Nitrirea cu plasmă ionică. Nitrarea ion-plasmă ca una dintre metodele moderne de întărire a suprafeței materialelor Instalarea nitrurării cu plasmă ionică ip

Industriile dezvoltate industrial preferă astăzi tratamentul chimic-termic, în special nitrurarea ion-plasmă (în continuare IPA), care diferă în mod favorabil din punct de vedere economic de tehnologiile termice. Astăzi, IPA este utilizat în mod activ în construcția de mașini, construcția navală și construcția de mașini-unelte, industria agricolă și de reparații, pentru producerea centralelor electrice. Printre întreprinderile care utilizează în mod activ tehnologia de nitrurare ion-plasmă se numără nume atât de mari precum concernul german Daimler Chrysler, gigantul auto BMW, Volvo suedez, fabrica de tractoare cu roți din Belarus, KamAZ și BelAZ. În plus, avantajul IPA a fost apreciat de producătorii de instrumente de presare: Skandex, Nughovens.

Proces tehnologic

Nitrirea ion-plasmă, utilizată pentru sculele de lucru, piesele mașinilor, echipamentele pentru ștanțare și turnare, asigură saturația stratului superficial al produsului cu amestec de azot sau azot-carbon (în funcție de materialul piesei de prelucrat). Instalațiile pentru IPA funcționează într-o atmosferă rarefiată la presiuni de până la 1000 Pa. Un amestec de azot-hidrogen pentru prelucrarea fontei și a diverselor oțeluri sau azot pur ca gaz de lucru pentru lucrul cu titanul și aliajele sale este alimentat în cameră, care funcționează pe principiul unui sistem catod-anod. Piesa de prelucrat este catodul, pereții camerei sunt anodul. Excitația unei sarcini strălucitoare anomalie inițiază formarea plasmei și, în consecință, a unui mediu activ, care include ioni încărcați, atomi și molecule ale amestecului de lucru, care sunt într-o stare excitată. Presiunea scăzută asigură o acoperire uniformă și completă a piesei de prelucrat cu strălucire. Temperatura plasmatică variază de la 400 la 950 de grade, în funcție de gazul de lucru.

Pentru nitrurarea ion-plasmă, este necesară de 2-3 ori mai puțină energie electrică, iar calitatea suprafeței produsului prelucrat face posibilă eliminarea completă a etapei de finisare a măcinării

Filmul format la suprafață este format din două straturi: un strat de difuzie inferior și un strat superior de nitrură. Calitatea stratului de suprafață modificat și eficiența economică a procesului în ansamblu depind de o serie de factori, inclusiv compoziția gazului de lucru, temperatura și durata procesului.

Asigurarea unei temperaturi stabile se bazează pe procesele de schimb de căldură care au loc direct în interiorul camerei pentru IPA. Pentru a reduce intensitatea proceselor metabolice cu pereții camerei, se utilizează scuturi termice speciale neconductive. Acestea pot economisi semnificativ consumul de energie. Temperatura procesului, împreună cu durata, afectează adâncimea de penetrare a nitrurilor, ceea ce determină modificări în graficul distribuției în adâncime a indicatorilor de duritate. Temperaturile sub 500 de grade sunt cele mai optime pentru nitrurarea oțelurilor prelucrate la rece și a materialelor martensitice, deoarece caracteristicile de performanță cresc fără a schimba duritatea miezului și distrugerea termică a structurii interne.
Compoziția mediului activ afectează duritatea finală și dimensiunea zonei de nitrură și depinde de compoziția piesei de prelucrat.

Rezultatele utilizării nitrurării cu ioni-plasmă

Nitrarea cu ion-plasmă face posibilă creșterea indicatorilor de rezistență la uzură cu o scădere simultană a tendinței de încălcare a oboselii structurii metalice. Obținerea proprietăților de suprafață necesare este determinată de raportul dintre adâncimea și compoziția straturilor de difuzie și nitrură. Pe baza compoziției chimice, stratul de nitrură este de obicei împărțit în două faze definitorii: „gamma” cu un procent ridicat de compuși Fe4N și „ipsilon” cu Fe2N Fe3N. -faza se caracterizează prin ductilitate scăzută a stratului de suprafață cu rezistență ridicată la diferite tipuri de coroziune, faza ε oferă un strat relativ ductil rezistent la uzură.

În ceea ce privește stratul de difuzie, zona de nitrură dezvoltată adiacentă reduce probabilitatea coroziunii intergranulare, oferind o calitate a rugozității suficientă pentru frecare activă. Părțile cu un astfel de raport de straturi sunt utilizate cu succes în mecanismele care funcționează pentru uzură. Eliminarea stratului de nitrură previne fractura cu o schimbare constantă a forței de încărcare în condiții de presiune suficient de mare.

Asa de nitrurarea ion-plasmă este utilizată pentru a optimiza rezistența la uzură, căldură și coroziune, cu o schimbare a rezistenței la oboseală și a rugozității, care afectează probabilitatea de a strica stratul superficial.

Avantajele nitrurării cu plasmă

Nitrarea cu ion-plasmă într-un proces tehnic bine stabilit asigură o răspândire minimă a proprietăților suprafeței de la o parte la alta cu un consum relativ redus de energie, ceea ce face IPA mai atractiv decât nitrurarea tradițională, nitrocarburarea și cianurarea gazelor din cuptor.

Nitrarea cu ion-plasmă elimină deformarea piesei de prelucrat, iar structura stratului nitrurat rămâne neschimbată chiar și atunci când piesa este încălzită la 650 de grade, ceea ce, împreună cu posibilitatea ajustării fine a proprietăților fizice și mecanice, permite IPA să fi folosit pentru a rezolva o mare varietate de probleme. În plus, nitrurarea ion-plasmă este excelentă pentru tratarea oțelurilor de diferite grade, deoarece temperatura de funcționare a procesului într-un amestec de azot-carbon nu depășește 600 de grade, ceea ce exclude încălcările structurii interne și chiar invers - ajută la reduce probabilitatea de oboseală și deteriorare datorită fragilității ridicate a fazei nitridă.

Pentru a crește proprietățile anticorozive și duritatea suprafeței prin metoda nitrurării cu ioni-plasmă, sunt potrivite piesele de orice formă și dimensiune, cu orificii trecătoare și orbite. Protecția împotriva nitrurării ecranului nu este o soluție tehnică complexă, astfel încât prelucrarea zonelor individuale de orice formă este ușoară și simplă.

În comparație cu alte metode de întărire și creștere a rezistenței intergranulare, IPA se distinge printr-o durată de câteva ori mai scurtă a procesului tehnic și o scădere de două ordine de mărime a consumului de gaz de lucru. Asa de pentru nitrurarea ion-plasmă, este necesară de 2-3 ori mai puțină energie electrică, iar calitatea suprafeței produsului prelucrat vă permite să excludeți complet etapa de finisare a măcinării. În plus, este posibil să se efectueze un proces de nitrurare inversă, de exemplu înainte de măcinare.

Epilog

Din păcate, chiar și pe fundalul celor din străinătate, producătorii autohtoni folosesc rar nitrurarea cu plasmă ionică, deși avantajele economice, fizice și mecanice sunt vizibile cu ochiul liber. Introducerea nitrurării cu ion-plasmă în producție îmbunătățește condițiile de lucru, crește productivitatea și reduce costul muncii, în timp ce durata de viață a produsului procesat crește de 5 ori. De regulă, problema construirii proceselor tehnice folosind instalații pentru IPA se bazează pe problema planului financiar, deși nu există obstacole reale subiectiv. Nitrarea ion-plasmă cu un design destul de simplu al echipamentului efectuează mai multe operații simultan, a căror implementare prin alte metode este posibilă numai în etape, când costul și durata vor crește brusc. În plus, există mai multe companii din Rusia și Belarus care cooperează cu producătorii străini de echipamente pentru IPA, ceea ce face ca achiziționarea unor astfel de instalații să fie mai accesibilă și mai ieftină. Aparent, principala problemă rezidă doar în luarea banală a deciziilor, care, la fel ca tradiția rusă, va dura mult timp și ne va fi dificilă.

Acasă\u003e Document

Posibilități tehnologice de nitrurare ionică în produsele de întărire din oțeluri structurale și de scule

M. N. Bosyakov, S. V. Bondarenko, D. V. Zhuk, P. A. Matusevich

JV „Avicenna International”, Republica Belarus, Minsk,

Sf. Surganova, 2a, 220012, tel. +375 17 2355002

Nitrarea ion-plasmă (IPA) este o metodă de tratare chimico-termică a produselor din oțel și fontă cu capacități tehnologice deosebite, care face posibilă obținerea straturilor de difuzie ale compoziției necesare prin utilizarea diferitelor medii gazoase, adică procesul de saturație prin difuzie este controlabil și poate fi optimizat în funcție de cerințele specifice pentru adâncimea stratului și duritatea suprafeței. Intervalul de temperatură al nitrurării ionice este mai larg decât cel al nitrurării cu gaz și este cuprins între 400-600 ° C. Tratamentul la temperaturi sub 500 ° C este deosebit de eficient în produsele de întărire fabricate din oțeluri aliate pentru scule, pentru lucru la rece, de mare viteză. și oțeluri maraging, pentru că proprietățile lor de performanță sunt semnificativ crescute, menținând în același timp duritatea miezului la nivelul de 55-60 HRC. Piesele și instrumentele din aproape toate industriile sunt supuse prelucrării prin întărire prin metoda IPA (Fig. 1).

Figura: unu. Aplicarea nitrurării cu plasmă ionică pentru întărirea diferitelor produse

Ca urmare a IPA, următoarele caracteristici ale produselor pot fi îmbunătățite: rezistență la uzură, rezistență la oboseală, proprietăți de presiune extremă, rezistență la căldură și rezistență la coroziune. În comparație cu metodele utilizate pe scară largă de întărire a tratamentului chimico-termic al pieselor din oțel, cum ar fi carburarea, nitrocarburarea, cianurarea și nitrurarea gazelor în cuptoare, metoda IPA are următoarele avantaje principale:

duritate mai mare a suprafeței părților nitrurate; nicio deformare a pieselor după prelucrare și curățenie ridicată a suprafeței; creșterea limitei de rezistență și creșterea rezistenței la uzură a pieselor prelucrate; temperatura de prelucrare mai scăzută, din cauza căreia nu au loc transformări structurale în oțel; capacitatea de a procesa orb și prin găuri; conservarea durității stratului nitrurat după încălzire la 600-650 С; capacitatea de a obține straturi dintr-o compoziție dată; capacitatea de a prelucra produse de dimensiuni și forme nelimitate; lipsa poluării mediului; îmbunătățirea culturii de producție; reducând costul prelucrării de mai multe ori. Avantajele IPA se manifestă printr-o reducere semnificativă a principalelor costuri de producție. De exemplu, în comparație cu nitrurarea gazelor din cuptoare, IPA oferă:

reducerea timpului de procesare de 2-5 ori, atât prin reducerea timpului de încălzire și răcire a încărcăturii, cât și prin reducerea timpului de menținere izotermă; reducerea fragilității stratului întărit; reducerea consumului de gaze de lucru de 20–100 de ori; reducerea consumului de energie electrică de 1,5-3 ori; excluderea operațiunii de depasivare; reducerea deformării astfel încât să se excludă măcinarea de finisare; simplitatea și fiabilitatea protecției ecranului împotriva nitrurării suprafețelor neîntărite; îmbunătățirea condițiilor sanitare și igienice de producție; conformitatea deplină a tehnologiei cu toate cerințele moderne de protecție a mediului.Comparativ cu stingerea procesarea IPA permite:

eliminați deformările; crește durata de viață a suprafeței nitrurate de 2-5 ori. Utilizarea IPA în loc de carburare, nitrocarburare, nitrurare cu gaz sau lichid, stingere volumetrică sau HFC economisește echipamentul principal și spațiul de producție, reduce costurile mașinilor și transportului și reduce consumul de energie electrică și mediu activ de gaz. Principiul de funcționare al IPA este că într-un mediu de gaz descărcat (p \u003d 200-1000 Pa) care conține azot între catod - părți - și anod - pereții camerei de vid - se excită o descărcare de lumină anormală, formând un mediu activ (ioni, atomi, molecule excitate), care asigură formarea unui strat nitrurat, format dintr-o zonă - nitrură exterioară și o zonă de difuzie situată sub aceasta. Factorii tehnologici care afectează eficiența nitrurării ionice sunt temperatura procesului, timpul de saturație, presiunea, compoziția și debitul amestecului de gaz de lucru. Temperatura procesului, zona cuștii implicate în schimbul de căldură și eficiența schimbului de căldură cu peretele (numărul de ecrane) determină puterea necesară pentru menținerea descărcării și asigură temperatura necesară a produselor. Alegerea temperaturii depinde de gradul de aliere a oțelului nitrurat cu elemente care formează nitruri: cu cât este mai mare gradul de aliere, cu atât este mai mare temperatura. Temperatura de procesare trebuie să fie cu cel puțin 10-20 0 С mai mică decât temperatura de temperare. Durata și temperatura procesului saturațiile determină adâncimea stratului, distribuția durității în adâncime și grosimea zonei de nitrură. Compoziția mediului de saturare depinde de gradul de aliere a oțelului prelucrat și de cerințele pentru duritatea și adâncimea stratului nitrurat. Presiunea procesului ar trebui să fie astfel încât să se obțină o „potrivire” strânsă a suprafeței produselor prin descărcare și un strat uniform nitrurat. Cu toate acestea, trebuie avut în vedere faptul că descărcarea în toate etapele procesului trebuie să fie anormală, adică suprafața tuturor părților din sarcină trebuie să fie complet acoperită cu strălucire, iar densitatea curentului de descărcare trebuie să fie mai mare decât densitatea normală pentru o presiune dată, luând în considerare efectul de încălzire a gazului în regiunea catodică a descărcării. Odată cu apariția instalațiilor IPA de nouă generație, care utilizează amestecuri controlate compozițional de hidrogen, azot și argon ca mediu de lucru, precum și o plasmă pulsantă mai degrabă decât de curent continuu, productivitatea procesului de nitrurare ionică a crescut semnificativ. Utilizarea încălzirii combinate (pereții camerei "fierbinți") sau a protecției termice îmbunătățite (scut triplu de protecție termică), împreună cu capacitatea de a regla independent compoziția gazului și presiunea din cameră, fac posibilă evitarea supraîncălzirii marginilor tăietoare subțiri în timpul încălzirii încărcăturii în timpul procesării instrumentului de tăiere și, respectiv, și a adâncimii stratului, din moment ce încălzirea produselor poate fi efectuată într-un mediu fără azot, de exemplu, într-un amestec de Ar + H2. Izolația termică eficientă în camera de lucru (triplu scut termic) permite prelucrarea produselor cu un consum specific redus de energie, reducând astfel diferențele de temperatură din cușcă în timpul prelucrării. Acest lucru este dovedit de distribuția micro-durității de-a lungul adâncimii stratului nitrurat pentru probele situate în diferite locuri ale cuștii (Fig. 2).

Figura: 2. Distribuția micro-durității de-a lungul adâncimii stratului nitrurat pentru trei probe situate în locuri diferite ale cuștii.

a, b - roată dințată cu greutatea de 10,1 kg, 51 buc., st - 40X, modul 4.5, expunere 16 ore, T \u003d 530 0 С;

b, d - roată dințată cu greutatea de 45 kg, 11 buc., st - 38XH3MFA, modul 3.25 (jantă exterioară)

și 7 mm (coroana interioară), expunere 16 ore, T \u003d 555 0 С.

Nitrarea ionică este o metodă eficientă de procesare a întăririi pieselor din oțeluri structurale aliate: angrenaje, jante angrenaje, arbori angrenaje, arbori, angrenaje cilindrice, conice, arbori angrenaje cu configurație geometrică complexă etc. Cimentarea, nitrocarburarea și întărirea HFC se justifică în fabricarea pieselor încărcate puternic (roți dințate, osii , arbori etc.) de precizie mică și medie, care nu necesită măcinare ulterioară. Aceste tipuri de tratament termic nu sunt fezabile din punct de vedere economic la fabricarea pieselor de înaltă precizie cu încărcare medie și mică, deoarece în timpul acestui tratament, se observă o deformare semnificativă și este necesară măcinarea ulterioară. În consecință, la măcinare, este necesar să se îndepărteze o grosime semnificativă a stratului întărit. IPA poate reduce semnificativ deformarea și deformarea pieselor, menținând în același timp rugozitatea suprafeței în intervalul Ra \u003d 0,63 ... 1,2 microni, ceea ce permite în majoritatea covârșitoare a cazurilor să utilizeze IPA ca tratament de finisare. În ceea ce privește construcția de mașini-unelte, nitrurarea ionică a roților dințate reduce semnificativ caracteristicile de zgomot ale mașinilor-unelte, crescând astfel competitivitatea acestora pe piață. IPA este cel mai eficient atunci când se prelucrează piese de un singur tip pe scară largă: angrenaje, arbori, osii, arbori de viteze, arbori de viteze etc. . În acest caz, capacitatea portantă a suprafeței laterale și rezistența bazei dintelui, realizate prin nitrurarea cu plasmă, corespund angrenajelor cimentate (Tabelul 1).

tabelul 1

Caracteristicile rezistenței la oboseală a oțelurilor în funcție de metodele de întărire a roților dințate

Tip oțel	Tipul tratamentului	Limita de oboseală flexurală, MPa	Limita de rezistență la contactul cu suprafața, MPa	Duritatea suprafeței laterale a dinților, HV
Aliat	Întărire
Îmbunătățire (40X, 40XH, 40XFA, 40XH2MA, 40XMFA, 38XM, 38XH3MFA, 38X2N2MFA, 30X2NM etc.)	Nitruri
Normalizat	Întărirea cu plasmă sau prin inducție
Special nitrurat (38HMYUA, 38H2MYUA, 35HYUA, 38HVFYUA, 30H3MF etc.)	Nitruri
Aliat	Cimentarea și nitrocarburarea

La tratarea prin nitrurare ionică a pieselor din oțeluri întărite cu carcasă, joase și medii (18KhGT, 20KhNZA, 20KhGNM, 25KhGT, 40Kh, 40KhN, 40KhFA etc.), este necesar să se îmbunătățească forjările la început - stingerea volumului și călire la o duritate de 241-285 HB (pentru unele oțeluri - 269-302 HB), apoi prelucrare și, în final, nitrurare ionică. Pentru a asigura o deformare minimă a produselor înainte de nitrurare pentru ameliorarea stresului, se recomandă efectuarea recoacerii într-o atmosferă de gaz de protecție, iar temperatura de recoacere trebuie să fie mai mare decât temperatura de nitrurare. Recuplarea trebuie făcută înainte de prelucrarea cu precizie. Adâncimea stratului nitrurat format pe aceste produse din oțeluri 40X, 18XGT, 25XGT, 20X2H4A etc. este de 0,3-0,5 mm la o duritate de 500-800 HV, în funcție de gradul de oțel (Figura 3). Pentru uneltele care funcționează sub sarcini mai mari, stratul nitrurat trebuie să aibă 0,6-0,8 mm, cu o zonă subțire de nitrură sau deloc zonă.

Figura: 3. Distribuția micro-durității de-a lungul adâncimii stratului nitrurat pentru diferite oțeluri

Optimizarea proprietăților stratului întărit este determinată de combinația dintre caracteristicile materialului de bază (duritatea miezului) și parametrii stratului nitrurat. Natura sarcinii determină adâncimea stratului de difuzie, tipul și grosimea stratului de nitrură:

uzură - strat g'- sau e; sarcină dinamică - grosime limitată a stratului de nitrură sau deloc strat de nitrură; coroziune - strat e. Controlul independent al debitului fiecăruia dintre componentele amestecului de gaze, presiunea în camera de lucru și variația temperaturii procesului permit formarea straturilor de diferite adâncimi și duritate (Fig. 4), asigurând astfel o calitate de procesare stabilă cu o răspândire minimă a proprietăților de la o parte la alta și de la încărcare la încărcare (fig. 5).

Figura: patru. Distribuția micro-durității peste adâncimea stratului de oțel nitrurat 40X

1, 3, 5 - proces într-o etapă;

2.4 - proces în două etape în ceea ce privește conținutulN 2 în amestecul de lucru

1,2 – T=530 0 C, t\u003d 16 ore; 3 -T=560 0 C, t\u003d 16 ore;

4 – T=555 0 C, t\u003d 15 ore, 5 - T \u003d 460 0 С, t \u003d 16 ore

Figura: cinci. Răspândirea micro-durității de-a lungul adâncimii stratului nitrurat

pentru oțel 40Kh (a) și 38KhNZMFA (b) pentru procesele seriale.

Nitrarea ionică este cunoscută pe scară largă drept una dintre metodele eficiente de creștere a rezistenței la uzură a sculelor de tăiere fabricate din oțeluri de mare viteză clasele P6M5, P18, P6M5K5, R12F4K5 etc. Nitrarea crește rezistența la uzură a sculei și rezistența la căldură a acesteia. Suprafața nitrurată a sculei, cu un coeficient de frecare redus și proprietăți îmbunătățite de antifricție, asigură o evacuare mai ușoară a așchiilor și previne, de asemenea, lipirea așchiilor și formarea găurilor de uzură, ceea ce face posibilă creșterea vitezei de avans și tăiere. Structura optimă a oțelului nitrat de mare viteză este martensita cu un nivel ridicat de azot, care nu conține exces de nitruri. Structura specificată este asigurată prin saturarea suprafeței sculei cu azot la o temperatură de 480-520 0 С în procesul de nitrurare pe termen scurt (până la 1 oră). În acest caz, se formează un strat întărit cu o adâncime de 20-40 microni, cu o duritate a suprafeței de 1000-1200 HV0,5 cu o duritate a miezului de 800-900 HV (Fig. 6) și durata de viață a instrumentului după nitrurarea ionică. crește de 2-8 ori în funcție de tipul și tipul de material prelucrat.

Figura: 6. Structura stratului de oțel nitrurat R6M5 (a) și distribuția micro-durității peste adâncimea stratului (b).

Principalul avantaj al nitrurării ionice a instrumentului este posibilitatea de a obține doar un strat întărit prin difuzie sau un strat cu nitrură monofazică Fe 4 N ('-fază) la suprafață, spre deosebire de nitrurarea gazelor clasice în amoniac, unde nitrura stratul constă din două faze -  '+ , care este o sursă de solicitări interne la interfață și provoacă fragilitate și decojire a stratului întărit în timpul funcționării. Nitrarea ionică este, de asemenea, una dintre principalele metode de creștere a durabilității scule de perforare și echipamente de turnaredin oțeluri 5ХНМ, 4Х5МФС, 3Х2В8, 4Х5В2ФС, 4Х4ВМФС, 38Х2МЮА, Х12, Х12М, Х12Ф1. Ca urmare a nitrurării ionice, următoarele caracteristici ale produsului pot fi îmbunătățite:

Matrițe de forjare pentru ștanțare la cald și matrițe pentru turnarea metalelor și aliajelor - rezistență crescută la uzură, aderență redusă a metalelor. Matrite de injecție pentru aluminiu - Stratul nitrat previne lipirea metalului în zona cu jet de lichid, iar procesul de umplere a matriței este mai puțin turbulent, ceea ce crește durata de viață a matrițelor și are ca rezultat o turnare de calitate superioară. Îmbunătățește semnificativ nitrurarea ionică și performanța sculelor pentru frig (T< 250 0 С) обработки – вытяжка, гибка, штамповка, прессование, резка, чеканка и прошивка. Основные требования, обеспечивающие высокую работоспособность такого инструмента – высокая прочность при сжатии, износостойкость и сопротивление холодной ударной нагрузке – достигаются в результате упрочняющей обработки методом ионного азотирования. Если для инструмента используется высокохромистая сталь (12% хрома), то азотированный слой должен быть только диффузионным, если низколегированные стали – то дополнительно к диффузионному слою должен быть γ-слой – твердый и пластичный. Особенностью ионного азотирования высокохромистых сталей является то, что выбирая температуру процесса можно в широких пределах сохранять твердость сердцевины изделия, задаваемую предварительной термической обработкой (табл. 2). Для получения износостойкого поверхностного слоя при сохранении вязкой сердцевины штампа необходимо проводить вначале закалку с отпуском на вторичную твердость, размерную обработку и затем ионное азотирование. Для исключения или сведения к минимуму деформаций, возникающих при ионном азотировании штампового инструмента, перед окончательной механической обработкой рекомендуется проводить отжиг в среде инертного газа при температуре как минимум на 20 С ниже температуры отпуска. При необходимости применяют полировку азотированных рабочих поверхностей.

Masa 2.

Caracteristicile oțelurilor aliate după nitrurarea ion-plasmă.

grad de oțel	Duritatea inimilorevinovăţie,	Temperatura procesului 0 DIN	Caracteristicile stratului			Tipul recomandat de strat compus
grad de oțel	Duritatea inimilorevinovăţie,	Temperatura procesului 0 DIN	Adâncime mm	tv-st, HV 1	Grosimea stratului de legătură,	Tipul recomandat de strat compus
Oțeluri de lucru la cald




Oțel pentru lucru la rece

A.V. ARZAMASOV
MSTU le. N. E. Bauman
ISSN 0026-0819. "Metalurgie și tratamentul termic al metalelor", nr. 1. 1991

Dezvoltarea de noi procese de producție a nitrurării ionice pentru a crește rezistența la uzură a suprafeței pieselor din oțeluri austenitice este o sarcină urgentă.

Oțelurile austenitice sunt dificil de azotat, deoarece filmele lor de oxid de suprafață previn saturația azotului și coeficientul de difuzie a azotului în austenită este mai mic decât în \u200b\u200bferită. În această privință, pentru a îndepărta filmele de oxid în timpul nitrurării convenționale, este necesară o tratare prealabilă a suprafeței de oțel sau utilizarea depasivatorilor.

Nitrarea obișnuită a majorității oțelurilor austenitice se efectuează în amoniac la 560-600 ° C timp de 48-60 ore. Cu toate acestea, aceste moduri nu permit obținerea straturilor de difuzie cu o grosime mai mare de 0,12-0,15 mm, iar pe oțel 45Kh14N14V2M ( EI69) este imposibil să se obțină o grosime stratul de difuzie este mai mare de 0,12 mm chiar și cu nitrurare timp de 100 de ore. O creștere a temperaturii de nitrurare în cuptor peste 700 ° C duce la o disociere mai completă a amoniacului și, ca rezultat , la o scădere a activității procesului.

De obicei, după nitrurarea convențională, rezistența la coroziune a straturilor de suprafață ale oțelurilor austenitice se deteriorează.

Nitrarea ionică a oțelurilor austenitice crește coeficientul de difuzie a azotului și nu necesită utilizarea unor agenți depasivanti. Acest lucru reduce durata procesului și îmbunătățește calitatea straturilor nitrurate rezultate.

Cu toate acestea, nitrurarea ionică a oțelurilor austenitice în conformitate cu regimurile dezvoltate anterior nu a permis obținerea unor straturi de difuzie groase chiar și cu durate mari de reținere.

Pe baza calculelor termodinamice și a studiilor experimentale, a fost dezvoltat un mod de nitrurare ionică a pieselor din oțeluri austenitice, care face posibilă obținerea unor straturi de difuzie nemagnetice, rezistente la coroziune, de înaltă calitate, rezistente la uzură, într-un timp relativ scurt. Filmele de oxid au fost îndepărtate de pe suprafața pieselor în cursul tratamentului chimico-termic.

Oțeluri austenitice standard cercetate 45Kh14N14V2M (EI69), 12Kh18N10T (EYA1T); 25Х18Н8В2 (ЭИ946) și experimentale cu conținut ridicat de azot, dezvoltate de Institutul de Știința Metalelor și Tehnologia Metalelor din Academia Bulgară de Științe - tipuri Х14АГ20Н8Ф2М (0.46% N), Х18АГ11Н7Ф (0.70% N), Х18АГ12Ф (0.88% N), Х18АГ20Н7Ф (1, 09% N), Kh18AG20F (1,02% N), Kh18AG20F (2,00% N).

Studiul structurii straturilor de difuzie pe oțeluri a fost realizat folosind micro-analiza metalografică, de difracție cu raze X și cu raze X. S-a stabilit că criteriul structural al rezistenței ridicate la uzură a oțelurilor austenitice nitrurate este prezența nitrurilor de tip CrN în stratul de difuzie. Analiza curbelor de concentrație a elementelor chimice obținute cu ajutorul microanalizoarelor ISM-35 CF, Cameca MS-46, Camebax 23-APR-85 a arătat că, în comparație cu alte elemente grele, cromul este distribuit cel mai brusc pe grosimea stratului. Distribuția cromului în miezul probelor este uniformă.

Repetarea repetată a experimentelor pentru a studia distribuția azotului și a cromului pe grosimea stratului de difuzie a relevat modificări sincronice de tip salt în concentrațiile lor. În plus, așa cum se arată în testele de uzură strat cu strat, microzona stratului de difuzie cu conținutul maxim de azot și crom are cea mai mare rezistență la uzură (Tabelul 1).

Tabelul 1.

h, micron	Conținutul elementelor chimice,%				ε
h, micron	C	N	Cr	Ni	ε
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
* - restul este Fe Note: 1. Testele de uzură au fost efectuate pe un aparat Skoda-Savin. 2. Rezistența relativă la uzură a fost determinată de raportul dintre volumele găurilor șterse de pe standard (probă de oțel cu o duritate de 51 HRC) și proba de testare ε \u003d probă V / V (rezistență relativă la uzură a miezului ε \u003d 0,08).

O investigație ulterioară a structurii oțelurilor austenitice nitrurate utilizând microanaliza cu raze X a făcut posibilă stabilirea faptului că în microzone cu straturi de difuzie cu un conținut crescut de azot și crom se observă o concentrație redusă de carbon, nichel și fier (Tabelul 1).

Analiza comparativă a microstructurii stratului și a miezului de oțel nitrurat 45Kh14N14V2M, înregistrată în radiația caracteristică a cromului K α, a arătat că stratul de difuzie conține mai multe clustere de „puncte albe” - compuși ai cromului decât în \u200b\u200bmiez.

Măsurătorile strat cu strat ale permeabilității magnetice utilizând un magnetoscop F 1.067 și determinarea conținutului de fază de ferită pe un feritometru MF-10I au arătat că metoda dezvoltată de nitrurare ionică a pieselor din oțeluri austenitice promovează producția de difuzie nemagnetică straturi (Tabelul 2).

Masa 2.

De asemenea, sa constatat că oțelurile nitrurate 45Kh14N14V2M și tipul Kh14AG20N8F2M au o rezistență satisfăcătoare la coroziune.

Un lot de unelte din oțel de 45Kh14N14V2M a fost procesat folosind un nou proces tehnologic. Piesele au îndeplinit cerințele tehnice. Analiza micro și macrostructurală a confirmat prezența unui strat uniform de difuzie de înaltă calitate cu o grosime de 270 microni în angrenaje.

După lungi teste industriale, nu s-au găsit defecte vizibile pe angrenaje. Un control suplimentar a arătat că dimensiunile geometrice ale angrenajelor corespundeau cerințelor tehnologice, precum și absenței uzurii pe suprafețele de lucru ale pieselor, ceea ce a fost confirmat prin analize microstructurale.

Concluzie. Modul dezvoltat de nitrurare ionică a pieselor fabricate din oțeluri austenitice face posibilă reducerea duratei procesului de mai mult de 5 ori, în timp ce grosimea stratului crește de 3 ori, iar rezistența la uzură a stratului este de 2 ori comparată cu o metodă similară parametrii după nitrurarea convențională. În plus, intensitatea muncii este redusă, cultura producției este crescută și situația mediului este îmbunătățită.

Lista de referinte:
1. Metode progresive de tratament chimic termic / Ed. G. N. Dubinin, Ya.D. Kogan. M.: Mashinostroenie, 1979.184 p.
2. Nitrurarea și carbonitrurarea / R. Chatterjee-Fisher, F.V. Eisell, R. Hoffman și colab .: Per. cu el. Moscova: Metalurgie, 1990.280 p.
3. La fel de. 1272740 URSS, MKI S23S8 / 36.
4. Bannykh OA, Blinov VM Oțeluri nemagnetice care conțin vanadiu, care se întăresc prin dispersie. Moscova: Nauka, 1980.192 p.
5. Rashev Ts.V. Producția de oțel aliat. Moscova: Metalurgie, 1981.248 p.

NITROGENAREA ION-PLASMĂ CA UNA DIN METODELE MODERNE DE ÎNTURIRE A SUPRAFEȚEI A MATERIALELOR

, , elevi;

, Art. profesor

Îmbunătățirea calității metalului și a proprietăților sale mecanice este principala modalitate de a crește durabilitatea pieselor și una dintre principalele surse de economii în oțeluri și aliaje. Îmbunătățirea calității și durabilității produselor se realizează printr-o alegere rațională a materialelor și a metodelor de întărire, obținând în același timp o eficiență tehnică și economică ridicată. Există multe metode diferite de întărire a suprafeței - întărire prin curenți de înaltă frecvență, deformare plastică, tratament chimic termic (CHT), tratament cu laser și ion-plasmă.

Folosit în mod tradițional în industrie, procesul de nitrurare a gazelor, ca unul dintre tipurile de tratament chimic, este procesul de saturație prin difuzie a stratului de suprafață al oțelului cu azot. Nitrarea cu un efect excelent poate fi utilizată pentru a crește rezistența la uzură, duritatea, rezistența la oboseală, rezistența la coroziune și cavitație a diferitelor materiale (oțeluri structurale, oțeluri rezistente la căldură și aliaje, oțeluri nemagnetice etc.), are un număr de avantaje incontestabile, precum: simplitatea relativă a procesului, posibilitatea utilizării echipamentelor și dispozitivelor universale pentru stivuirea pieselor, posibilitatea nitrurării pieselor de orice dimensiune și formă. În același timp, nitrurarea cu gaz are o serie de dezavantaje: o durată lungă a procesului (20-30 ore), chiar și atunci când se nitrurează pentru grosimi mici ale stratului (0,2-0,3 mm); procesul este dificil de automatizat; protecția locală a suprafețelor care nu sunt supuse nitrurării este dificilă; aplicarea diferitelor acoperiri de galvanizare (placare de cupru, cositorire, nichelare etc.) necesită organizarea unei producții speciale.

Una dintre direcțiile de intensificare a producției este dezvoltarea și implementarea de noi procese și tehnologii promițătoare la întreprinderile industriale care vor îmbunătăți calitatea produselor, vor reduce costurile forței de muncă pentru producția sa, vor crește productivitatea muncii și vor îmbunătăți condițiile sanitare și igienice în producție.

O astfel de tehnologie progresivă este nitrurarea ion-plasmă (IPA) - un tip de tratament chimico-termic al pieselor mașinilor, sculelor, echipamentelor de ștanțare și turnare, asigurând saturația prin difuzie a stratului superficial de oțel și fontă cu azot (azot și carbon) în plasma azot-hidrogen la o temperatură
400-600 ° C, titan și aliaje de titan la o temperatură de 800-950 ° C în plasmă care conține azot. Acest proces este răspândit în prezent în toate țările dezvoltate economic: SUA, Germania, Elveția, Japonia, Anglia, Franța.

În multe cazuri, nitrurarea ionică este mai utilă decât nitrurarea cu gaz. Printre avantajele IPA într-o plasmă cu descărcare strălucitoare sunt următoarele: capacitatea de a controla procesul de saturație, care asigură o acoperire de înaltă calitate, o compoziție de fază și o structură date; asigurând absolut aceeași activitate a mediului gazos pe întreaga suprafață a piesei acoperite de scurgerea de strălucire, acest lucru asigură în cele din urmă obținerea unui strat nitrurat uniform ca grosime; reducerea intensității muncii de protecție locală a suprafețelor care nu sunt supuse nitrurării, care este realizată de ecrane metalice; o reducere bruscă a duratei de nitrurare a pieselor (de 2-2,5 ori); reducerea deformării pieselor. Utilizarea IPA în loc de carburare, nitrocarburare, nitrurare cu gaz sau lichid, stingere volumetrică sau HFC vă permite să economisiți echipamentele de bază și zonele de producție, să reduceți costurile mașinilor și transportului și să reduceți consumul de energie electrică și medii active de gaz.

Esența procesului de nitrurare ionică este următoarea. Într-un spațiu evacuat închis între piesă (catod) și carcasa cuptorului (anod), se inițiază o descărcare de strălucire. Nitrarea se efectuează cu o descărcare de lumină anormală, la o tensiune ridicată de ordinul lui W. Instalațiile moderne asigură stabilitatea descărcării strălucirii la marginea tranziției sale la normal și arc. Principiul de funcționare al dispozitivelor de suprimare a arcului se bazează pe o oprire pe termen scurt a instalației atunci când un arc de volt este aprins.

Nitrarea crește rezistența la coroziune a pieselor fabricate din oțeluri cu carbon și oțel slab aliat. Părțile nitrurate pentru a crește rezistența la suprafață și rezistența la uzură, în același timp dobândesc proprietăți împotriva coroziunii într-un mediu cu aburi, în apă de la robinet, în soluții alcaline, în țiței, benzină și o atmosferă poluată. Nitrarea ionică crește semnificativ duritatea pieselor, care se datorează precipitațiilor de nitruri foarte dispersate, a căror cantitate și dispersie afectează duritatea obținută. Limita de oboseală este crescută prin nitrurare. Acest lucru se explică, în primul rând, printr-o creștere a rezistenței suprafeței și, în al doilea rând, prin apariția de solicitări de compresiune reziduale în ea.

Avantajele nitrurării ionice sunt pe deplin realizate în producția pe scară largă și în masă, în consolidarea loturilor mari de același tip de piese. Prin variația compoziției gazului, a presiunii, temperaturii și a timpului de menținere, se pot obține straturi ale unei structuri date și compoziție de fază. Utilizarea nitrurării ionice are beneficii tehnice, economice și sociale.

20.01.2008

Nitrirea cu plasmă ionică (IPA) - Acesta este un tip de tratament chimico-termic al pieselor mașinilor, sculelor, echipamentelor de turnare și turnare, asigurând saturația prin difuzie a stratului superficial de oțel (fontă) cu azot sau azot și carbon în plasmă azot-hidrogen la o temperatură de 450- 600 ° C, precum și titanul sau aliajele de titan la temperatura de 800-950 ° C în plasma de azot.

Esența nitrurării cu plasmă ionică este aceea că într-un mediu gazos care conține azot descărcat la 200-000 Pa între catod, pe care se află piesele de prelucrat, și anod, al cărui rol este jucat de pereții camerei de vid , este excitată o descărcare de strălucire anormală, care formează un mediu activ (ioni, atomi, molecule excitate). Acest lucru asigură formarea unui strat nitrurat pe suprafața produsului, constând dintr-o zonă - nitrură exterioară cu o zonă de difuzie situată sub acesta.

Prin variația compoziției gazului saturat, a presiunii, temperaturii, a timpului de menținere, se pot obține straturi ale unei structuri date cu compoziția de fază necesară, oferind proprietăți strict reglementate ale oțelurilor, fontelor, titanului sau aliajelor sale. Optimizarea proprietăților suprafeței care trebuie întărită este asigurată de combinația necesară de nitruri și straturi de difuzie, care cresc în materialul de bază. În funcție de compoziția chimică, stratul de nitrură este fie faza y (Fe4N), fie faza e (Fe2-3N). Stratul de e-nitrură este rezistent la coroziune, iar stratul y este rezistent la uzură, dar relativ ductil.

În același timp, folosind nitrurarea ion-plasmă, este posibil să se obțină:

strat de difuzie cu o zonă de nitrură dezvoltată, asigurând o rezistență ridicată la coroziune și introducerea suprafețelor de frecare - pentru piesele supuse uzurii

strat de difuzie fără zonă de nitrură - pentru tăiere, ștanțare scule sau piese care funcționează la presiuni ridicate cu sarcini alternative.

Nitrarea cu plasmă ionică poate îmbunătăți următoarele caracteristici ale produsului:

rezistenta la uzura

rezistență la oboseală

proprietăți anti-confiscare

rezistență la căldură

rezistență la coroziune

Principalul avantaj al metodei este calitate de procesare consecventă cu variații minime de proprietăți din detaliu în detaliu, din cușcă în cușcă. În comparație cu metodele utilizate pe scară largă de întărire a tratamentului chimico-termic al pieselor din oțel, cum ar fi carburarea, nitrocarburarea, cianurizarea, nitrurarea gazelor, metoda nitrurării ion-plasmă are următoarele avantaje principale:

duritate mai mare a suprafeței părților nitrurate

nicio deformare a pieselor după prelucrare

creșterea limitei de rezistență cu creșterea rezistenței la uzură a pieselor prelucrate

temperatură de proces mai scăzută, din cauza căreia nu există modificări structurale în piese

capacitatea de a procesa orb și prin găuri

conservarea durității stratului nitrurat după încălzire la 600 - 650 ° С

capacitatea de a obține straturi dintr-o compoziție dată

capacitatea de a prelucra produse de dimensiuni nelimitate de orice formă

fără poluare a mediului

îmbunătățirea culturii de producție

reducând costul prelucrării de mai multe ori

Avantajele nitrurării cu ioni-plasmă se manifestă printr-o reducere semnificativă a costurilor de producție de bază. De exemplu, în comparație cu nitrurarea gazelor, IPA oferă:

reducerea timpului de procesare de 2 până la 5 ori, atât prin reducerea timpului de încălzire-răcire a încărcăturii, cât și prin reducerea timpului izoterm de reținere

reducerea consumului de gaze de lucru (de 20 - 100 de ori)

reducerea consumului de energie (de 1,5 - 3 ori)

reducerea deformării suficient pentru a exclude șlefuirea finisării

îmbunătățirea condițiilor sanitare și igienice de producție

conformitatea deplină a tehnologiei cu toate cerințele moderne de protecție a mediului

În comparație cu stingerea, tratamentul prin nitrurare cu ion-plasmă permite:

eliminați deformările

crește durata de viață a suprafeței nitrurate (de 2-5 ori)

Utilizarea nitrurării cu plasmă ionică în loc de carburare, nitrocarburare, nitrurare cu gaz sau lichid, stingerea volumetrică sau HFC permite:

economisiți echipamente de bază și spațiu de producție

reduce costurile mașinilor, costurile de transport

pentru a reduce consumul de electricitate, medii active de gaz.

Principalii consumatori de echipamente pentru nitrurarea ion-plasmă sunt automobile, tractoare, aviație, construcții navale, repararea navelor, instalații de mașini-unelte / mașini-unelte, fabrici pentru producția de mașini agricole, echipamente de pompare și compresoare, angrenaje, rulmenți, profile din aluminiu , centrale electrice ...

Metoda de nitrurare ion-plasmă este una dintre cele mai dinamice zone de tratament chimic termic din țările dezvoltate industrial. Metoda IPA a găsit o largă aplicare în industria auto. Este folosit cu succes de cei mai importanti producatori auto / motoare din lume: Daimler Chrysler (Mercedes), Audi, Volkswagen, Voith, Volvo.
De exemplu, următoarele produse sunt procesate prin această metodă:

injectoare pentru autoturisme, plăci purtătoare automate, matrițe, știfturi, matrițe, matrite (Daimler Chrysler)

arcuri pentru sistem de injecție (Opel)

arborele cotit (Audi)

arbori cu came (Volkswagen)

arborele cotit pentru compresor (Atlas, SUA și Wabco, Germania)

angrenaje pentru BMW (Handl, Germania)

angrenaje autobuze (Voith)

întărirea sculelor de presare în producția de produse din aluminiu (Nughovens, Scandex, John Davis etc.)

Există o experiență pozitivă a utilizării industriale a acestei metode de către țările CSI: Belarus - MZKT, MAZ, BelAZ; Rusia - AvtoVAZ, KamAZ, MMPP Salyut, Ufa Engine-Building Association (UMPO).
Metoda IPA este utilizată pentru a procesa:

unelte (MZKT)

angrenaje și alte piese (MAZ)

angrenaje cu diametru mare (peste 800 mm) (BelAZ)

supape de admisie și evacuare (AvtoVAZ)

arborele cotit (KamAZ)

După cum arată experiența mondială în aplicarea tehnologiei de nitrurare ion-plasmă, efectul economic al implementării sale este asigurat în principal prin reducerea consumului de energie electrică, gaze de lucru, reducerea intensității muncii produselor de fabricație datorită unei scăderi semnificative a volumului de măcinarea și îmbunătățirea calității produsului.

În ceea ce privește instrumentele de tăiere și perforare, efectul economic este asigurat prin reducerea consumului său, datorită creșterii de 4 ori sau mai multe ori a rezistenței la uzură, cu o creștere simultană a condițiilor de tăiere.

Pentru unele produse, nitrurarea ion-plasmă este singura modalitate de a obține un produs finit cu o rată minimă de deșeuri.

În plus, procesul IPA asigură o siguranță completă a mediului.

Nitrarea ion-plasmă poate fi utilizată în producție în locul nitrurării lichide sau gazoase, carburării, nitrocarburării, întăririi HFC.

Ar putea fi util să citiți: