Nitrurarea cu plasmă - proces și etape. Posibilități tehnologice ale nitrurării ionice în produsele de întărire din oțeluri de structură și pentru scule

Cu compoziția și modul corect de aplicare a straturilor rezistente la uzură, performanța sculei de tăiere poate fi îmbunătățită semnificativ. Cu toate acestea, datorită invariabilității proprietăților acoperirii într-un singur strat la interfața cu baza sculei, proprietățile fizice, mecanice și termice (în primul rând modulul de elasticitate și coeficientul de dilatare termică) se modifică dramatic, ceea ce duce la formarea de tensiuni reziduale ridicate în acoperire și o scădere a rezistenței legăturii sale adezive.cu o bază, care este cea mai importantă condiție pentru funcționarea cu succes a unei scule de tăiere acoperite.

Cele specificate, precum și modificările proceselor de contact și termice în timpul prelucrării cu o unealtă acoperită, necesită crearea unui strat de tranziție intermediar între baza sculei și acoperire, care crește rezistența penei de tăiere acoperite la sarcinile active.

Cea mai comună metodă de formare a unui astfel de strat este nitrurarea ionică. În acest caz, stratul nitrurat format înainte de acoperire, în funcție de condițiile specifice de funcționare a sculei, trebuie să aibă o anumită structură, grosime și microduritate. În practică, uneltele din oțel de mare viteză sunt de obicei supuse unei astfel de prelucrări.

Figura 4 schema circuitului unitate de vid-arc pentru prelucrarea uneltelor combinate, inclusiv nitrurarea ionică și acoperirea: 1 - țintă; 2 - anod; 3 - ecran; 4 - camera de vid; 5 - atomi neutri; 6 - ioni; 7 - electroni; 8 - scule prelucrate

Pentru nitrurare ionicăși acoperirea ulterioară, se recomandă utilizarea unei instalații bazate pe o descărcare cu arc de vid, în care toate etapele de călire combinată pot fi implementate într-un singur ciclu tehnologic fără a supraîncărca sculele prelucrate.

Principiul de funcționare al unei astfel de instalații este următorul (Figura 4).

Ținta este evaporată de punctele catodice ale arcului de vid și este utilizată ca catod de descărcare a arcului. Un ecran special situat între țintă și anod împarte camera în două zone umplute cu metal-gaz (în stânga ecranului) și plasmă de gaz (în dreapta). Acest ecran este impermeabil la micropicături, atomii neutri și ionii metalici emiși de petele catodice de pe suprafața țintă. Doar electronii pătrund în ecran, ionizează gazul furnizat camerei în drumul lor către anod și formează în acest fel o plasmă de gaz care nu conține particule de metal.

Sculele scufundate în plasmă sunt încălzite de electroni atunci când le este aplicat un potențial pozitiv, iar când se aplică un potențial negativ, sunt nitrurate. La sfârșitul nitrurării, ecranul este deplasat în lateral și după ce particulele țintei metalice încep să curgă pe suprafața sculei, acoperirea este sintetizată.

Depunerea de acoperire este un proces foarte consumator de energie, însoțit de acțiunea unui flux de plasmă de mare energie, în special în momentul bombardării ionice. Ca urmare, caracteristicile stratului obținut prin nitrurare ionică se pot schimba semnificativ.

Prin urmare, la optimizarea procesului de prelucrare combinată a sculelor de mare viteză, este necesar să se țină seama nu numai de factorii procesului de nitrurare, ci și de procesul ulterior de aplicare a unui strat rezistent la uzură - în primul rând, timpul de aplicare, care afectează direct grosimea stratului de acoperire. Pe de o parte, creșterea sa are un efect pozitiv asupra creșterii rezistenței la uzură a plăcuțelor de contact ale sculei, iar pe de altă parte, duce la o creștere vizibilă a numărului de defecte ale acoperirii, o scădere a aderenței. rezistența acoperirii la materialul sculei și o scădere a capacității acoperirii de a rezista deformațiilor elastic-plastice.

Cele mai importante condiții pentru tratarea combinată sunt temperatura și durata procesului de nitrurare, fracția volumică de azot din amestecul de gaz cu argon și timpul procesului ulterior de acoperire rezistentă la uzură. Alți factori din acest proces: presiunea azotului, tensiunea de referință, curentul arcului pe catod - afectează în principal caracteristicile acoperirii și ar trebui să fie setați la fel ca și în cazul depunerii acoperirilor tradiționale.

În funcție de tipul sculei de tăiere și de condițiile funcționării sale ulterioare în timpul prelucrării combinate, modurile sale variază de obicei în următoarele limite: temperatura de nitrurare 420 ... 510 ° C; fracția atomică de azot N 2 într-un amestec gazos cu argon 10 ... 80%; timp de nitrurare 10...70 min; presiunea amestecului de gaz ~ 9,75·10 -1 Pa; timp de aplicare a stratului 40...80 min.

Practica exploatării sculelor din oțeluri de mare viteză după călirea combinată în diferite operații de prelucrare arată că prezența unui strat nitrurat sub acoperire, în care există o zonă de nitrură fragilă (faza α și β), limitează semnificativ efectul prelucrării combinate.

O astfel de structură se formează în timpul nitrurării într-o atmosferă de azot pur folosind o plasmă de descărcare cu arc de vid. Prezența unei zone de nitrură relativ groase (> 0,5 µm) la tăierea continuă (strunjire și găurire) nu asigură o creștere semnificativă a duratei de viață a sculei în comparație cu o sculă cu un strat tradițional, iar în tăierea întreruptă (frezare și dăltuire) duce adesea la ciobirea muchiilor de tăiere deja în primele minute de funcționare a sculei.

Introducerea argonului în compoziția unei atmosfere care conține azot în timpul nitrurării înainte de depunerea acoperirii face posibilă controlul compoziției de fază a stratului format și, în funcție de condițiile specifice de funcționare a sculei de tăiere și scopul său de serviciu, obținerea structura necesara.

Atunci când se operează o sculă de mare viteză cu prelucrare combinată în condiții de tăiere intermitentă, structura optimă a stratului nitrurat este o soluție solidă vâscoasă și rezistentă la sarcină de azot în martensită, în care se formează o cantitate mică de nitruri dispersate ale componentelor de aliere. este admisibil.

Această structură poate fi obținută prin nitrurare într-un mediu care conține ~ 30% N 2 și 70% Ar.

In cazul functionarii sculei in conditii de aschiere continua, stratul format din martensita azotata si nitruri speciale ale elementelor de aliere (W, Mo, Cr, V) se caracterizeaza prin cea mai mare performanta.

În plus, prezența unei cantități foarte mici de fază a este admisibilă. Această structură crește rezistența stratului de suprafață al sculei la sarcinile termice și se poate forma în timpul nitrurării într-un mediu care conține ~ 60% N 2 și 40% Ar.

Învelișul (Ti, Al)N depus pe probe nitrurate în amestecuri unice care conțin, %, 60 N 2 + 40 Ar și 30 N 2 + 70 Ar, se caracterizează printr-o putere de aderență satisfăcătoare. Probele nu prezintă nicio decojire a acoperirii, nici fisuri evidente, care au fost găsite pe probele nitrurate la 100% N2.

Crearea unui complex rezistent la uzură pe plăcuțele de contact ale unei scule de tăiere, format prin nitrurare ionică urmată de acoperire într-o plasmă de descărcare cu arc de vid, afectează în mod semnificativ intensitatea și natura uzurii sculei.

Figurile 5 şi 6 prezintă profilogramele obţinute experimental de uzură a sculei cu o acoperire şi cu prelucrare combinată în timpul strunjirii longitudinale şi al frezării frontale a oţelului structural 45. intensitatea acestuia.

Pentru condițiile de funcționare luate în considerare, există o eficiență scăzută a unei scule cu înveliș fără nitrurare, atât la frezare, cât și la strunjire. Acest lucru se datorează faptului că învelișul este distrus foarte repede, iar condițiile de frecare de pe suprafața din spate se apropie din ce în ce mai mult de cele tipice pentru o unealtă neacoperită. Și aceasta înseamnă că cantitatea de căldură eliberată crește, temperatura din apropierea suprafeței din spate crește, drept urmare procese ireversibile de înmuiere în materialul sculei, care duc la uzură catastrofală.

Studiile privind natura tocirii sculei cu nitrurare și acoperire ne permit să concluzionam că principala contribuție la reducerea intensității uzurii a unei scule de mare viteză o are așa-numitul „efect de margine”, care constă în următoarele.

Deja în primele minute ale funcționării sculei, așa cum se poate observa din profilogramele suprafețelor sale de lucru (Figurile 5 și 6), acoperirea este distrusă la întreaga sa grosime în zonele din apropierea muchiei de tăiere. Cu toate acestea, creșterea în continuare a centrelor de uzură de-a lungul lungimii și adâncimii este restricționată de marginile zonelor de contact, care păstrează combinația rezistentă la uzură a stratului de acoperire și a stratului nitrurat.

În plus, stratul nitrurat de suprafață, care are o duritate crescută combinată cu o rezistență ridicată la căldură, se caracterizează printr-o rezistență mai mare la deformațiile microplastice și contribuie la inhibarea proceselor de înmuiere la suprafața posterioară.

Figura 5. Profilograme secțiunilor uzate ale inserțiilor de tăiere din oțel R6M5 la strunjirea oțelului 45: a - R6M5 + (Ti, A1)N; b - Р6М5 + nitrurare + (Ti, A1)N; moduri de prelucrare: v = 82 m/min; S = 0,2 mm/tur; / = 1,5 mm (fără lichid de răcire)

Figura 6. Profilograme ale secțiunilor uzate ale inserțiilor de tăiere din oțel R6M5 la frezarea frontală a oțelului 45: a - R6M5 + (Ti, Al)N; b - Р6М5 + nitrurare + (Ti, Al)N; moduri de prelucrare: v = 89 m/min; S= 0,15 mm/dinte; H = 45 mm;

Experiența în producție arată că tratamentul combinat, care asigură nitrurarea preliminară și acoperirea ulterioară, face posibilă creșterea duratei de viață a sculei celei mai largi game de scule de mare viteză de până la 5 și, respectiv, de până la 3 ori în comparație cu unealta, fără întărire și cu o acoperire tradițională.

Figura 7 prezintă dependențele modificării uzurii în timp h 3 \u003d f (T) a inserțiilor de tăiere din oțel R6M5, care au suferit diferite tipuri de călire la suprafață, în timpul strunjirii și frezării frontale a oțelului 45. Se poate observa că rezistența la uzura catastrofală a sculei în timpul strunjirii crește de 2, 6 ori, iar la frezare - de 2,9 ori față de o unealtă cu acoperire, dar fără nitrurare.

Figura 7. Dependența uzurii de suprafața din spate a sculei din oțel R6M5 cu diverse opțiuni tratarea suprafeței din timpul tăierii: -- *-- Р6М5 + (Ti, A1)N; --*-- Р6М5 + nitrurare + (Ti-Al)N; a - strunjirea oțelului 45 la v = 82 m / min; S = 0,2 mm/tur; /=1,5 mm; b - frezarea otelului 45: v = 89 m/min; 5= 0,15 mm/dinte; H = 45 mm; t = 1,5 mm

NITRIDAREA ION-PLASMA CA UNA DINTRE METODELE MODERNE DE CALIRE A SUPRAFATAȚEI MATERIALELOR

, , elevi;

, art. profesor

Îmbunătățirea calității metalului și a acestuia proprietăți mecanice- aceasta este modalitatea principală de creștere a durabilității pieselor și una dintre principalele surse de economisire a oțelurilor și aliajelor. Îmbunătățirea calității și durabilității produselor se realizează datorită alegerii raționale a materialelor și a metodelor de întărire, obținând în același timp o eficiență tehnică și economică ridicată. Există multe diverse metode călire de suprafață - călire cu curenți de înaltă frecvență, deformare plastică, tratament chimico-termic (CHT), prelucrare laser și ion-plasmă.

Procesul de nitrurare cu gaz, utilizat în mod tradițional în industrie, ca unul dintre tipurile de CTO, este procesul de saturare prin difuzie a stratului de suprafață de oțel cu azot. Nitrurarea cu mare efect poate fi utilizată pentru a îmbunătăți rezistența la uzură, duritatea, rezistența la oboseală, rezistența la coroziune și cavitație a diferitelor materiale (oțeluri de structură, oțeluri și aliaje rezistente la căldură, oțeluri nemagnetice etc.), are o serie de avantaje incontestabile. , cum ar fi: simplitatea relativă a procesului , posibilitatea de utilizare a echipamentelor și dispozitivelor universale pentru așezarea pieselor, posibilitatea de nitrurare a pieselor de orice dimensiune și formă. În același timp, nitrurarea cu gaz are și o serie de dezavantaje: un timp lung de proces (20-30 ore) chiar și la nitrurare la grosimi mici de strat (0,2-0,3 mm); procesul este dificil de automatizat; protecția locală a suprafețelor care nu sunt supuse nitrurării este dificilă; aplicarea diferitelor acoperiri galvanice (cupru, cositorit, nichelare etc.) necesita organizarea unei productii speciale.

Unul dintre domeniile de intensificare a producției este dezvoltarea și implementarea întreprinderile industriale noi procese și tehnologii promițătoare care îmbunătățesc calitatea produselor, reduc costurile forței de muncă pentru producția acestora, cresc productivitatea muncii și îmbunătățesc condițiile sanitare și igienice în producție.

O astfel de tehnologie progresivă este nitrurarea ion-plasmă (IPA) - un fel de tratament chimico-termic al pieselor de mașini, unelte, echipamente de ștanțare și turnare, care asigură saturarea prin difuzie a stratului de suprafață de oțel și fontă cu azot (azot și carbon ) în plasmă de azot-hidrogen la o temperatură
400-600ºС, titan și aliaje de titan la o temperatură de 800-950ºС în plasmă care conține azot. Acest proces este în prezent larg răspândit în toate cele economice țările dezvoltate: SUA, Germania, Elveția, Japonia, Anglia, Franța.

În multe cazuri, nitrurarea ionică este mai potrivită decât nitrurarea gazoasă. Printre avantajele IPA în plasma cu descărcare strălucitoare se numără următoarele: capacitatea de a controla procesul de saturație, care asigură o acoperire de înaltă calitate, o compoziție și o structură de fază dată; asigurand absolut aceeasi activitate a mediului gazos pe intreaga suprafata a piesei acoperite de descarcarea luminoasa, aceasta asigura in final producerea unui strat nitrurat uniform ca grosime; reducerea intensității muncii de protecție locală a suprafețelor care nu sunt supuse nitrurării, care se realizează cu ecrane metalice; o reducere bruscă a duratei pieselor de nitrurare (de 2-2,5 ori); deformarea redusă a pieselor. Utilizarea IPA în locul carburării, nitrocarburării, nitrurării gazoase sau lichide, călirii volumetrice sau de înaltă frecvență permite salvarea principalelor echipamente și zone de producție, reducând mașina și costuri de transport, reduce consumul de energie electrică și medii gazoase active.

Esența procesului de nitrurare ionică este următoarea. Într-un spațiu evacuat închis între piesă (catod) și carcasa cuptorului (anod), este excitată o descărcare luminoasă. Nitrurarea se efectuează cu o descărcare strălucitoare anormală, la o tensiune înaltă de ordinul waților. Instalațiile moderne asigură stabilitatea descărcării strălucitoare la limita tranziției sale la normal și arc. Principiul de funcționare al dispozitivelor de stingere a arcului se bazează pe o oprire pe termen scurt a instalației atunci când se aprinde un arc voltaic.

Nitrurarea îmbunătățește rezistența la coroziune a pieselor din oțel carbon și slab aliat. Piesele nitrurate pentru a crește rezistența suprafeței și rezistența la uzură dobândesc simultan proprietăți împotriva coroziunii în abur, apă de la robinet, soluții alcaline, țiței, benzină, atmosferă poluată. Nitrurarea ionică crește semnificativ duritatea pieselor, care se datorează precipitațiilor de nitrură foarte dispersate, a căror cantitate și dispersie afectează duritatea obținută. Nitrurarea crește limita de oboseală. Acest lucru se explică, în primul rând, prin creșterea rezistenței suprafeței și, în al doilea rând, prin apariția unor tensiuni de compresiune reziduale în aceasta.

Avantajele nitrurării ionice sunt realizate pe deplin la scară largă și productie in masa, la călirea unor loturi mari din același tip de piese. Variind compoziția gazului, presiunea, temperatura și timpul de menținere, este posibil să se obțină straturi cu o anumită structură și compoziție de fază. Utilizarea nitrurării ionice dă efecte tehnice, economice și sociale.

20.01.2008

Nitrurare ion-plasmă (IPA)- acesta este un fel de tratament chimico-termic al pieselor de mașini, unelte, echipamente de ștanțare și turnare, care asigură saturarea prin difuzie a stratului superficial de oțel (fontă) cu azot sau azot și carbon în plasmă de azot-hidrogen la o temperatură de 450- 600 ° C, precum și titan sau aliaje de titan la o temperatură de 800-950 ° C în plasmă de azot.

Esența nitrurării ion-plasmă este aceea că într-un mediu gazos care conține azot este descărcat la 200-000 Pa între catod, pe care sunt amplasate piesele de prelucrat și anod, al cărui rol este jucat de pereții camerei de vid. , o descărcare de strălucire anormală este excitată, formând un mediu activ (ioni, atomi, molecule excitate). Acest lucru asigură formarea unui strat nitrurat pe suprafața produsului, constând dintr-o zonă externă de nitrură cu o zonă de difuzie situată sub aceasta.

Variind compoziția gazului saturat, presiunea, temperatura, timpul de menținere, este posibil să se obțină straturi dintr-o structură dată cu compoziția de fază necesară, oferind proprietăți strict reglementate ale oțelurilor, fontelor, titanului sau aliajelor acestuia. Optimizarea proprietăților suprafeței întărite este asigurată de combinația necesară de nitrură și straturi de difuzie care cresc în materialul de bază. Depinzând de compoziție chimică stratul de nitrură este fie fază y (Fe4N) fie fază e (Fe2-3N). Stratul de e-nitrură este rezistent la coroziune, iar stratul în Y este rezistent la uzură, dar relativ ductil.

În același timp, cu ajutorul nitrurării ion-plasmă, se pot obține:

strat de difuzie cu o zonă dezvoltată de nitrură, care asigură rezistență ridicată la coroziune și rularea suprafețelor de frecare - pentru piesele de uzură

strat de difuzie fără zonă de nitrură - pentru unelte de tăiere, ștanțare sau piese care operează sub presiuni mari cu sarcini alternante.

Nitrurarea ion-plasmă poate îmbunătăți următoarele caracteristici ale produselor:

rezistenta la uzura

rezistență la oboseală

proprietăți de presiune extremă

rezistență la căldură

rezistență la coroziune

Principalul avantaj al metodei este calitate stabilă a prelucrării cu o dispersie minimă a proprietăților de la detaliu la detaliu, cușcă în cușcă. În comparație cu metodele utilizate pe scară largă de întărire a tratamentului chimico-termic al pieselor din oțel, cum ar fi cementarea, carbonitrurarea, cianurarea, nitrurarea gazoasă, metoda nitrurării ion-plasmă are următoarele avantaje principale:

duritate mai mare a suprafeței pieselor nitrurate

fără deformare a pieselor după prelucrare

creșterea limitei de anduranță cu creșterea rezistenței la uzură a pieselor prelucrate

temperatură de proces mai scăzută, rezultând fără modificări structurale ale pieselor de prelucrat

Posibilitatea prelucrarii orificiilor oarbe si traversante

păstrarea durității stratului nitrurat după încălzire la 600 - 650 ° C

posibilitatea de a obţine straturi dintr-o compoziţie dată

capacitatea de a procesa produse de dimensiuni nelimitate de orice formă

fara poluare a mediului

îmbunătățirea culturii producției

reducerea costului procesării de mai multe ori

Avantajele nitrurării ion-plasmă se manifestă printr-o reducere semnificativă a principalelor costuri de producție. De exemplu, în comparație cu nitrurarea gazoasă, IPA oferă:

reducerea timpului de procesare de la 2 la 5 ori, atât prin reducerea timpului de încălzire - răcire a încărcăturii, cât și prin reducerea timpului de expunere izotermă

reducerea consumului de gaze de lucru (de 20 - 100 de ori)

reducerea consumului de energie electrică (1,5 - 3 ori)

deformare redusă suficient pentru a elimina șlefuirea finisajului

îmbunătățirea condițiilor sanitare și igienice de producție

conformitatea deplină a tehnologiei cu toate cerințele moderne pentru protecția mediului

În comparație cu întărirea, prelucrarea prin nitrurare ion-plasmă permite:

exclude deformarile

crește durata de viață a suprafeței nitrurate (de 2-5 ori)

Utilizarea nitrurării ion-plasmă în loc de cementare, nitrocarburare, nitrurare gazoasă sau lichidă, întărire în vrac sau de înaltă frecvență permite:

economisiți echipamentele de capital și spațiul de producție

reducerea costurilor cu mașinile, costurile de transport

reduce consumul de energie electrică, medii gazoase active.

Principalii consumatori de echipamente pentru nitrurare ion-plasmă sunt auto, tractoare, aviație, construcții navale, reparații navale, fabrici de mașini/mașini-unelte, instalații pentru producția de mașini agricole, pompare și echipamente compresoare, angrenaje, rulmenti, profile din aluminiu, centrale electrice...

Metoda nitrurării ion-plasmei este una dintre cele mai dinamice domenii ale tratamentului chimico-termic în țările industrializate. Metoda IPA a găsit o largă aplicație în industria auto. Este folosit cu succes de către cele mai importante întreprinderi de constructii auto/motoare din lume: Daimler Chrysler (Mercedes), Audi, Volkswagen, Voith, Volvo.
De exemplu, următoarele produse sunt procesate prin această metodă:

duze pentru mașini, plăci suport de transmisie automată, matrițe, poanson, matrițe, matrițe (Daimler Chrysler)

arcuri pentru sistemul de injectie (Opel)

arbori cotiți (Audi)

arbori cu came (Volkswagen)

arbori cotiți pentru compresoare (Atlas, SUA și Wabco, Germania)

angrenaje pentru BMW (Handl, Germania)

angrenaje autobuz (Voith)

călirea sculelor de presare în producția de produse din aluminiu (Nughovens, Scandex, John Davis etc.)

Să aveți o experiență pozitivă uz industrial aceasta metodaȚările CSI: Belarus - MZKT, MAZ, BelAZ; Rusia - AvtoVAZ, KamAZ, MMPP Salyut, Ufa Engine Building Association (UMPO).
Metoda IPA procesează:

angrenaje (MZKT)

angrenaje și alte piese (MAZ)

angrenaje cu diametru mare (mai mult de 800 mm) (BelAZ)

supape de admisie și evacuare (AvtoVAZ)

arbori cotiți (KamAZ)

După cum arată experiența mondială în aplicarea tehnologiei de nitrurare ion-plasmă, efect economic din implementarea sa se asigura in principal prin reducerea consumului de energie electrica, gaze de lucru, reducerea intensitatii fortei de munca a produselor de fabricatie datorita unei reduceri semnificative a volumului de lucru de macinare, si imbunatatirea calitatii produsului.

În ceea ce privește sculele de tăiere și ștanțare, efectul economic se realizează prin reducerea consumului acestuia datorită creșterii rezistenței sale la uzură de 4 sau mai multe ori cu creșterea simultană a condițiilor de tăiere.

Pentru unele produse nitrurare ion-plasmă este singura modalitate de a obține produs finit Cu procent minim căsătorie.

În plus, procesul IPA asigură siguranța totală a mediului.

Nitrurarea ion-plasmă poate fi utilizată în producție în loc de nitrurare lichidă sau gazoasă, cementare, nitrocarburare, întărire de înaltă frecvență.

Durabilitatea pieselor motoarelor cu turbină cu gaz este determinată în mare măsură de starea suprafeței lor și, în primul rând, de rezistența la uzură. Nitrurarea este una dintre metodele utilizate pe scară largă pentru creșterea rezistenței la uzură a suprafețelor motoarelor și pieselor de aeronave. Nitrurarea se aplică pieselor care, în timpul funcționării, lucrează în principal la frecare.

Nitrurarea este un proces de saturare prin difuzie a straturilor de suprafață ale produselor din oțel cu azot. Nitrurarea este efectuată pentru a crește duritatea și rezistența la uzură a straturilor de suprafață ale produselor din oțel, pentru a îmbunătăți rezistența la oboseală și coroziunea electrochimică a pieselor.

În timpul nitrurării, azotul formează o serie de faze cu fierul: ferită azotoasă - o soluție solidă de azot în -fier, austenită azotă - o soluție solidă de azot în -fier, `-faza intermediară Fe4N, -faza Fe2N etc. Cu toate acestea, Nitrururile de fier au rezistență insuficientă, duritate, fragilitate ridicată în comparație cu nitrururile de crom CrN, Cr2N, molibden MoN, aluminiu AlN și alte elemente de aliere. Prin urmare, oțelurile aliate care conțin elementele indicate sunt supuse nitrurării: 45Kh14N14V2M, 1Kh12N2VMF, 15Kh16K5N2MVFAB-Sh și alte oțeluri care sunt utilizate pentru fabricarea bucșilor, tijei, scaunelor supapelor, corpurilor diverse etc.

Metoda de nitrurare a amoniacului disociat folosind încălzirea cuptorului, utilizată pe scară largă în industrie, are dezavantaje atât de grave precum un timp lung de proces, dificultatea de a satura cu azot oțelurile înalt aliate ușor pasivabile, formarea unei faze α fragile la suprafață. a pieselor și deformațiile instabile semnificative ale acestora. Slefuirea, care este operația principală în prelucrarea suprafețelor nitrurate, este un proces lung și laborios.

Procesul de nitrurare ionică se realizează într-o cameră de lucru în vid, în care piesele sunt catodul, iar corpul împământat al camerei este anodul. La o presiune redusă a unei atmosfere care conține azot, aplicarea unui potențial electric între părți și corpul camerei determină ionizarea gazului. Ca urmare a bombardamentului ionic, piesele sunt încălzite la temperatura necesară, iar suprafața, fiind saturată cu azot, este întărită.

De obicei, nitrurarea se realizează la temperaturi sub 600C, când are loc difuzia predominantă a azotului. Rata de transfer de difuzie a azotului depinde de temperatură, gradient de concentrație, compoziție și structura materialului de bază și de alți factori. Difuzia atomilor de azot are loc de-a lungul locurilor libere, dislocațiilor și altor defecte ale structurii cristaline. Ca urmare a difuziei, concentrația de azot din stratul de suprafață se modifică odată cu adâncimea.

Cea mai mare accelerație a procesului de nitrurare se realizează în plasma cu descărcare luminoasă, atunci când o descărcare luminoasă este excitată într-o atmosferă rarefiată între piesa de prelucrat (catod) și anod. Ionii de gaz bombardează suprafața catodului și o încălzesc până la o temperatură de 470-580C. Ioni de azot încărcați pozitiv sub influența energiei câmp electrostatic se deplasează cu o anumită viteză de-a lungul perpendicularei pe suprafața piesei, iar energia ionului de azot obținut în plasma cu descărcare luminoasă, la o diferență de potențial de 800 V, este de aproximativ 3000 de ori mai mare decât energia atomului de azot în timpul nitrurare în cuptor în amoniac disociat. Ionii de azot încălzesc suprafața piesei și, de asemenea, pulverizează atomi de fier de la suprafață (pulverizare catodică). Atomii de fier se combină cu azotul din plasma de descărcare luminoasă pentru a forma nitrură de fier, care se depune pe suprafața piesei. strat subțire. Ulterior, bombardarea stratului de FeN cu ioni de azot este însoțită de formarea nitrurilor inferioare FeNFe3NFe4N și a unei soluții solide de azot în -fier Fe(N). Azotul format în timpul degradarii nitrurii inferioare difuzează în adâncimea materialului piesei, iar fierul este din nou pulverizat în plasmă.

Spre deosebire de încălzirea cuptorului, în timpul nitrurării ionice (în plasmă cu descărcare luminoasă), piesele sunt încălzite datorită energiei plasmatice consumate proporțional cu masa încărcăturii. Acest lucru nu necesită sobe cu zidărie masivă.

Nitrurarea oțelurilor inoxidabile cu conținut ridicat de crom care se pasivă ușor necesită în mod necesar adăugarea de hidrogen în mediul gazos. Pentru a obține straturi de difuzie de înaltă calitate fără o fază pe suprafață în timpul nitrurării ionice a oțelurilor de diferite clase, este recomandabil să se efectueze etapa de pulverizare catodică în hidrogen la o presiune de aproximativ 13 Pa și o tensiune de aproximativ 1000 V. , iar etapa de saturație - într-un amestec (3-5%) de hidrogen și (95 -97%) azot la o presiune de 133-1330 Pa. Mediul gazos al unei astfel de compoziții asigură uniformitatea grosimii straturilor de difuzie pe piesele plasate în sarcină peste volumul camerei de lucru. Creșterea presiunii amestecului în a doua etapă (nitrurare) favorizează o creștere a adâncimii stratului de difuzie.

S-a stabilit că durata procesului de nitrurare ionică este de aproximativ jumătate din cea a nitrurării în cuptor, conform tehnologiei de serie actuale. Dependența adâncimii stratului de difuzie de durata saturației în timpul nitrurării ionice, precum și în timpul nitrurării în cuptor, are un caracter parabolic. Influența temperaturii de nitrurare a ionilor asupra adâncimii stratului are o dependență apropiată de exponent.

În timpul nitrurării convenționale în amoniac disociat, duritatea maximă pentru majoritatea oțelurilor este situată la o anumită distanță de suprafață, iar stratul de suprafață, care este o fază α fragilă, este de obicei șlefuit. Ca urmare a nitrurării ionice, suprafața are duritatea maximă. Diametrele pieselor nitrurate de tip „ax” variază, de regulă, cu 30-40 de microni, care se încadrează adesea în câmpul de toleranță. Prin urmare, ținând cont de calitatea înaltă a suprafeței după nitrurarea ionică și păstrarea curățeniei, aceasta poate fi lăsată netratată, sau limitată la lustruire sau șlefuire ușoară.

Cu ajutorul nitrurării ionice la instalația de bază, a fost posibilă obținerea unei eficiențe ridicate în creșterea durabilității sculelor de tăiere și a matrițelor de deformare la cald la fabricarea pieselor din nichel, titan și oțeluri inoxidabile, rezistente la căldură, greu de prelucrat.

Practica introducerii și utilizării procesului de nitrurare ionică a pieselor în industrie a demonstrat fezabilitatea introducerii pe scară largă a acestui proces în producția de masă. Procesul de nitrurare ionică permite:

Creșteți durata de viață a pieselor nitrurate;

Asigurați călirea pieselor pentru care utilizarea altor metode de călire este dificilă sau imposibilă;

Reducerea intensității forței de muncă la fabricație prin eliminarea operațiunii de aplicare a galvanizării;

În unele cazuri, refuzați măcinarea după nitrurare;

Reduceți durata ciclului de nitrurare de mai mult de 2 ori;

Îmbunătățirea sănătății la locul de muncă.

O caracteristică a producției de motoare de aeronave este o mare varietate de grade de oțel, inclusiv cele întărite prin nitrurare. Dezvoltarea procesului tehnologic de nitrurare ionică a fost precedată de o analiză profundă a realizărilor în acest domeniu al cercetării străine și interne.

Au fost supuse studiului de călire prin nitrurare ionică oțelurile de structură din clasele perlitice, austenitice, martensitice, de tranziție, maraging ale următoarelor materiale: V2, 40X10X2M, 14X10X2M, 14X17N2, 15X15K5N2MVFAB -VAK36ShN3, 40X10X2M, 14X10X2M, 14X17N2, 15X15K5N2MVFAB - VA86VhN FAB-Sh, (DI39, VKS-5), N18K9M5T (MS200) și altele. Sarcina cercetării este dezvoltarea proceselor tehnologice cu scopul de a transfera nitrurarea în cuptor a pieselor la ionice, noi procese tehnologice de nitrurare ionică a pieselor în loc de cementare, ca precum şi anterior neîntărit prin tratament chimico-termic.

Pentru piesele care lucrează la uzură la presiuni de contact scăzute în condiții de coroziune, este necesar să se obțină un strat de difuzie cu o zonă de nitrură dezvoltată, de care depind rularea suprafețelor de frecare și rezistența la coroziune.

Pentru piesele care funcționează sub sarcini ciclice în condiții de uzură cu sarcini de contact crescute, este necesar să se depună eforturi pentru a obține un strat cu o zonă de nitrurare internă mare.

Variația structurii stratului face posibilă obținerea diferitelor combinații ale stratului și miezului. Acest lucru este confirmat de numeroase exemple de nitrurare pentru diferite grupuri de piese.

La dezvoltarea proceselor tehnologice, au fost efectuate studii sistematice cuprinzătoare ale influenței principalelor factori tehnologici asupra calității și caracteristicilor operaționale ale stratului de difuzie în timpul nitrurării ionice pentru a optimiza parametrii acestora.

Un conținut ridicat de hidrogen în amestec, inclusiv cel corespunzător compoziției la disocierea completă a amoniacului, favorizează formarea fazelor de nitrură pe suprafața nitrurata sub formă de monostrat până la faza -(Fe2N). În plus, un amestec de azot cu un conținut ridicat de hidrogen, atât în ​​sticla mixerului, unde se prepară amestecul, cât și în camera de lucru, după un anumit timp, începe să afecteze adâncimea stratului nitrurat, precum și a acestuia. neuniformitate asupra pieselor peste volumul sarcinii. Hidrogenul într-un mediu gazos în timpul nitrurării ionice joacă rolul de agent reducător al oxizilor pe suprafața întărită, care împiedică contactul direct și interacțiunea azotului cu metalul.

Oțelurile din clasa obișnuită sunt nitrurate în azot pur fără adaos de hidrogen. Cu toate acestea, straturile nitrurate nu sunt întotdeauna uniforme în adâncime.

Ca urmare a studiilor privind efectul presiunii din camera de lucru asupra calității stratului nitrurat, se poate recomanda ca prima etapă (pulverizare catodică) să fie efectuată în hidrogen la o presiune de aproximativ 13 Pa și la o tensiune. de aproximativ 1000 V. O creștere a presiunii amestecului din a doua etapă (nitrurare) contribuie la creșterea adâncimii stratului de difuzie, iar nitrurarea ionică trebuie efectuată la o presiune de 133-1330 Pa.

Calitatea straturilor de difuzie este afectată de temperatura și durata procesului. Figura .. arată influența acestor factori asupra adâncimii stratului a unor oțeluri care diferă ca compoziție și sunt reprezentanți tipici ai diferitelor clase.

S-a stabilit că durata procesului de nitrurare ionică este de aproximativ jumătate din cea a nitrurării în cuptor folosind tehnologia de serie actuală.

Distribuția microdurității pe adâncimea stratului nitrurat este o caracteristică importantă de performanță. În timpul nitrurării convenționale în amoniac disociat, duritatea maximă pentru majoritatea oțelurilor este situată la o anumită distanță de suprafață, iar stratul de suprafață, care este o fază α fragilă, este de obicei șlefuit. Ca urmare a nitrurării ionice a tuturor oțelurilor, suprafața are duritatea maximă. Prin urmare, ținând cont de calitatea înaltă a suprafeței după nitrurarea ionică și menținerea curățeniei, aceasta poate fi lăsată netratată sau limitată la lustruire sau șlefuire ușoară.

După nitrurarea ionică, toate oțelurile nu au faza pe suprafață. Absența fazei - pe suprafață în timpul nitrurării ionice se datorează probabil efectului de barieră al oxizilor, care reduc conținutul de azot direct pe metal, pulverizarea catodică și stabilitatea mai scăzută a fazei - în vid și plasma cu descărcare luminoasă.

Una din principalele caracteristici de performanta multe părți ale motoarelor de aeronave și aeronavelor este rezistență la uzură.

Studiul rezistenței la uzură a fost efectuat atât de pe suprafața probelor nitrurate, cât și după șlefuire la o adâncime de 0,03-0,06 mm.

Nitrurarea ionică a pieselor în producție în serie supus în principal la trei feluri de piese. Este vorba de piese supuse nitrurării convenționale în amoniac disociat, piese cimentate cu sarcini de lucru ușoare și medii asupra produsului și piese cu uzură semnificativă care nu sunt supuse întăririi prin tratament chimico-termic din cauza imposibilității rafinării ulterioare prin măcinare din cauza forma geometrică complexă.

Durata mare de expunere izotermă, ajungând la 50 de ore, cu o gamă semnificativă de părți nitrurate, perturbă adesea ritmul producției. Un alt dezavantaj semnificativ al tehnologiei în serie este intensitatea mare a muncii în fabricarea pieselor asociate cu aplicarea și îndepărtarea acoperirilor galvanice utilizate pentru a proteja împotriva nitrurării. Măcinarea pieselor nitrurate, în special de configurație complexă, este uneori însoțită de defecte inegale, care practic nu sunt detectate prin control și se manifestă numai în timpul funcționării pe un motor în serie ca urmare a uzurii premature a stratului defect. La șlefuirea pieselor, în special dintr-un oțel aliat atât de complex precum 15Kh16K5N2MVFAB, uneori s-au format fisuri pe marginile ascuțite din cauza relaxării tensiunilor reziduale, precum și la punctele de tranziție de la o suprafață cilindrică la o suprafață de capăt imediat după nitrurare.

Se recomandă ca piesele finite să fie supuse întăririi prin nitrurare ionică. Acest lucru se datorează faptului că duritatea maximă și rezistența la uzură după nitrurarea ionică este deținută direct de suprafața sau straturile apropiate acesteia, în timp ce după nitrurarea convențională, straturile situate la o oarecare distanță de suprafață sunt mai eficiente.

Pentru a ține cont de alocația pentru „umflarea” în fabricație, a fost investigat efectul nitrurării ionice asupra modificării dimensiunilor pieselor. Studiile au fost efectuate pe reprezentanți tipici ai pieselor. A fost stabilită statistica distribuției pieselor în funcție de modificarea mărimii. Piesele de tip arbore au o creștere a diametrului după nitrurarea ionică. Pentru bucșe și sfere, diametrul exterior crește, iar diametrul interior scade. Pentru majoritatea pieselor nitrurate, diametrul s-a modificat cu 30 - 40 microni.

Unele piese sunt nitrurate după finisarea prelucrarii, iar abaterile dimensionale se încadrează în câmpul de toleranță. Astfel, în procesul de fabricare a pieselor a fost exclusă operația laborioasă de șlefuire a unei suprafețe nitrurate. Această împrejurare face posibilă extinderea gamei pieselor de călit, acolo unde prelucrarea după călirea lor este dificilă sau imposibilă (de exemplu, piese îndoite, cum ar fi un bandaj).

Sculele au fost proiectate și fabricate pentru a proteja suprafețele nenitrurate. În timpul nitrurării ionice a pieselor, spre deosebire de nitrurarea în cuptor, protecția suprafețelor care nu sunt supuse nitrurării este cea mai avansată din punct de vedere tehnologic. Placarea cu nichel și placarea cu cositor, utilizate pentru a proteja suprafețele nenitrurate în timpul nitrurării cuptorului, sunt operațiuni care necesită multă muncă și nu asigură întotdeauna calitatea cerută protecţie. În plus, după nitrurare, este adesea necesară îndepărtarea acestor acoperiri prin mijloace chimice sau mecanice.

În timpul nitrurării ionice, suprafețele care nu se nitrurează sunt protejate de ecrane metalice care sunt în contact strâns cu suprafața care nu este supusă nitrurării (distanța nu este mai mare de 0,2 mm). Această suprafață nu este expusă încărcăturii de strălucire și este astfel protejată în mod fiabil împotriva nitrurării. La nitrurarea pieselor, protecția împotriva nitrurării a fost folosită în mod repetat cu ajutorul ecranelor de diferite suprafețe, cum ar fi plane, suprafețe cilindrice interioare și exterioare, suprafețe filetate etc. Practica a demonstrat fiabilitatea și comoditatea acestei metode de protecție. Dispozitivele pentru aceste scopuri pot fi utilizate în mod repetat. Suprafețele pieselor care nu sunt supuse nitrurării pot fi finisate.

Procesul de nitrurare ionică permite:

crește durata de viață a pieselor nitrurate;

să asigure călirea pieselor pentru care utilizarea altor metode de călire este dificilă sau imposibilă;

reducerea complexității producției prin eliminarea operațiunilor de aplicare a galvanizării;

în unele cazuri, abandonați măcinarea după nitrurare;

reduceți durata ciclului de nitrurare de mai mult de două ori;

îmbunătățirea sănătății la locul de muncă.

Trei tipuri diferite de nitrurare sunt utilizate în prezent în industrie: pentru a obține o duritate ridicată a stratului de suprafață, ion anti-coroziune și nitrurare „moale” etc.

Pentru a obține o duritate ridicată a pieselor din oțeluri structurale, procesul se efectuează la o temperatură de 500 până la 520C timp de până la 90 de ore. Gradul de disociere a amoniacului este reglat de furnizarea acestuia și variază de la 15 la 60%. Într-un mod de nitrurare cu o singură etapă, procesul se desfășoară la o temperatură constantă (500520C), apoi este ridicat la 560570C. Aceasta duce la o temperatură scăzută la formarea la început a unui strat subțire bine saturat cu azot cu nitruri fin dispersate, iar apoi, odată cu creșterea temperaturii, viteza de difuzie crește și timpul de obținere a grosimii necesare a stratului nitrurat este redus. Un ciclu de nitrurare în două etape reduce timpul de saturare a oțelului cu azot de 22,5 ori.

La îmbunătățirea procesului de nitrurare, trebuie rezolvate următoarele sarcini importante:

crearea unui proces controlat care oferă o anumită compoziție a gazului, structura și adâncimea stratului de difuzie;

intensificarea procesului de formare a stratului nitrurat.

Au fost dezvoltate două metode fundamental noi de control direct al procesului de nitrurare, una dintre ele permite estimarea potențialului de azot al atmosferei cuptorului prin compoziția sa ionică (disociameri ionici), iar pe de altă parte, deschide posibilitatea analiza directă a cineticii formării straturilor de difuzie în timpul procesului de nitrurare (analizoare cu curenți turbionari). Potențialul de azot este monitorizat de un senzor de ionizare cu părere cu sistem de amestecare.

Pentru nitrurare, instalatii calitativ noi cu managementul programului proces tehnologic. Intensificarea procesului de nitrurare se poate realiza prin creșterea temperaturii de saturație, reglarea activității atmosferei, modificarea compoziției acesteia, precum și utilizarea câmpurilor magnetice și diferite feluri descărcări electrice (scânteie, coroană, strălucire).

În timpul tratamentului chimico-termic, adâncimea stratului saturat în unele cazuri este mai mare decât este necesară, în altele este mai mică decât este necesară, uneori apar deformari și deformari, stratul saturat se crapă etc. Caracteristicile căsătoriei tratamentului chimico-termic, principalele motive pentru apariția acesteia, măsurile de eliminare a căsătoriei sunt date în tabel.