Ионно-плазменное упрочнение Вакуумные ионно-плазменные методы упрочнения поверхностей деталей включают следующие процессы: генерацию (образование) корпускулярного потока вещества; его активизацию, ускорение и фокусировку; ; конденсацию и внедрение в поверхность деталей (подложек). Генерация: корпускулярного потока вещества возможна его испарением (сублимацией) и распылением. Испарение: переход конденсированной фазы в пар осуществляется в результате подводок тепловой энергии к испаряемому веществу. Твердые вещества обычно при нагревании расплавляются, а затем переходят в газообразное состояние. Некоторые вещества переходят в газообразное состояние минуя жидкую фазу. Такой процесс называется сублимацией. .
С помощью методов вакуумной ионно-плазменной технологии можно выполнить: 1) модифицирование поверхностных слоев: ионно-диффузионное насыщение; (ионное азотирование, науглероживание, борироване и др.); ионное (плазменное) травление (очистка); ионная имплантация (внедрение); отжиг в тлеющем разряде; ХТО в среде несамостоятельного разряда; 2) нанесение покрытий: полимеризация в тлеющем разряде; ионное осаждение (триодной распылительной системе, диодной распылительной системе, с использованием разряда в полом катоде); электродуговое испарение; ионно-кластерный метод; катодное распыление (на постоянном токе, высокочастотное); химическое осаждение в плазме тлеющего разряда.
Преимущества методов вакуумного ионно-плазменного упрочнения высокая адгезия покрытия к подложке; равномерность покрытия по толщине на большой площади; варьирование состава покрытия в широком диапазоне, в пределах одного технологического цикла; получение высокой чистоты поверхности покрытия; экологическая чистота производственного цикла.
Ионное распыление Ионные распылители разделяют на две группы: плазмоионные, в которых мишень находится в газоразрядной плазме, создаваемой с помощью тлеющего, дугового и высокочастотного разряда. Распыление происходит в результате бомбардировки мишени ионами, извлекаемыми из плазмы; автономные источники без фокусировки и с фокусировкой ионных пучков, бомбардирующих мишень.
Принципиальная система распыления 1 — камера; 2 — подложкодержатель; 3 — детали (подложки); 4 — мишень; 5 — катод; 6 — экран; 7 — подвод рабочего газа; 8 — источник питания; 9 — откачка.
ХТО в среде тлеющего разряда Диффузионные установки с тлеющим разрядом используются для проведения процессов азотирования, цементации, силицирования и других видов ХТО из газовой фазы. Глубина диффузионного слоя достигает нескольких миллиметров при равномерном насыщении всей по верхности изделия. Процесс ведется при пониженном давлении, равном 10 -1 – 10 -3 Па, что обеспечивает существование тлеющего разряда. Преимущества применения тлеющего разряда: высокий коэффициент использования электроэнергии (расход только на ионизацию газа и нагрев детали); уменьшение длительности процесса, за счет быстрого нагрева до температуры насыщения; увеличения активности газовой среды и поверхностного слоя; возможность получения покрытий из тугоплавких металлов, сплавов и химических соединений. Недостатки процесса: низкое давление в камере (10 -1 Па), малая производительность, работа в периодическом режиме, невозможность обработки длинномерных изделий (например, труб), значительный расход электроэнергии высокая стоимость установок.
Ионно-диффузионное насыщение Преимущества перед процессом обычного газового азотирования: сокращение длительности цикла в 3 -5 раз; уменьшение деформации деталей в 3 -5 раз; возможность проведения регулируемых процессов азотирования с получением слоев с заданным составом и структурой; возможность уменьшения температуры процесса азотирования до 350 -400 0 С, что позволяет избежать разупрочнения материалы сердцевины изделий; уменьшение хрупкости слоя и повышение его служебных характеристик; простота защиты отдельных участков деталей от азотирования; устранение опасности взрыва печи; снижение удельных расходов электрической энергии в 1, 5 -2 раза и рабочего газа в 30 -50 раз; улучшения условий труда термистов. Недостатки: невозможность ускорения процесса путем увеличения плотности ионного потока, т. к. в результате перегрева деталей снижается поверхностная твердость; интенсификация процесса ионного азотирования; наложение магнитного поля с целью увеличения плотности тока и снижения давления газа; за счет создания поверхности детали заданной дефектности (предварительное пластическое деформирование, термическая обработка).
Установка ионной цементации ЭВТ
Ионная цементация При ионной цементации в граничном слое создается высокий градиент концентрации углерода. Скорость роста науглероженного слоя материала составляет 0, 4… 0, 6 мм/ч, что в 3… 5 раз превышает этот показатель для других способов цементации. Продолжительность ионной цементации для получения слоя толщиной 1… 1, 2 мм сокращается до 2… 3 часов. Вследствие низкого расхода газов, электроэнергии и непродолжительного времени обработки производственные затраты снижаются в 4… 5 раз. К технологическим преимуществам ионной цементации следует отнести высокую равномерность науглероживания, отсутствие внешнего и внутреннего окисления, уменьшение коробления деталей. Объем механической обработки сокращается на 30 %, число технологических операций уменьшается на 40 %, продолжительность цикла обработки сокращается на 50 %.
Ионно-плазменное азотирование (ИПА) ИПА– разновидность химико-термической обработки деталей машин, инструмента, штамповой и литьевой оснастки, обеспечивающая диффузионное насыщение поверхностного слоя стали (чугуна) азотом или азотом и углеродом в азотно–водородной плазме при температуре 450 – 600 °С, а также титана или титановых сплавов при температуре 800 – 950 °С в азотной плазме. Сущность ионно-плазменного азотирования заключается в том, что в разряженной до 200– 1000 Па азотсодержащей газовой среде между катодом, на котором располагаются обрабатываемые детали, и анодом, роль которого выполняют стенки вакуумной камеры, возбуждается аномальный тлеющий разряд, образующий активную среду (ионы, атомы, возбужденные молекулы). Это обеспечивает формирование на поверхности изделия азотированного слоя, состоящего из внешней – нитридной зоны с располагающейся под ней диффузионной зоной.
Микроструктура азотированного слоя инструментальной стали 4 Х 5 МФС а б Микроструктуры сталей У 8 (а) и 20 Х 13 (б) после ионно-плазменного азотирования
Установка УА-63 -950/3400 с изменяемой геометрией рабочей камеры (высота 1, 7 или 3, 4 м)
Применение метода ионно-плазменного азотирования данным методом обрабатываются следующие изделия: форсунки для легковых автомобилей, несущие пластины автоматического привода, матрицы, пуансоны, штампы, пресс-формы (Daimler Chrysler); пружины для системы впрыска (Opel); коленчатые валы (Audi); распределительные (кулачковые) валы (Volkswagen); коленчатые валы для компрессора (Atlas, США и Wabco, Германия); шестерни для BMW (Handl, Германия); автобусные шестерни (Voith); упрочнения прессового инструмента в производстве алюминиевых изделий (Нугховенс, Скандекс, Джон Девис и др.). Есть положительный опыт промышленного использования данного метода странами СНГ: Беларусь – МЗКТ, МАЗ, Бел. АЗ; Россия – Авто. ВАЗ, Кам. АЗ, ММПП «Салют» , Уфимское моторостроительное объединение (УМПО). Методом ИПА обрабатываются: шестерни (МЗКТ); шестерни и другие детали (МАЗ); шестерни большого (более 800 мм) диаметра (Бел. АЗ); впускные и выпускные клапаны (Авто. ВАЗ); коленчатые валы (Кам. АЗ).
Металлизация изделий по типу 1 производится в декоративных целях, для повышения твёрдости и износостойкости, для защиты от коррозии. Из-за слабого сцепления покрытия с подложкой этот вид металлизации нецелесообразно применять для деталей, работающих в условиях больших нагрузок и температур. Технология металлизации по типам 1 и 2 а предусматривает наложение слоя вещества на поверхность холодного или нагретого до относительно невысоких температур изделия. К этим видам металлизации относятся: электролитические (гальванотехника); химические; газопламенные процессы получения покрытий (напыление); нанесение покрытий плакированием (механо-термический); диффузионный, погружением в расплавленные металлы. Технология металлизация по типу 2 б предусматривает диффузионное насыщение металлическими элементами поверхности деталей, нагретых до высоких температур, в результате которого в зоне диффузии элемента образуется сплав (Диффузионная металлизация). В этом случае геометрия и размеры металлизируемой детали практически не меняются.
Ионно-плазменная металлизация Ионно-плазменная металлизация имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими видами металлизации. Высокая температура плазмы и нейтральная среда позволяют получать покрытия с большей структурной однородностью, меньшей окисляемостью, более высокими когезионными и адгезионными свойствами, износостойкостью и др. по сравнению с этими свойствами других видов металлизации. С помощью этого метода металлизации можно распылять различные тугоплавкие материалы: вольфрам, молибден, титан и др. , твердые сплавы, а также окислы алюминия, хрома, магния и др. Нанесение покрытия можно осуществлять распылением как проволоки, так и порошка. Собственно металлизация состоит из трех процессов: плавления твердого металла проволоки или порошка (при ионно-плазменной металлизации), распыления расплавленного металла и формирования покрытия. Материалами для напыления могут быть любые тугоплавкие металлы в виде проволоки или порошка, но могут использоваться и среднеутлеродистые к легированные проволоки типа Нп-40, Нп-ЗОХГСА, Нп-ЗХ 13 и др. В условиях авторемонтных предприятий в качестве тугоплавких материалов может применяться сплав типа ВЗК (стеллит) или сормайт, обладающий высокими износостойкостью и коррозионной стойкостью.
Улучшение свойств металла может проходить путем изменения его химического состава. Примером можно назвать азотирование стали – относительно новая технология насыщения поверхностного слоя азотом, которая стала применяться в промышленных масштабах около столетия назад. Рассматриваемая технология была предложена для улучшения некоторых качеств продукции, изготавливаемой из стали. Рассмотрим подробнее то, как проводится насыщение стали азотом.
Назначение азотирования
Многие сравнивают процесс цементирования и азотирования по причине того, что оба предназначены для существенного повышения эксплуатационных качеств детали. Технология внесения азота имеет несколько преимуществ перед цементацией, среди которых отмечают отсутствие необходимости повышения температуры заготовки до значений, при которых проходит пристраивание атомной решетки. Также отмечается тот факт, что технология внесения азота практически не изменяет линейные размеры заготовок, за счет чего ее можно применять после финишной обработки. На многих производственных линиях азотированию подвергают детали, которые прошли закалку и шлифование, практически готовы к выпуску, но нужно улучшить некоторые качества.
Назначение азотирования связано с изменением основных эксплуатационных качеств в процессе нагрева детали в среде, которая характеризуется высокой концентрацией аммиака. За счет подобного воздействия поверхностный слой насыщается азотом, и деталь приобретает следующие эксплуатационные качества:
- Существенно повышается износостойкость поверхности за счет возросшего индекса твердости.
- Улучшается значение выносливости и сопротивление к росту усталости структуры металла.
- Во многих производствах применение азотирования связано с необходимостью придания антикоррозионной стойкости, которая сохраняется при контакте с водой, паром или воздухом с повышенной влажностью.
Вышеприведенная информация определяет то, что результаты азотирования более весомы, чем цементации. Преимущества и недостатки процесса во многом зависят от выбранной технологии. В большинстве случаев переданные эксплуатационные качества сохраняются даже при нагреве заготовки до температуры 600 градусов Цельсия, в случае цементирования поверхностный слой теряет твердость и прочность после нагрева до 225 градусов Цельсия.
Технология процесса азотирования
Во многом процесс азотирования стали превосходит другие методы, предусматривающие изменение химического состава металла. Технология азотирования деталей из стали обладает следующими особенностями:
- В большинстве случаев процедура проводится при температуре около 600 градусов Цельсия. Деталь помещается в герметичную муфельную печь из железа, которая помещается в печи.
- Рассматривая режимы азотирования, следует учитывать температуру и время выдержки. Для разных сталей эти показатели будут существенно отличаться. Также выбор зависит от того, каких эксплуатационных качеств нужно достигнуть.
- В созданный контейнер из металла проводится подача аммиака из баллона. Высокая температура приводит к тому, что аммиак начинает разлагаться, за счет чего начинают выделяться молекулы азота.
- Молекулы азота проникают в металл по причине прохождения процесса диффузии. Засчет этого на поверхности активно образуются нитриды, которые характеризуются повышенной устойчивостью к механическому воздействию.
- Процедура химико-термического воздействия в данном случае не предусматривает резкое охлаждение. Как правило, печь для азотирования охлаждается вместе с потоком аммиака и деталью, за счет чего поверхность не окисляется. Поэтому рассматриваемая технология подходит для изменения свойств деталей, которые уже прошли финишную обработку.
Классический процесс получения требуемого изделия с проведением азотирования предусматривает несколько этапов:
- Подготовительная термическая обработка, которая заключается в закалке и отпуске. За счет перестроения атомной решетки при заданном режиме структура становится более вязкой, повышается прочность. Охлаждение может проходить в воде или масле, иной среде – все зависит от того, насколько качественным должно быть изделие.
- Далее выполняется механическая обработка для придания нужной форы и размеров.
- В некоторых случаях есть необходимость в защите определенных частей изделия. Защита проводится путем нанесения жидкого стекла или олова слоем толщиной около 0,015 мм. За счет этого на поверхности образуется защитная пленка.
- Выполняется азотирование стали по одной из наиболее подходящих методик.
- Проводятся работы по финишной механической обработке, снятию защитного слоя.
Получаемый слой после азотирования, который представлен нитридом, составляет от 0,3 до 0,6 мм, за счет чего отпадает необходимость в проведении процедуры закаливания. Как ранее было отмечено, азотирование проводят относительно недавно, но сам процесс преобразования поверхностного слоя металла был уже практически полностью изучен, что позволило существенно повысить эффективность применяемой технологии.
Металлы и сплавы, подвергаемые азотированию
Существуют определенные требования, которые предъявляются к металлам перед проведением рассматриваемой процедуры. Как правило, уделяется внимание концентрации углерода. Виды сталей, подходящих для азотирования, самые различные, главное условие заключается в доле углерода 0,3-0,5%. Лучших результатов достигают при применении легированных сплавов, так как дополнительные примеси способствуют образованию дополнительных твердых нитритов. Примером химической обработки металла назовем насыщение поверхностного слоя сплавов, которые в составе имеют примеси в виде алюминия, хрома и другие. Рассматриваемые сплавы принято называть нитраллоями.
Внесение азота проводится при применении следующих марок стали:
- Если на деталь будет оказываться существенное механическое воздействие при эксплуатации, то выбирают марку 38Х2МЮА. В ее состав входит алюминий, который становится причиной снижения деформационной стойкости.
- В станкостроении наиболее распространение получили стали 40Х и 40ХФА.
- При изготовлении валов, которые часто подвергаются изгибающим нагрузкам применяют марки 38ХГМ и 30ХЗМ.
- Если при изготовлении нужно получить высокую точность линейный размеров, к примеру, при создании деталей топливных агрегатов, то используется марка стали 30ХЗМФ1. Для того чтобы существенно повысить прочность поверхности и ее твердость, предварительно проводят легирование кремнем.
При выборе наиболее подходящей марки стали главное соблюдать условие, связанное с процентным содержанием углерода, а также учитывать концентрацию примесей, которые также оказывают существенное воздействие на эксплуатационные свойства металла.
Основные виды азотирования
Выделяют несколько технологий, по которым проводят азотирование стали. В качестве примера приведем следующий список:
- Аммиачно-пропановая среда. Газовое азотирование сегодня получило весьма большое распространение. В данном случае смесь представлена сочетанием аммиака и пропана, которые берутся в соотношении 1 к 1. Как показывает практика, газовое азотирование при применении подобной среды требует нагрева до температуры 570 градусов Цельсия и выдержки в течение 3-х часов. Образующийся слой нитридов характеризуется небольшой толщиной, но при этом износостойкость и твердость намного выше, чем при применении классической технологии. Азотирование стальных деталей в данном случае позволяет повысить твердость поверхности металла до 600-1100 HV.
- Тлеющий разряд – методика, которая также предусматривает применение азотсодержащей среды. Ее особенность заключается в подключении азотируемых деталей к катоду, в качестве положительного заряда выступает муфель. За счет подключение катода есть возможность ускорить процесс в несколько раз.
- Жидкая среда применяется чуть реже, но также характеризуется высокой эффективностью. Примером можно назвать технологию, которая предусматривает использование расплавленного цианистого слоя. Нагрев проводится до температуры 600 градусов, период выдержки от 30 минут до 3-х часов.
В промышленности наибольшее распространение получила газовая среда за счет возможность обработки сразу большой партии.
Каталитическое газовое азотирование
Данная разновидность химической обработки предусматривает создание особой атмосферы в печке. Диссоциированный аммиак проходит предварительную обработку на специальном каталитическом элементе, что существенно повышает количество ионизированных радикалов. Особенности технологии заключаются в нижеприведенных моментах:
- Предварительная подготовка аммиака позволяет увеличить долю твердорастворной диффузии, что снижает долю реакционных химических процессов при переходе активного вещества от окружающей среды в железо.
- Предусматривает применение специального оборудования, которое обеспечивает наиболее благоприятные условия химической обработки.
Применяется данный метод на протяжении нескольких десятилетий, позволяет изменять свойства не только металлов, но и титановых сплавов. Высокие затраты на установку оборудования и подготовку среды определяют применимость технологии к получению ответственных деталей, которые должны обладать точными размерами и повышенной износостойкостью.
Свойства азотированных металлических поверхностей
Довольно важным является вопрос о том, какая достигается твердость азотированного слоя. При рассмотрении твердости учитывается тип обрабатываемой стали:
- Углеродистая может иметь твердость в пределах 200-250HV.
- Легированные сплавы после проведения азотирования обретают твердость в пределе 600-800HV.
- Нитраллои, которые имеют в составе алюминий, хром и другие металлы, могут получить твердость до 1200HV.
Другие свойства стали также изменяются. К примеру, повышается коррозионная стойкость стали, за счет чего ее можно использовать в агрессивной среде. Сам процесс внесения азота не приводит к появлению дефектов, так как нагрев проводится до температуры, которая не изменяет атомную решетку.
И ндустриальные развитые производства сегодня отдают предпочтения химико-термической обработке, в частности ионно-плазменному азотированию (далее ИПА), выгодно отличающемуся с экономической точки зрения от термических технологий. Сегодня ИПА активно используется в машино-, судо и станкостроении, промышленности сельскохозяйственного и ремонтного назначения, для производства установок энергетической отрасли. Среди предприятий, активно использующих технологию ионно-плазменного азотирования такие громкие имена, как немецкий концерн Daimler Chrysler, автомобильный гигант BMW, шведский Volvo, белорусский завод колесных тягачей, КамАЗ и БелАЗ. Кроме того, преимущество ИПА по достоинству оценили производители прессовых инструментов: Skandex, Нугховенс.
Технология процесса
Ионно-плазменное азотирование, применяемое для рабочих инструментов, деталей машин, оборудования для штамповки и литья, обеспечивает насыщение поверхностного слоя изделия азотом или азотно-углеродной смесью (в зависимости от материала заготовки). Установки для ИПА работают в разряженной атмосфере при давлении до 1000 Па. В камеру, действующую по принципу катодно-анодной системы, подается азотно-водородная смесь для обработки чугуна и различных сталей или чистый азот в качестве рабочего газа для работы с титаном и его сплавами. Катодом служит заготовка, анодом - стенки камеры. Возбуждение аномально тлеющего заряда инициирует образование плазмы и, как следствие, активной среды, включающей в себя заряженные ионы, атомы и молекулы рабочей смеси, находящиеся в возбужденном состоянии. Низкое давление обеспечивает равномерное и полноценное покрытие заготовки свечением. Температура плазмы колеблется от 400 до 950 градусов в зависимости от рабочего газа.
Для ионно-плазменного азотирования требуется в 2-3 раза меньше электроэнергии, а качество поверхности обработанного изделия позволяет вовсе исключить стадию финишной шлифовки
Формирующаяся на поверхности пленка состоит из двух слоев: нижнего диффузионного и верхнего нитридного. Качество модифицированного поверхностного слоя и экономическая эффективность процесса в целом зависит от ряда факторов, включая состав рабочего газа, температуру и продолжительность процесса.
Обеспечение стабильной температуры упирается в процессы теплообмена, происходящие непосредственно внутри камеры для ИПА. Для снижения интенсивности обменных процессов со стенками камеры используются специальные, непроводящие тепло экраны. Они позволяют значительно сэкономить на потребляемой мощности. Температура процесса вкупе с длительностью влияют на глубину проникновения нитридов, что вызывает изменения в графике глубинного распределения показателей твердости. Температура ниже 500 градусов наиболее оптимальная для азотирования легированных сталей холодной обработки и мартенситных материалов, поскольку эксплуатационные характеристики повышаются без изменения твердости сердцевины и термического разрушения внутренней структуры.
Состав активной среды влияет на конечную твердость и размер нитридной зоны и зависит от состава обрабатываемого изделия.
Результаты применения ионно-плазменного азотирования
Ионно-плазменное азотирование позволяет повысить показатели износостойкости с одновременным снижением склонности к усталостным нарушениям структуры металла. Получение необходимых поверхностных свойств определяется соотношением глубины и состава диффузионного и нитридного слоев. Нитридный слой, исходя из химического состава, принято делить на две определяющие фазы: «гамма» с высоким процентным содержанием соединений Fe4N и «ипсилон» с Fe2N Fe3N. -фаза отличается низкой пластичностью поверхностного слоя с высокими показателями сопротивления различным типам коррозии, ε-фаза дает относительно пластичное износостойкое покрытие.
Что касается диффузионного слоя, то прилегающая развитая нитридная зона снижает вероятность образования межкристаллитной коррозии, обеспечивая достаточный для активного трения квалитет шероховатости. Детали с таким соотношением слоев с успехом используются в механизмах, работающих на износ. Исключение нитридного слоя позволяет препятствовать разрушению при постоянной смене силы нагрузки при условиях достаточно высокого давления.
Т.о. ионно-плазменное азотирование используется для оптимизации показателей износо-, тепло- и коррозионной стойкости с изменением усталостной выносливости и шероховатости, влияющей на вероятность задира поверхностного слоя.
Преимуществаионно-плазменного азотирования
Ионно-плазменное азотирование в отлаженном техпроцессе дает минимальный разброс поверхностных свойств от детали к детали при относительно низкой энергоемкости, что делает ИПА более привлекательным, нежели традиционное печное газовое азотирование, нитроцементацию и цианирование.
Ионно-плазменное азотирование исключает деформацию заготовки, а структура азотированного слоя остается неизменной даже при нагреве детали до 650 градусов, что вкупе с возможностью тонкой корректировки физико-механических свойств позволяет использовать ИПА для решения самых разнообразных задач. Кроме того, азотирование ионно-плазменным методом отлично подходит для обработки сталей разных марок, поскольку рабочая температура процесса в азотно-углеродной смеси не превышает 600 градусов, что исключает нарушения внутренней структуры и даже наоборот - способствует снижение вероятности усталостных разрушений и повреждений из-за высокой хрупкости нитридной фазы.
Для повышения антикоррозионных показателей и поверхностной твердости методом ионно-плазменного азотирования подходят заготовки любой формы и размеров со сквозными и глухими отверстиями. Экранная защита от азотирования не представляет собой сложное инженерное решение, поэтому обработка отдельных участков любой формы производится легко и просто.
Относительно других методов упрочнения и повышения межкристаллитной стойкости ИПА отличается сокращенной в несколько раз длительностью техпроцесса и уменьшенным на два порядка расходом рабочего газа. Т.о. для ионно-плазменного азотирования требуется в 2-3 раза меньше электроэнергии, а качество поверхности обработанного изделия позволяет вовсе исключить стадию финишной шлифовки. Кроме того, существует возможность провести обратный азотированию процесс, например перед шлифовкой.
Эпилог
К сожалению, на фоне даже ближнего зарубежья отечественные производственники используют азотирование ионно-плазменным методом довольно редко, хотя экономические и физико-механические преимуществ видны невооруженным глазом. Внедрение на производство ионно-плазменного азотирования улучшает условия труда, повышает производительность и снижает стоимость работ, при этом ресурс службы обработанного изделия увеличивается в 5 раз. Как правило, вопрос построения техпроцессов с использованием установок для ИПА упирается в проблему финансового плана, хотя субъективно реальных препятствий нет. Ионно-плазменное азотирование при достаточно простой конструкции оборудования выполняет сразу несколько операций, реализация которых другими методами возможна лишь поэтапно, когда стоимость и продолжительность резко поползут вверх. Кроме того, есть несколько компаний в России и Беларуси, сотрудничающих с зарубежными производителями оборудования для ИПА, что делает покупку таких установок доступнее и дешевле. Видимо, главная проблема заключается лишь в банальном принятии решения, которое, как русская традиция, родится у нас долго и трудно.
А.В. АРЗАМАСОВ
МГТУ им. Н. Э. Баумана
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 1. 1991 г.
Разработка новых производственных процессов ионного азотирования с целью повышения износостойкости поверхности деталей, изготовленных из аустенитных сталей, является актуальной задачей
Аустенитные стали относятся к трудноазотируемым, так как их поверхностные оксидные пленки препятствуют насыщению азотом и коэффициент диффузии азота в аустените меньше, чем в феррите. В связи с этим для удаления оксидных пленок при обычном азотировании необходима предварительная обработка поверхности стали или применение депассиваторов.
Обычное азотирование большинства аустенитных сталей проводят в аммиаке при 560-600 °С в течение 48-60 ч. Однако эти режимы не позволяют получить диффузионные слои толщиной более 0,12-0,15 мм, а на стали 45Х14Н14В2М (ЭИ69) невозможно получить толщину диффузионного слоя более 0,12 мм даже при азотировании в течение 100 ч. Повышение температуры азотирования в печи выше 700 °С приводит к более полной диссоциации аммиака и, вследствие этого, к понижению активности процесса.
Как правило, после обычного азотирования ухудшается коррозионная стойкость поверхностных слоев аустенитных сталей .
Ионное азотирование аустенитных сталей способствует увеличению коэффициента диффузии азота и не требует применения депассиваторов. При этом сокращается длительность процесса и улучшается качество получаемых азотированных слоев .
Однако ионное азотирование аустенитных сталей по ранее разработанным режимам не позволяло получать диффузионные слои большой толщины даже при длительных выдержках
На основании термодинамических расчетов и экспериментальных исследований был разработан режим ионного азотирования деталей из аустенитных сталей, позволяющий получать качественные глубокие износостойкие немагнитные коррозионно-стойкие диффузионные слои в сравнительно короткое время. Оксидные пленки удалялись с поверхности деталей в процессе химико-термической обработки .
Исследовали стандартные аустенитные стали 45Х14Н14В2М (ЭИ69), 12Х18Н10Т (ЭЯ1Т); 25Х18Н8В2 (ЭИ946) и опытные высокоазотистые, разработанные Институтом металловедения и технологии металлов Болгарской Академии наук - типа Х14АГ20Н8Ф2М (0,46% N), Х18АГ11Н7Ф (0,70% N), Х18АГ12Ф (0,88% N), Х18АГ20Н7Ф (1,09% N), Х18АГ20Ф (1,02% N), Х18АГ20Ф (2,00% N) .
Исследование структуры диффузионных слоев на сталях проводили с помощью металлографического, рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов. Установлено, что структурным критерием высокой износостойкости азотированных аустенитных сталей является наличие в диффузионном слое нитридов типа CrN. Анализ концентрационных кривых химических элементов, полученных с помощью микроанализаторов ISM-35 CF, Cameca MS-46, Camebax 23-APR-85 показал, что по сравнению с другими тяжелыми элементами хром наиболее скачкообразно распределяется по толщине слоя. В сердцевине образцов распределение хрома равномерное.
Неоднократное повторение экспериментов по исследованию распределения азота и хрома по толщине диффузионного слоя выявило синхронные скачкообразные изменения их концентраций. Кроме того, как показали послойные испытания на изнашивание, наибольшую износостойкость имеет микрозона диффузионного слоя с максимальным содержанием азота и хрома (табл. 1).
Таблица 1.
| h, мкм | Содержание химических элементов, % | ε | |||
| C | N | Cr | Ni | ||
| 20 | 0,70 | 10,0 | 19,0 | 11,0 | 9,5 |
| 40 | 0,85 | 12,0 | 25,0 | 8,0 | 10,7 |
| 45 | 0,88 | 15,0 | 25,0 | 8,0 | 11,2 |
| 50 | 0,92 | 10,0 | 25,0 | 8,0 | 11,0 |
| 70 | 0,90 | 0 | 14,0 | 12,0 | 1,7 |
| * — остальное Fe Примечания: 1. Испытания на изнашивание проводили на машине «Шкода-Савин». 2. Относительную износостойкость определяли по отношению объёмов вытертых лунок на эталоне (стальной образец с твёрдостью 51 HRC) и исследуемом образце ε = V эт /V обр (относительная износостойкость сердцевины ε=0,08). |
|||||
Дальнейшее исследование структуры азотированных аустенитных сталей с помощью микрорентгеноспектрального анализа позволило установить, что в микрозонах диффузионных слоев с повышенным содержанием азота и хрома наблюдается пониженная концентрация углерода, никеля и железа (табл. 1).
Сравнительный анализ микроструктуры слоя и сердцевины азотированной стали 45Х14Н14В2М, снятой в характеристическом хромовом К α -излучении показал, что в диффузионном слое содержится больше скоплений «белых точек» - соединений хрома, чем в сердцевине.
Послойные измерения магнитной проницаемости с помощью магнетоскопа F 1.067 и определение содержания ферритной фазы на ферритометре МФ-10И показали, что разработанный способ ионного азотирования деталей из аустенитных сталей способствует получению немагнитных диффузионных слоев (табл. 2).
Таблица 2.
Было также установлено, что азотированные стали 45Х14Н14В2М и типа Х14АГ20Н8Ф2М имеют удовлетворительную коррозионную стойкость.
По новому технологическому процессу была обработана партия шестерен, изготовленных из стали 45Х14Н14В2М. Детали соответствовали техническим требованиям. Микро- и макроструктурный анализ подтвердил наличие у шестерен качественного равномерного диффузионного слоя толщиной 270 мкм.
После длительных промышленных испытаний видимых дефектов на шестернях не обнаружено. Дальнейший контроль показал соответствие геометрических размеров шестерен технологическим требованиям, а также отсутствие изнашивания рабочих поверхностей деталей, что было подтверждено микроструктурным анализом.
Заключение. Разработанный режим ионного азотирования деталей из аустенитных сталей позволяет сократить длительность процесса более чем в 5 раз, при этом толщина слоя увеличивается в 3 раза, а износостойкость слоя - в 2 раза по сравнению с аналогичными параметрами после обычного азотирования. Кроме того, снижается трудоемкость, повышается культура производства и улучшается экологическая обстановка.
Список литературы:
1.
Прогрессивные методы химико-термической обработки / Под ред. Г. Н. Дубинина, Я. Д. Когана. М.: Машиностроение, 1979. 184 с.
2.
Азотирование и карбонитрирование / Р. Чаттерджи-Фишер, Ф. В. Эйзелл, Р. Хоффман и др.: Пер. с нем. М.: Металлургия, 1990. 280 с.
3.
А. с. 1272740 СССР, МКИ С23С8/36.
4.
Банных О. А., Блинов В. М. Дисперсионно-твердеющие немагнитные ванадийсодержащие стали. М.: Наука, 1980. 192 с.
5.
Рашев Ц. В. Производство легированной стали. М.: Металлургия, 1981. 248 с.
При правильно выбранных составе и режиме нанесения износостойких покрытий эксплуатационные показатели режущего инструмента могут быть существенно улучшены. Однако вследствие неизменности свойств покрытия в пределах одного слоя на границе раздела с инструментальной основой резко изменяются физико-механический и теплофизические свойства (в первую очередь модуль упругости и коэффициент термического расширения), что приводит к образованию в покрытии высоких остаточных напряжений и снижению прочности его адгезионной связи с основой, которая является наиболее важным условием успешной эксплуатации режущего инструмента с покрытием.
Указанное, а также изменения контактных и тепловых процессов при обработке инструментом с покрытием, требуют создания между инструментальной основой и покрытием промежуточного переходного слоя, повышающего сопротивление режущего клина с покрытием, действующим нагрузкам.
Наиболее распространенный метод формирования такого слоя - ионное азотирование. При этом азотированный слой, формируемый перед нанесением покрытия, в зависимости от конкретных условий эксплуатации инструмента должен обладать определенной структурой, толщиной и микротвердостью. На практике такой обработке обычно подвергаются инструменты из быстрорежущих сталей.
Рисунок 4. Принципиальная схема вакуумно-дуговой установки для комбинированной обработки инструмента, включающей в себя ионное азотирование и нанесение покрытий: 1 - мишень; 2 - анод; 3 - экран; 4 - вакуумная камера; 5 - нейтральные атомы; 6 - ионы; 7 - электроны; 8 - обрабатываемые инструменты
Для ионного азотирования и последующего нанесения покрытия целесообразно применение установки на базе вакуумно-дугового разряда, в которой за один технологический цикл без перегрузки обрабатываемых инструментов можно реализовать все этапы комбинированного упрочнения.
Принцип работы такой установки заключается в следующем (рисунок 4).
Мишень испаряется катодными пятнами вакуумной дуги и используется в качестве катода дугового разряда. Специальный экран, расположенный между мишенью и анодом, делит камеру на две зоны, заполненные металлогазовой (слева от экрана) и газовой плазмой (справа). Этот экран непроницаем для микрокапель, нейтральных атомов и ионов металла, эмитируемых катодными пятнами на поверхности мишени. Только электроны проникают через экран, ионизуют по дороге к аноду подаваемый в камеру газ и таким путем образуют не содержащую металлических частиц газовую плазму.
Погруженные в плазму инструменты нагреваются электронами при подаче на них положительного потенциала, а при подаче отрицательного потенциала осуществляется их азотирование. По окончании азотирования экран смещается в сторону, а после того как частицы металлической мишени начинают поступать на поверхность инструмента, осуществляется синтез покрытия.
Осаждение покрытий - весьма энергоемкий процесс, сопровождающийся воздействием высокоэнергетического потока плазмы, особенно в момент ионной бомбардировки. В результате этого характеристики слоя, полученного при ионном азотировании, могут существенно изменяться.
Поэтому при оптимизации процесса комбинированной обработки быстрорежущего инструмента необходимо учитывать факторы не только процесса азотирования, но и последующего процесса нанесения износостойкого покрытия - в первую очередь время нанесения, от которого напрямую зависит толщина покрытия. С одной стороны, ее увеличение благоприятно сказывается на повышении износостойкости контактных площадок инструмента, а с другой - приводит к заметному увеличению количества дефектов в покрытии, снижению прочности сцепления покрытия с инструментальным материалом и уменьшению способности покрытия сопротивляться упругопластическим деформациям.
Важнейшими условиями комбинированной обработки являются температура и продолжительность процесса азотирования, объемная доля азота в газовой смеси с аргоном, а также время последующего процесса нанесения износостойкого покрытия. Другие факторы данного процесса: давление азота, опорное напряжение, ток дуги на катоде - влияют главным образом на характеристики покрытия и должны назначаться такими же, как и в случае осаждения традиционных покрытий.
В зависимости от типа режущего инструмента и условий его последующей эксплуатации при комбинированной обработке ее режимы обычно варьируют в следующих пределах: температура азотирования 420...510 °С; атомная доля азота N 2 в газовой смеси с аргоном 10...80 %; время азотирования 10...70 мин; давление газовой смеси ~ 9,75·10 -1 Па; время нанесения покрытий 40...80 мин.
Практика эксплуатации инструментов из быстрорежущих сталей после комбинированного упрочнения на различных операциях механообработки показывает, что наличие под покрытием азотированного слоя, в котором присутствует хрупкая нитридная зона (?- и?"-фазы), существенно ограничивает эффект от применения комбинированной обработки.
Такая структура формируется при азотировании в атмосфере чистого азота с использованием плазмы вакуумно-дугового разряда. Наличие сравнительно толстой нитридной зоны (> 0,5 мкм) при непрерывном резании (точении и сверлении) не обеспечивает существенного увеличения стойкости инструмента по сравнению с инструментом, имеющим традиционное покрытие, а при прерывистом резании (фрезеровании и долблении) часто ведет к выкрашиванию режущих кромок уже в первые минуты работы инструмента.
Введение аргона в состав азотсодержащей атмосферы при азотировании, предшествующем нанесению покрытия, позволяет управлять фазовым составом формируемого слоя и в зависимости от конкретных условий эксплуатации режущего инструмента и его служебного назначения получать необходимую структуру.
При эксплуатации быстрорежущего инструмента с комбинированной обработкой в условиях прерывистого резания оптимальной структурой азотированного слоя является вязкий и устойчивый к переменным нагрузкам твердый раствор азота в мартенсите, в котором допустимо образование незначительного количества дисперсных нитридов легирующих компонентов.
Указанная структура может быть получена при азотировании в среде, содержащей ~ 30 % N 2 и 70 % Аr.
В случае эксплуатации инструмента в условиях непрерывного резания наибольшей работоспособностью характеризуется слой, состоящий из азотистого мартенсита и специальных нитридов легирующих элементов (W, Mo, Cr, V).
Кроме того, допустимо наличие очень небольшого количества?-фазы. Данная структура повышает сопротивление поверхностного слоя инструмента термическим нагрузкам и может быть сформирована при азотировании в среде, содержащей ~ 60% N 2 и 40% Аг.
Покрытие из (Ti, Al)N, нанесенное на образцы, азотированные в разовых смесях, содержащих, %, 60 N 2 + 40 Ar и 30 N 2 + 70 Ar, отличается удовлетворительной прочностью адгезионной связи. На образцах не наблюдается ни отслаивания покрытия, ни явных трещин, которые были обнаружены на образцах, азотированных при 100 % N 2 .
Создание на контактных площадках режущего инструмента износостойкого комплекса, формируемого путем ионного азотирования с последующим нанесением покрытий в плазме вакуумно-дугового разряда, значительно влияет на интенсивность и характер изнашивания инструмента.
На рисунках 5 и 6 представлены экспериментально полученные профилограммы износа инструмента с покрытием и с комбинированной обработкой при продольном точении и торцевом фрезеровании конструкционной стали 45. Видно, что по сравнению с однослойным покрытием азотирование в сочетании с покрытием практически не изменяет характера изнашивания инструмента, но сильно снижает его интенсивность.
Для рассматриваемых условий эксплуатации отмечается невысокая эффективность инструмента с покрытием без азотирования, как при фрезеровании, так и при точении. Это связано с тем, что очень быстро разрушается покрытие и условия трения по задней поверхности все более приближаются к тем, которые характерны для инструмента без покрытия. А это означает, что увеличивается количество выделяющейся теплоты, возрастает температура вблизи задней поверхности, в результате чего в инструментальном материале начинаются необратимые процессы разупрочнения, которые и приводят к катастрофическому износу.
Исследования природы затупления инструмента с азотированием и покрытием позволяют сделать вывод, что основной вклад в снижение интенсивности изнашивания быстрорежущего инструмента вносит так называемый "краевой эффект", который состоит в следующем.
Уже в первые минуты работы инструмента, как видно из профилограмм его рабочих поверхностей (рисунки 5 и 6), покрытие разрушается на всю свою толщину на участках вблизи режущей кромки. Однако дальнейший рост очагов износа по длине и глубине сдерживается краями площадок контакта, сохраняющими износостойкую комбинацию покрытия и азотированного слоя.
Кроме того, поверхностный азотированный слой, обладающий повышенной твердостью в сочетании с высокой теплостойкостью, отличается более высоким сопротивлением микропластическим деформациям и способствует торможению процессов разупрочнения у задней поверхности.
Рисунок 5. Профилограммы изношенных участков режущих пластин из стали Р6М5 при точении стали 45: а - Р6М5 + (Ti, A1)N; б - Р6М5 + азотирование + (Ti, A1)N; режимы обработки: v = 82 м/мин; S = 0,2 мм/об; / = 1,5 мм (без СОЖ)
Рисунок 6. Профилограммы изношенных участков режущих пластин из стали Р6М5 при торцевом фрезеровании стали 45: а - Р6М5 + (Ti, Al)N; б - Р6М5 + азотирование + (Ti, Al)N; режимы обработки: v = 89 м/мин; S= 0,15 мм/зуб; В = 45 мм;
Производственный опыт показывает, что комбинированная обработка, предусматривающая предварительное азотирование и последующее нанесение покрытий, позволяет увеличить стойкость быстрорежущего инструмента самой широкой номенклатуры до 5 и до 3 раз по сравнению с инструментом соответственно без упрочнения и с традиционным покрытием.
На рисунке 7 показаны зависимости изменения износа во времени h 3 =f(T) режущих пластин из стали Р6М5, прошедших различные виды поверхностного упрочнения, при точении и торцевом фрезеровании стали 45. Видно, что стойкость до катастрофического износа инструмента при точении увеличивается в 2,6 раза, а при фрезеровании - в 2,9 раза по сравнению с инструментом с покрытием, но без азотирования.
Рисунок 7. Зависимость износа по задней поверхности инструмента из стали Р6М5 с различными вариантами поверхностной обработки от времени резания: -- *-- Р6М5 + (Ti, A1)N; --*-- Р6М5 + азотирование + (Ti-Al)N; а - точение стали 45 при v = 82 м/мин; S = 0,2 мм/об; /=1,5 мм; б - фрезерование стали 45: v = 89 м/мин; 5= 0,15 мм/зуб; В = 45 мм; t = 1,5 мм
Декларация по УСН
