Азотирование, в процессе выполнения которого поверхностный слой стального изделия насыщается азотом, стало использоваться в промышленных масштабах относительно недавно. Такой метод обработки, предложенный к использованию академиком Н.П. Чижевским, позволяет улучшить многие характеристики изделий, изготовленных из стальных сплавов.

Суть технологии

Азотирование стали, если сравнивать его с таким популярным методом обработки данного металла, как цементация, отличается рядом весомых преимуществ. Именно поэтому данная технология стала применяться в качестве основного способа улучшения качественных характеристик стали.

При азотировании стальное изделие не подвергается значительному термическому воздействию, при этом твердость его поверхностного слоя значительно увеличивается. Важно, что размеры азотируемых деталей не изменяются. Это позволяет применять такой метод обработки для стальных изделий, которые уже прошли закалку с высоким отпуском и отшлифованы до требуемых геометрических параметров. После выполнения азотирования, или азотации, как часто называют этот процесс, сталь можно сразу подвергать полировке или другим методам финишной обработки.

Азотирование стали заключается в том, что металл подвергают нагреву в среде, характеризующейся высоким содержанием аммиака. В результате такой обработки с поверхностным слоем металла, насыщающимся азотом, происходят следующие изменения.

• За счет того, что твердость поверхностного слоя стали повышается, улучшается износостойкость детали.
• Возрастает усталостная прочность изделия.
• Поверхность изделия становится устойчивой к коррозии. Такая устойчивость сохраняется при контакте стали с водой, влажным воздухом и паровоздушной средой.

Выполнение азотирования позволяет получить более стабильные показатели твердости стали, чем при осуществлении цементации. Так, поверхностный слой изделия, которое было подвергнуто азотированию, сохраняет свою твердость даже при нагреве до температуры 550–600°, в то время как после цементации твердость поверхностного слоя может начать снижаться уже при нагреве изделия свыше 225°. Прочностные характеристики поверхностного слоя стали после азотирования в 1,5–2 раза выше, чем после закалки или цементации.

Как протекает процесс азотирования

Детали из металла помещают в герметично закрытый муфель, который затем устанавливается в печь для азотирования. В печи муфель с деталью нагревают до температуры, которая обычно находится в интервале 500–600°, а затем выдерживают некоторое время при таком температурном режиме.

Чтобы сформировать внутри муфеля рабочую среду, необходимую для протекания азотирования, в него под давлением подается аммиак. Нагреваясь, аммиак начинает разлагаться на составные элементы, данный процесс описывает следующая химическая формула:

2NH 3 → 6H + 2N.

Атомарный азот, выделяющийся в процессе протекания такой реакции, начинает диффузировать в металл, из которого изготовлена обрабатываемая деталь, что приводит к образованию на ее поверхности нитридов, характеризующихся высокой твердостью. Чтобы закрепить результат и не дать поверхности детали окислиться, муфель вместе с изделием и аммиаком, который в ней продолжает оставаться, медленно охлаждают вместе с печью для азотирования.

Нитридный слой, формирующийся на поверхности металла в процессе азотирования, может иметь толщину в интервале 0,3–0,6 мм. Этого вполне достаточно для того, чтобы наделить изделие требуемыми прочностными характеристиками. Обработанную по такой технологии сталь можно не подвергать никаким дополнительным методам обработки.

Процессы, протекающие в поверхностном слое стального изделия при его азотировании, достаточно сложны, но уже хорошо изучены специалистами металлургической отрасли. В результате протекания таких процессов в структуре обрабатываемого металла формируются следующие фазы:

• твердый раствор Fe 3 N, характеризующийся содержанием азота в пределах 8–11,2%;
• твердый раствор Fe 4 N, азота в котором содержится 5,7–6,1%;
• раствор азота, формирующийся в α-железе.

Дополнительная α-фаза в структуре металла формируется тогда, когда температура азотирования начинает превышать 591°. В тот момент, когда степень насыщения данной фазы азотом достигает своего максимума, в структуре металла формируется новая фаза. Эвтектоидный распад в структуре металла происходит тогда, когда степень его насыщения азотом достигает уровня 2,35%.

Клапана высокотехнологичных двигателей внутреннего сгорания обязательно проходят процесс азотирования

Факторы, оказывающие влияние на азотацию

Основными факторами, которые оказывают влияние на азотирование, являются:

• температура, при которой выполняется такая технологическая операция;
• давление газа, подаваемого в муфель;
• продолжительность выдержки детали в печи.

На эффективность протекания такого процесса также оказывает влияние степень диссоциации аммиака, которая, как правило, находится в интервале 15–45%. При повышении температуры азотирования твердость формируемого слоя снижается, но процесс диффузии азота в структуру металла ускоряется. Снижение твердости поверхностного слоя металла при его азотировании происходит из-за коагуляции нитридов легирующих элементов, входящих в его состав.

Для ускорения процесса азотирования и повышения его эффективности применяют двухэтапную схему его выполнения. Первый этап азотирования при использовании такой схемы выполняют при температуре, не превышающей 525°. Это позволяет придать поверхностному слою стального изделия высокую твердость. Для выполнения второго этапа процедуры деталь нагревают до температуры 600–620°, при этом глубина азотированного слоя достигает требуемых значений, а сам процесс ускоряется практически в два раза. Твердость поверхностного слоя стального изделия, обработанного по такой технологии, не ниже, чем аналогичный параметр изделий, прошедших обработку по одноступенчатой методике.

Типы азотируемых сталей

Обработке по технологии азотирования могут подвергаться как углеродистые, так и , характеризующихся содержанием углерода в пределах 0,3–0,5%. Максимального эффекта при использовании такой технологической операции удается добиться в том случае, если ей подвергаются стали, в химический состав которых входят легирующие элементы, формирующие твердые и термостойкие нитриды. К таким элементам, в частности, относятся молибден, алюминий, хром и другие металлы, обладающие подобными характеристиками. Стали, содержащие молибден, не подвержены такому негативному явлению, как отпускная хрупкость, которая возникает при медленном остывании стального изделия. После азотирования стали различных марок приобретают следующую твердость:

Легирующие элементы, находящиеся в химическом составе стали, увеличивают твердость азотированного слоя, но вместе с тем уменьшают его толщину. Наиболее активно на толщину азотируемого слоя оказывают влияние такие химические элементы, как вольфрам, молибден, хром и никель.

В зависимости от сферы применения изделия, которое подвергается процедуре азотирования, а также от условий его эксплуатации для осуществления такой технологической операции рекомендуется использовать определенные марки стали. Так, в соответствии с технологической задачей, которую необходимо решить, специалисты советуют применять для азотирования изделия из следующих марок сталей.

Это сталь, которая после азотирования отличается высокой твердостью наружной поверхности. Алюминий, содержащийся в химическом составе такой стали, снижает деформационную стойкость изделия, но в то же время способствует повышению твердости и износостойкости его наружной поверхности. Исключение алюминия из химического состава стали позволяет создавать из нее изделия более сложной конфигурации.

Данные легированные стали используются для изготовления деталей, применяемых в области станкостроения.

Эти стали служат для производства изделий, подвергающихся в процессе своей эксплуатации частым циклическим нагрузкам на изгиб.

Из данного стального сплава изготавливаются изделия, к точности геометрических параметров которых предъявляются высокие требования. Для придания более высокой твердости деталям из данной стали (это преимущественно детали топливного оборудования) в ее химический состав могут добавлять кремний.

Технологическая схема азотирования

Чтобы выполнить традиционное газовое азотирование, инновационное плазменное азотирование или ионное азотирование, обрабатываемую деталь подвергают ряду технологических операций.

Такая обработка заключается в закалке изделия и его высоком отпуске. Закалка в рамках выполнения такой процедуры осуществляется при температуре около 940°, при этом охлаждение обрабатываемого изделия производят в масле или воде. Последующий после выполнения закалки отпуск, проходящий при температуре 600–700°, позволяет наделить обрабатываемый металл твердостью, при которой его можно легко резать.

Эта операция заканчивается его шлифовкой, позволяющей довести геометрические параметры детали до требуемых значений.

Осуществляется такая защита путем нанесения тонкого слоя (не более 0,015 мм) олова или жидкого стекла. Для этого используется технология электролиза. Пленка из данных материалов, формирующаяся на поверхности изделия, не позволяет азоту проникать в его внутреннюю структуру.

Подготовленное изделие подвергают обработке в газовой среде.

Этот этап необходим для того, чтобы довести геометрические и механические характеристики изделия до требуемых значений.

Степень изменения геометрических параметров детали при выполнении азотирования, как уже говорилось выше, очень незначительна, и зависит она от таких факторов, как толщина слоя поверхности, который подвергается насыщению азотом; температурный режим процедуры. Гарантировать практически полное отсутствие деформации обрабатываемого изделия позволяет более усовершенствованная технология – ионное азотирование. При выполнении ионно-плазменного азотирования стальные изделия подвергаются меньшему термическому воздействию, благодаря чему их деформация и сводится к минимуму.

В отличие от инновационного ионно-плазменного азотирования, традиционное может выполняться при температурах, доходящих до 700°. Для этого может применяться сменный муфель или муфель, встроенный в нагревательную печь. Использование сменного муфеля, в который обрабатываемые детали загружаются заранее, перед его установкой в печь, позволяет значительно ускорить процесс азотирования, но не всегда является экономически оправданным вариантом (особенно в тех случаях, когда обработке подвергаются крупногабаритные изделия).

Типы рабочих сред

Для выполнения азотирования могут использоваться различные типы рабочих сред. Наиболее распространенной из них является газовая среда, состоящая на 50% из аммиака и на 50% из пропана или из аммиака и эндогаза, взятых в таких же пропорциях. Процесс азотирования в такой среде выполняется при температуре 570°. При этом изделие подвергается воздействию газовой среды на протяжении 3 часов. Азотированный слой, создаваемый при использовании такой рабочей среды, имеет небольшую толщину, но высокую прочность и износостойкость.

Большое распространение в последнее время получает метод ионно-плазменного азотирования, выполняемого в азотосодержащей разряженной среде.

Ионно-плазменное азотирования – взгляд «изнутри»

Отличительной особенностью ионно-плазменного азотирования, которое также называют обработкой при тлеющем разряде, является то, что обрабатываемую деталь и муфель подключают к источнику электрического тока, при этом изделие выступает в качестве отрицательно заряженного электрода, а муфель – в роли положительно заряженного. В результате между деталью и муфелем формируется поток ионов – своего рода плазма, состоящая из N 2 или NH 3 , за счет которой происходят и нагрев обрабатываемой поверхности, и ее насыщение необходимым количеством азота.

Кроме традиционного и ионно-плазменного азотирования процесс насыщения поверхности стали азотом может выполняться в жидкой среде. В качестве рабочей среды, которая имеет температуру нагрева порядка 570°, в таких случаях используется расплав цианистых солей. Время азотирования, выполняемого в жидкой рабочей среде, может составлять от 30 до 180 минут.

Долговечность деталей газотурбинных двигателей во многом определяется состоянием их поверхности, и в первую очередь ее износостойкостью. Одним из широко распространенных методов повышения износостойкости поверхностей деталей авиационных двигателей и самолетов является азотирование. Азотированию подвергаются детали, которые в процессе эксплуатации в основном работают на трение.

Азотирование представляет собой процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стальных изделий азотом. Азотирование проводится с целью повышения твердости и износостойкости поверхностных слоев стальных изделий, улучшения сопротивления усталости и электрохимической коррозии деталей.

При азотировании азот образует с железом ряд фаз: азотистый феррит - твердый раствор азота в -железе, азотистый аустенит - твердый раствор азота в -железе, промежуточные ` -фазу Fe4N, -фазу Fe2N и др. Однако нитриды железа обладают недостаточной прочностью, твердостью, высокой хрупкостью по сравнению с нитридами хрома CrN, Cr2N, молибдена MoN, алюминия AlN и некоторых других легирующих элементов. Поэтому азотированию подвергают легированные стали, содержащие указанные элементы: 45Х14Н14В2М, 1Х12Н2ВМФ, 15Х16К5Н2МВФАБ-Ш и другие стали, которые используются для изготовления втулок, штоков, седел клапанов, различных корпусов и т. д.

Широко используемый в промышленности метод азотирования в диссоциированном аммиаке с применением печного нагрева обладает такими серьезными недостатками, как большая длительность процесса, трудность насыщения азотом легко пассивирующихся высоколегированных сталей, образование хрупкой -фазы на поверхности деталей, их значительные нестабильные деформации. Шлифование, являющееся основной операцией при обработке азотированных поверхностей представляет собой длительный и трудоемкий процесс.

Процесс ионного азотирования осуществляется в вакуумной рабочей камере, в которой детали являются катодом, а заземленный корпус камеры - анодом. При пониженном давлении азотосодержащей атмосферы приложение электрического потенциала между деталями и корпусом камеры вызывает ионизацию газа. В результате бомбардировки ионами детали нагреваются до требуемой температуры, а поверхность, насыщаясь азотом, упрочняется.

Обычно азотирование проводят при температурах ниже 600С, когда происходит преимущественная диффузия азота. Скорость диффузионного переноса азота зависит от температуры, градиента концентрации, состава и строения основного материала и других факторов. Диффузия атомов азота осуществляется по вакансиям, дислокациям и другим дефектам кристаллического строения. В результате диффузии изменяется концентрация азота в поверхностном слое по глубине.

Наибольшее ускорение процесса азотирования достигается в плазме тлеющего разряда, когда в разряженной атмосфере между деталью (катодом) и анодом возбуждается тлеющий разряд. Ионы газа бомбардируют поверхность катода и нагревают ее до температуры 470-580С. Положительно заряженные ионы азота под действием энергии электростатического поля движутся с определенной скоростью по перпендикуляру к поверхности детали, причем энергия иона азота, полученного в плазме тлеющего разряда, при разности потенциалов 800 В примерно в 3000 раз превосходит энергию атома азота при печном азотировании в диссоциированном аммиаке. Ионы азота нагревают поверхность детали, а также распыляют атомы железа с поверхности (катодное распыление). Атомы железа соединяются с азотом в плазме тлеющего разряда и образуют нитрид железа, который осаждается на поверхности детали тонким слоем. Впоследствии бомбардировка слоя FeN ионами азота сопровождается образованием низших нитридов FeNFe3NFe4N и твердого раствора азота в -железе Fe(N). Азот, образовавшийся при распаде низшего нитрида, диффундирует в глубь материала детали, а железо снова распыляется в плазму.

В отличие от печного нагрева при ионном азотировании (в плазме тлеющего разряда) разогрев деталей осуществляется за счет энергии плазмы, расходуемой пропорционально массе садки. При этом не требуется печей с массивной кладкой.

Азотирование легкопассивирующихся высокохромистых нержавеющих сталей обязательно требует добавок водорода в газовую среду. Для получения качественных диффузионных слоев без -фазы на поверхности при ионном азотировании сталей различных классов целесообразно проводить стадию катодного распыления в водороде при давлении около 13 Па и напряжении около 1000 В, а стадию насыщения - в смеси (3-5%) водорода и (95-97%) азота при давлении 133-1330 Па. Газовая среда такого состава обеспечивает равномерность толщины диффузионных слоев на деталях, размещенных в садке по объему рабочей камеры. Увеличение давления смеси на второй стадии (азотировании) способствует росту глубины диффузионного слоя.

Установлено, что продолжительность процесса ионного азотирования примерно вдвое меньше, чем печного азотирования, по действующей серийной технологии. Зависимость глубины диффузионного слоя от продолжительности насыщения при ионном азотировании так же, как и при печном, имеет параболический характер. Влияние температуры ионного азотирования на глубину слоя имеет зависимость, близкую к экспоненте.

При обычном азотировании в диссоциированном аммиаке максимум твердости для большинства сталей располагается на некотором расстоянии от поверхности, а поверхностный слой, являющийся хрупкой -фазой, как правило, сошлифовывается. В результате ионного азотирования максимальную твердость имеет поверхность. Диаметры азотированных деталей типа «вал» изменяется, как правило, на 30-40 мкм, что зачастую укладывается в поле допуска. Поэтому, учитывая высокое качество поверхности после ионного азотирования и сохранение чистоты, можно ее не обрабатывать, либо ограничиться полированием или легкой притиркой.

С помощью ионного азотирования на базовом заводе удалось достичь высокой эффективности в повышении стойкости режущих инструментов и штампов горячего деформирования при изготовлении деталей из труднообрабатываемых жаропрочных никелевых, титановых и нержавеющих сталей.

Практика внедрения и использования процесса ионного азотирования деталей в промышленности показала целесообразность широкого внедрения этого процесса в серийное производство. Процесс ионного азотирования позволяет:

Увеличить ресурс работы азотированных деталей;

Обеспечить упрочнение деталей, для которых применение других способов упрочнения затруднительно или невозможно;

Сократить трудоемкость изготовления за счет ликвидации операции по нанесению гальванопокрытий;

В ряде случаев отказаться от шлифования после азотирования;

Сократить продолжительность цикла азотирования более чем в 2 раза;

Улучшить гигиену труда.

Особенностью производства авиационных двигателей является большое разнообразие марок сталей, в том числе упрочняемых азотированием. Разработке технологического процесса ионного азотирования предшествовал глубокий анализ достижений в этой области зарубежных и отечественных исследований.

Исследованию упрочнения ионным азотированием подвергались конструкционные стали перлитного, аустенитного, мартенситного, переходного классов, мартенситно-стареющие стали следующих материалов: 38Х2МЮА, 30Х3ВА, 38ХА, 40ХА, 13Х11Н2В2МФ (ЭИ961), 45Х14Н14В2М (ЭИ69), 25Х18Н8В2, 40Х10С2М, 14Х10С2М, 14Х17Н2, 15Х15К5Н2МВФАБ-Ш (ЭП866), 30Х2НВА, 16Х3НВФАБ-Ш, (ДИ39, ВКС-5), Н18К9М5Т (МС200) и др. Задача исследований - разработка технологических процессов с целью перевода печного азотирования деталей на ионное, новых технологических процессов ионного азотирования деталей вместо цементации, а также ранее не упрочняемых химико-термической обработкой.

Для деталей, работающих на износ при небольших контактных давлениях в условиях коррозии, необходимо получение диффузионного слоя с развитой нитридной зоной, от которой зависит приработка трущихся поверхностей и сопротивление коррозии.

Для деталей, работающих при циклических нагрузках в условиях износа при повышенных контактных нагрузках, нужно стремиться к получению слоя с большой зоной внутреннего азотирования.

Варьирование структуры слоя позволяет получать разнообразные сочетания слоя и сердцевины. Это подтверждается многочисленными примерами азотирования для различных групп деталей.

При разработке технологических процессов были проведены комплексные систематические исследования влияния основных технологических факторов на качество и эксплуатационные характеристики диффузионного слоя при ионном азотировании с целью оптимизации их параметров.

Высокое содержание водорода в смеси, в том числе и соответствующее составу при полной диссоциации аммиака, способствует образованию нитридных фаз на азотируемой поверхности в виде монослоя вплоть до -фазы (Fe2N). Кроме того, смесь азота с высоким содержанием водорода как в баллоне смесителя, где производится приготовление смеси, так и в рабочей камере через определенное время начинает оказывать влияние на глубину азотированного слоя, а также на его неравномерность на деталях по объему садки. Водород в газовой среде при ионном азотировании играет роль восстановителя оксидов на упрочняемой поверхности, препятствующих непосредственному контакту и взаимодействию азота с металлом.

Стали обычного класса азотируются в чистом азоте без добавок водорода. Однако азотированные слои не всегда бывают равномерными по глубине.

В результате исследований влияния давления в рабочей камере на качество азотированного слоя можно рекомендовать проведение первой стадии (катодного распыления) в водороде при давлении около 13 Па и при напряжении около 1000 В. Увеличение давления смеси второй стадии (азотировании) способствует росту глубины диффузионного слоя, и ионное азотирование следует проводить при давлении 133-1330 Па.

На качество диффузионных слоев влияют температура и продолжительность процесса. На рисунке.. показано влияние этих факторов на глубину слоя некоторых сталей, отличающихся составом и являющихся типичными представителями различных классов.

Установлено, что продолжительность процесса ионного азотирования примерно вдвое меньше, чем печного азотирования по действующей серийной технологии.

Распределение микротвердости по глубине азотированного слоя является важной эксплуатационной характеристикой. При обычном азотировании в диссоциированном аммиаке максимум твердости для большинства сталей располагается на некотором расстоянии от поверхности, а поверхностный слой, являющийся хрупкой -фазой, как правило, сошлифовывается. В результате ионного азотирования всех сталей максимальную твердость имеет поверхность. Поэтому, учитывая высокое качество поверхности после ионного азотирования и сохранения чистоты, можно ее не обрабатывать либо ограничится полированием или легкой притиркой.

После ионного азотирования у всех сталей -фаза на поверхности отсутствует. Отсутствие -фазы на поверхности при ионном азотировании обусловлено, вероятно, барьерным воздействием оксидов, снижающих содержание азота непосредственно на металле, катодным распылением и меньшей устойчивостью -фазы в вакууме и в плазме тлеющего разряда.

Одной из основных эксплуатационных характеристик многих деталей авиадвигателей и самолетов является износостойкость.

Исследование износостойкости проводилось как с поверхности азотированных образцов, так и после шлифования на глубину 0,03-0,06 мм.

Ионному азотированию деталей в серийном производстве подвергают в основном три вида деталей. Это детали, подвергаемые обычному азотированию в диссоциированном аммиаке, цементируемые детали с небольшими и средними нагрузками работы на изделии и детали со значительным износом, не подвергаемые упрочнению химико-термической обработкой из-за невозможности последующей доработки шлифованием ввиду сложной геометрической формы.

Большая длительность изотермической выдержки, достигающая 50 ч, при значительной номенклатуре азотированных деталей нередко нарушает ритмичность производства. Другим существенным недостатком серийной технологии является большая трудоемкость при изготовлении деталей, связанная с нанесением и удалением гальванических покрытий, применяемых для защиты от азотирования. Шлифование азотированных деталей, особенно сложной конфигурации, иногда сопровождается неравномерным браком, который практически не обнаруживается контролем и проявляется лишь в процессе эксплуатации на серийном двигателе в результате преждевременного износа дефектного слоя. При шлифовании деталей, особенно из такой сложнолегированной стали, как 15Х16К5Н2МВФАБ, на острых кромках иногда образовывались трещины вследствие релаксации остаточных напряжений, а также в местах перехода от цилиндрической поверхности к торцевой непосредственно после азотирования.

Целесообразно подвергать упрочнению ионным азотированием окончательно изготовленные детали. Это обусловлено тем, что максимальной твердостью и износостойкостью после ионного азотирования обладает непосредственно поверхность или близко прилегающие к ней слои, в то время как после обычного азотирования более работоспособными оказываются слои, расположенные на некотором расстоянии от поверхности.

Чтобы учесть припуск на «припухание» при изготовлении, было исследовано влияние ионного азотирования на изменение размеров деталей. Исследования проводились на типовых представителях деталей. Была установлена статистика распределения деталей по изменению размеров. Детали типа вал имеют после ионного азотирования увеличение диаметра. У втулок и сфер наружный диаметр увеличивается, а внутренний - уменьшается. У большинства азотированных деталей диаметр изменился на 30 - 40 мкм.

Некоторые детали азотируют после финишной механической обработки, и отклонения размеров укладывались в поле допуска. Таким образом, в процессе изготовления деталей исключалась трудоемкая операция шлифования азотированной поверхности. Это обстоятельство позволяет расширить номенклатуру упрочняемых деталей, где механическая обработка после их упрочнения затруднительна или невозможна (например, изогнутые детали типа бандаж).

Для защиты неазотированных поверхностей была разработана и изготовлена оснастка. При ионном азотировании деталей в отличие от печного защита поверхностей, не подлежащих азотированию, является наиболее технологичной. Никелирование и лужение, применяемые для защиты неазотируемых поверхностей при печном азотировании, являются операциями трудоемкими и не всегда обеспечивают необходимое качество защиты. Кроме того, после азотирования часто необходимо удаление этих покрытий химическими или механическими способами.

При ионном азотировании защита неазотируемых поверхностей осуществляется с помощью металлических экранов, которые плотно соприкасаются с поверхностью, не подлежащей азотированию (зазор не более 0,2 мм). Эта поверхность не подвергается воздействию тлеющего заряда и, таким образом, надежно защищается от азотирования. При азотировании деталей многократно применялась защита от азотирования с помощью экранов различных поверхностей, таких как плоскости, внутренние и наружные цилиндрические поверхности, резьбовые поверхности и др. Практика показала надежность и удобство такого способа защиты. Приспособления для этих целей могут использоваться многократно. Поверхности деталей, не подлежащие азотированию, могут быть обработаны окончательно.

Процесс ионного азотирования позволяет:

увеличить ресурс работы азотированных деталей;

обеспечить упрочнение деталей, для которых применение других способов упрочнения затруднительно или невозможно;

сократить трудоемкость изготовления за счет ликвидации операций по нанесению гальванопокрытий;

в ряде случаев отказаться от шлифования после азотирования;

сократить продолжительность цикла азотирования более чем в два раза;

улучшить гигиену труда.

В промышленности в настоящее время применяют три различных вида азотирования: для получения высокой твердости поверхностного слоя, антикоррозионное ионное и «мягкое» азотирование и др.

Для получения высокой твердости деталей из конструкционных сталей процесс ведут при температуре от 500 до 520С в течение до 90 часов. Степень диссоциации аммиака регулируется его подачей и колеблется в пределах от 15 до 60%. При одноступенчатом режиме азотирования процесс ведут при постоянной температуре (500520С), а затем ее поднимают до 560570С. Это приводит при пониженной температуре к образованию вначале тонкого хорошо насыщенного азотом слоя с мелкодисперсными нитридами, а затем, при повышении температуры, скорость диффузии возрастает и сокращается время получения необходимой толщины азотированного слоя. Двухступенчатый цикл азотирования снижает время процесса насыщения стали азотом в 22,5 раза.

При совершенствовании процесса азотирования должны быть решены следующие важные задачи:

создание регулируемого процесса, обеспечивающего получение заданного газового состава, строения и глубины диффузионного слоя;

интенсификация процесса формирования азотированного слоя.

Разработаны два принципиально новых метода прямого контроля процесса азотирования, один из них позволяет оценивать азотный потенциал атмосферы печи по ее ионному составу (ионные диссоциомеры), а с другой - открывает возможности прямого анализа кинетики формирования диффузионных покрытий в процессе азотирования (токовихревые анализаторы). Азотный потенциал контролируется при помощи ионизационного датчика с обратной связью со смесеприготовительной системой.

Для азотирования должны применяться качественно новые установки с программным управлением технологическим процессом. Интенсификация процесса азотирования может быть достигнута путем повышения температуры насыщения, регулирования активности атмосферы, изменения ее состава, а также применения магнитных полей и различных видов электрических разрядов (искрового, коронного, тлеющего).

При химико-термической обработке глубина насыщенного слоя в некоторых случаях бывает больше требуемой, в других - меньше требуемой, иногда возникает коробление и деформация, растрескивается насыщенный слой и т.п. Характеристика брака химико-термической обработки, основные причины его появления, мероприятия по устранению брака приведены в таблице.

Ионное азотирование.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Преимущества ионно-плазменного азотирования

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

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

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

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

Технология процесса

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

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

Ионное азотирование деталей

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

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

Свойства изделий после упрочнения методом ИПА

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

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

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

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

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

Процесс азотирования происходит в современных автоматизированных установках:

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

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

Ионно-плазменное азотирование (ИПА) - метод химико-термической обработки изделий из стали и чугуна с большими технологическими возможностями, позволяющий получать диффузионные слои нужного состава путем использования разных газовых сред, т.е. процесс диффузионного насыщения управляем и может быть оптимизирован в зависимости от конкретных требований к глубине слоя и твердости поверхности. плазменный азотирование микротвердость легированный

Температурный диапазон ионного азотирования шире, чем газового и находится в пределах 400-600 0 С. Обработка при температурах ниже 500 0 С особенно эффективна при упрочнении изделий из инструментальных легированных сталей для холодной обработки, быстрорежущих и мартенситно-стареющих сталей, т.к. значительно повышаются их эксплуатационные свойства при сохранении твердости сердцевины на уровне 55-60 HRC.

Упрочняющей обработке методом ИПА подвергаются детали и инструменты практически всех отраслей промышленности (рис.1).

Рис. 1.

В результате ИПА можно улучшить следующие характеристики изделий: износостойкость, усталостную выносливость, антизадирные свойства, теплостойкость и коррозионную стойкость.

В сравнении с широко используемыми способами упрочняющей химико-термической обработки стальных деталей, такими, как цементация, нитроцементация, цианирование и газовое азотирование в печах, метод ИПА имеет следующие основные преимущества:

• · более высокая поверхностная твердость азотированных деталей;
• · отсутствие деформации деталей после обработки и высокая чистота поверхности;
• · повышение предела выносливости и увеличение износостойкости обработанных деталей;
• · более низкая температура обработки, благодаря чему, в стали не происходит структурных превращений;
• · возможность обработки глухих и сквозных отверстий;
• · сохранение твердости азотированного слоя после нагрева до 600-650 С;
• · возможность получения слоев заданного состава;
• · возможность обработки изделий неограниченных размеров и форм;
• · отсутствие загрязнения окружающей среды;
• · повышение культуры производства;
• · снижение себестоимости обработки в несколько раз.

Преимущества ИПА проявляются и в существенном сокращении основных издержек производства.

Так, например, по сравнению с газовым азотированием в печах, ИПА обеспечивает:

• · сокращение продолжительности обработки в 2-5 раз, как за счет снижения времени нагрева и охлаждения садки, так и за счет уменьшения времени изотермической выдержки;
• · снижение хрупкости упрочненного слоя;
• · сокращение расхода рабочих газов в 20-100 раз;
• · сокращение расхода электроэнергии 1,5-3 раза;
• · исключение операции депассивации;
• · снижение деформации настолько, чтобы исключить финишную шлифовку;
• · простота и надежность экранной защиты от азотирования неупрочняемых поверхностей;
• · улучшение санитарно-гигиенических условий производства;
• · полное соответствие технологии всем современным требованиям по охране окружающей среды.

По сравнению с закалкой обработка методом ИПА позволяет :

• · исключить деформации;
• · увеличить ресурс работы азотированной поверхности в 2-5 раз.

Применение ИПА вместо цементации, нитроцементации, газового или жидкостного азотирования, объемной или ТВЧ закалки позволяет сэкономить основное оборудование и производственные площади, снизить станочные и транспортные затраты, уменьшить расход электроэнергии и активных газовых сред.

Принцип действия ИПА заключается в том, что в разряженной (р =200-1000 Па) азотсодержащей газовой среде между катодом - деталями - и анодом - стенками вакуумной камеры - возбуждается аномальный тлеющий разряд, образующий активную среду (ионы, атомы, возбужденные молекулы), обеспечивающую формирование азотированного слоя, состоящего из внешней - нитридной зоны и располагающейся под ней диффузионной зоны.

Технологическими факторами, влияющими на эффективность ионного азотирования, являются температура процесса, продолжительность насыщения, давление, состав и расход рабочей газовой смеси.

Температура процесса , площадь садки, участвующей в теплообмене и эффективность теплообмена со стенкой (количество экранов) определяют мощность, необходимую для поддержания разряда и обеспечивающую нужную температуру изделий. Выбор температуры зависит от степени легированности азотируемой стали нитридообразующими элементами: чем выше степень легированности, тем выше температура.

Температура обработки должна быть как минимум на 10-20 0 С ниже температуры отпуска.

Длительность и температура процесса насыщения определяют глубину слоя, распределение твердости по глубине и толщину нитридной зоны.

Состав насыщающей среды зависит от степени легирования обрабатываемой стали и требований к твердости и глубине азотированного слоя.

Давление процесса должно быть таким, чтобы обеспечивалось плотное «облегание» разрядом поверхности изделий и получение равномерного азотированного слоя. Однако, при этом следует иметь в виду, что разряд на всех стадиях процесса должен быть аномальным, т. е. поверхность всех деталей в садке полностью должна быть покрыта свечением, а плотность разрядного тока должна быть больше нормальной плотности для данного давления с учетом эффекта нагрева газа в катодной области разряда.

С появлением установок ИПА нового поколения, использующих в качестве рабочей среды регулируемые по составу смеси водорода, азота и аргона, а так же плазму «пульсирующего», а не постоянного тока, технологичность процесса ионного азотирования существенно возросла.

Использование комбинированного нагрева («горячие» стенки камеры) либо усиленной тепловой защиты (тройной теплозащитный экран) наряду с возможностью независимо регулировать состав газа и давление в камере позволяют при обработке режущего инструмента избежать перегрева тонких режущих кромок в процессе разогрева садки, точно регулировать время насыщения а, соответственно, и глубину слоя, т.к. разогрев изделий возможно производить в безазотной среде, например, в смеси Ar+H 2 .

Эффективная теплоизоляция в рабочей камере (тройной теплозащитный экран) позволяет обрабатывать изделия с низким удельным энергопотреблением, что позволяет свести к минимуму температурные различия внутри садки во время обработки. Об этом свидетельствует распределение микротвердости по глубине азотированного слоя для образцов, располагавшихся в разных местах садки (рис. 2).

Рис. 2.

а, в - шестерня массой 10,1 кг, 51 шт., ст - 40Х, модуль 4,5, выдержка 16 часов, Т= 530 0 С;

б, г - шестерня массой 45 кг, 11 шт., ст - 38ХН3МФА, модуль 3,25 (наружный венец) и 7 мм (внутренний венец), выдержка 16 часов, Т=555 0 С.

Ионное азотирование - эффективный метод упрочняющей обработки деталей из легированных конструкционных сталей : шестерен, зубчатых венцов, вал-зубчатых шестерен, валов, прямозубых, конических и цилиндрических шестерен, муфт, валов-шестерен сложной геометрической конфигурации и др.

Цементация, нитроцементация и ТВЧ-закалка оправдывают себя при изготовлении тяжелонагруженных деталей (зубчатые колеса, оси, валы и др.) низкой и средней точности, не требующих последующей шлифовки.

Указанные виды термообработки экономически нецелесообразны при изготовлении средне- и низконагруженных высокоточных деталей, т.к. при данной обработке наблюдается значительное коробление и требуется последующая шлифовка. Соответственно, при шлифовке необходимо снимать значительную толщину упрочненного слоя.

ИПА позволяет существенно снизить коробление и деформацию деталей при сохранении шероховатости поверхности в пределах Ra=0,63…1,2 мкм, что позволяет в подавляющем большинстве случаев использовать ИПА как финишную обработку.

Применительно к станкостроению, ионное азотирование зубчатых колес в существенной мере снижает шумовые характеристики станков, тем самым, повышая их конкурентоспособность на рынке.

ИПА наиболее эффективно при обработке крупносерийных однотипных деталей: шестерен, валов, осей, зубчатых валов, вал-зубчатых шестерен и др. Шестерни, подвергнутые плазменному азотированию, имеют лучшую стабильность размеров по сравнению с цементованными шестернями и могут использоваться без дополнительной обработки. При этом несущая способность боковой поверхности и прочность основания зуба, достигаемые с помощью плазменного азотирования, соответствуют цементованным шестерням (таб. 1).

Таблица 1. Характеристики сопротивления усталости сталей в зависимости от способов упрочнения зубчатых колес

При упрочняющей обработке методом ионного азотирования деталей из цементуемых, низко- и среднелегированных сталей (18ХГТ, 20ХНЗА, 20ХГНМ, 25ХГТ, 40Х, 40ХН, 40ХФА и др.) необходимо в начале проводить улучшение поковок - объемную закалку и отпуск до твердости 241-285 НВ (для некоторых сталей - 269-302 НВ), затем механическую обработку и в завершение - ионное азотирование. Для обеспечения минимальной деформации изделий перед азотированием для снятия напряжений рекомендуется проводить отжиг в атмосфере защитного газа, причем температура отжига должна быть выше температуры азотирования. Отжиг следует проводить перед точной механической обработкой.

Глубина азотированного слоя, формируемого на указанных изделиях, изготовленных из сталей 40Х, 18ХГТ, 25ХГТ, 20Х2Н4А и др., составляет 0,3-0,5 мм при твердости 500-800 HV в зависимости от марки стали (рис 3).

Для передач, работающих в условиях более тяжелых нагрузок, азотированный слой должен быть на уровне 0,6-0,8 мм с тонкой нитридной зоной или вообще без нее.

Рис. 3.

Оптимизация свойств упрочненного слоя определяется совокупностью характеристик основного материала (твердость сердцевины) и параметрами азотированного слоя. Характер нагрузки определяет глубину диффузионного слоя, тип и толщину нитридного слоя:

• · износ - "- или -слой;
• · динамическая нагрузка - ограниченная толщина нитридного слоя или вообще без нитридного слоя;
• · коррозия - -слой.

Независимое управление расходом каждого из компонентов газовой смеси, давлением в рабочей камере и вариация температурой процесса позволяют формировать слои различной глубины и твердости (рис. 4), обеспечивая тем самым стабильное качество обработки с минимальным разбросом свойств от детали к детали и от садки к садке (рис. 5).

Рис. 4.

• 1, 3, 5 - одностадийный процесс;
• 2,4 - двухстадийный процесс по содержанию N 2 в рабочей смеси
• 1,2 - T=530 0 C, t=16 часов; 3 - T=560 0 C, t=16 часов;
• 4 - T=555 0 C, t=15 часов, 5 - T = 460 0 С, t = 16 часов

Рис. 5.

Ионное азотирование широко известно и как один из эффективных методов повышения износостойкости режущего инструмента, изготовленного из быстрорежущих сталей марки Р6М5, Р18, Р6М5К5, Р12Ф4К5 и др.

Азотирование повышает износостойкость инструмента и его теплостойкость. Азотированная поверхность инструмента, обладающая пониженным коэффициентом трения и улучшенными антифрикционными свойствами, обеспечивает более легкий отвод стружки, а также предотвращает ее налипание на режущие кромки и образование лунок износа, что дает возможность увеличить подачу и скорость резания.

Оптимальной структурой азотированной быстрорежущей стали является высокоазотистый мартенсит, не содержащий избыточных нитридов. Указанная структура обеспечивается насыщением поверхности инструмента азотом при температуре 480-520 0 С в процессе кратковременного азотирования (до 1 часа). При этом формируется упрочненный слой глубиной 20-40 мкм с микротвердостью поверхности 1000-1200 HV0,5 при твердости сердцевины 800-900 HV (рис. 6) , а стойкость инструмента после ионного азотирования увеличивается в 2-8 раз в зависимости от его типа и вида обрабатываемого материала.

Рис. 6.

Главным достоинством ионного азотирования инструмента является возможность получения только диффузионного упрочненного слоя, либо слоя с монофазным нитридом Fe 4 N ("-фаза) на поверхности, в отличие от классического газового азотирования в аммиаке, где нитридный слой состоит из двух фаз - "+, что является источником внутренних напряжений на границе раздела фаз и вызывает хрупкость и отслаивание упрочненного слоя при эксплуатации.

Ионное азотирование является также одним из основных методов увеличения долговечности штампового инструмента и литьевой оснастки из сталей 5ХНМ, 4Х5МФС, 3Х2В8, 4Х5В2ФС, 4Х4ВМФС, 38Х2МЮА, Х12, Х12М, Х12Ф1.

В результате ионного азотирования можно улучшить следующие характеристики изделий:

• · Ковочные штампы для горячей штамповки и пресс-формы для литья металлов и сплавов - повышается износостойкость, уменьшается прилипание металла.
• · Пресс-формы для литья алюминия под давлением - азотированный слой препятствует прилипанию металла в зоне подачи жидкой струи, и процесс заполнения формы является менее турбулентным, что увеличивает срок службы пресс-форм, а отливка получается более высокого качества.

Существенно улучшает ионное азотирование и эксплуатационные характеристики инструмента для холодной (T < 250 0 С) обработки - вытяжка, гибка, штамповка, прессование, резка, чеканка и прошивка.

Основные требования, обеспечивающие высокую работоспособность такого инструмента - высокая прочность при сжатии, износостойкость и сопротивление холодной ударной нагрузке - достигаются в результате упрочняющей обработки методом ионного азотирования.

Если для инструмента используется высокохромистая сталь (12% хрома), то азотированный слой должен быть только диффузионным, если низколегированные стали - то дополнительно к диффузионному слою должен быть г-слой - твердый и пластичный.

Особенностью ионного азотирования высокохромистых сталей является то, что выбирая температуру процесса можно в широких пределах сохранять твердость сердцевины изделия, задаваемую предварительной термической обработкой (табл. 2).

Для получения износостойкого поверхностного слоя при сохранении вязкой сердцевины штампа необходимо проводить вначале закалку с отпуском на вторичную твердость, размерную обработку и затем ионное азотирование.

Для исключения или сведения к минимуму деформаций, возникающих при ионном азотировании штампового инструмента, перед окончательной механической обработкой рекомендуется проводить отжиг в среде инертного газа при температуре как минимум на 20 С ниже температуры отпуска.

При необходимости применяют полировку азотированных рабочих поверхностей.

Таблица 2. Характеристики легированных сталей после ионно-плазменного азотирования.

Варьируя состав насыщающей среды, температуру процесса и его длительность можно формировать слои разной глубины и твердости (рис. 7,8).

пуансон массой 237 кг
пресс-форма массой 1060 кг.

Рис. 7. Примеры обработки штамповой оснастки (а, б) и распределение микротвердости по глубине азотированного слоя (в, г).

Таким образом, как показывает мировой опыт, применение технологии ионного азотирования для упрочняющей обработки изделий из конструкционных сталей, а так же режущего и штампового инструмента эта технология является эффективной и относительно легко реализуемой, особенно с применением плазмы пульсирующего тока.