Ионное азотирование стали в импульсном тлеющем разряде

Так как ИТР отличается спецификой в отношении стабильности, то при азотировании детали в тлеющем разряде с прерыванием тока использовались следующие параметры:

1.–Пункты 1-5, 8 без изменений; 6.–Катодное распыление проводилось при давлении 0,1—0,2 мм.рт.ст. и напряжении 1700 В в течение 15 мин; 7.–Азотирование при давлении 10 мм.рт.ст. и напряжении 1500 В в течение времени от 1 до 8 ч.

Результаты.

На рис. 2. показаны фотографии стационарного ТР (а) и импульсного ТР в режиме катодного распыления при давлении 0,2 мм.рт.ст.. Наблюдаются следующие отличия: -катодное темное пространство 3 в случае ИТР имеет меньшие размеры по сравнению с обычным тлеющим разрядом, катодное свечение 4 расположено ближе к электроду и характеризуется более резкими границами. Данные отличия определяются более высокими значениями катодного падения напряжения в импульсном тлеющем разряде, и как следствие, большими напряженностями электрического поля вблизи катода приводящими к эффективному ускорению эмитированных с катода электронов и интенсификации процессов ионизации и возбуждения плазмообразующего газа.

Увеличение давления плазмообразующего газа до 10 мм.рт.ст. приводит к уменьшению катодного падения напряжения и существенной перестройке пространственных характеристик разряда рис. 3. Катодное темное пространство, катодное и отрицательное свечение сливаются в единую светящуюся пленку, прилегающую к катоду. В разрядном промежутке ИТР формируется положительный столб 4 рис. 3. б.

При катодном распылении и азотировании в ИТР напряжение на разряде увеличивается до 1700 и 1500 В соответственно, что приводит к некоторой потере стабильности разряда. Нестабильность разряда устраняется путем увеличения давления плазмообразующего газа.

Стабильность разряда  можно значительно повысить, если в качестве дугогасящего устройства использовать не дроссель а устройство на тиристорах [12]. При срыве тлеющего разряда в дугу тиристоры закрываются, напряжение на катоде уменьшается и разряд стабилизируется. Гашение обеспечивается за время 10 – 15 мкс, что полностью исключает повреждение поверхности изделия. А так как частота прерывания составляет 1 – 3 кГц, то такая система может работать в постоянном режиме, не влияя на систему прерывания.

Основными параметрами полученного азотированного слоя являются твердость поверхностного слоя и глубина проникновения азота. Так как глубина азотированного слоя составляет 0,05 – 1 мм, в зависимости от времени насыщения, микротвердость определялась по Викерсу HV [13].

Скорости увеличения микротвердости в стационарном и  импульсном ТР максимальны в начале процесса азотирования рис. 4. Это определяется тем, что при ионном азотировании высокий градиент концентрации, являющийся движущей силой процесса, устанавливается в первые минуты насыщения.

Создание при ионном азотировании предельного градиента концентрации на ранних стадиях насыщения (до 20 мин), активация поверхности и эскалация дефектов в поверхностной зоне сопровождаются интенсивным поглощением азота и завершением формирования слоя по твердости в течении первых 5 мин процесса [9].

Более высокие катодные падения напряжения в случае импульсного ТР ускоряют процесс азотирования. Что проявляется в более высоких значениях микротвердости, получаемых в импульсном ТР по сравнению со стационарным при равных временах азотирования рис 4.

Толщина диффузионного  слоя достигает практически максимального значения в течении 4 ч азотирования рис. 5. Увеличение времени слабо влияет на глубину диффузионного слоя. Размеры диффузионного слоя, получаемого в стационарном ТР, меньше чем в импульсном.

При времени азотирования порядка 8 ч максимальные значения микротвердости и глубины проникновения азотированного слоя, полученных в стационарном ТР и импульсном ТР, практически не отличаются. Однако следует заметить, что при азотировании в плазме тлеющего разряда с периодическим прерыванием тока предельные характеристики наблюдаются уже при времени азотирования 2 – 3 часа. Те же параметры в традиционном тлеющем разряде реализуются за время азотирования 6 – 7 часов. При больших временах азотирования (больше 6 часов) преимущества азотирования в ИТР по сравнению с ТР незначительны. Это связано с тем, что определяющим процессом азотирования в этом случае становится диффузия атомов азота в стали, которая зависит в основном только от температуры.

Аналогичные результаты достигаются при ионном азотировании в прерывистом режиме [14]. Благодаря использованию пульсирующего тока разряда и газотермических циклов насыщения приповерхностных слоев значительно сокращаются время обработки, затраты электроэнергии и реакционных газов, улучшаются эксплуатационные характеристики деталей, поскольку из-за низких температур и малых времен воздействия не происходит разупрочнения сердцевины изделий [15].

Выводы.

1. Разработана схема для питания ИТР, отличающаяся наличием стабилизирующей разряд емкости, включаемой параллельно разрядному промежутку и ключевого элемента на основе водородного тиратрона, установленного в цепи катода. Величина емкости конденсатора определяется напряжением, давлением газа в камере, частотой прерывания тока, мощностью в разряде и др. и подбирается опытным путем для конкретных условий азотирования.
2. Импульсное питание разряда позволяет повысить катодное падение при неизменной вкладываемой мощности в разряд.
3. Большое катодное падение увеличивает энергию ионов азота, что способствует росту градиента концентрации азота в поверхностном слое стали.
4. Импульсное питание тлеющего разряда позволяет сократить время азотирования в 1,5–2 раза по сравнению с обычным тлеющим разрядом.

Литература.

1. Афонский И. Ф., Смирнов А. В, Вер О.И. Теория и практика азотирования стали. Л. Госмашметиздат, 1933, 160 с.
2. Чижевский Н.П. Железо и азот. – «Известия Томского технологического института», 1913, т. 31, № 3, с. 1 – 91.
3. Юнгерсон А.А. Развитие процесса азотирования. – «Металловедение и термическая обработка металлов», 1967, № 7, с. 2 – 10.
4. Лахтин Ю. М., Крымский Ю. Н., Семенов В.А. Азотирование высокопрочного чугуна в тлеющем разряде. – «Металловедение и термическая обработка металлов», 1964, № 3, с. 37 – 41.
5. Райцес В.Б. Технология химико-термической обработки на машиностроительных заводах. М., «Машиностроение», 1965, 294 с.
6. Костюченко В.М., Урцева Е. И. Азотирование в электростатическом поле. – «Научные труды Магнитогорского горнометаллургического института», 1965 (1966), вып. 38, с. 49 – 54.
7. Вржащ Э.И., Горбачев В.Б. Повышение надежности и долговечности плунжерных пар насосов для перекачки жидкого кислорода. М., НИИинформтяжмаш № 13-71-7, 1972, с. 45 – 46.
8. Лахтин Ю.М., Крымский Ю.Н. Физические процессы при ионном азотировании. – В кн.:»Защитные покрытия на металлах», вып. 2, Киев,1968, с. 225 – 229.
9. Бутенко О.И., Головчинер Я.М., Скотников С.А. Формирование диффузионного слоя при ионном азотировании. – В кн.: «Прогрессивные методы термической и химико-термической обработки». М., «Машиностроение», 1972, с. 122 – 128.
10. Lapanche H. Nitruration alassigul et ionitriration, - Metallurgie et la construction mecanique, 1963, N 10, 849 – 855, N 11, 837 – 953.
11. Лахтин Ю.М., Коган Я Д. Азотирование стали. М. «Машиностроение», 1976, 255 с.
12. Прокошкин Д.А., Арзамасов Б.Н., Рябченко Е.В., Михайлов И А. Получение покрытий на металлах в тлеющем разряде. – В кн. : Защитные покрытия на металлах, вып. 3, Киев, «Наукова думка» 1970, с.7 – 70.
13. Балашов Б.Ф. Азотирование как метод повышения прочности деталей машин. – В кн.: Повышение усталостной прочности деталей машин поверхностной обработкой. М., Машгиз, 1952, с. 64 – 82.
14. 2. Пат. 10014 Україна, МПК 7 С23С 8/06. Спосіб поверхневого зміцнення сталевих деталей іонно-плазмовим азотуванням у пульсуючому тліючому розряді: Ляшенко Б.А., Рутковський А.В., Мірненко В.І, Радько О.В.; Національна академія оборони України. – № 19782; Заявл. 19.09.06; Опубл. 15.12.06, Бюл. №12 – 5 с.
15. Б.А. Ляшенко, В.И. Мирненко, О.В. Радько, С.А. Бобырь. Вісник Черкаського національного університету. 2007. Випуск 117. Серія „Фізико-математичні науки” с.107.