Исследование режимов ионного азотирования стали ЭП678У - ВД для повышения твердости и износостойкости

2.4. Определение  коррозионной стойкости азотированной  поверхности

Исследования на общую коррозию азотированной поверхности проводили на образцах диаметром 20 мм и высотой 30 мм. Образцы подвергали ионному азотированию по различным режимам.

Испытания образцов проводили в  камере влажности при температуре 40°С и относительной влажности 98% в течении 10 суток. Испытанию подвергали азотированные образцы без съема металла. Оценку коррозионной стойкости производили по внешнему виду образцов.

2.5. Измерение  геометрических размеров

Определялась зависимость изменения  геометрических размеров образцов в зависимости от толщины азотированного слоя, после ионного и газового азотирования.

Изменение геометрических размеров образцов после азотирования фиксировалась по изменению диаметра цилиндрических образцов, предварительно шлифованных на единый размер (19,394±0,002 мм). Измерение диаметра образцов проводился до и после азотирования в двух-трех точках по высоте цилиндра с точностью до 0,001 мм.

Ионное азотирование образцов проводилось  при постоянном давлении — 6 мм.рт.ст., температуре — 560°С в среде диссоциированного аммиака, выдержками в течении:

• 10 часов при глубине слоя 0,10 мм;
• 25 часов при глубине слоя 0,15 мм;
• 36 часов при глубине слоя 0,20 мм.

Газовое азотирование образцов проводилось  при постоянном давлении — 6 мм.рт.ст., температуре — 540°С в среде диссоциированного аммиака выдержкой в течении 46 часов при глубине слоя 0,25 мм.

Определение размеров проводили на двух – четырех образцах, азотированных  на одну глубину слоя.

 

3. Ионное азотирование

В последние годы разработан и доведен до технологического совершенства метод азотирования в низкотемпературной плазме тлеющего разряда – ионное азотирование. Этот процесс отвечает большинству современных требований и оценивается как высокопроизводительный, высокоэффективный, материало- и энергосберегающий, экологически чистый способ химико-термической обработки. Проведение азотирования в условиях тлеющего разряда дает технический, экономический и социальный эффекты для большого количества машиностроительных деталей.

По сравнению с традиционным газовым процессом, а также с  другими способами упрочняющей  химико-термической обработки ионное азотирование имеет целый ряд преимуществ и дополнительных технологических возможностей.

Ионное азотирование обеспечивает получение диффузионных слоев заданной структуры и свойств  на сталях (конструкционных, инструментальных и специального функционального назначения), чугунах и сплавах цветных металлов, в том числе тугоплавких.

Рассмотрим достоинства  ионного азотирования.

1. Повышение производительности труда и ритмичности производства. Сокращение продолжительности обработки в несколько раз возможно благодаря большой скорости диффузионного насыщения, а также значительного уменьшения времени нагрева и охлаждения садки. При этом нет необходимости в специальной нагревательной установке, так как разогрев обрабатываемого материала осуществляется вследствие самого процесса ионного азотирования, а также исключается нагрев всей печи (установки), так как обрабатываемая деталь является катодом.

Продолжительность диффузионного  насыщения азотом сплавов железа сокращается в 2 – 3 раза, а общее  время технологического цикла обработки – в 3 – 5 раз.

2. Возможность регулирования процесса насыщения с оптимизацией структуры и свойств диффузионной зоны и зоны соединения с учетом условий эксплуатации конкретных изделий. Необходимое количество слоев можно обеспечить как обычными технологическими факторами (температурой, продолжительностью насыщения и составом азотосодержащей среды), так и дополнительными (давлением газа, электрическими параметрами, межэлектродным расстоянием, размещением деталей в садке с учетом их конфигурации). Важным технологическим фактором, влияющим как на структуру и фазовый состав азотированного слоя, так и на скорость диффузионного насыщения, является давление рабочего газа, которое зависит от удельной мощности разряда (или плотности энергии плазмы).

При соответствующем  изменении параметров процесса ионного  азотирования на сталях можно получать как диффузионную зону на базе азотистого твердого раствора, так и разнообразные  модификации фаз в нитридном  слое с их специфическими свойствами.

Возможность проведения регулируемых процессов азотирования с оптимизацией диффузионных слоев по строению и фазовому составу для получения необходимого комплекса эксплуатационных свойств изделия является основным достоинством рассматриваемого способа химико-термической обработки.

3. Снижение хрупкости азотированного слоя. Ионное азотирование позволяет избежать охрупчивания упрочненного слоя. Это особенно важно при азотировании сталей, содержащих значительное количество легирующих элементов, которые снижают растворимость азота в металле.

При ионном азотировании благодаря равномерной хемосорбции  азота по всей поверхности металла  отсутствуют нитридные выделения  по границам зерен, так как транскристаллитная диффузия в этом случае не уступает межкристаллитной. После обычного азотирования стали приходится сошлифовывать некачественную часть слоя, обладающую повышенной хрупкостью из-за выделения по границам зерен частиц ε-фазы, на глубину до 100 мкм (0,1 мм), что зачастую составляет половину всего упрочненного слоя.

4. Уменьшение деформации изделий в процессе обработки, позволяющее отказаться от целого ряда этапов технологического процесса. При ионном азотировании деформацию детали можно свести к нулю. Появилась возможность упрочнять термической обработкой деталь, прошедшую все стадии механической обработки, включая шлифование до азотирования.

Метод ионного азотирования обеспечивает сохранение геометрических параметров детали, так как обычное  увеличение размеров при насыщении  азотом можно скомпенсировать одновременно протекающим катодным распылением. Понижение температуры и сокращение продолжительности насыщения также способствуют снижению деформации детали в процессе обработки.

5. Сохранение высокой чистоты обработки поверхности. Шероховатость может даже уменьшаться с повышение температуры и продолжительности обработки, что объясняется выравниванием поверхности в результате ионной бомбардировки и катодного распыления.

Полное исключение операции шлифования после ионного азотирования обеспечивает сохранение в поверхностном  слое остаточных напряжений сжатия, которые уменьшают неблагоприятное влияние напряжений растяжения, обычно возникающих на поверхности детали в процессе ее эксплуатации при многих видах нагружения, особенно при усталостном.

6. Исключение дополнительной депассивации. Для успешного азотирования коррозионно-стойких сталей необходима дополнительная депассивация поверхности, так как находящаяся на их поверхности плотная оксидная пленка препятствует внедрению азота в металл.

При обработке в тлеющем  разряде эффективная очистка  поверхности от оксидных пленок и других загрязнений осуществляется предварительным катодным распылением как обязательной стадией ионной химико-термической обработки.

Рассматриваемое преимущество надежно обеспечивает получение  однородных слоев одинаковой толщины по всей обрабатываемой поверхности любых деталей.

7. Простота защиты от азотирования неупрочняемых поверхностей детали. С помощью металлических экранов можно легко обеспечить надежную местную защиту поверхностей от насыщения азотом. Следовательно, устраняются трудоемкие и далеко не безвредные операции по нанесению и последующему удалению гальванических и прочих покрытий, предотвращающих насыщение. В связи с этим достигается значительная экономия дефицитных металлов. Защитные приспособления используются многократно и длительное время.
8. Уменьшение удельного расхода электроэнергии. Только благодаря исключению затрат на нагрев футеровки, муфеля и тому подобное расход электроэнергии сокращается в 1,5 – 2 раза.
9. Сокращение расхода газа в 30 – 50 раз. Обусловлено это в первую очередь его низким давлением, намного меньшим атмосферного.
10. Экологическая безопасность обработки. Ионное азотирование обеспечивает требования по защите окружающей среды из-за применения маловодородной или безводородной газовой среды. Это достоинство является одним из основных по сравнению с другими видами химико-термической обработки. Ионное азотирование способствует полной экологической безопасности процесса, при этом абсолютно отсутствует угроза пожара и взрыва.
11. Расширение организационно- технических возможностей процесса. Ионное азотирование можно легко и тщательно контролировать с помощью современных средств автоматизации.
12. Универсальность процесса. Промышленный интерес к ионному азотированию в значительной мере определяется и разнообразием материалов, которые можно упрочнять этим методом [3].

Таким образом, ионное азотирование – современный, высокопроизводительный, высокоэффективный, ресурсосберегающий и экологически чистый процесс поверхностной  обработки различных сплавов.

Но кроме достоинств ионное азотирование обладает рядом недостатков:

• увеличение стоимости оборудования;
• сложности оборудования;
• необходимость изменения температуры непосредственно азотируемых деталей или образцов-свидетелей, а не газовой атмосферы;
• невозможность обработки в одной садке деталей различных типоразмеров.

Последнее ограничивает применение данного метода в массовом производстве, но он может быть с успехом внедрен в единичном мелкосерийном производствах, особенно при изготовлении деталей авиационной и космической техники [0].

Детали изготовляют  из улучшенной заготовки с припуском 0,5 – 1 мм. После чего их подвергают отпуску  для снятия внутренних напряжений.

Рекомендуется притуплять острые кромки и заусенцы, что позволяет избежать при азотировании перехода тлеющего разряда в дуговой, сопровождающийся местным перегревом поверхности и образованием микрократеров [1].

3.1. Механизм ионного азотирования

Одно из достоинств метода ионного азотирования по сравнению с газовым — значительное сокращение длительности процесса при выдержках до 20 – 25 часов. Объяснение этому кроется в особенностях механизма ионного азотирования, которые рассмотрены ниже.

Интенсификация процесса азотирования при ионном азотировании объясняется воздействием тлеющего разряда на все элементарные процессы, влияющие на образование слоя: активацию газовой среды, адсорбцию и диффузию.

При ионном азотировании положительные ионы под действием  энергии электростатического поля приобретают высокую скорость, вектор которой направлен перпендикулярно  к обрабатываемой поверхности (катоду). Ионизация практически всего объема газа в катодном пространстве и направленность вектора скорости ионов во много раз увеличивают вероятность их адсорбции по сравнению с обычным газовым азотированием. Энергия иона в этом случае в несколько тысяч раз превышает энергию диссоциированного атома азота в условиях обычного азотирования. При бомбардировке катода кинетическая энергия иона расходуется на нагрев поверхности и отрыв электронов и атомов металла. Наряду с атомами металла с поверхности могут испаряться также атомы неметаллических элементов (углерода, азота, кислорода и других), их соединения (например, окислы), что приводит к депассивации поверхности.

В настоящее время  существуют два мнения о процессе формирования азотированного слоя. Одни исследователи первичным считают образование твердого раствора в результате внедрения ионов азота в кристаллическую решетку металла, а другие начальную стадию ионного азотирования связывают с образованием нитрида железа и осаждением его на поверхности металла. Последний вывод послужил основой для разработки широко распространенной физико-химической схемы процесса ионного азотирования. При этом основной механизм образования азотированного слоя связывают с процессами распыления. Однако после ионного азотирования различных металлов не всегда на их поверхности образуются нитридные слои. Так, при интенсивном катодном распылении нитридные пленки, как правило, отсутствуют.

Но исходя из того, что  ответственными за процесс ионного  азотирования на начальной его стадии являются ионы молекулярного азота, имеющие меньший диаметр, чем ионы молекулярного азота, и легче адсорбирующиеся на поверхности металла, была предложена схема хемосорбции при ионном азотировании по аналогии с процессами, происходящими при взаимодействии атомных частиц с металлом – мишенью в вакууме. Данная схема процесса взаимодействия атомных частиц с металлом представлена на рис. 11.

Рис. 11. Схема процесса взаимодействия атомных частиц с металлом (мишенью) в вакууме:

I – расстояние; II – эмиссия электронов; III – электромагнитное излучение; IV – выбивание частиц мишени и адсорбированных пленок; V – термическая эмиссия частиц мишени и адсорбированных пленок.

Бомбардирующая частица (положительный или отрицательный  ион, либо нейтральный атом) 1, попадая на поверхность мишени 2, рассеивается в виде положительного 3 или отрицательного 5 иона или нейтральной частицы 4. Одновременно происходит рассеяние с изменением заряда частицы на противоположный (конверсия).

В зависимости от условий  первого столкновения бомбардирующей частицы с атомами металла она может не только отразиться, но и проникнуть вглубь металла 6 или адсорбироваться на его поверхности 7. Внедряющийся в металл атом в результате многократных столкновений постепенно теряет энергию и начинает участвовать в тепловом движении атомов мишени. Часть  этих атомов 8 вследствие диффузии может выйти к поверхности. Они образуют на поверхности слой адсорбированных атомов. Адсорбированные атомы 7 за счет теплового движения мигрируют по схеме 7→9, а при высоких температурах испаряются с поверхности металла, покидая ее в виде как положительных 10 и отрицательных 12 ионов, так и нейтральных атомов 11. одновременно при взаимодействии бомбардирующих частиц с атомами металла 13 происходит выбивание (катодное распыление) этих атомов в виде положительных ионов 14, отрицательных ионов 16 и нейтральных атомов 15.