А.В. АРЗАМАСОВ
МГТУ им. Н. Э. Баумана
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 1. 1991 г.
Разработка новых производственных процессов ионного азотирования с целью повышения износостойкости поверхности деталей, изготовленных из аустенитных сталей, является актуальной задачей
Аустенитные стали относятся к трудноазотируемым, так как их поверхностные оксидные пленки препятствуют насыщению азотом и коэффициент диффузии азота в аустените меньше, чем в феррите. В связи с этим для удаления оксидных пленок при обычном азотировании необходима предварительная обработка поверхности стали или применение депассиваторов.
Обычное азотирование большинства аустенитных сталей проводят в аммиаке при 560-600 °С в течение 48-60 ч. Однако эти режимы не позволяют получить диффузионные слои толщиной более 0,12-0,15 мм, а на стали 45Х14Н14В2М (ЭИ69) невозможно получить толщину диффузионного слоя более 0,12 мм даже при азотировании в течение 100 ч. Повышение температуры азотирования в печи выше 700 °С приводит к более полной диссоциации аммиака и, вследствие этого, к понижению активности процесса.
Как правило, после обычного азотирования ухудшается коррозионная стойкость поверхностных слоев аустенитных сталей .
Ионное азотирование аустенитных сталей способствует увеличению коэффициента диффузии азота и не требует применения депассиваторов. При этом сокращается длительность процесса и улучшается качество получаемых азотированных слоев .
Однако ионное азотирование аустенитных сталей по ранее разработанным режимам не позволяло получать диффузионные слои большой толщины даже при длительных выдержках
На основании термодинамических расчетов и экспериментальных исследований был разработан режим ионного азотирования деталей из аустенитных сталей, позволяющий получать качественные глубокие износостойкие немагнитные коррозионно-стойкие диффузионные слои в сравнительно короткое время. Оксидные пленки удалялись с поверхности деталей в процессе химико-термической обработки .
Исследовали стандартные аустенитные стали 45Х14Н14В2М (ЭИ69), 12Х18Н10Т (ЭЯ1Т); 25Х18Н8В2 (ЭИ946) и опытные высокоазотистые, разработанные Институтом металловедения и технологии металлов Болгарской Академии наук — типа Х14АГ20Н8Ф2М (0,46% N), Х18АГ11Н7Ф (0,70% N), Х18АГ12Ф (0,88% N), Х18АГ20Н7Ф (1,09% N), Х18АГ20Ф (1,02% N), Х18АГ20Ф (2,00% N) .
Исследование структуры диффузионных слоев на сталях проводили с помощью металлографического, рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов. Установлено, что структурным критерием высокой износостойкости азотированных аустенитных сталей является наличие в диффузионном слое нитридов типа CrN. Анализ концентрационных кривых химических элементов, полученных с помощью микроанализаторов ISM-35 CF, Cameca MS-46, Camebax 23-APR-85 показал, что по сравнению с другими тяжелыми элементами хром наиболее скачкообразно распределяется по толщине слоя. В сердцевине образцов распределение хрома равномерное.
Неоднократное повторение экспериментов по исследованию распределения азота и хрома по толщине диффузионного слоя выявило синхронные скачкообразные изменения их концентраций. Кроме того, как показали послойные испытания на изнашивание, наибольшую износостойкость имеет микрозона диффузионного слоя с максимальным содержанием азота и хрома (табл. 1).
Таблица 1.
h, мкм
Содержание химических элементов, %
ε
C
N
Cr
Ni
20
0,70
10,0
19,0
11,0
9,5
40
0,85
12,0
25,0
8,0
10,7
45
0,88
15,0
25,0
8,0
11,2
50
0,92
10,0
25,0
8,0
11,0
70
0,90
0
14,0
12,0
1,7
* — остальное Fe
Примечания: 1. Испытания на изнашивание проводили на машине «Шкода-Савин».
2. Относительную износостойкость определяли по отношению объёмов вытертых лунок на эталоне (стальной образец с твёрдостью 51 HRC) и исследуемом образце ε = V эт /V обр (относительная износостойкость сердцевины ε=0,08).
Дальнейшее исследование структуры азотированных аустенитных сталей с помощью микрорентгеноспектрального анализа позволило установить, что в микрозонах диффузионных слоев с повышенным содержанием азота и хрома наблюдается пониженная концентрация углерода, никеля и железа (табл. 1).
Сравнительный анализ микроструктуры слоя и сердцевины азотированной стали 45Х14Н14В2М, снятой в характеристическом хромовом К α -излучении показал, что в диффузионном слое содержится больше скоплений «белых точек» — соединений хрома, чем в сердцевине.
Послойные измерения магнитной проницаемости с помощью магнетоскопа F 1.067 и определение содержания ферритной фазы на ферритометре МФ-10И показали, что разработанный способ ионного азотирования деталей из аустенитных сталей способствует получению немагнитных диффузионных слоев (табл. 2).
Таблица 2.
Было также установлено, что азотированные стали 45Х14Н14В2М и типа Х14АГ20Н8Ф2М имеют удовлетворительную коррозионную стойкость.
По новому технологическому процессу была обработана партия шестерен, изготовленных из стали 45Х14Н14В2М. Детали соответствовали техническим требованиям. Микро- и макроструктурный анализ подтвердил наличие у шестерен качественного равномерного диффузионного слоя толщиной 270 мкм.
После длительных промышленных испытаний видимых дефектов на шестернях не обнаружено. Дальнейший контроль показал соответствие геометрических размеров шестерен технологическим требованиям, а также отсутствие изнашивания рабочих поверхностей деталей, что было подтверждено микроструктурным анализом.
Заключение.
Разработанный режим ионного азотирования деталей из аустенитных сталей позволяет сократить длительность процесса более чем в 5 раз, при этом толщина слоя увеличивается в 3 раза, а износостойкость слоя — в 2 раза по сравнению с аналогичными параметрами после обычного азотирования. Кроме того, снижается трудоемкость, повышается культура производства и улучшается экологическая обстановка.
Список литературы:
1.
Прогрессивные методы химико-термической обработки / Под ред. Г. Н. Дубинина, Я. Д. Когана. М.: Машиностроение, 1979. 184 с.
2.
Азотирование и карбонитрирование / Р. Чаттерджи-Фишер, Ф. В. Эйзелл, Р. Хоффман и др.: Пер. с нем. М.: Металлургия, 1990. 280 с.
3.
А. с. 1272740 СССР, МКИ С23С8/36.
4.
Банных О. А., Блинов В. М. Дисперсионно-твердеющие немагнитные ванадийсодержащие стали. М.: Наука, 1980. 192 с.
5.
Рашев Ц. В. Производство легированной стали. М.: Металлургия, 1981. 248 с.
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.
И
ндустриальные развитые производства сегодня отдают предпочтения химико-термической обработке, в частности ионно-плазменному азотированию (далее ИПА), выгодно отличающемуся с экономической точки зрения от термических технологий. Сегодня ИПА активно используется в машино-, судо и станкостроении, промышленности сельскохозяйственного и ремонтного назначения, для производства установок энергетической отрасли. Среди предприятий, активно использующих технологию ионно-плазменного азотирования такие громкие имена, как немецкий концерн Daimler Chrysler, автомобильный гигант BMW, шведский Volvo, белорусский завод колесных тягачей, КамАЗ и БелАЗ. Кроме того, преимущество ИПА по достоинству оценили производители прессовых инструментов: Skandex, Нугховенс.
Технология процесса
Ионно-плазменное азотирование, применяемое для рабочих инструментов, деталей машин, оборудования для штамповки и литья, обеспечивает насыщение поверхностного слоя изделия азотом или азотно-углеродной смесью (в зависимости от материала заготовки). Установки для ИПА работают в разряженной атмосфере при давлении до 1000 Па. В камеру, действующую по принципу катодно-анодной системы, подается азотно-водородная смесь для обработки чугуна и различных сталей или чистый азот в качестве рабочего газа для работы с титаном и его сплавами. Катодом служит заготовка, анодом — стенки камеры. Возбуждение аномально тлеющего заряда инициирует образование плазмы и, как следствие, активной среды, включающей в себя заряженные ионы, атомы и молекулы рабочей смеси, находящиеся в возбужденном состоянии. Низкое давление обеспечивает равномерное и полноценное покрытие заготовки свечением. Температура плазмы колеблется от 400 до 950 градусов в зависимости от рабочего газа.
Для ионно-плазменного азотирования требуется в 2-3 раза меньше электроэнергии, а качество поверхности обработанного изделия позволяет вовсе исключить стадию финишной шлифовки
Формирующаяся на поверхности пленка состоит из двух слоев: нижнего диффузионного и верхнего нитридного. Качество модифицированного поверхностного слоя и экономическая эффективность процесса в целом зависит от ряда факторов, включая состав рабочего газа, температуру и продолжительность процесса.
Обеспечение стабильной температуры упирается в процессы теплообмена, происходящие непосредственно внутри камеры для ИПА. Для снижения интенсивности обменных процессов со стенками камеры используются специальные, непроводящие тепло экраны. Они позволяют значительно сэкономить на потребляемой мощности. Температура процесса вкупе с длительностью влияют на глубину проникновения нитридов, что вызывает изменения в графике глубинного распределения показателей твердости. Температура ниже 500 градусов наиболее оптимальная для азотирования легированных сталей холодной обработки и мартенситных материалов, поскольку эксплуатационные характеристики повышаются без изменения твердости сердцевины и термического разрушения внутренней структуры.
Состав активной среды влияет на конечную твердость и размер нитридной зоны и зависит от состава обрабатываемого изделия.
Результаты применения ионно-плазменного азотирования
Ионно-плазменное азотирование позволяет повысить показатели износостойкости с одновременным снижением склонности к усталостным нарушениям структуры металла. Получение необходимых поверхностных свойств определяется соотношением глубины и состава диффузионного и нитридного слоев. Нитридный слой, исходя из химического состава, принято делить на две определяющие фазы: «гамма» с высоким процентным содержанием соединений Fe4N и «ипсилон» с Fe2N Fe3N. -фаза отличается низкой пластичностью поверхностного слоя с высокими показателями сопротивления различным типам коррозии, ε-фаза дает относительно пластичное износостойкое покрытие.
Что касается диффузионного слоя, то прилегающая развитая нитридная зона снижает вероятность образования межкристаллитной коррозии, обеспечивая достаточный для активного трения квалитет шероховатости. Детали с таким соотношением слоев с успехом используются в механизмах, работающих на износ. Исключение нитридного слоя позволяет препятствовать разрушению при постоянной смене силы нагрузки при условиях достаточно высокого давления.
Т.о. ионно-плазменное азотирование используется для оптимизации показателей износо-, тепло- и коррозионной стойкости с изменением усталостной выносливости и шероховатости, влияющей на вероятность задира поверхностного слоя.
Преимуществаионно-плазменного азотирования
Ионно-плазменное азотирование в отлаженном техпроцессе дает минимальный разброс поверхностных свойств от детали к детали при относительно низкой энергоемкости, что делает ИПА более привлекательным, нежели традиционное печное газовое азотирование, нитроцементацию и цианирование.
Ионно-плазменное азотирование исключает деформацию заготовки, а структура азотированного слоя остается неизменной даже при нагреве детали до 650 градусов, что вкупе с возможностью тонкой корректировки физико-механических свойств позволяет использовать ИПА для решения самых разнообразных задач. Кроме того, азотирование ионно-плазменным методом отлично подходит для обработки сталей разных марок, поскольку рабочая температура процесса в азотно-углеродной смеси не превышает 600 градусов, что исключает нарушения внутренней структуры и даже наоборот — способствует снижение вероятности усталостных разрушений и повреждений из-за высокой хрупкости нитридной фазы.
Для повышения антикоррозионных показателей и поверхностной твердости методом ионно-плазменного азотирования подходят заготовки любой формы и размеров со сквозными и глухими отверстиями. Экранная защита от азотирования не представляет собой сложное инженерное решение, поэтому обработка отдельных участков любой формы производится легко и просто.
Относительно других методов упрочнения и повышения межкристаллитной стойкости ИПА отличается сокращенной в несколько раз длительностью техпроцесса и уменьшенным на два порядка расходом рабочего газа. Т.о. для ионно-плазменного азотирования требуется в 2-3 раза меньше электроэнергии, а качество поверхности обработанного изделия позволяет вовсе исключить стадию финишной шлифовки. Кроме того, существует возможность провести обратный азотированию процесс, например перед шлифовкой.
Эпилог
К сожалению, на фоне даже ближнего зарубежья отечественные производственники используют азотирование ионно-плазменным методом довольно редко, хотя экономические и физико-механические преимуществ видны невооруженным глазом. Внедрение на производство ионно-плазменного азотирования улучшает условия труда, повышает производительность и снижает стоимость работ, при этом ресурс службы обработанного изделия увеличивается в 5 раз. Как правило, вопрос построения техпроцессов с использованием установок для ИПА упирается в проблему финансового плана, хотя субъективно реальных препятствий нет. Ионно-плазменное азотирование при достаточно простой конструкции оборудования выполняет сразу несколько операций, реализация которых другими методами возможна лишь поэтапно, когда стоимость и продолжительность резко поползут вверх. Кроме того, есть несколько компаний в России и Беларуси, сотрудничающих с зарубежными производителями оборудования для ИПА, что делает покупку таких установок доступнее и дешевле. Видимо, главная проблема заключается лишь в банальном принятии решения, которое, как русская традиция, родится у нас долго и трудно.
При правильно выбранных составе и режиме нанесения износостойких покрытий эксплуатационные показатели режущего инструмента могут быть существенно улучшены. Однако вследствие неизменности свойств покрытия в пределах одного слоя на границе раздела с инструментальной основой резко изменяются физико-механический и теплофизические свойства (в первую очередь модуль упругости и коэффициент термического расширения), что приводит к образованию в покрытии высоких остаточных напряжений и снижению прочности его адгезионной связи с основой, которая является наиболее важным условием успешной эксплуатации режущего инструмента с покрытием.
Указанное, а также изменения контактных и тепловых процессов при обработке инструментом с покрытием, требуют создания между инструментальной основой и покрытием промежуточного переходного слоя, повышающего сопротивление режущего клина с покрытием, действующим нагрузкам.
Наиболее распространенный метод формирования такого слоя — ионное азотирование. При этом азотированный слой, формируемый перед нанесением покрытия, в зависимости от конкретных условий эксплуатации инструмента должен обладать определенной структурой, толщиной и микротвердостью. На практике такой обработке обычно подвергаются инструменты из быстрорежущих сталей.
Рисунок 4. Принципиальная схема вакуумно-дуговой установки для комбинированной обработки инструмента, включающей в себя ионное азотирование и нанесение покрытий: 1 — мишень; 2 — анод; 3 — экран; 4 — вакуумная камера; 5 — нейтральные атомы; 6 — ионы; 7 — электроны; 8 — обрабатываемые инструменты
Для ионного азотирования и последующего нанесения покрытия целесообразно применение установки на базе вакуумно-дугового разряда, в которой за один технологический цикл без перегрузки обрабатываемых инструментов можно реализовать все этапы комбинированного упрочнения.
Принцип работы такой установки заключается в следующем (рисунок 4).
Мишень испаряется катодными пятнами вакуумной дуги и используется в качестве катода дугового разряда. Специальный экран, расположенный между мишенью и анодом, делит камеру на две зоны, заполненные металлогазовой (слева от экрана) и газовой плазмой (справа). Этот экран непроницаем для микрокапель, нейтральных атомов и ионов металла, эмитируемых катодными пятнами на поверхности мишени. Только электроны проникают через экран, ионизуют по дороге к аноду подаваемый в камеру газ и таким путем образуют не содержащую металлических частиц газовую плазму.
Погруженные в плазму инструменты нагреваются электронами при подаче на них положительного потенциала, а при подаче отрицательного потенциала осуществляется их азотирование. По окончании азотирования экран смещается в сторону, а после того как частицы металлической мишени начинают поступать на поверхность инструмента, осуществляется синтез покрытия.
Осаждение покрытий — весьма энергоемкий процесс, сопровождающийся воздействием высокоэнергетического потока плазмы, особенно в момент ионной бомбардировки. В результате этого характеристики слоя, полученного при ионном азотировании, могут существенно изменяться.
Поэтому при оптимизации процесса комбинированной обработки быстрорежущего инструмента необходимо учитывать факторы не только процесса азотирования, но и последующего процесса нанесения износостойкого покрытия — в первую очередь время нанесения, от которого напрямую зависит толщина покрытия. С одной стороны, ее увеличение благоприятно сказывается на повышении износостойкости контактных площадок инструмента, а с другой — приводит к заметному увеличению количества дефектов в покрытии, снижению прочности сцепления покрытия с инструментальным материалом и уменьшению способности покрытия сопротивляться упругопластическим деформациям.
Важнейшими условиями комбинированной обработки являются температура и продолжительность процесса азотирования, объемная доля азота в газовой смеси с аргоном, а также время последующего процесса нанесения износостойкого покрытия. Другие факторы данного процесса: давление азота, опорное напряжение, ток дуги на катоде — влияют главным образом на характеристики покрытия и должны назначаться такими же, как и в случае осаждения традиционных покрытий.
В зависимости от типа режущего инструмента и условий его последующей эксплуатации при комбинированной обработке ее режимы обычно варьируют в следующих пределах: температура азотирования 420…510 °С; атомная доля азота N 2 в газовой смеси с аргоном 10…80 %; время азотирования 10…70 мин; давление газовой смеси ~ 9,75·10 -1 Па; время нанесения покрытий 40…80 мин.
Практика эксплуатации инструментов из быстрорежущих сталей после комбинированного упрочнения на различных операциях механообработки показывает, что наличие под покрытием азотированного слоя, в котором присутствует хрупкая нитридная зона (?- и?»-фазы), существенно ограничивает эффект от применения комбинированной обработки.
Такая структура формируется при азотировании в атмосфере чистого азота с использованием плазмы вакуумно-дугового разряда. Наличие сравнительно толстой нитридной зоны (> 0,5 мкм) при непрерывном резании (точении и сверлении) не обеспечивает существенного увеличения стойкости инструмента по сравнению с инструментом, имеющим традиционное покрытие, а при прерывистом резании (фрезеровании и долблении) часто ведет к выкрашиванию режущих кромок уже в первые минуты работы инструмента.
Введение аргона в состав азотсодержащей атмосферы при азотировании, предшествующем нанесению покрытия, позволяет управлять фазовым составом формируемого слоя и в зависимости от конкретных условий эксплуатации режущего инструмента и его служебного назначения получать необходимую структуру.
При эксплуатации быстрорежущего инструмента с комбинированной обработкой в условиях прерывистого резания оптимальной структурой азотированного слоя является вязкий и устойчивый к переменным нагрузкам твердый раствор азота в мартенсите, в котором допустимо образование незначительного количества дисперсных нитридов легирующих компонентов.
Указанная структура может быть получена при азотировании в среде, содержащей ~ 30 % N 2 и 70 % Аr.
В случае эксплуатации инструмента в условиях непрерывного резания наибольшей работоспособностью характеризуется слой, состоящий из азотистого мартенсита и специальных нитридов легирующих элементов (W, Mo, Cr, V).
Кроме того, допустимо наличие очень небольшого количества?-фазы. Данная структура повышает сопротивление поверхностного слоя инструмента термическим нагрузкам и может быть сформирована при азотировании в среде, содержащей ~ 60% N 2 и 40% Аг.
Покрытие из (Ti, Al)N, нанесенное на образцы, азотированные в разовых смесях, содержащих, %, 60 N 2 + 40 Ar и 30 N 2 + 70 Ar, отличается удовлетворительной прочностью адгезионной связи. На образцах не наблюдается ни отслаивания покрытия, ни явных трещин, которые были обнаружены на образцах, азотированных при 100 % N 2 .
Создание на контактных площадках режущего инструмента износостойкого комплекса, формируемого путем ионного азотирования с последующим нанесением покрытий в плазме вакуумно-дугового разряда, значительно влияет на интенсивность и характер изнашивания инструмента.
На рисунках 5 и 6 представлены экспериментально полученные профилограммы износа инструмента с покрытием и с комбинированной обработкой при продольном точении и торцевом фрезеровании конструкционной стали 45. Видно, что по сравнению с однослойным покрытием азотирование в сочетании с покрытием практически не изменяет характера изнашивания инструмента, но сильно снижает его интенсивность.
Для рассматриваемых условий эксплуатации отмечается невысокая эффективность инструмента с покрытием без азотирования, как при фрезеровании, так и при точении. Это связано с тем, что очень быстро разрушается покрытие и условия трения по задней поверхности все более приближаются к тем, которые характерны для инструмента без покрытия. А это означает, что увеличивается количество выделяющейся теплоты, возрастает температура вблизи задней поверхности, в результате чего в инструментальном материале начинаются необратимые процессы разупрочнения, которые и приводят к катастрофическому износу.
Исследования природы затупления инструмента с азотированием и покрытием позволяют сделать вывод, что основной вклад в снижение интенсивности изнашивания быстрорежущего инструмента вносит так называемый «краевой эффект», который состоит в следующем.
Уже в первые минуты работы инструмента, как видно из профилограмм его рабочих поверхностей (рисунки 5 и 6), покрытие разрушается на всю свою толщину на участках вблизи режущей кромки. Однако дальнейший рост очагов износа по длине и глубине сдерживается краями площадок контакта, сохраняющими износостойкую комбинацию покрытия и азотированного слоя.
Кроме того, поверхностный азотированный слой, обладающий повышенной твердостью в сочетании с высокой теплостойкостью, отличается более высоким сопротивлением микропластическим деформациям и способствует торможению процессов разупрочнения у задней поверхности.
Рисунок 5. Профилограммы изношенных участков режущих пластин из стали Р6М5 при точении стали 45: а — Р6М5 + (Ti, A1)N; б — Р6М5 + азотирование + (Ti, A1)N; режимы обработки: v = 82 м/мин; S = 0,2 мм/об; / = 1,5 мм (без СОЖ)
Рисунок 6. Профилограммы изношенных участков режущих пластин из стали Р6М5 при торцевом фрезеровании стали 45: а — Р6М5 + (Ti, Al)N; б — Р6М5 + азотирование + (Ti, Al)N; режимы обработки: v = 89 м/мин; S= 0,15 мм/зуб; В = 45 мм;
Производственный опыт показывает, что комбинированная обработка, предусматривающая предварительное азотирование и последующее нанесение покрытий, позволяет увеличить стойкость быстрорежущего инструмента самой широкой номенклатуры до 5 и до 3 раз по сравнению с инструментом соответственно без упрочнения и с традиционным покрытием.
На рисунке 7 показаны зависимости изменения износа во времени h 3 =f(T) режущих пластин из стали Р6М5, прошедших различные виды поверхностного упрочнения, при точении и торцевом фрезеровании стали 45. Видно, что стойкость до катастрофического износа инструмента при точении увеличивается в 2,6 раза, а при фрезеровании — в 2,9 раза по сравнению с инструментом с покрытием, но без азотирования.
Рисунок 7. Зависимость износа по задней поверхности инструмента из стали Р6М5 с различными вариантами поверхностной обработки от времени резания: — *— Р6М5 + (Ti, A1)N; —*— Р6М5 + азотирование + (Ti-Al)N; а — точение стали 45 при v = 82 м/мин; S = 0,2 мм/об; /=1,5 мм; б — фрезерование стали 45: v = 89 м/мин; 5= 0,15 мм/зуб; В = 45 мм; t = 1,5 мм
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.
Источник: