Hartowanie jonowo-plazmowe Próżniowe metody jonowo-plazmowe utwardzania powierzchni części obejmują następujące procesy: generowanie (tworzenie) przepływu korpuskularnego materii; jego aktywacja, przyspieszenie i skupienie; ; kondensacja i wnikanie w powierzchnię części (podłoża). Wytwarzanie: korpuskularny przepływ materii jest możliwy dzięki jej odparowaniu (sublimacji) i rozpyleniu. Odparowanie: przejście fazy skondensowanej w parę odbywa się w wyniku dostarczenia energii cieplnej do odparowanej substancji. Ciała stałe zwykle topią się po podgrzaniu, a następnie zamieniają się w stan gazowy. Niektóre substancje przechodzą w stan gazowy z pominięciem fazy ciekłej. Ten proces nazywa się sublimacją. .

Wykorzystując metody próżniowej technologii jonowo-plazmowej możliwe jest wykonanie: 1) modyfikacji warstw powierzchniowych: nasycania jonowo-dyfuzyjnego; (azotowanie jonowe, nawęglanie, borowanie itp.); trawienie jonowe (plazmowe) (czyszczenie); implantacja jonów (implementacja); wyżarzanie jarzeniowe; CTO w środowisku niesamodzielnego wyładowania; 2) powłoka: polimeryzacja z wyładowaniem jarzeniowym; osadzanie jonów (system napylania triodowego, system napylania diodowego, wykorzystujący wyładowanie w wydrążonej katodzie); odparowanie łuku elektrycznego; metoda klastrów jonowych; rozpylanie katodowe (prąd stały, wysoka częstotliwość); osadzanie chemiczne w plazmie wyładowania jarzeniowego.

Zalety próżniowych metod utwardzania jonowo-plazmowego wysoka przyczepność powłoki do podłoża; równomierność grubości powłoki na dużej powierzchni; zmienność składu powłoki w szerokim zakresie, w ramach jednego cyklu technologicznego; uzyskanie wysokiej czystości powierzchni powłoki; czystość środowiskowa cyklu produkcyjnego.

Napylanie jonowe Napylanie jonowe dzieli się na dwie grupy: napylanie plazmoniczne, w którym celem jest plazma wyładowania gazowego wytworzona przez poświatę, łuk i wyładowanie o wysokiej częstotliwości. Rozpylanie następuje w wyniku bombardowania celu jonami wyekstrahowanymi z plazmy; źródła autonomiczne bez ogniskowania iz ogniskowaniem wiązek jonów bombardujących cel.

Główny system natryskowy 1 - komorowy; 2 - uchwyt na podłoże; 3 - szczegóły (podłoża); 4 - cel; 5 - katoda; 6 - ekran; 7 - dostawa gazu roboczego; 8 - zasilanie; 9 - wypompowywanie.

CTO w środowisku wyładowania jarzeniowego Instalacje z dyfuzją jarzeniową są wykorzystywane do azotowania, nawęglania, krzemowania i innych rodzajów CTO z fazy gazowej. Głębokość warstwy dyfuzyjnej sięga kilku milimetrów przy równomiernym nasyceniu całej powierzchni produktu. Proces odbywa się przy obniżonym ciśnieniu 10 -1 - 10 -3 Pa, co zapewnia istnienie wyładowania jarzeniowego. Zalety stosowania wyładowań jarzeniowych: wysoka wydajność energetyczna (zużycie tylko na jonizację gazu i nagrzewanie części); skrócenie czasu trwania procesu dzięki szybkiemu nagrzewaniu do temperatury nasycenia; wzrost aktywności ośrodka gazowego i warstwy powierzchniowej; możliwość otrzymywania powłok z metali ogniotrwałych, stopów i związków chemicznych. Wady procesu: niskie ciśnienie w komorze (10 -1 Pa), niska wydajność, praca wsadowa, niemożność obróbki długich produktów (np. rur), znaczny pobór mocy, wysoki koszt instalacji.

Nasycenie dyfuzyjne jonów Przewaga nad konwencjonalnym azotowaniem gazowym: skrócenie czasu cyklu o 3-5 razy; zmniejszenie deformacji części o 3-5 razy; możliwość prowadzenia kontrolowanych procesów azotowania w celu uzyskania warstw o ​​zadanym składzie i strukturze; możliwość obniżenia temperatury procesu azotowania do 350-400°C, co pozwala uniknąć zmiękczenia materiałów rdzenia wyrobów; zmniejszenie kruchości warstwy i zwiększenie jej właściwości użytkowych; łatwość ochrony poszczególnych sekcji części przed azotowaniem; eliminacja niebezpieczeństwa wybuchu pieca; zmniejszenie jednostkowego zużycia energii elektrycznej 1,5-2 razy i gazu roboczego 30-50 razy; poprawa warunków pracy pracowników termicznych. Wady: niemożność przyspieszenia procesu poprzez zwiększenie gęstości strumienia jonów, ponieważ w wyniku przegrzania części zmniejsza się twardość powierzchni; intensyfikacja procesu azotowania jonowego; zastosowanie pola magnetycznego w celu zwiększenia gęstości prądu i zmniejszenia ciśnienia gazu; poprzez wytworzenie powierzchni części o danej wadliwości (wstępne odkształcenie plastyczne, obróbka cieplna).

Jednostka nawęglania jonowego EVT

Nawęglanie jonowe Nawęglanie jonowe tworzy wysoki gradient stężenia węgla w warstwie przyściennej. Szybkość narastania nawęglonej warstwy materiału wynosi 0,4…0,6 mm/h, czyli jest 3…5 razy większa niż w przypadku innych metod nawęglania. Czas cementowania jonów w celu uzyskania warstwy o grubości 1 ... 1,2 mm zmniejsza się do 2 ... 3 godzin. Ze względu na niskie zużycie gazów, energii elektrycznej i krótkie czasy przetwarzania koszty produkcji zmniejszyć o 4 ... 5 razy. Do zalet technologicznych nawęglania jonowego należy wysoka równomierność nawęglania, brak utleniania zewnętrznego i wewnętrznego oraz zmniejszenie wypaczania się części. Objętość obróbki zmniejszona o 30%, liczba operacji technologicznych zmniejszona o 40%, czas trwania cyklu obróbki skrócony o 50%.

Azotowanie jonowo-plazmowe (IPA) IPA to rodzaj obróbki chemiczno-termicznej części maszyn, narzędzi, urządzeń do tłoczenia i odlewania, który zapewnia dyfuzyjne nasycenie warstwy wierzchniej stali (żeliwa) azotem lub azotem i węglem w azocie- plazma wodorowa w temperaturze 450 - 600°C oraz tytan lub stopy tytanu w temperaturze 800 - 950°C w plazmie azotowej. Istota azotowania jonowo-plazmowego polega na tym, że w zawierającym azot ośrodku gazowym wyładowanym do 200–1000 Pa pomiędzy katodą, na której znajdują się detale, a anodą, której rolę pełnią ścianki komory próżniowej , nienormalne wyładowanie jarzeniowe jest wzbudzane, tworząc ośrodek aktywny (jony, atomy, wzbudzone cząsteczki). Zapewnia to powstanie na powierzchni produktu warstwy azotowanej, składającej się z zewnętrznej strefy azotkowej ze znajdującą się pod nią strefą dyfuzyjną.

Mikrostruktura warstwy azotowanej stali narzędziowej 4 X 5 MFS a b Mikrostruktury stali U 8 (a) i 20 X 13 (b) po azotowaniu jonowo-plazmowym

Instalacja UA-63 -950/3400 ze zmienną geometrią komory roboczej (wysokość 1,7 lub 3,4 m)

Zastosowanie metody azotowania jonowo-plazmowego tą metodą poddaje się obróbce następujące produkty: dysze do samochody, płyty nośne napędu automatycznego, matryce, stemple, matryce, formy (Daimler Chrysler); sprężyny do układu wtryskowego (Opel); wały korbowe (Audi); wały rozdzielcze (krzywkowe) (Volkswagen); wały korbowe do sprężarki (Atlas, USA i Wabco, Niemcy); koła zębate do BMW (Handl, Niemcy); przekładnie autobusowe (Voith); hartowanie narzędzi prasujących w produkcji wyrobów aluminiowych (Nughovens, Scandex, John Davis itp.). Istnieją pozytywne doświadczenia w zastosowaniach przemysłowych Ta metoda Kraje WNP: Białoruś - MZKT, MAZ, Bel. AZ; Rosja - Auto. VAZ, Kam. AZ, MMPP Salut, Stowarzyszenie Budowy Silników Ufa (UMPO). Procesy metody IPA: koła zębate (MZKT); koła zębate i inne części (MAZ); koła zębate o dużej (ponad 800 mm) średnicy (Bel. AZ); zawory dolotowe i wydechowe (Avto. VAZ); wały korbowe (Kam. AZ).

Metalizacja wyrobów według typu 1 prowadzona jest w celach dekoracyjnych, w celu zwiększenia twardości i odporności na ścieranie, w celu ochrony przed korozją. Ze względu na słabą przyczepność powłoki do podłoża, ten rodzaj metalizacji nie jest zalecany w przypadku części pracujących w wysokich obciążeniach i temperaturach. Technologia metalizacji typu 1 i 2a przewiduje nałożenie warstwy substancji na powierzchnię produktu zimnego lub ogrzanego do stosunkowo niskich temperatur. Te rodzaje metalizacji obejmują: elektrolityczne (galwanizacja); chemiczny; procesy otrzymywania powłok w płomieniu gazowym (napylanie); powlekanie przez okładziny (mechaniczno-termiczne); dyfuzja, zanurzenie w stopionych metalach. Technologia metalizacji typu 2b zapewnia nasycenie dyfuzyjne powierzchni elementów nagrzanych do wysokich temperatur metalami, w wyniku czego w strefie dyfuzyjnej elementu powstaje stop (metalizacja dyfuzyjna). W tym przypadku geometria i wymiary metalizowanej części praktycznie się nie zmieniają.

Metalizacja plazmą jonową Metalizacja plazmą jonową ma szereg istotnych zalet w porównaniu z innymi rodzajami metalizacji. Wysoka temperatura plazmy i obojętne środowisko umożliwiają uzyskanie powłok o większej jednorodności strukturalnej, mniejszej utlenialności, wyższych właściwościach kohezyjnych i adhezyjnych, odporności na zużycie itp. w porównaniu z tymi właściwościami innych rodzajów metalizacji. Za pomocą tej metody metalizacji możliwe jest natryskiwanie różnych materiałów ogniotrwałych: wolframu, molibdenu, tytanu itp., stopów twardych, a także tlenków aluminium, chromu, magnezu itp. Powlekanie można przeprowadzić metodą natryskiwania zarówno drutu, jak i proszek. Właściwa metalizacja składa się z trzech procesów: topienia stałego metalu drutu lub proszku (podczas metalizacji plazmą jonową), napylania stopionego metalu i tworzenia powłoki. Materiałami do natryskiwania mogą być dowolne metale ogniotrwałe w postaci drutu lub proszku, ale można również stosować druty średniowęglowe lub stopowe, takie jak Np-40, Np-ZOHGSA, Np-ZKh 13 itp. W warunkach zakładów naprawy samochodów, stop typu VZK (stellit) lub sormit, który ma wysoką odporność na zużycie i korozję.

Materiałoznawstwo: Notatki z wykładu Aleksiejew Wiktor Siergiejewicz

7. Obróbka chemiczno-termiczna: azotowanie, azotowanie jonowe

Obróbka chemiczno-termiczna- azotowanie służy do zwiększenia twardości powierzchni różnych części - kół zębatych, tulei, wałów itp. Azotowanie- ostatnia operacja proces technologiczny produkcja części. Przed azotowaniem przeprowadza się pełną obróbkę cieplną i mechaniczną, a nawet szlifowanie, po azotowaniu dopuszcza się tylko wykończenie z usunięciem metalu do 0,02 mm na stronę. Azotowanie nazywana obróbką chemiczno-termiczną, w której następuje dyfuzyjne nasycenie warstwy powierzchniowej azotem. W wyniku azotowania uzyskuje się: wysoką twardość warstwy wierzchniej (do 72 HRC), wysoką wytrzymałość zmęczeniową, odporność cieplną, minimalne odkształcenia, wysoką odporność na zużycie i korozję. Azotowanie prowadzi się w temperaturze od +500 do +520 °C przez 8–9 h. Głębokość warstwy azotowanej wynosi 0,1–0,8 mm. Pod koniec procesu azotowania części są schładzane do +200–300 °C wraz z piecem w strumieniu amoniaku, a następnie w powietrzu.

Warstwa wierzchnia nie jest podatna na trawienie. Głębsza niż struktura sorbitowa. Proces ciekłego azotowania w stopionych solach cyjankowych jest szeroko stosowany w przemyśle. Grubość warstwy azotowanej wynosi 0,15-0,5 mm.

Warstwa azotowana nie jest podatna na pękanie kruche. Twardość azotowanej warstwy stali węglowych wynosi do 350 HV, stopowych - do 1100 HV. Wadami procesu są toksyczność i wysoki koszt soli cyjankowych.

W wielu gałęziach przemysłu stosuje się azotowanie jonowe, które ma wiele zalet w porównaniu z azotowaniem gazowym i ciekłym. Azotowanie jonowe odbywa się w szczelnym pojemniku, w którym tworzy się rozrzedzona atmosfera zawierająca azot. W tym celu stosuje się czysty azot, amoniak lub mieszaninę azotu i wodoru. Części umieszczone wewnątrz pojemnika połączone są z ujemnym biegunem źródła stałej siły elektromotorycznej i pełnią funkcję katody. Anoda to korpus pojemnika. Między anodą a katodą włączane jest wysokie napięcie (500-1000 V) - następuje jonizacja gazu. Powstałe dodatnio naładowane jony azotu pędzą do ujemnego bieguna - katody. W pobliżu katody powstaje duże natężenie pola elektrycznego. Wysoka energia kinetyczna jonów azotu zamienia się w energię cieplną. Część w krótkim czasie (15-30 min) nagrzewa się do +470 do +580 °C, azot dyfunduje w głąb metalu, czyli azotuje.

W porównaniu z azotowaniem w piecach, azotowanie jonowe umożliwia 2-3 krotne skrócenie całkowitego czasu trwania procesu w celu zmniejszenia deformacji części z powodu równomiernego ogrzewania.

Azotowanie jonowe stali i stopów odpornych na korozję odbywa się bez dodatkowej obróbki depasywującej. Grubość warstwy azotowanej wynosi 1 mm lub więcej, twardość powierzchni 500-1500 HV. Azotowanie jonowe stosuje się do części pomp, wtryskiwaczy, śrub pociągowych obrabiarek, wałów i wielu innych.

Ten tekst ma charakter wprowadzający. Z książki autora

Obróbka metali Obróbka metali obejmuje dość dużą liczbę różnego rodzaju prac, ale każda z nich zaczyna się od przygotowania powierzchni do obróbki. Co to znaczy przetwarzać część metalową? Przede wszystkim sprawdź jego wymiary i

Z książki autora

Obróbka otworów Wiercenie w metalu Być może trudno sobie wyobrazić wykonanie i montaż jakiegokolwiek mechanizmu bez konieczności wiercenia i dalszej obróbki otworów. Tak, i w innych dziedzinach produkcji ślusarskiej, czy

Z książki autora

Obróbka cieplna wyrobów gotowych Obróbka cieplna wykonywana jest z gotową odkuwką i służy do zmiany struktury metalu. Od prawidłowego wykonania zależy jakość produktu i jego trwałość.

Z książki autora

Przetwarzanie sygnału Wybierając rodzaj urządzenia czujnikowego zastosowanego w robocie, należy rozwiązać kwestię odczytu i przetwarzania sygnału z niego pochodzącego. Vjui Wiele czujników to czujniki typu rezystancyjnego, co oznacza, że ​​ich rezystancja zmienia się wraz z

Z książki autora

6. Obróbka chemiczno-termiczna: nawęglanie, węgloazotowanie W celu zmiany składu chemicznego, struktury i właściwości warstwy wierzchniej części poddaje się je obróbce termicznej w medium aktywnym chemicznie, zwanym chemicznym obróbka cieplna. Z nią

Z książki autora

1. Stale konstrukcyjne węglowe i stopowe: przeznaczenie, obróbka cieplna, właściwości Stale konstrukcyjne jakości węglowej są wykorzystywane do produkcji wyrobów walcowanych, odkuwek, stali kalibrowanej, stali srebrnej, stali kształtowej, wytłoczek i wlewków. Te stale

Z książki autora

Obróbka cieplna Obróbka cieplna to proces obróbki cieplnej, którego istotą jest podgrzanie szkła do określonej temperatury, utrzymywanie go w tej temperaturze, a następnie chłodzenie z zadaną szybkością w celu zmiany właściwości szkła lub kształtu

Z książki autora

6. Obróbka cieplna stopów jubilerskich. Postanowienia ogólne Obróbka cieplna obejmuje następujące główne operacje: wyżarzanie, hartowanie, starzenie i odpuszczanie (w przypadku metali żelaznych). Zastosowanie takiego lub innego rodzaju obróbki cieplnej jest podyktowane wymaganiami, które

Z książki autora

6.1. Obróbka cieplna stopów odlewniczych Według klasyfikatora stopów jubilerskich (ryc. 3.36) głównymi są stopy szlachetne na bazie srebra, złota i platyny, a także stopy miedzi, aluminium i cynku. Preferencyjne operacje obróbki cieplnej

Z książki autora

13. Obróbka cieplna stopów jubilerskich Głównym rodzajem obróbki cieplnej stopów jubilerskich jest wyżarzanie rekrystalizujące. Jest on przypisywany albo jako etap pośredni między operacjami odkształcania plastycznego na zimno, albo jako etap końcowy, w celu:

Z książki autora

13.1. Obróbka cieplna stopów na bazie srebra Stopy układu Ag-Cu są poddawane obróbce cieplnej, ponieważ miedź jest słabo rozpuszczalna w srebrze, a jej rozpuszczalność zmienia się wraz z temperaturą.

Z książki autora

13.2. Obróbka cieplna stopów na bazie złota Podwójne stopy złoto-srebro nie są utwardzane termicznie, ponieważ srebro i złoto są nieskończenie rozpuszczalne w stanie stałym.Stopy trójskładnikowe systemu Au-Ag-Cu są utwardzane przez obróbkę cieplną. efekt utwardzania

Z książki autora

7.3.1. OBRÓBKA ELEKTRYCZNA ELEKTRYCZNA Niszczenie styków pod wpływem wyładowań elektrycznych jest znane od dawna. Wiele badań zostało poświęconych wyeliminowaniu lub przynajmniej ograniczeniu niszczenia styków.Badania nad zjawiskiem kontrolowanych

Z książki autora

38. Obróbka chemiczno-termiczna stali. Cel, rodzaje i ogólne wzorce. Nasycenie dyfuzyjne stopów metalami i niemetalami Obróbka chemiczno-termiczna (CHT) - obróbka z kombinacją efektów termicznych i chemicznych w celu zmiany składu, struktury

Azotowanie, podczas którego warstwa wierzchnia wyrobu stalowego jest nasycona azotem, zastosowano w skala przemysłowa Ostatnio. Taka metoda przetwarzania, zaproponowana przez akademika N.P. Chizhevsky, pozwala poprawić wiele właściwości produktów wykonanych ze stopów stali.

Esencja technologii

Azotowanie stali w porównaniu z tak popularną metodą obróbki tego metalu jak nawęglanie ma szereg istotnych zalet. Dlatego technologia ta zaczęła być wykorzystywana jako główny sposób na poprawę cech jakościowych stali.

Podczas azotowania wyrób stalowy nie jest poddawany znaczącym efektom termicznym, natomiast twardość jego warstwy wierzchniej znacznie wzrasta. Ważne jest, aby wymiary azotowanych części nie uległy zmianie. Umożliwia to zastosowanie tej metody obróbki do wyrobów stalowych, które zostały już zahartowane wysokim odpuszczaniem i oszlifowane do wymaganych parametrów geometrycznych. Po azotowaniu lub azotowaniu, jak często określa się ten proces, stal może być natychmiast poddana polerowaniu lub innym metodom wykańczania.

Azotowanie stali polega na tym, że metal poddawany jest nagrzewaniu w środowisku charakteryzującym się dużą zawartością amoniaku. W wyniku takiej obróbki następują następujące zmiany w warstwie powierzchniowej metalu nasyconej azotem.

• Ze względu na wzrost twardości warstwy wierzchniej stali poprawia się odporność na zużycie części.
• Wzrasta wytrzymałość zmęczeniowa produktu.
• Powierzchnia produktu staje się odporna na korozję. Taka stabilność jest utrzymywana, gdy stal styka się z wodą, wilgotnym powietrzem i medium para-powietrze.

Wykonanie azotowania umożliwia uzyskanie bardziej stabilnych wskaźników twardości stali niż przy nawęglaniu. Tym samym warstwa wierzchnia produktu poddanego azotowaniu zachowuje swoją twardość nawet po podgrzaniu do temperatury 550–600°C, natomiast po zacementowaniu twardość warstwy wierzchniej może zacząć spadać nawet po podgrzaniu produktu powyżej 225°C. Charakterystyki wytrzymałościowe warstwy wierzchniej stali po azotowaniu są 1,5–2 razy wyższe niż po hartowaniu lub nawęglaniu.

Jak przebiega proces azotowania?

Części metalowe są umieszczane w hermetycznie zamkniętej mufli, która jest następnie instalowana w piecu do azotowania. W piecu mufla wraz z częścią jest podgrzewana do temperatury, która zwykle mieści się w zakresie 500–600°C, a następnie utrzymywana przez pewien czas w tym reżimie temperaturowym.

W celu wytworzenia wewnątrz mufy czynnika roboczego niezbędnego do przebiegu azotowania, doprowadza się do niego pod ciśnieniem amoniak. Po podgrzaniu amoniak zaczyna się rozkładać na elementy składowe, proces ten opisuje następujący wzór chemiczny:

2NH3 → 6H + 2N.

Uwalniany podczas takiej reakcji azot atomowy zaczyna dyfundować do metalu, z którego wykonany jest przedmiot, co prowadzi do powstawania na jego powierzchni azotków, które charakteryzują się dużą twardością. Aby naprawić wynik i zapobiec utlenianiu powierzchni części, mufę wraz z produktem i pozostającym w niej amoniakiem powoli schładza się wraz z piecem do azotowania.

Warstwa azotku utworzona na powierzchni metalu podczas azotowania może mieć grubość w zakresie 0,3-0,6 mm. To wystarczy, aby nadać produktowi wymagane właściwości wytrzymałościowe. Stal obrabiana tą technologią nie może być poddawana żadnym dodatkowym metodom obróbki.

Procesy zachodzące w warstwie wierzchniej produktu stalowego podczas jego azotowania są dość złożone, ale zostały już dobrze zbadane przez specjalistów z branży metalurgicznej. W wyniku takich procesów w strukturze obrabianego metalu powstają następujące fazy:

• roztwór stały Fe 3 N, charakteryzujący się zawartością azotu w zakresie 8–11,2%;
• stały roztwór Fe 4 N, który zawiera 5,7-6,1% azotu;
• roztwór azotu utworzony w żelazie α.

Dodatkowa faza α w strukturze metalu powstaje, gdy temperatura azotowania zaczyna przekraczać 591°. W momencie, gdy stopień nasycenia danej fazy azotem osiąga maksimum, w strukturze metalu tworzy się nowa faza. Rozkład eutektoidalny w strukturze metalu następuje, gdy stopień jego nasycenia azotem osiąga poziom 2,35%.

Zawory zaawansowanych technologicznie silników spalinowych muszą zostać poddane procesowi azotowania

Czynniki wpływające na azotowanie

Główne czynniki wpływające na azotowanie to:

• temperatura, w której wykonywana jest taka operacja technologiczna;
• ciśnienie gazu dostarczane do mufy;
• czas ekspozycji części w piecu.

Na efektywność takiego procesu wpływa również stopień dysocjacji amoniaku, który z reguły zawiera się w przedziale 15–45%. Wraz ze wzrostem temperatury azotowania twardość powstałej warstwy maleje, ale przyspiesza proces dyfuzji azotu do struktury metalu. Spadek twardości warstwy wierzchniej metalu podczas jego azotowania następuje na skutek koagulacji azotków pierwiastków stopowych wchodzących w jego skład.

Aby przyspieszyć proces azotowania i zwiększyć jego wydajność, stosuje się dwustopniowy schemat jego realizacji. Pierwszy etap azotowania przy zastosowaniu takiego schematu odbywa się w temperaturze nieprzekraczającej 525 °. Umożliwia to nadanie wysokiej twardości warstwie powierzchniowej produktu stalowego. Aby wykonać drugi etap zabiegu, detal jest podgrzewany do temperatury 600–620°, podczas gdy głębokość warstwy azotowanej osiąga wymagane wartości, a sam proces jest prawie podwojony. Twardość warstwy wierzchniej produktu stalowego przetwarzanego tą technologią jest nie mniejsza niż podobny parametr produktów przetwarzanych metodą jednoetapową.

Rodzaje stali azotowanych

Zarówno węglopochodne, jak i te charakteryzujące się zawartością węgla w zakresie 0,3–0,5% mogą być przetwarzane w technologii azotowania. Maksymalny efekt przy zastosowaniu takiej operacji technologicznej można osiągnąć, poddając jej stal, w skład chemiczny które zawierają pierwiastki stopowe, które tworzą stałe i żaroodporne azotki. Do takich pierwiastków należą w szczególności molibden, aluminium, chrom i inne metale o podobnych właściwościach. Stale zawierające molibden nie podlegają tak negatywnemu zjawisku jak kruchość odpuszczania, która pojawia się, gdy wyrób stalowy powoli stygnie. Stale różnych gatunków po azotowaniu uzyskują następującą twardość:

Pierwiastki stopowe w składzie chemicznym stali zwiększają twardość warstwy azotowanej, ale jednocześnie zmniejszają jej grubość. Najaktywniejszy wpływ na grubość warstwy azotowanej mają takie pierwiastki chemiczne jak wolfram, molibden, chrom i nikiel.

W zależności od zakresu produktu poddawanego procesowi azotowania, a także od warunków jego eksploatacji, do takiej operacji technologicznej zaleca się stosowanie określonych gatunków stali. Tak więc, zgodnie z problemem technologicznym, który należy rozwiązać, eksperci zalecają stosowanie do azotowania produktów z następujących gatunków stali.

38X2MYUA

Jest to stal, która po azotowaniu posiada dużą twardość powierzchni zewnętrznej. Aluminium zawarte w składzie chemicznym takiej stali zmniejsza odporność produktu na odkształcenia, ale jednocześnie przyczynia się do wzrostu twardości i odporności na zużycie jego powierzchni zewnętrznej. Wyłączenie aluminium ze składu chemicznego stali umożliwia tworzenie z niego produktów o bardziej złożonej konfiguracji.

40X, 40HFA

Te stale stopowe są wykorzystywane do produkcji części stosowanych w przemyśle obrabiarkowym.

30H3M, 38HGM, 38HNMFA, 38HN3MA

Stale te wykorzystywane są do produkcji wyrobów, które w trakcie eksploatacji poddawane są częstym cyklicznym obciążeniom zginającym.

30X3MF1

Produkty wykonane są z tego stopu stali, którego dokładność parametrów geometrycznych jest obciążona wysokimi wymaganiami. Aby nadać częściom wykonanym z tej stali wyższą twardość (są to głównie części osprzętu paliwowego), do jej składu chemicznego można dodać krzem.

Schemat technologiczny azotowania

W celu przeprowadzenia konwencjonalnego azotowania gazowego, innowacyjnego azotowania plazmowego lub azotowania jonowego, obrabiany przedmiot poddawany jest serii etapów procesowych.

Obróbka cieplna przygotowawcza

Taka obróbka polega na utwardzeniu produktu i jego wysokim odpuszczaniu. Hartowanie w ramach tej procedury odbywa się w temperaturze około 940 °, natomiast chłodzenie przedmiotu odbywa się w oleju lub wodzie. Późniejsze odpuszczanie po hartowaniu, które odbywa się w temperaturze 600-700 °, pozwala nadać obrabianemu metalowi twardość, przy której można go łatwo ciąć.

Renowacja mechaniczna

Operacja ta kończy się jej szlifowaniem, które pozwala na doprowadzenie parametrów geometrycznych części do wymaganych wartości.

Ochrona części produktu niewymagających azotowania

Takie zabezpieczenie wykonuje się poprzez nałożenie cienkiej warstwy (nie więcej niż 0,015 mm) cyny lub płynnego szkła. W tym celu stosuje się technologię elektrolizy. Utworzona na powierzchni produktu warstwa tych materiałów nie pozwala na wnikanie azotu w jego wewnętrzną strukturę.

Samo wykonanie azotowania

Przygotowany produkt poddawany jest obróbce w środowisku gazowym.

Wykończeniowy

Ten etap jest niezbędny w celu doprowadzenia cech geometrycznych i mechanicznych produktu do wymaganych wartości.

Stopień zmiany parametrów geometrycznych części podczas azotowania, jak wspomniano powyżej, jest bardzo mały i zależy od takich czynników jak grubość warstwy powierzchniowej nasyconej azotem; reżim temperaturowy procedury. Aby zagwarantować prawie całkowity brak odkształceń przedmiotu obrabianego umożliwia bardziej zaawansowaną technologię - azotowanie jonowe. Podczas azotowania jonowo-plazmowego wyroby stalowe poddawane są mniejszemu oddziaływaniu termicznemu, dzięki czemu minimalizowane jest ich odkształcanie.

W przeciwieństwie do innowacyjnego azotowania jonowo-plazmowego, tradycyjne azotowanie można przeprowadzić w temperaturach do 700°C. W tym celu można zastosować wymienną mufę lub mufę wbudowaną w piec grzewczy. Zastosowanie wymiennej mufy, w której detale są ładowane z wyprzedzeniem, przed zainstalowaniem w piecu, może znacznie przyspieszyć proces azotowania, ale nie zawsze jest ekonomicznie opłacalną opcją (szczególnie w przypadku obróbki produktów wielkogabarytowych ).

Rodzaje środowiska pracy

Do azotowania można stosować różne rodzaje mediów. Najczęstszym z nich jest medium gazowe składające się z 50% amoniaku i 50% propanu lub amoniaku i endogazu, pobierane w tych samych proporcjach. Proces azotowania w takim środowisku prowadzony jest w temperaturze 570°. W takim przypadku produkt jest wystawiony na działanie środowiska gazowego przez 3 godziny. Warstwa azotowana utworzona przy użyciu takich środowisko pracy, ma niewielką grubość, ale wysoką wytrzymałość i odporność na zużycie.

Ostatnio szeroko stosowana jest metoda azotowania jonowo-plazmowego, która jest wykonywana w środowisku wyładowanym zawierającym azot.

Azotowanie jonowo-plazmowe – spojrzenie „od środka”

Charakterystyczną cechą azotowania jonowo-plazmowego, które jest również nazywane obróbką wyładowania jarzeniowego, jest to, że obrabiany przedmiot i mufa są połączone ze źródłem prąd elektryczny, podczas gdy produkt działa jak elektroda naładowana ujemnie, a mufa - jako elektroda naładowana dodatnio. W rezultacie między częścią a mufą powstaje przepływ jonów - rodzaj plazmy składającej się z N 2 lub NH 3, dzięki czemu obrabiana powierzchnia jest zarówno podgrzewana, jak i nasycana niezbędną ilością azotu.

Oprócz azotowania tradycyjnego i jonowo-plazmowego, proces nasycania powierzchni stali azotem może być realizowany w środowisku płynnym. Jako czynnik roboczy, który ma temperaturę ogrzewania około 570 °, w takich przypadkach stosuje się stop soli cyjankowych. Czas azotowania prowadzonego w ciekłym medium roboczym może wynosić od 30 do 180 minut.

Strona główna > Dokument

Możliwości technologiczne azotowania jonowego we wzmacnianiu wyrobów ze stali konstrukcyjnych i narzędziowych

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

JV "Avicenna International", Republika Białoruś, Mińsk,

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

Azotowanie jonowo-plazmowe (IPA) to metoda obróbki chemiczno-termicznej wyrobów stalowych i żeliwnych o dużych możliwościach technologicznych, pozwalająca na uzyskanie warstw dyfuzyjnych o pożądanym składzie przy zastosowaniu różnych mediów gazowych, tj. proces nasycenia dyfuzyjnego jest kontrolowany i może być optymalizowany w zależności od specyficznych wymagań dotyczących głębokości warstwy i twardości powierzchni. Zakres temperatur azotowania jonowego jest szerszy niż azotowania gazowego i mieści się w zakresie 400-600 0 С. znacznie zwiększają się ich właściwości użytkowe przy zachowaniu twardości rdzenia na poziomie 55-60 HRC. Obróbce hartowniczej metodą IPA poddawane są części i narzędzia niemal wszystkich gałęzi przemysłu (rys. 1).

Ryż. jeden. Zastosowanie azotowania jonowo-plazmowego do utwardzania różnych produktów

W wyniku IPA można poprawić następujące właściwości produktów: odporność na zużycie, wytrzymałość zmęczeniową, odporność na ekstremalne ciśnienie, odporność na ciepło i korozję. W porównaniu z szeroko stosowanymi metodami hartowania obróbki chemiczno-termicznej elementów stalowych, takimi jak nawęglanie, węgloazotowanie, cyjanizacja i azotowanie gazowe w piecach, metoda IPA ma następujące główne zalety:

wyższa twardość powierzchni części azotowanych; brak deformacji części po obróbce i wysokie wykończenie powierzchni; zwiększenie granicy wytrzymałości i zwiększenie odporności na zużycie obrabianych części; niższa temperatura obróbki, dzięki której w stali nie dochodzi do przekształceń strukturalnych; możliwość przetwarzania głuchych i przelotowych; zachowanie twardości warstwy azotowanej po podgrzaniu do 600-650 С; możliwość uzyskania warstw o ​​danej kompozycji; możliwość przetwarzania produktów o nieograniczonych rozmiarach i kształtach; Bez zanieczyszczeń środowisko; poprawa kultury produkcji; kilkukrotne obniżenie kosztów przetwarzania.

Zalety IPA przejawiają się również w znacznym obniżeniu głównych kosztów produkcji. Na przykład w porównaniu z azotowaniem gazowym w piecach IPA zapewnia:

skrócenie czasu przetwarzania od 2 do 5 razy, zarówno poprzez skrócenie czasu nagrzewania i chłodzenia wsadu, jak i skrócenie czasu przetrzymywania izotermy; zmniejszenie kruchości utwardzonej warstwy; zmniejszenie zużycia gazów roboczych o 20-100 razy; zmniejszenie zużycia energii elektrycznej o 1,5-3 razy; wyłączenie operacji depasywacji; redukcja odkształceń tak, aby wykluczyć szlifowanie wykańczające; prostota i niezawodność ochrony ekranu przed azotowaniem powierzchni nieutwardzonych; poprawa warunków sanitarno-higienicznych produkcji; pełna zgodność technologii ze wszystkimi współczesnymi wymogami ochrony środowiska.

W porównaniu do utwardzania Przetwarzanie IPA pozwala:

wykluczyć deformacje; wydłużyć żywotność azotowanej powierzchni o 2-5 razy.

Zastosowanie IPA zamiast nawęglania, węgloazotowania, azotowania gazowego lub ciekłego, hartowania wolumetrycznego lub HDTV oszczędza główny sprzęt i obszar produkcji, obniżyć koszty maszyn i transportu, zmniejszyć zużycie energii elektrycznej i aktywnych mediów gazowych. Zasada działania IPA polega na tym, że w wyładowanym (p = 200-1000 Pa) ośrodku gazowym zawierającym azot między katodą - częściami - a anodą - ściankami komory próżniowej - wzbudza się nietypowe wyładowanie jarzeniowe, tworząc ośrodek aktywny (jony, atomy, wzbudzone cząsteczki), zapewniający tworzenie warstwy azotowanej, składającej się ze strefy zewnętrznej - azotkowej i znajdującej się pod nią strefy dyfuzyjnej. Czynnikami technologicznymi wpływającymi na efektywność azotowania jonowego są temperatura procesu, czas trwania nasycenia, ciśnienie, skład i zużycie mieszaniny gazów roboczych. Temperatura procesu, powierzchnia wsadu biorąca udział w wymianie ciepła oraz sprawność wymiany ciepła ze ścianą (ilość ekranów) określają moc potrzebną do utrzymania wyładowania i zapewnienia pożądanej temperatury produktów.Dobór temperatury zależy od stopnia stopowania stali azotowanej pierwiastkami azototwórczymi: im wyższy stopień stopowania, tym wyższa temperatura. Temperatura przetwarzania powinna być co najmniej o 10-20 0 С niższa niż temperatura odpuszczania. Czas trwania i temperatura procesu nasycenia określają głębokość warstwy, rozkład twardości na głębokości oraz grubość strefy azotkowej. Skład medium nasycającego zależy od stopnia stopowania obrabianej stali oraz wymagań dotyczących twardości i głębokości warstwy azotowanej. Ciśnienie procesowe powinny być takie, aby zapewnić szczelne „pasowanie” przez wyładowanie z powierzchni wyrobów i uzyskać jednolitą warstwę azotowaną. Należy jednak pamiętać, że wyładowanie na wszystkich etapach procesu musi być anomalne, tj. powierzchnia wszystkich części w ładunku musi być całkowicie pokryta luminescencją, a gęstość prądu wyładowania musi być większa niż normalna gęstość dla danego ciśnienia, biorąc pod uwagę efekt ogrzewania gazu w obszarze katodowym wyładowania. Wraz z pojawieniem się nowej generacji jednostek IPA, które jako medium robocze wykorzystują mieszaniny wodoru, azotu i argonu o kontrolowanym składzie, a także plazmę „pulsującą” zamiast prądu stałego, znacznie wzrosła produkcyjność procesu azotowania jonowego. Zastosowanie kombinowanego grzania („gorące” ściany komory) lub zwiększonej ochrony termicznej (potrójna osłona cieplna) wraz z możliwością samodzielnej regulacji składu gazu i ciśnienia w komorze pozwala uniknąć przegrzewania się cienkich krawędzi tnących podczas nagrzewania wsadu podczas obróbki narzędzia skrawającego, aby precyzyjnie kontrolować odpowiednio czas nasycenia i głębokość warstwy, ponieważ produkty można podgrzewać w środowisku wolnym od azotu, na przykład w mieszaninie Ar+H 2 . Wydajna izolacja termiczna w komorze roboczej (potrójna osłona cieplna) pozwala na przetwarzanie produktów o niskim jednostkowym zużyciu energii, co pozwala zminimalizować różnice temperatur w obrębie ładunku podczas przetwarzania. Świadczy o tym rozkład mikrotwardości na głębokości warstwy azotowanej dla próbek znajdujących się w różnych miejscach wsadu (rys. 2).

Ryż. 2. Rozkład mikrotwardości na głębokości warstwy azotowanej dla trzech próbek zlokalizowanych w różnych miejscach klatki.

a, c - przekładnia o wadze 10,1 kg, 51 sztuk, st - 40X, moduł 4,5, ekspozycja 16 godzin, T = 530 0 С;

b, d - przekładnia o wadze 45 kg, 11 szt., st - 38KhN3MFA, moduł 3,25 (korona zewnętrzna)

i 7 mm (korona wewnętrzna), ekspozycja 16 godz., Т=555 0 С.

Azotowanie jonowe to skuteczna metoda obróbki hartowniczej części wykonanych z stale konstrukcyjne stopowe koła zębate, koła zębate, wały zębate, wały, koła zębate czołowe, stożkowe i walcowe, sprzęgła, wały zębate o złożonej konfiguracji geometrycznej itp. wały itp.) o niskiej i średniej dokładności, które nie wymagają późniejszego szlifowania. Te rodzaje obróbki cieplnej nie są ekonomicznie wykonalne w produkcji średnio i nisko obciążonych części o wysokiej precyzji, ponieważ przy tej obróbce obserwuje się znaczne wypaczenie i wymagane jest późniejsze szlifowanie. W związku z tym podczas szlifowania konieczne jest usunięcie znacznej grubości utwardzonej warstwy. IPA może znacznie zmniejszyć wypaczenie i deformację części przy zachowaniu chropowatości powierzchni w zakresie Ra = 0,63 ... 1,2 µm, co pozwala w zdecydowanej większości przypadków stosować IPA jako obróbkę wykańczającą. Stosowane w przemyśle obrabiarkowym azotowanie jonowe kół zębatych znacząco obniża charakterystykę hałasu obrabiarek, zwiększając tym samym ich konkurencyjność na rynku. IPA jest najbardziej efektywny podczas obróbki podobnych części wielkogabarytowych: kół zębatych, wałów, osi, wałów zębatych, kół zębatych wałowych itp. Przekładnie azotowane plazmowo mają lepszą stabilność wymiarową w porównaniu do kół zębatych nawęglanych i mogą być stosowane bez dodatkowej obróbki. Jednocześnie nośność powierzchni bocznej i wytrzymałość podstawy zęba, uzyskana za pomocą azotowania plazmowego, odpowiadają przekładniom nawęglanym (tab. 1).

Tabela 1

Charakterystyki wytrzymałości zmęczeniowej stali w zależności od metod hartowania kół zębatych

Rodzaj stali	Rodzaj przetwarzania	Granica wytrzymałości na zginanie, MPa	Graniczna wytrzymałość powierzchniowa kontaktu, MPa	Twardość powierzchni bocznej zęba, HV
stopowy	hartowanie
Ulepszone (40X, 40XH, 40XFA, 40XH2MA, 40XMFA, 38XM, 38XH3MFA, 38X2H2MFA, 30X2NM itp.)	Azotowanie
Znormalizowane	Hartowanie plazmowe lub indukcyjne
Specjalnie azotowany (38HMYUA, 38H2MYUA, 35HYUA, 38HVFYUA, 30H3MF itd.)	Azotowanie
stopowy	Nawęglanie i Azotonawęglanie

Podczas obróbki hartowniczej przez azotowanie jonowe części wykonanych ze stali nawęglonych, nisko i średniostopowych (18KhGT, 20KhNZA, 20KhGNM, 25KhGT, 40Kh, 40KhN, 40KhFA itp.) konieczne jest wstępne ulepszanie odkuwek - hartowanie objętościowe i odpuszczanie do twardości 241-285 HB (dla niektórych stali 269-302 HB), następnie obróbka skrawaniem i wreszcie azotowanie jonowe. W celu zapewnienia minimalnych odkształceń wyrobów przed azotowaniem odprężającym zaleca się prowadzenie wyżarzania w atmosferze gazu ochronnego, a temperatura wyżarzania powinna być wyższa od temperatury azotowania. Wyżarzanie należy przeprowadzić przed obróbką precyzyjną. Głębokość warstwy azotowanej utworzonej na tych produktach, wykonanych ze stali 40Kh, 18KhGT, 25KhGT, 20Kh2N4A itp., wynosi 0,3-0,5 mm przy twardości 500-800 HV, w zależności od gatunku stali (rys. 3). W przypadku przekładni pracujących w warunkach większych obciążeń warstwa azotowana powinna być na poziomie 0,6-0,8 mm z cienką strefą azotkową lub w ogóle bez niej.

Ryż. 3. Rozkład mikrotwardości na głębokość warstwy azotowanej dla różnych stali

Optymalizacja właściwości warstwy utwardzonej jest zdeterminowana połączeniem właściwości materiału bazowego (twardość rdzenia) oraz parametrów warstwy azotowanej. Charakter obciążenia determinuje głębokość warstwy dyfuzyjnej, rodzaj i grubość warstwy azotku:

zużycie - g'- lub e-warstwa; obciążenie dynamiczne - ograniczona grubość warstwy azotkowej lub jej brak; korozja - e-warstwa.

Niezależna kontrola prędkości przepływu każdego ze składników mieszaniny gazowej, ciśnienia w komorze roboczej oraz zmienności temperatury procesu umożliwiają tworzenie warstw o ​​różnej głębokości i twardości (rys. 4), zapewniając tym samym stabilna jakość przetwarzania przy minimalnym rozkładzie właściwości od części do części i od wsadu do wsadu ( ryc. 5).

Ryż. 4. Rozkład mikrotwardości na głębokość azotowanej warstwy stali 40Kh

1, 3, 5 - proces jednoetapowy;

2.4 - dwuetapowy proces według treściN 2 w mieszaninie roboczej

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

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

Ryż. 5. Rozprzestrzenianie się mikrotwardości na głębokości warstwy azotowanej

dla stali 40Kh (a) i 38KhNZMFA (b) dla procesów seryjnych.

Azotowanie jonowe jest powszechnie znane jako jedna ze skutecznych metod zwiększania odporności na zużycie narzędzi skrawających wykonanych z stale szybkotnące gatunki R6M5, R18, R6M5K5, R12F4K5 itp. Azotowanie zwiększa odporność narzędzia na zużycie i jego odporność na ciepło. Azotowana powierzchnia narzędzia, charakteryzująca się obniżonym współczynnikiem tarcia i poprawionymi właściwościami przeciwciernymi, zapewnia łatwiejsze odprowadzanie wiórów, a także zapobiega ich przywieraniu do krawędzi skrawających i tworzeniu się otworów ścieralnych, co umożliwia zwiększenie prędkość posuwu i cięcia. Optymalną strukturą azotowanej stali szybkotnącej jest martenzyt wysokoazotowy, który nie zawiera nadmiaru azotków. Taką strukturę zapewnia nasycenie powierzchni narzędzia azotem w temperaturze 480-520 0 C podczas krótkotrwałego azotowania (do 1 godziny). W tym przypadku powstaje utwardzona warstwa o głębokości 20-40 μm o mikrotwardości powierzchni 1000-1200 HV0,5 przy twardości rdzenia 800-900 HV (rys. 6) i trwałości narzędzia po azotowaniu jonowym wzrasta 2–8 razy w zależności od rodzaju i rodzaju przetwarzanego materiału.

Ryż. 6. Struktura azotowanej warstwy stali R6M5 (a) i rozkład mikrotwardości na głębokości warstwy (b).

Główną zaletą azotowania jonowego narzędzia jest możliwość uzyskania jedynie warstwy utwardzanej dyfuzyjnie lub warstwy z jednofazowym azotkiem Fe 4 N (faza ') na powierzchni, w przeciwieństwie do klasycznego azotowania gazowego w amoniaku, gdzie warstwa azotku składa się z dwóch faz - '+ , która jest źródłem naprężeń wewnętrznych na granicy faz i powoduje kruchość i złuszczanie utwardzonej warstwy podczas eksploatacji. Azotowanie jonowe jest również jedną z głównych metod zwiększania trwałości. narzędzia do tłoczenia i sprzęt do formowania wtryskowego, ze stali 5KhNM, 4Kh5MFS, 3Kh2V8, 4Kh5V2FS, 4Kh4VMFS, 38Kh2MYUA, Kh12, Kh12M, Kh12F1. W wyniku azotowania jonowego można poprawić następujące właściwości produktów:

Matryce kuźnicze do tłoczenia na gorąco oraz formy do odlewania metali i stopów - zwiększona odporność na zużycie, zmniejszone przywieranie metalu. Formy do odlewania ciśnieniowego aluminium - azotowana warstwa zapobiega przywieraniu metalu w obszarze strumienia cieczy, a proces napełniania formy jest mniej turbulentny, co wydłuża żywotność form, a odlew jest wyższej jakości.

Znacznie poprawia azotowanie jonowe i wydajność narzędzia na zimno (T< 250 0 С) обработки – вытяжка, гибка, штамповка, прессование, резка, чеканка и прошивка. Основные требования, обеспечивающие высокую работоспособность такого инструмента – высокая прочность при сжатии, износостойкость и сопротивление холодной ударной нагрузке – достигаются в результате упрочняющей обработки методом ионного азотирования. Если для инструмента используется высокохромистая сталь (12% хрома), то азотированный слой должен быть только диффузионным, если низколегированные стали – то дополнительно к диффузионному слою должен быть γ-слой – твердый и пластичный. Особенностью ионного азотирования высокохромистых сталей является то, что выбирая температуру процесса можно в широких пределах сохранять твердость сердцевины изделия, задаваемую предварительной термической обработкой (табл. 2). Для получения износостойкого поверхностного слоя при сохранении вязкой сердцевины штампа необходимо проводить вначале закалку с отпуском на вторичную твердость, размерную обработку и затем ионное азотирование. Для исключения или сведения к минимуму деформаций, возникающих при ионном азотировании штампового инструмента, перед окончательной механической обработкой рекомендуется проводить отжиг в среде инертного газа при температуре как минимум на 20 С ниже температуры отпуска. При необходимости применяют полировку азотированных рабочих поверхностей.

Tabela 2.

Charakterystyka stali stopowych po azotowaniu jonowo-plazmowym.

gatunek stali	Twardość sercamiwina	Temperatura procesu 0 Z	Charakterystyka warstwy			Rodzaj zalecanej warstwy łączącej
			Głębokość, mm	telewizja, HV 1	Grubość warstwy złożonej,
Stale do obróbki na gorąco
Stale do obróbki na zimno