

temperatura di processo più bassa, con conseguente assenza di modifiche strutturali ai pezzi

Possibilità di lavorazione di fori ciechi e passanti

conservazione della durezza dello strato nitrurato dopo il riscaldamento a 600 - 650 ° C

la possibilità di ottenere strati di una data composizione

la capacità di elaborare prodotti di dimensioni illimitate di qualsiasi forma

nessun inquinamento ambientale

migliorare la cultura della produzione

riducendo più volte il costo dell'elaborazione

I vantaggi della nitrurazione ione-plasma si manifestano in una significativa riduzione dei principali costi di produzione. Ad esempio, rispetto alla nitrurazione gassosa, l'IPA fornisce:

riduzione del tempo di lavorazione da 2 a 5 volte, sia riducendo il tempo di riscaldamento - raffreddamento della carica, sia riducendo il tempo di esposizione isotermica

riduzione del consumo di gas di lavoro (20 - 100 volte)

riduzione del consumo di energia elettrica (1,5 - 3 volte)

deformazione ridotta abbastanza da eliminare la molatura di finitura

miglioramento delle condizioni sanitarie e igieniche di produzione

piena conformità della tecnologia a tutti i requisiti moderni per la protezione dell'ambiente

Rispetto alla tempra, la lavorazione per nitrurazione ione-plasma consente:

escludere deformazioni

aumentare la durata della superficie nitrurata (2-5 volte)

L'utilizzo della nitrurazione ionica-plasma invece della cementazione, nitrocarburazione, nitrurazione gassosa o liquida, indurimento in massa o ad alta frequenza consente:

risparmiare beni strumentali e spazio di produzione

ridurre i costi della macchina, i costi di trasporto

ridurre il consumo di elettricità, mezzi gassosi attivi.

I principali consumatori di attrezzature per la nitrurazione ione-plasma sono automobilistici, trattori, aeronautici, cantieri navali, riparazioni navali, impianti di macchine / macchine utensili, impianti per la produzione di macchine agricole, impianti di pompaggio e attrezzature del compressore, ingranaggi, cuscinetti, profili in alluminio, centrali elettriche...

Il metodo di nitrurazione ionica-plasma è una delle aree di sviluppo chimico-termico più dinamiche nei paesi industrializzati. Il metodo IPA ha trovato ampia applicazione nell'industria automobilistica. È utilizzato con successo dalle principali imprese mondiali di costruzione di automobili / motori: Daimler Chrysler (Mercedes), Audi, Volkswagen, Voith, Volvo.
Ad esempio, i seguenti prodotti vengono elaborati con questo metodo:

ugelli per automobili, piastre di supporto della trasmissione automatica, matrici, punzoni, matrici, stampi (Daimler Chrysler)

molle per sistema di iniezione (Opel)

alberi motore (Audi)

alberi a camme (Volkswagen)

alberi motore compressori (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, BelAZ; Russia - AvtoVAZ, KamAZ, 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) (BelAZ)

valvole di aspirazione e scarico (AvtoVAZ)

alberi motore (KamAZ)

Come mostra l'esperienza mondiale nell'applicazione della tecnologia di nitrurazione ione-plasma, effetto economico dalla sua attuazione è assicurato principalmente riducendo il consumo di elettricità, gas di lavoro, riducendo l'intensità del lavoro dei prodotti di fabbricazione a causa di una significativa riduzione del volume di lavoro di rettifica e migliorando la qualità del prodotto.

Per quanto riguarda gli utensili da taglio e stampaggio, l'effetto economico si ottiene riducendone il consumo a causa di un aumento della sua resistenza all'usura di 4 o più volte con un contemporaneo aumento delle condizioni di taglio.

Per alcuni prodotti nitrurazione ionica-plasmaticaè l'unico modo per ottenere prodotto finito Con percentuale minima matrimonio.

Inoltre, il processo IPA garantisce la completa sicurezza ambientale.

La nitrurazione ione-plasma può essere utilizzata nella produzione al posto della nitrurazione liquida o gassosa, carburazione, nitrocarburazione, indurimento ad alta frequenza.

La durata delle parti dei motori a turbina a gas è in gran parte determinata dallo stato della loro superficie e principalmente dalla sua resistenza all'usura. La nitrurazione è uno dei metodi ampiamente utilizzati per aumentare la resistenza all'usura delle superfici dei motori degli aerei e delle parti degli aerei. La nitrurazione viene applicata alle parti che, durante il funzionamento, lavorano principalmente per attrito.

La nitrurazione è un processo di saturazione per diffusione degli strati superficiali dei prodotti in acciaio con azoto. La nitrurazione viene eseguita per aumentare la durezza e la resistenza all'usura degli strati superficiali dei prodotti in acciaio, migliorare la resistenza alla fatica e la corrosione elettrochimica delle parti.

Durante la nitrurazione, l'azoto forma una serie di fasi con il ferro: ferrite nitrosa - una soluzione solida di azoto in -ferro, austenite nitrosa - una soluzione solida di azoto in -ferro, fase intermedia Fe4N, fase Fe2N, ecc. Tuttavia, i nitruri di ferro hanno resistenza, durezza, elevata fragilità insufficienti rispetto ai nitruri di cromo CrN, Cr2N, molibdeno MoN, alluminio AlN e alcuni altri elementi di lega. Vengono quindi sottoposti a nitrurazione gli acciai legati contenenti gli elementi indicati: 45Kh14N14V2M, 1Kh12N2VMF, 15Kh16K5N2MVFAB-Sh e altri acciai che vengono utilizzati per la realizzazione di boccole, steli, sedi valvole, corpi vari, ecc.

Il metodo di nitrurazione in ammoniaca dissociata mediante riscaldamento in forno, ampiamente utilizzato nell'industria, presenta gravi inconvenienti come un lungo tempo di processo, la difficoltà di saturare con azoto acciai altolegati facilmente passivabili, la formazione di una fragile fase α su la superficie delle parti e le loro significative deformazioni instabili. La molatura, che è l'operazione principale nella lavorazione delle superfici nitrurate, è un processo lungo e laborioso.

Il processo di nitrurazione ionica viene eseguito in una camera di lavoro sottovuoto, in cui le parti sono il catodo e il corpo della camera messo a terra è l'anodo. A pressione ridotta di un'atmosfera contenente azoto, l'applicazione di un potenziale elettrico tra le parti e il corpo della camera provoca la ionizzazione del gas. Come risultato del bombardamento ionico, le parti vengono riscaldate alla temperatura richiesta e la superficie, essendo satura di azoto, viene indurita.

Solitamente la nitrurazione viene effettuata a temperature inferiori a 600°C, quando si verifica la diffusione predominante dell'azoto. La velocità di trasferimento di diffusione dell'azoto dipende dalla temperatura, dal gradiente di concentrazione, dalla composizione e dalla struttura del materiale di base e da altri fattori. La diffusione degli atomi di azoto avviene lungo posti vacanti, dislocazioni e altri difetti nella struttura cristallina. Come risultato della diffusione, la concentrazione di azoto nello strato superficiale cambia con la profondità.

La massima accelerazione del processo di nitrurazione si ottiene nel plasma a scarica luminescente, quando una scarica luminescente viene eccitata in un'atmosfera rarefatta tra il pezzo (catodo) e l'anodo. Gli ioni di gas bombardano la superficie del catodo e lo riscaldano fino a una temperatura di 470-580°C. Ioni di azoto caricati positivamente sotto l'influenza dell'energia campo elettrostatico si muovono ad una certa velocità lungo la perpendicolare alla superficie del pezzo, e l'energia dello ione azoto ottenuto nel plasma a scarica luminescente, con una differenza di potenziale di 800 V, è circa 3000 volte maggiore dell'energia dell'atomo di azoto durante nitrurazione in forno in ammoniaca dissociata. Gli ioni di azoto riscaldano la superficie del pezzo e sputano anche atomi di ferro dalla superficie (sputtering catodico). Gli atomi di ferro si combinano con l'azoto nel plasma a scarica luminescente per formare nitruro di ferro, che si deposita sulla superficie del pezzo. strato sottile. Successivamente, il bombardamento dello strato di FeN con ioni azoto è accompagnato dalla formazione di nitruri inferiori FeNFe3NFe4N e di una soluzione solida di azoto in -ferro Fe(N). L'azoto formatosi durante il decadimento del nitruro inferiore si diffonde nella profondità del materiale della parte e il ferro viene nuovamente spruzzato nel plasma.

A differenza del riscaldamento in forno, durante la nitrurazione ionica (nel plasma a scarica luminescente), le parti vengono riscaldate a causa dell'energia del plasma consumata in proporzione alla massa della carica. Ciò non richiede stufe con muratura massiccia.

La nitrurazione di acciai inossidabili ad alto contenuto di cromo facilmente passivanti richiede necessariamente l'aggiunta di idrogeno al mezzo gassoso. Per ottenere strati di diffusione di alta qualità privi di fase in superficie durante la nitrurazione ionica di acciai di varie classi, si consiglia di effettuare lo stadio di sputtering catodico in idrogeno ad una pressione di circa 13 Pa ed una tensione di circa 1000 V , e lo stadio di saturazione - in una miscela (3-5%) di idrogeno e (95 -97%) azoto ad una pressione di 133-1330 Pa. Il mezzo gassoso di tale composizione garantisce l'uniformità dello spessore degli strati di diffusione sulle parti poste nella carica sul volume della camera di lavoro. L'aumento della pressione della miscela nel secondo stadio (nitrurazione) favorisce un aumento della profondità dello strato di diffusione.

È stato accertato che la durata del processo di nitrurazione ionica è circa la metà di quella della nitrurazione in forno, secondo l'attuale tecnologia seriale. La dipendenza della profondità dello strato di diffusione dalla durata della saturazione durante la nitrurazione ionica, nonché durante la nitrurazione in forno, ha un carattere parabolico. L'influenza della temperatura di nitrurazione ionica sulla profondità dello strato ha una dipendenza prossima all'esponente.

Durante la nitrurazione convenzionale in ammoniaca dissociata, la durezza massima per la maggior parte degli acciai si trova a una certa distanza dalla superficie e lo strato superficiale, che è una fragile fase α, viene solitamente molato. Come risultato della nitrurazione ionica, la superficie ha la massima durezza. I diametri delle parti nitrurate del tipo “albero” variano, di norma, di 30-40 micron, che spesso rientrano nel campo di tolleranza. Pertanto, tenendo conto dell'elevata qualità della superficie dopo la nitrurazione ionica e della conservazione della pulizia, può essere lasciata non trattata o limitata alla lucidatura o alla leggera lappatura.

Con l'aiuto della nitrurazione ionica nell'impianto di base, è stato possibile ottenere un'elevata efficienza nell'aumentare la durata degli utensili da taglio e degli stampi di deformazione a caldo nella produzione di parti in nichel, titanio e acciai inossidabili resistenti al calore difficili da lavorare.

La pratica di introdurre e utilizzare il processo di nitrurazione ionica delle parti nell'industria ha dimostrato la fattibilità dell'introduzione diffusa di questo processo nella produzione di massa. Il processo di nitrurazione ionica consente:

Aumentare la durata delle parti nitrurate;

Fornire indurimento di parti per le quali l'uso di altri metodi di indurimento è difficile o impossibile;

Ridurre l'intensità del lavoro di produzione eliminando l'operazione di applicazione della galvanica;

In alcuni casi rifiutare la macinazione dopo la nitrurazione;

Ridurre di oltre 2 volte la durata del ciclo di nitrurazione;

Migliorare la salute sul lavoro.

Una caratteristica della produzione di motori aeronautici è un'ampia varietà di gradi di acciaio, compresi quelli induriti mediante nitrurazione. Lo sviluppo del processo tecnologico di nitrurazione ionica è stato preceduto da un'analisi approfondita dei risultati in questo settore della ricerca straniera e nazionale.

Sono stati sottoposti allo studio di indurimento per nitrurazione ionica gli acciai da costruzione delle classi perlitiche, austenitiche, martensitiche, di transizione, maraging dei seguenti materiali: V2, 40X10X2M, 14X10X2M, 14X17N2, 15X15K5N2MVFAB -Sh (EP866), 30Kh2NVA, 16Kh3NVFAB- Sh, (DI39, VKS-5), N18K9M5T (MS200) e altri Il compito della ricerca è lo sviluppo di processi tecnologici con l'obiettivo di trasferire la nitrurazione in forno di parti a ionici, nuovi processi tecnologici di nitrurazione ionica di parti invece di carburazione , come così come precedentemente non indurito da trattamento chimico-termico.

Per le parti che lavorano per usura a basse pressioni di contatto in condizioni di corrosione, è necessario ottenere uno strato di diffusione con una zona di nitruro sviluppata, da cui dipendono il rodaggio delle superfici di sfregamento e la resistenza alla corrosione.

Per le parti che operano sotto carichi ciclici in condizioni di usura con carichi di contatto aumentati, è necessario cercare di ottenere uno strato con un'ampia zona di nitrurazione interna.

La variazione della struttura dello strato consente di ottenere varie combinazioni dello strato e dell'anima. Ciò è confermato da numerosi esempi di nitrurazione per vari gruppi di parti.

Durante lo sviluppo di processi tecnologici, sono stati condotti studi sistematici completi sull'influenza dei principali fattori tecnologici sulla qualità e sulle caratteristiche operative dello strato di diffusione durante la nitrurazione ionica al fine di ottimizzare i loro parametri.

Un elevato contenuto di idrogeno nella miscela, compreso quello corrispondente alla composizione a completa dissociazione dell'ammoniaca, favorisce la formazione di fasi nitrurate sulla superficie nitrurata sotto forma di monostrato fino alla fase - (Fe2N). Inoltre una miscela di azoto ad alto contenuto di idrogeno, sia nel cilindro del mescolatore, dove viene preparata la miscela, sia nella camera di lavoro, dopo un certo tempo, comincia ad intaccare la profondità dello strato nitrurato, nonché la sua irregolarità sulle parti rispetto al volume della carica. L'idrogeno in un mezzo gassoso durante la nitrurazione ionica svolge il ruolo di agente riducente degli ossidi sulla superficie indurita, che impedisce il contatto diretto e l'interazione dell'azoto con il metallo.

Gli acciai della classe usuale vengono nitrurati in azoto puro senza aggiunta di idrogeno. Tuttavia, gli strati nitrurati non sono sempre uniformi in profondità.

A seguito di studi sull'effetto della pressione nella camera di lavoro sulla qualità dello strato nitrurato, si può consigliare di eseguire il primo stadio (catodo sputtering) in idrogeno ad una pressione di circa 13 Pa e ad una tensione di circa 1000 V. L'aumento della pressione della miscela del secondo stadio (nitrurazione) contribuisce ad aumentare la profondità dello strato di diffusione e la nitrurazione ionica dovrebbe essere eseguita a una pressione di 133-1330 Pa.

La qualità degli strati di diffusione è influenzata dalla temperatura e dalla durata del processo. La figura .. mostra l'influenza di questi fattori sulla profondità dello strato di alcuni acciai che differiscono per composizione e sono tipici rappresentanti di varie classi.

È stato stabilito che la durata del processo di nitrurazione ionica è circa la metà di quella della nitrurazione in forno utilizzando l'attuale tecnologia seriale.

La distribuzione della microdurezza sulla profondità dello strato nitrurato è un'importante caratteristica prestazionale. Durante la nitrurazione convenzionale in ammoniaca dissociata, la durezza massima per la maggior parte degli acciai si trova a una certa distanza dalla superficie e lo strato superficiale, che è una fragile fase α, viene solitamente molato. Come risultato della nitrurazione ionica di tutti gli acciai, la superficie ha la massima durezza. Pertanto, tenendo conto dell'elevata qualità della superficie dopo la nitrurazione ionica e mantenendo la pulizia, può essere lasciata non trattata o limitata alla lucidatura o alla leggera lappatura.

Dopo la nitrurazione ionica, tutti gli acciai non hanno fase sulla superficie. L'assenza della fase - sulla superficie durante la nitrurazione ionica è probabilmente dovuta all'effetto barriera degli ossidi, che riducono il contenuto di azoto direttamente sul metallo, allo sputtering catodico e alla minore stabilità della fase - nel vuoto e nel plasma a scarica luminescente.

Uno dei principali caratteristiche di performance molte parti dei motori degli aerei e degli aerei sono resistenti all'usura.

Lo studio della resistenza all'usura è stato effettuato sia dalla superficie dei campioni nitrurati sia dopo la molatura ad una profondità di 0,03-0,06 mm.

Nitrurazione ionica di parti in produzione seriale sottoposto principalmente a tre tipi di parti. Si tratta di particolari sottoposti a nitrurazione convenzionale in ammoniaca dissociata, particolari cementati con carichi di lavoro leggeri e medi sul manufatto, particolari soggetti a notevole usura che non vengono sottoposti ad indurimento mediante trattamento chimico-termico per impossibilità di successivo affinamento mediante molatura per effetto la complessa forma geometrica.

La lunga durata dell'esposizione isotermica, che raggiunge le 50 ore, con una gamma significativa di parti nitrurate, interrompe spesso il ritmo della produzione. Un altro svantaggio significativo della tecnologia seriale è l'elevata intensità di lavoro nella produzione di parti associate all'applicazione e alla rimozione di rivestimenti galvanici utilizzati per proteggere dalla nitrurazione. La molatura di parti nitrurate, soprattutto di configurazione complessa, è talvolta accompagnata da difetti irregolari, che praticamente non vengono rilevati dal controllo e si manifestano solo durante il funzionamento su un motore seriale a causa dell'usura prematura dello strato difettoso. Durante la rettifica di parti, in particolare da un acciaio legato così complesso come 15Kh16K5N2MVFAB, a volte si formavano crepe su spigoli vivi a causa del rilassamento delle sollecitazioni residue, nonché nei punti di transizione da una superficie cilindrica a una superficie terminale immediatamente dopo la nitrurazione.

Si consiglia di sottoporre le parti finite ad indurimento mediante nitrurazione ionica. Ciò è dovuto al fatto che la massima durezza e resistenza all'usura dopo la nitrurazione ionica è posseduta direttamente dalla superficie o dagli strati strettamente adiacenti ad essa, mentre dopo la nitrurazione convenzionale, gli strati situati a una certa distanza dalla superficie sono più efficienti.

Per tener conto della tolleranza per il "rigonfiamento" nella fabbricazione, è stato studiato l'effetto della nitrurazione ionica sulla variazione delle dimensioni delle parti. Gli studi sono stati condotti su rappresentanti tipici di parti. È stata stabilita la statistica della distribuzione delle parti per cambio di dimensione. Parti del tipo ad albero hanno un aumento di diametro dopo la nitrurazione ionica. Per boccole e sfere, il diametro esterno aumenta e il diametro interno diminuisce. Per la maggior parte delle parti nitrurate, il diametro è cambiato di 30 - 40 micron.

Alcune parti vengono nitrurate dopo la finitura della lavorazione e le deviazioni dimensionali rientrano nel campo di tolleranza. Pertanto, nel processo di produzione dei pezzi, è stata esclusa la laboriosa operazione di rettifica di una superficie nitrurata. Questa circostanza consente di ampliare la gamma di parti da temprare, dove la lavorazione dopo la loro tempra è difficile o impossibile (ad esempio, parti piegate come una benda).

Gli utensili sono stati progettati e realizzati per proteggere le superfici non nitrurate. Durante la nitrurazione ionica dei pezzi, a differenza della nitrurazione in forno, la protezione delle superfici non soggette a nitrurazione è la più tecnologicamente avanzata. La nichelatura e la stagnatura, utilizzate per proteggere le superfici non nitrurate durante la nitrurazione in forno, sono operazioni laboriose e non sempre forniscono qualità richiesta protezione. Inoltre, dopo la nitrurazione, è spesso necessario rimuovere questi rivestimenti con mezzi chimici o meccanici.

Durante la nitrurazione ionica, le superfici non nitruranti sono protette da schermi metallici che sono a stretto contatto con la superficie non soggetta a nitrurazione (la distanza non è superiore a 0,2 mm). Questa superficie non è esposta alla carica incandescente ed è quindi protetta in modo affidabile dalla nitrurazione. Durante la nitrurazione delle parti, la protezione contro la nitrurazione è stata ripetutamente utilizzata con l'ausilio di schermi di varie superfici, come piani, superfici cilindriche interne ed esterne, superfici filettate, ecc. La pratica ha dimostrato l'affidabilità e la praticità di questo metodo di protezione. I dispositivi per questi scopi possono essere utilizzati ripetutamente. Si possono rifinire superfici di parti non soggette a nitrurazione.

Il processo di nitrurazione ionica consente:

aumentare la durata delle parti nitrurate;

fornire l'indurimento di parti per le quali l'uso di altri metodi di indurimento è difficile o impossibile;

ridurre la complessità della produzione eliminando le operazioni di applicazione della galvanica;

in alcuni casi abbandonare la macinazione dopo la nitrurazione;

ridurre di oltre due volte la durata del ciclo di nitrurazione;

migliorare la salute sul lavoro.

Tre diversi tipi di nitrurazione sono attualmente utilizzati nell'industria: per ottenere un'elevata durezza dello strato superficiale, ione anticorrosione e nitrurazione "morbida", ecc.

Per ottenere un'elevata durezza delle parti dagli acciai strutturali, il processo viene eseguito a una temperatura compresa tra 500 e 520 °C per un massimo di 90 ore. Il grado di dissociazione dell'ammoniaca è regolato dalla sua fornitura e varia dal 15 al 60%. In una modalità di nitrurazione a stadio singolo, il processo viene eseguito a una temperatura costante (500520C), quindi viene portato a 560570C. Questo porta a bassa temperatura alla formazione dapprima di uno strato sottile ben saturo di azoto con nitruri finemente dispersi, e poi, con l'aumentare della temperatura, la velocità di diffusione aumenta e il tempo per ottenere lo spessore richiesto dello strato nitrurato si riduce ridotto. Un ciclo di nitrurazione a due stadi riduce di 22,5 volte il tempo di saturazione dell'acciaio con azoto.

Quando si migliora il processo di nitrurazione, dovrebbero essere risolti i seguenti compiti importanti:

creazione di un processo controllato che fornisce una data composizione del gas, struttura e profondità dello strato di diffusione;

intensificazione del processo di formazione dello strato nitrurato.

Sono stati sviluppati due metodi fondamentalmente nuovi di controllo diretto del processo di nitrurazione, uno dei quali consente di stimare il potenziale di azoto dell'atmosfera del forno in base alla sua composizione ionica (dissociameri ionici) e, dall'altro, apre la possibilità di analisi diretta della cinetica di formazione dei rivestimenti diffusivi durante il processo di nitrurazione (analizzatori a correnti parassite). Il potenziale di azoto è monitorato da un sensore di ionizzazione con feedback con sistema di miscelazione.

Per nitrurazione, impianti qualitativamente nuovi con gestione del programma processo tecnologico. L'intensificazione del processo di nitrurazione può essere ottenuta aumentando la temperatura di saturazione, regolando l'attività dell'atmosfera, modificandone la composizione, nonché utilizzando campi magnetici e vari tipi scariche elettriche (scintilla, corona, bagliore).

Durante il trattamento chimico-termico, la profondità dello strato saturo in alcuni casi è maggiore del necessario, in altri è minore del necessario, a volte si verificano deformazioni e deformazioni, lo strato saturo si fessura, ecc. Nella tabella sono riportate le caratteristiche del matrimonio del trattamento chimico-termico, le ragioni principali del suo verificarsi, le misure per eliminare il matrimonio.