Ионное азотирование стали в импульсном тлеющем разряде

УДК 553/521 (575.2)(04)

 

Ионное азотирование стали в импульсном

тлеющем разряде

 

Токарев А. В. - к.ф.-м.н, доц.8

КАФЕДРА ФИЗИКИ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

 

Nitride hardening process of roller-bearing tool steel in pulsed glow discharge is studied. Pulsed power supply increases cathode drop and shortens nitriding time in comparison with normal glow discharge.

Исследован процесс азотирования подшипниковой инструментальной стали в импульсном тлеющем разряде. Импульсное питание разряда увеличивает катодное падение и сокращает время азотирования в два раза по сравнению с обычным тлеющим разрядом

 

Ключевые слова: Азотирование, сталь, тлеющий разряд, микротвердость.

 

Введение.

 

В настоящее время  азотирование стали применяется  в различных отраслях промышленности для повышения эксплуатационной надежности широкой номенклатуры изделий: гильз цилиндров, коленчатых и распределительных валов, шпинделей металлорежущих станков, штампового и режущего инструмента и т. д.

Первые сведения об азотировании могут быть отнесены ко времени постройки Делийской колонны (415 г. н. эры), высокую коррозионную стойкость которой объясняют наличием тонкой поверхностной нитридной пленки.

В 1905—1908 гг. была установлена  возможность взаимодействия железа с аммиаком, обнаружено повышение  поверхностной твердости и коррозионной стойкости железа и стали при нагреве в атмосфере аммиака [1].

Кинетические закономерности процесса азотирования, структура и  свойства азотосодержащих сплавов  железа впервые подробно изучены  русским академиком Н. П. Чижевским в 1907-1914 гг. [2].

В 20-х годах прошлого века Ад. Фри были предложены специальные азотируемые стали (нитраллои), имеющие после насыщения высокую поверхностную твердость. Была создана гамма хромоникельалюминиевых нитраллоев с высоким комплексом физико-механических свойств [3].

Разработка специальных  азотируемых сталей определила широкое  распространение азотирования в промышленности для поверхностного упрочнения деталей машин.

Применение азотирования оказалось экономически целесообразным для повышения твердости, износостойкости, задиростойкости, для увеличения предела выносливости и коррозионной стойкости сталей и сплавов.

Поиски источников активного  азота привели к разработке процесса азотирования в тлеющем разряде. В настоящее время разработаны серии установок мощностью до 150 кВт, которые могут обрабатывать крупногабаритные детали длиной до 12 м. Применение ионного азотирования позволило сократить продолжительность технологического цикла в 2—5 раз, оптимизировать состав диффузионного слоя, обеспечить технологически простую схему автоматизации процесса, улучшить качество азотированных покрытий [4].

Для активизации газовой  фазы применяют различные виды электрических разрядов: дуговой, тлеющий, искровой и коронный; магнитные и электростатические поля; облучение ультрафиолетовыми и -лучами [5-7].

Наибольшее распространение  в настоящее время получает процесс  азотирования ионизированным азотом в плазме тлеющего разряда (ионное азотирование). В разреженной азотосодержащей атмосфере между катодом (деталью) и анодом возбуждается тлеющий разряд (ТР), ионы газа, бомбардируя поверхность катода, нагревают ее до температуры насыщения. Температура азотирования 470—580° С, разрежение 1—10 мм рт. ст., рабочее напряжение колеблется от 400 до 1100 В, продолжительность процесса составляет от нескольких минут до 24 ч.

Интенсификация процесса при ионном азотировании объясняется  воздействием тлеющего разряда на все элементарные процессы, ответственные за образование диффузионного слоя: активацию газовой фазы, адсорбцию и диффузию [8,9].

Ионное азотирование применяют для обработки различных  типов сталей и сплавов: азотируемых сталей — нитраллоев, инструментальных, мартенситно-стареющих сталей, коррозионно-стойких, хромистых и хромоникелевых сталей, чугунов и т. д.

В настоящее время установки для азотирования, работающие на тлеющем разряде, почти полностью вытеснили установки для газового и жидкого азотирования. Это связано, прежде всего, с тем, что процесс ионного азотирования в них оказывается наиболее быстрым и эффективным.

Во время процесса азотирования катодное падение напряжения находится в интервале 600-800 В в зависимости от режима азотирования. Катодное падение полностью определяет энергию ионов и как следствие скорость азотирования и глубину слоя. Поэтому увеличение катодного падения напряжения может повлиять на режимы азотирования в лучшую сторону. Увеличить катодное падение можно различными способами. Например, перевести нормальный тлеющий разряд в аномальный. Но при этом будет увеличиваться мощность, выделяемая на катоде, что может привести к перегреву детали. Можно также использовать магнетронные системы разряда, которые сложны в реализации.

Более приемлемым является использование импульсного тлеющего разряда (ИТР). Импульсный режим ТР должен обеспечиваться ключом, установленным в катодной цепи. Как показали предварительные исследования, такой способ формирования разряда позволяет увеличить катодное падение в 2–3 раза по сравнению с обычным тлеющим разрядом без увеличения выделяемой мощности.

Целью работы является экспериментальное подтверждение целесообразности применения импульсного питания ТР для интенсификации процесса азотирования стали.

 

Экспериментальная установка.

 

Экспериментальная установка для  ионного азотирования стали в плазме тлеющего разряда состоит из следующих функциональных частей: 1–электропитания; 2–вакуумной системы; 3–устройства газораспределения; 4–приборов и устройств для обеспечения регулирования и поддержания стабильности разряда.

На рис. 1 представлена принципиальная схема электрического питания разряда, позволяющая реализовать стационарный ТР или ИТР.

На анод разрядной камеры (РК) подается напряжение положительной полярности в интервале 0-3 кВ, формируемого с помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТР), повышающего трансформатора TV1, выпрямительного моста VD, и индуктивно-емкостного фильтра LC1.

Дроссель L за счет внутреннего сопротивления ограничивает ток, протекающий через разрядный узел, и не дает тем самым перейти тлеющему разряду в дуговой. Внешние характеристики разряда измеряются киловольтметром (кV) и амперметром (А). Для периодического прерывания тока в тлеющем разряде применяется водородный тиратрон (Л1) ТГИ1-16/500. Частота прерывания тока задается генератором управляющих импульсов (ГУИ1). Анод тиратрона соединяется с катодом разрядного узла, а катод заземлялся. При подаче на сетку тиратрона положительных импульсов с амплитудой порядка 420 В он периодически открывается и в разрядном узле загорается ИТР. Величину индуктивности дросселя L1 и частоту управляющих импульсов подбирают из условий запирания тиратрона после прохождения очередного импульса тока. Для повышения стабильности ИТР параллельно разрядному контуру подсоединяется конденсатор, емкость которого подбирается экспериментальным путем. Ключ К3 служит для перевода ТР из стационарного режима горения в импульсно периодический.

На катоде разрядной камеры размещаются  цилиндрические образцы из стали  ШХ15 длиной 30 и диаметром 15 мм соответственно. Во время азотирования неиспользуемая площадь катода закрывается охранными экранами для локализации катодного пятна на поверхности цилиндрического образца.

Стеклянная разрядная камера откачивается до необходимого вакуума с помощью форвакуумного механического насоса, обеспечивающего скорость откачки 3 л/с. Время откачки рабочего объема камеры до давления 10^-2 мм рт. ст. составляет 15 мин. Остаточное давление в камере измеряется термопарным вакуумметром. В качестве рабочего газа выбран аммиак.

Газораспределительная система состоит  из генератора аммиака, системы осушки и дозирующего устройства. Генератор аммиака представляет собой устройство, которое позволяет получать газообразный аммиак из 25-ти процентной аммиачной воды. Резервуар с водой, нагретой до 96⁰С герметично связан с емкостью, в которой находится аммиачная вода, и через устройство осушки с рабочей камерой. Генератор аммиака работает следующим образом: при понижении давления в резервуаре за счет вакуума рабочей камеры в генератор аммиака засасывается аммиачная вода, так как температура кипения аммиака при нормальных условиях составляет 45⁰С, то в резервуаре происходит резкое повышение давления и аммиачная вода перестает поступать в генератор. При правильной и хорошей отладке системы можно перегонять аммиак до остаточной концентрации в воде ~ 1%.

Система осушки газообразного аммиака предназначена для достижения остаточной влажности в газе 0,1%. Предварительная осушка производится за счет конденсации воды в длинном обратном холодильнике, тонкая осушка происходит путем пропускания аммиака через колонку, наполненную твердой безводной щелочью.

Дозирующее устройство представляет собой игольчатый натекатель, позволяющий регулировать расход газа с учетом получения динамического равновесия в системе.

Температура образцов измеряется с помощью термопары, прилагающейся к мультиметру DT-838. Данный термодатчик при измерении температуры в интервале 500 – 600⁰С дает погрешность не боле 5⁰С, что является допустимым интервалом изменения температуры при азотировании в плазме тлеющего разряда. Регулирование температуры осуществляется вручную путем изменения мощности, вкладываемой в разряд.

При контроле температуры  термопарами необходимо исключить  влияние электрического поля разряда на их показания. Спай термопары или зачеканивают в глухое отверстие контрольного образца (вспомогательной детали), или вставляют в отверстие в кварцевом чехле, который обеспечивает отсутствие гальванического контакта термопары с поверхностью детали.

При азотировании идентичных образцов регулирование процесса производится по давлению и напряжению, выбранных при обработке контрольного образца, для чего в серии предварительных опытов на контрольных деталях измеряют напряжение разряда, соответствующее заданной рабочей температуре поверхности и постоянному разряжению в камере.

 

Методика эксперимента.

 

Строение и свойства упрочненного слоя азотируемых деталей зависят от следующих технологических факторов: напряжения между электродами, состава газовой среды, степени ее разрежения, рабочей температуры, продолжительности процесса, взаимного расположения деталей и электродов.

Температура азотирования обычно составляет 470—580° С, напряжение 400—1100В, разрежение 1—10 мм рт. ст. Рабочее давление лимитируется свойствами тлеющего разряда. При давлении ниже 1 мм рт. ст. энергия ионов недостаточна для нагрева обрабатываемой детали до рабочей температуры, при давлении выше 10 мм рт. ст. нарушается стабильность разряда, тлеющий разряд переходит в дуговой, что сопровождается появлением на поверхности оплавленных микрократеров. При давлении 2 мм рт. ст. при 520° С и 6 мм рт. ст. при 620° С достигается максимальная глубина диффузионного слоя. На глубину слоя влияет и увеличение напряжения [10].

Выбор оптимального давления зависит от сложности конфигурации детали, так как с изменением давления изменяется протяженность катодной части разряда. С увеличением давления от 1 до 10 мм рт. ст. область катодной части разряда уменьшается с 10 до 1 мм [10]. Это необходимо учитывать для обеспечения равномерности диффузионного слоя по периметру изделия. Изменение плотности тока в больших пределах (0,5—20 мА/см²) не оказывает влияния на процесс азотирования. В качестве азотосодержащего газа обычно используется аммиак.

Процесс ионного азотирования в плазме тлеющего разряда реализуется  в две стадии: 1–очистка поверхности катодным распылением; 2–собственно насыщение.

Электрические и вакуумные  параметры разряда при катодном распылении гарантируют активацию поверхности и разрушение оксидных пленок, а во второй стадии обеспечивают нагрев поверхности до температуры диффузии, активность газовой фазы, поддержание градиента концентрации азота в стали и регулирование процесса по фазовому составу диффузионного слоя [9].

Катодное распыление проводится в течение 5—60 мин, в зависимости  от загрязненности поверхности детали, при напряжении 1100—1400 В и давлении 0,1—0,2 мм рт. ст. В процессе катодного распыления температура поверхности детали не превышает 250° С. Рабочие параметры процесса при насыщении: U=400 – 1100 В, давление 1—10 мм рт. ст. [9].

Последовательность операций при проведении технологического процесса приведена ниже.

Азотируемую деталь, установленную  в камере, подключают к отрицательному электроду (катоду), герметизируют камеру и откачивают воздух до давления 1 мм рт. ст. После эвакуации воздуха камеру продувают рабочим газом в течение 5-ти мин при давлении 10 мм рт. ст., затем откачивают камеру до давления 0,2 – 0,4 мм рт. ст., подают на электроды напряжение и возбуждают тлеющий разряд. При напряжении 1100—1400 В осуществляется катодное распыление. После обработки поверхности в течение 5—60 мин по режиму катодного распыления напряжение понижают до рабочего, а давление повышают до 1— 10 мм рт. ст. При повышении давления уменьшается протяженность катодного свечения, которое равномерно распределяется по поверхности детали, повторяя ее контуры [11].

Скорость нагрева определяется соотношением поверхности и массы деталей. Для нашей детали нагрев до температуры азотирования осуществлялся за 20 мин.

Из анализа литературных данных для азотирования в ТР определена следующая схема проведения процесса:

1.–Объект азотирования – цилиндры из конструкционной подшибниковой стали ШХ15 диаметром 15 и длиной 30 мм; 2.–Рабочий газ–аммиак; 3.–Температура процесса 550 °С; 4.–Электрохимическая полировка для очистки поверхности и снятия заусенец и острых кромок до помещения детали в камеру; 5.– Продувка камеры рабочим газом при давлении 2–3 мм.рт.ст. в течение 15 мин; 6.– Катодное распыление при давлении 0,1—0,2 мм.рт.ст. при напряжении 1400 В в течение 15 мин; 7.– азотирование при давлении 5 мм.рт.ст. при напряжении 800 В в течение времени от 0,1 до 8 ч. 8.– Охлаждение до комнатной температуры под вакуумом. Для более быстрого охлаждения и исключения окисления проводилось охлаждение при давлении 1 – 2 мм рт. ст. в потоке аммиака.