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

При наличии на поверхности  адсорбированных атомов под ударом ионов первичного пучка 2 происходит аналогичное выбивание также адсорбированных атомов 7. Кроме того, может иметь место термическая эмиссия атомов мишени в виде положительных 10, отрицательных 12 ионов и нейтральных атомов 11, а также эмиссия термоэлектронов 17. Разогрев металла в последнем случае может произойти как при ионной бомбардировке, так и при нагревании извне. Кроме того, происходит испускание частиц в момент соударения электромагнитного излучения по схеме 2→18 и вторичных электронов как из бомбардирующих атомов 2→19, так и из атомов мишени 13→20 и адсорбированных атомов 7→20. при столкновении ускорившегося иона с металлом происходит взаимодействие падающей частицы с отдельными атомами кристаллической решетки.

Структура азотированного слоя в общем случае состоит из двух зон: внешней – зоны соединений и находящейся под ней диффузионной зоны.[6]

В полученном азотированном слое можно выделить зону химических соединений (ε и γ – фазы) и зону твердого раствора атомов железа в α – фазе (диффузионная часть слоя) – так называемая зона внутреннего азотирования.

На течение процесса большое влияние оказывают химико-технологические параметры.

Причинами ускорения  процесса азотирования по сравнению  с газовым считают активацию  газовой фазы, поверхности детали, а также достижения максимального  градиента концентрации на первом этапе азотирования [0].

Интенсивность катодного распыления оценивается с помощью коэффициента распыления S, который определяет количество эмитированных ионов с поверхности катода, приходящихся на один ион [0]. S рассчитывается следующим образом:

, где

N_a — количество эмитированных ионов с поверхности катода;

N_u — количество бомбардирующих поверхность катода ионов газа;

Δm_a — масса эмитированных ионов;

A — атомная масса  вещества катода;

q — общий заряд,  пришедший на катод;

z — заряд иона.

 

Зависимости S от энергии  иона различны в разных энергетических диапазонах. В интервале 0,1 – 1 кэВ, который имеет место при ионном азотировании, коэффициент распыления увеличивается с ростом энергии.

Эффективность катодного  распыления зависит от природы иона и материала катода. С увеличением атомного номера иона S повышается.

С увеличением давления газов в камере, удаление атомов с поверхности катода при ионной бомбардировке снижается за счет усиления обратного осаждения, то есть при распылении ионы испытывают больше соударений, что увеличивает вероятность их возвращения на поверхность.

Состояние поверхности  также оказывает влияние на интенсивность катодного распыления. Увеличение шероховатости особенно сильно снижает величину S при невысоких значениях энергии (до 500 эВ). При дальнейшем повышении энергии ионов шероховатость поверхности практически не сказывается на процессе распыления.

Наличие окисной пленки на поверхности катода замедляет  катодное распыление.

В режиме ионного азотирования ионы приобретают энергию порядка 50-60 эВ. Расчеты показывают, что обладая такой энергией, ионы проникают в поверхностный слой на глубину около 10^-5 мм. Реально наблюдаемая глубина проникновения – около 5∙10^-2 мм. Это говорит о невозможности непосредственного влияния ионной бомбардировки на процесс насыщения, что подтверждено экспериментально на сталях 40Х, 38ХМВА, 40ХФА [9]. В структуре после катодного распыления образуются дислокационные полосы скольжения, перпендикулярные к обрабатываемой поверхности независимо от ориентировки зерен. Их обнаруживают на глубине до 50 мм. По дислокациям располагаются нитриды. Исходя из этого можно сделать вывод о том, что ускорение диффузии азота обусловлено высокой плотностью дефектов, образующихся в результате энергетического воздействия бомбардирующих катод ионов.

Изменение коэффициента диффузии (Д) в различных фазах (a, e, g) азотированного слоя при газовом и ионном азотировании показало, что в первом случае существуют следующие соотношения ; . Во втором Д_e значительно выше. Это также можно объяснить образованием дислокаций в поверхностном слое [0].

 

3.2. Технология ионного азотирования

Технологический процесс  ионного азотирования сводится к  следующим последовательным операциям:

1. Очистка поверхности обрабатываемых деталей от окислов и загрязнений.
2. Обезжиривание обрабатываемых деталей.
3. Стабилизирующий отпуск, который проводят в вакууме при температуре 530 – 560 ºС и выдержке порядка 6 – 8 часов.
4. Обезжиривание обрабатываемых деталей. Перед сборкой деталей на подвеску они должны быть тщательно очищены и обезжирены. Обезжиривание деталей осуществляется в водном моющем растворе при температуре 60 – 70 °С, затем следует промывка в горячей воде и сушка горячим воздухом.
5. Защита не азотируемых поверхностей деталей. При ионном азотировании защита от проникновения азота достигается весьма просто и надежно путем экранирования защищаемой поверхности. Экранами служат металлические колпачки, втулки, накладные элементы, штифты, винты, гайки, диски и т.д.
6. Сборка деталей на подвеску. В большинстве случаев детали азотируются в вертикальном положении на специальной оснастке типа крючков, подвесок и так далее. Во избежание взаимного экранирования расстояние между стенками камеры и деталями должно быть не менее 50 – 70 мм. Для получения качественных слоев необходимо равномерно размещать детали в камере.
7. Монтаж термоэлектрического преобразователя (термопары). Зазор между деталью и экраном допускается не более 0,3 – 0,5 мм.
8. Установка деталей, образцов – свидетелей для контроля результатов азотирования, и термопары на подвеске в камере печи. Минимальное расстояние между деталями с учетом экранов не менее 80 – 100 мм;
9. Процесс ионного азотирования состоит из нескольких этапов:

• Камеру вакуумируют до давления 0,1 – 0,5 мм. рт.ст., а затем продувают азотоводородной смесью или инертным газом. продувка необходима для удаления остаточного кислорода воздуха. Операцию продувки повторяют 2 – 3 раза. После продувки камеру вновь вакуумируют.
• Очистка поверхности детали микродугами. Катодное распыление проводится в течение 15 – 40 мин, при напряжении 800 – 1000 В. Для нагрева деталей до 300 – 400 ºС.
• Нагрев до заданной температуры азотирования. Нагрев производят в несколько этапов: сначала нагревают до 480 – 500 ºС, давление при этом постепенно повышается, напряжение 500 В, делается изотермическая выдержка при данных условиях в течение 30 минут. Затем нагревают до температуры изотермической выдержки 530 – 540 ºС и постепенно повышают давление, напряжение на данном этапе 450 – 600 В.
• Изотермическая выдержка для получения требуемой толщины слоя. Изотермическая выдержка выполняется при заданных параметрах в течение 15 – 20 часов. Напряжение при этом составляет 350 – 550 В.
• Охлаждение деталей после ионного азотирования выполняется постепенно. Сначала детали охлаждают от температуры изотермической выдержки до 150 – 200 ºС. Затем прекращают подачу газа (диссоциированный аммиак) и вакуумируют печь.

10. После чего производят выгрузку деталей из печи.

Процесс азотирования чаще проводится в следующих средах:

1. Для деталей простой формы, в камеру подают только предварительно диссоциированный аммиак (25%N₂ + 75%Н₂).
2. Для деталей сложной формы рекомендуется в начале процесса в камеру добавить диссоциированный аммиак, а затем смесь азота (80-90%) с аммиаком (20-10%). Продолжительность первого процесса составляет примерно одну треть общей продолжительности процесса. Такой газовый режим азотирования обеспечивает более равномерное распределение азотированного слоя со сложной конфигурацией деталей [0].

3.3. Установка ионного азотирования и принцип ее действия

Сущность ионного азотирования заключается в том, что в разреженной  азотосодержащей атмосфере между  катодом (деталью) и анодом (стенками вакуумной камеры) возбуждается тлеющий  разряд и положительные ионы с  высокой кинетической энергией, бомбардирую поверхность катода, нагревают ее за счет передачи энергии до температуры насыщения и внедряются в нее. Таким образом температуру поверхности азотируемого изделия можно довести до нескольких сотен градусов, а в случае необходимости – и выше 1000 ºС. Продолжительность процесса составляет от нескольких минут до 24 часов.

Оборудование для ионного  азотирования должно обеспечивать регулирование и стабильное поддержание электрических и вакуумных характеристик разряда.

Установка для азотирования в тлеющем разряде состоит из шести функциональных систем: анодной и катодной систем, электропитания, вакуума, газоснабжения, измерения и регулирования температуры. Анодная система (рис. 12) состоит из водоохлаждаемой камеры 7, водоохлаждаемой крышки 4; катодная система — из изолированного центрального токоввода 17 и подвески 5 с азотируемыми деталями 6.

Электропитание состоит  из высоковольтного трансформатора 15, высоковольтного выпрямителя 16 и регулятора напряжения 13. Вакуумная система содержит форвакуумный насос 18, вакуумметр 10, электромагнитные или ручные вентили на линии камера — насос. Газ подается из газоприготовительной установки 2 с газобаллонной станцией 1.

 

Рис. 12. Схема установки для азотирования в тлеющем разряде:

1 – газобаллонная  станция; 2 – газоприготовительная установка;  
3 – теплозащитный внутренний экран; 4 – водоохлаждаемая крышка; 5 – подвеска;  
6 – азотируемые детали; 7 – водоохлаждаемая камера; 8 – термопара;  
9 – потенциометр; 10 – вакууметр; 11 – пульт управления; 12 – регулятор температуры;13 – блок стабилизации разряда; 14 – регулятор напряжения;  
15 – высоковольтный трансформатор; 16 – высоковольтный выпрямитель;  
17 – изолированный центральный токоввод; 18 – форвакуумный насос.

 

Система измерения и  регулирования температуры включает термопару 8, потенциометр 9, регулятор температуры 12 и пульт управления 11. Для стабилизации разряда применяется дугогасящее устройство. При срыве тлеющего разряда в дуговой подается импульс на тористоры, которые запираются. При этом уменьшается напряжение, подводимое к электродам, и исключается переход аномального тлеющего разряда в дуговой. Гашение дуги в разрядной камере обеспечивается за 15 мс, что полностью исключает повреждение поверхности изделия.

Температура измеряется хромель-алюмелевой термопарой с контрольного образца. Автоматическое регулирование осуществляется через исполнительный механизм (электродвигатель с редуктором), воздействующий на токосъемник автотрансформатора.

Датчиками измерения температуры  наряду с термопарами могут быть термоэлементы, реагирующие на тепловое излучение поверхности обрабатываемых деталей.

При азотировании партии идентичных деталей (одинакового типоразмера) регулирование процесса можно вести  по давлению и напряжению, выбранным при обработке контрольного образца.

Водоохлаждаемая вакуумная камера (контейнер) выполнена из коррозионностойкой стали и оснащена гидравлическим приводом, обеспечивающим плавный подъем и опускание контейнера.

В рабочем контейнере имеется смотровое  окно для визуального контроля процесса по свечению тлеющего разряда. Для обработки длинномерных деталей с помощью съемных колец высота камеры может быть увеличена.

Форма и размеры рабочей камеры определяется габаритами обрабатываемых изделий. Применяя сменные контейнеры, на одной установке можно обрабатывать детали различных размеров [1].

Процесс ионного азотирования реализуется  в две стадии: очистка поверхности катодным распылением и собственно азотирование. Электрические и вакуумные параметры разряда при катодном распылении обеспечивают активацию поверхности и разрушение оксидных пленок, а во второй стадии нагрев поверхности до температуры диффузии и насыщение ее азотом.

3.4. Условия комплектования садки при ионном азотировании

Основные условия комплектования садки при ионном азотировании следующие:

• в одной садке желательно совмещать детали, изготовленные из сталей, температура азотирования которых одинакова. В случае необходимости совместной обработки деталей из сталей с различной температурой азотирования, температура азотирования процесса должна выбираться по наименьшей из них;
• в одной садке желательно совмещать детали с одинаковой требуемой толщиной азотируемого слоя. Допускается одновременное азотирование с разной требуемой глубиной, при этом режим процесса должен обеспечить получение максимальной требуемой толщины слоя.

Вследствие специфических  особенностей нагрева деталей при  ионном азотировании одновременный  нагрев деталей разной формы и  размеров может вызвать перегрев деталей малого сечения по отношению к деталям большего сечения.

При ионном азотировании различных деталей термопару помещают в деталь с наименьшим сечением или в образец – свидетель. При крупносерийном производстве в качестве образца – свидетеля желательно использовать азотируемую деталь или характерную часть этой детали.

3.5. Характеристика мартенситно-стареющих сталей

В ряде отраслей промышленности возрастает потребность в использовании  высокопрочных материалов, имеющих  высокое сопротивление хрупкому разрушению и хорошую технологичность. Это привело к разработке новой  группы высокопрочных материалов – мартенситно-стареющих сталей.