Nitrurarea ion-plasmă ca una dintre metodele moderne de întărire a suprafeței materialelor. Tip nitrurare ion-plasmă Unitate de nitrurare ion-plasmă

20.01.2008

Nitrurare ion-plasmă (IPA)- acesta este un fel de tratament chimico-termic al pieselor de mașini, unelte, echipamente de ștanțare și turnare, care asigură saturarea prin difuzie a stratului de suprafață de oțel (fontă) cu azot sau azot și carbon în plasmă de azot-hidrogen la o temperatură de 450- 600 ° C, precum și titan sau aliaje de titan la temperatură 800-950 ° C în plasmă de azot.

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

Variind compoziția gazului saturat, presiunea, temperatura, timpul de menținere, este posibil să se obțină straturi dintr-o structură dată cu compoziția de fază necesară, oferind proprietăți strict reglementate ale oțelurilor, fontelor, titanului sau aliajelor acestuia. Optimizarea proprietăților suprafeței întărite este asigurată de combinația necesară de nitrură și straturi de difuzie care cresc în materialul de bază. În funcție de compoziția chimică, stratul de nitrură este fie o fază y (Fe4N) fie o fază e (Fe2-3N). Stratul de e-nitrură este rezistent la coroziune, iar stratul în Y este rezistent la uzură, dar relativ ductil.

În același timp, cu ajutorul nitrurării ion-plasmei, se pot obține:

strat de difuzie cu o zonă dezvoltată de nitrură, care asigură rezistență ridicată la coroziune și rularea suprafețelor de frecare - pentru piesele de uzură

strat de difuzie fără zonă de nitrură - pentru unelte de tăiere, ștanțare sau piese care operează sub presiuni mari cu sarcini alternante.

Nitrurarea ionică-plasmă poate îmbunătăți următoarele caracteristici ale produselor:

rezistenta la uzura

rezistență la oboseală

proprietăți de presiune extremă

rezistență la căldură

rezistență la coroziune

Principalul avantaj al metodei este calitate stabilă a prelucrării cu o dispersie minimă a proprietăților de la detaliu la detaliu, cușcă în cușcă. În comparație cu metodele utilizate pe scară largă de întărire a tratamentului chimico-termic al pieselor din oțel, cum ar fi cementarea, carbonitrurarea, cianurarea, nitrurarea gazoasă, metoda nitrurării ion-plasmă are următoarele avantaje principale:

duritate mai mare a suprafeței pieselor nitrurate

fără deformare a pieselor după prelucrare

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

temperatură de proces mai scăzută, rezultând fără modificări structurale ale pieselor de prelucrat

Posibilitatea prelucrarii orificiilor oarbe si traversante

păstrarea durității stratului nitrurat după încălzire la 600 - 650 ° C

posibilitatea de a obţine straturi dintr-o compoziţie dată

capacitatea de a procesa produse de dimensiuni nelimitate de orice formă

fara poluare mediu inconjurator

îmbunătățirea culturii producției

reducerea costului procesării de mai multe ori

Avantajele nitrurării ion-plasmă se manifestă printr-o reducere semnificativă a principalelor costuri de producție. De exemplu, în comparație cu nitrurarea gazoasă, IPA oferă:

reducerea timpului de procesare de la 2 la 5 ori, atât prin reducerea timpului de încălzire - răcire a încărcăturii, cât și prin reducerea timpului de expunere izotermă

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

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

deformare redusă suficient pentru a elimina șlefuirea finisajului

îmbunătățirea condițiilor sanitare și igienice de producție

conformitatea deplină a tehnologiei cu toate cerințele moderne pentru protecția mediului

În comparație cu întărirea, prelucrarea prin nitrurare ion-plasmă permite:

exclude deformarile

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

Utilizarea nitrurării ion-plasmă în loc de cementare, nitrocarburare, nitrurare gazoasă sau lichidă, întărire în vrac sau de înaltă frecvență permite:

economisiți echipamentele de capital și spațiul de producție

reducerea costurilor cu mașinile, costurile de transport

reduce consumul de energie electrică, medii gazoase active.

Principalii consumatori de echipamente pentru nitrurare ion-plasma sunt auto, tractoare, aeronave, construcții navale, reparații navale, fabrici de mașini/mașini-unelte, instalații pentru producția de mașini agricole, echipamente de pompare și compresoare, angrenaje, rulmenți, profile din aluminiu, centrale electrice. ...

Metoda nitrurării ion-plasmei este una dintre cele mai dinamice domenii ale tratamentului chimico-termic în țările industrializate. Metoda IPA și-a găsit o aplicare largă în industria auto. Este folosit cu succes de cele mai importante companii de constructii auto/motoare din lume: Daimler Chrysler (Mercedes), Audi, Volkswagen, Voith, Volvo.
De exemplu, următoarele produse sunt procesate prin această metodă:

duze pentru mașini, plăci suport de transmisie automată, matrițe, poanson, matrițe, matrițe (Daimler Chrysler)

arcuri pentru sistemul de injectie (Opel)

arbori cotiți (Audi)

arbori cu came (Volkswagen)

arbori cotiți pentru compresoare (Atlas, SUA și Wabco, Germania)

viteze pentru BMW (Handl, Germania)

angrenaje autobuz (Voith)

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

Există o experiență pozitivă de utilizare industrială aceasta metodaȚările CSI: Belarus - MZKT, MAZ, BelAZ; Rusia - AvtoVAZ, KamAZ, MMPP Salyut, Ufa Engine Building Association (UMPO).
Metoda IPA procesează:

angrenaje (MZKT)

angrenaje și alte piese (MAZ)

angrenaje cu diametru mare (mai mult de 800 mm) (BelAZ)

supape de admisie și evacuare (AvtoVAZ)

arbori cotiți (KamAZ)

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

În ceea ce privește sculele de tăiere și ștanțare, efectul economic se realizează prin reducerea consumului acestuia datorită creșterii rezistenței sale la uzură de 4 sau mai multe ori cu creșterea simultană a condițiilor de tăiere.

Pentru unele produse, nitrurarea ion-plasmă este singura modalitate de a obține un produs finit cu un procent minim de rebuturi.

În plus, procesul IPA asigură siguranța totală a mediului.

Nitrurarea ion-plasmă poate fi utilizată în producție în locul nitrurării lichide sau gazoase, cementare, nitrocarburare, întărire de înaltă frecvență.

Îmbunătățirea proprietăților unui metal poate avea loc prin modificarea compoziției sale chimice. Un exemplu este nitrurarea oțelului - relativ tehnologie nouă saturația stratului de suprafață cu azot, care a început să fie utilizat la scară industrială în urmă cu aproximativ un secol. Tehnologia luată în considerare a fost propusă pentru a îmbunătăți unele dintre calitățile produselor din oțel. Să luăm în considerare mai detaliat modul în care oțelul este saturat cu azot.

Numirea nitrurării

Mulți oameni compară carburarea și nitrurarea, deoarece ambele sunt concepute pentru a crește dramatic performanța unei piese. Tehnologia de injectare a azotului are mai multe avantaje față de cementare, printre care nu este necesară creșterea temperaturii țaglelor la valorile la care are loc atașarea rețelei atomice. De asemenea, se remarcă faptul că tehnologia de aplicare a azotului practic nu modifică dimensiunile liniare ale semifabricatelor, datorită cărora poate fi utilizată după finisare. Pe multe linii de producție, piesele care au fost stinse și măcinate sunt nitrurate, aproape gata de producție, dar unele calități trebuie îmbunătățite.

Scopul nitrurării este asociat cu o modificare a principalelor caracteristici de performanță în procesul de încălzire a piesei într-un mediu caracterizat de o concentrație mare de amoniac. Datorită unui astfel de impact, stratul de suprafață este saturat cu azot, iar piesa dobândește următoarele calități operaționale:

1. Rezistența la uzură a suprafeței este crescută semnificativ datorită indicelui de duritate crescut.
2. Se îmbunătățește valoarea rezistenței și rezistenței la creșterea oboselii structurii metalice.
3. În multe industrii, utilizarea nitrurării este asociată cu necesitatea de a conferi rezistență anticoroziune, care este menținută în contact cu apa, aburul sau aerul cu umiditate ridicată.

Informațiile de mai sus determină că rezultatele nitrurării sunt mai semnificative decât cementarea. Avantajele și dezavantajele procesului depind în mare măsură de tehnologia aleasă. În majoritatea cazurilor, performanța transferată este menținută chiar și atunci când piesa de prelucrat este încălzită la o temperatură de 600 de grade Celsius, în cazul cimentării, stratul de suprafață își pierde duritatea și rezistența după încălzirea la 225 de grade Celsius.

Tehnologia procesului de nitrurare

În multe privințe, procesul de nitrurare a oțelului este superior altor metode care implică modificarea compoziției chimice a metalului. Tehnologia de nitrurare a pieselor din oțel are următoarele caracteristici:

1. În cele mai multe cazuri, procedura se efectuează la o temperatură de aproximativ 600 de grade Celsius. Piesa este plasată într-un cuptor cu mufă de fier sigilat, care este plasat în cuptor.
2. Având în vedere modurile de nitrurare, ar trebui să se țină cont de temperatură și timpul de menținere. Pentru diferite oțeluri, acești indicatori vor diferi semnificativ. De asemenea, alegerea depinde de ce performanță trebuie atinsă.
3. Amoniacul este furnizat dintr-un cilindru în recipientul metalic creat. Temperatura ridicată face ca amoniacul să se descompună, eliberând molecule de azot.
4. Moleculele de azot pătrund în metal datorită trecerii procesului de difuzie. Datorită acestui fapt, la suprafață se formează activ nitruri, care se caracterizează printr-o rezistență crescută la stres mecanic.
5. Procedura de expunere chimico-termică în acest caz nu prevede o răcire bruscă. De regulă, cuptorul de nitrurare este răcit împreună cu fluxul de amoniac și piesa, astfel încât suprafața să nu se oxideze. Prin urmare, tehnologia luată în considerare este potrivită pentru schimbarea proprietăților pieselor care au fost deja finisate.

Procesul clasic de obținere a produsului necesar cu nitrurare presupune mai multe etape:

1. Tratament termic pregătitor, care constă în călire și revenire. Datorită rearanjarii rețelei atomice într-un regim dat, structura devine mai vâscoasă, iar rezistența crește. Răcirea poate avea loc în apă sau ulei, un alt mediu - totul depinde de cât de înaltă calitate ar trebui să fie produsul.
2. În continuare, se efectuează prelucrarea pentru a da forma și dimensiunea dorite.
3. În unele cazuri, este necesar să se protejeze anumite părți ale produsului. Protecția se realizează prin aplicarea de sticlă lichidă sau tablă cu un strat de aproximativ 0,015 mm grosime. Din acest motiv, pe suprafață se formează o peliculă de protecție.
4. Nitrurarea oțelului se realizează după una dintre cele mai potrivite metode.
5. Se lucrează la prelucrarea de finisare, îndepărtarea stratului protector.

Stratul rezultat după nitrură, care este reprezentat de nitrură, este de la 0,3 la 0,6 mm, eliminând astfel necesitatea unei proceduri de întărire. După cum s-a menționat anterior, nitrurarea este efectuată relativ recent, dar procesul de transformare a stratului de suprafață al metalului a fost deja studiat aproape complet, ceea ce a făcut posibilă creșterea semnificativă a eficienței tehnologiei utilizate.

Metale și aliaje supuse nitrurării

Există anumite cerințe care se aplică metalelor înainte de a efectua procedura în cauză. De regulă, se acordă atenție concentrației de carbon. Tipurile de oțeluri potrivite pentru nitrurare sunt foarte diferite, condiția principală este proporția de carbon 0,3-0,5%. Cele mai bune rezultate realizat prin utilizarea aliajelor aliate, deoarece impuritățile suplimentare contribuie la formarea de nitriți solizi suplimentari. Un exemplu de tratare chimică a metalului este saturarea stratului de suprafață al aliajelor care conțin impurități sub formă de aluminiu, crom și altele. Aliajele luate în considerare sunt denumite în mod obișnuit aliaje nitrale.

Introducerea azotului se realizează atunci când se utilizează următoarele tipuri de oțel:

1. Dacă se exercită un efect mecanic semnificativ asupra piesei în timpul funcționării, atunci se alege marca 38X2MYUA. Contine aluminiu, ceea ce determina scaderea rezistentei la deformare.
2. În industria mașinilor-unelte, oțelurile 40X și 40XFA sunt cele mai utilizate.
3. La fabricarea arborilor, care sunt adesea supuși sarcinilor de încovoiere, sunt utilizate clasele 38KhGM și 30KhZM.
4. Dacă în timpul producției este necesar să se obțină o precizie ridicată a dimensiunilor liniare, de exemplu, atunci când se creează părți ale unităților de combustibil, atunci se utilizează oțel de calitate 30KhZMF1. Pentru a crește semnificativ rezistența suprafeței și duritatea acesteia, se realizează preliminar alierea cu silex.

Atunci când alegeți cel mai potrivit grad de oțel, principalul lucru este să respectați starea asociată cu procentul de carbon și, de asemenea, să luați în considerare concentrația de impurități, care au, de asemenea, un impact semnificativ asupra proprietăților de performanță ale metalului.

Principalele tipuri de nitrurare

Există mai multe tehnologii prin care se realizează nitrurarea oțelului. Să luăm ca exemplu următoarea listă:

1. Mediu amoniac-propan. Nitrurarea gazoasă a devenit foarte răspândită astăzi. În acest caz, amestecul este reprezentat de o combinație de amoniac și propan, care sunt luate într-un raport de 1 la 1. După cum arată practica, nitrurarea gazelor atunci când se utilizează un astfel de mediu necesită încălzire la o temperatură de 570 de grade Celsius și menținere timp de 3 ore. Stratul rezultat de nitruri se caracterizează printr-o grosime mică, dar, în același timp, rezistența la uzură și duritatea sunt mult mai mari decât în ​​cazul utilizării tehnologiei clasice. Nitrurarea pieselor de oțel în acest caz face posibilă creșterea durității suprafeței metalice la 600-1100 HV.
2. Descărcarea strălucitoare este o tehnică care implică și utilizarea unui mediu care conține azot. Particularitatea sa constă în conectarea pieselor nitrurate la catod, mufa acționând ca o sarcină pozitivă. Prin conectarea catodului, este posibilă accelerarea procesului de mai multe ori.
3. Mediul lichid este folosit puțin mai rar, dar se caracterizează și prin eficiență ridicată. Un exemplu este o tehnologie care implică utilizarea unui strat de cianură topită. Încălzirea se efectuează la o temperatură de 600 de grade, perioada de expunere este de la 30 de minute la 3 ore.

În industrie, cel mai răspândit este mediul gazos datorită posibilității procesării unui lot mare deodată.

Nitrurarea catalitică a gazelor

Acest tip de tratament chimic presupune crearea unei atmosfere speciale în cuptor. Amoniacul disociat este pretratat pe un element catalitic special, care crește semnificativ cantitatea de radicali ionizați. Caracteristicile tehnologiei sunt următoarele:

1. Prepararea preliminară a amoniacului face posibilă creșterea ponderii difuziei soluției solide, ceea ce reduce ponderea proceselor chimice de reacție în timpul tranziției substanței active de la mediu la fier.
2. Asigură utilizarea echipamentelor speciale care oferă cel mai mult conditii favorabile prelucrare chimică.

Această metodă a fost folosită de câteva decenii, vă permite să schimbați proprietățile nu numai ale metalelor, ci și ale aliajelor de titan. Costurile ridicate de instalare a echipamentelor și pregătirea mediului determină aplicabilitatea tehnologiei la obținerea pieselor critice care trebuie să aibă dimensiuni precise și rezistență sporită la uzură.

Proprietățile suprafețelor metalice nitrurate

Destul de importantă este întrebarea ce duritate a stratului nitrurat este atinsă. Când se ia în considerare duritatea, se ia în considerare tipul de oțel prelucrat:

1. Oțelul carbon poate avea duritate între 200-250HV.
2. Aliajele aliate după nitrurare capătă duritate în intervalul 600-800HV.
3. Nitraloys, care conțin aluminiu, crom și alte metale, pot obține duritate de până la 1200HV.

Se schimbă și alte proprietăți ale oțelului. De exemplu, rezistența la coroziune a oțelului crește, datorită faptului că poate fi utilizat într-un mediu agresiv. Procesul de introducere a azotului în sine nu duce la apariția defectelor, deoarece încălzirea se efectuează la o temperatură care nu modifică rețeaua atomică.

Și producțiile dezvoltate industrial astăzi preferă tratamentul chimico-termic, în special, nitrurarea ion-plasmă (denumită în continuare IPA), care se compară favorabil cu tehnologiile termice din punct de vedere economic. Astăzi, IPA este utilizat în mod activ în construcțiile de mașini, nave și mașini-unelte, industriile agricole și de reparații, pentru producția de instalații din industria energetică. Printre întreprinderile care utilizează în mod activ tehnologia nitrurării ion-plasmei se numără nume atât de mari precum concernul german Daimler Chrysler, gigantul automobilistic BMW, suedezul Volvo, uzina belarusă de tractoare cu roți, KamAZ și BelAZ. În plus, avantajul IPA a fost apreciat de producătorii de scule de presare: Skandex, Nughovens.

Proces tehnologic

Nitrurarea ion-plasma, utilizată pentru unelte de lucru, piese de mașini, echipamente pentru ștanțare și turnare, asigură saturarea stratului superficial al produsului cu azot sau un amestec de azot-carbon (în funcție de materialul piesei de prelucrat). Instalațiile IPA funcționează într-o atmosferă rarefiată la presiuni de până la 1000 Pa. Camera, care funcționează pe principiul unui sistem catod-anod, este furnizată cu un amestec de azot-hidrogen pentru prelucrarea fontei și a diferitelor oțeluri, sau azot pur ca gaz de lucru pentru lucrul cu titan și aliajele sale. Piesa de prelucrat servește drept catod, iar pereții camerei servesc drept anod. Excitarea unei sarcini anormal de strălucitoare inițiază formarea unei plasme și, ca urmare, a unui mediu activ, care include ioni încărcați, atomi și molecule ale amestecului de lucru care se află într-o stare excitată. Presiunea scăzută asigură o acoperire uniformă și completă a piesei de prelucrat cu o strălucire. Temperatura plasmei 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 procesat face posibilă eliminarea completă a etapei de finisare a măcinarii.

Filmul format la suprafață este format din două straturi: stratul inferior de difuzie și stratul superior de nitrură. Calitatea stratului de suprafață modificat și eficiență economică Procesul în ansamblu depinde 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 IPA. Pentru a reduce intensitatea proceselor metabolice cu pereții camerei, se folosesc scuturi speciale de căldură neconductoare. Acestea permit economii semnificative în consumul de energie. Temperatura procesului, cuplată cu durata, afectează adâncimea de penetrare a nitrururilor, ceea ce provoacă modificări în graficul distribuției în adâncime a indicatorilor de duritate. Temperaturile sub 500 de grade sunt cele mai optime pentru nitrurarea oțelurilor aliate prelucrate la rece și a materialelor martensitice, deoarece performanța este crescută fără modificarea durității 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 aplicării nitrurării ion-plasmă

Nitrurarea ion-plasmă face posibilă creșterea indicatorilor de rezistență la uzură cu o scădere simultană a tendinței de deteriorare prin oboseală a structurii metalice. Obținerea proprietăților de suprafață necesare este determinată de raportul dintre adâncimea și compoziția straturilor de difuzie și nitrură. Stratul de nitrură, pe baza compoziției chimice, este de obicei împărțit în două faze definitorii: „gamma” cu un procent mare de compuși Fe4N și „upsilon” cu Fe2N Fe3N. -faza se caracterizează prin plasticitate scăzută a stratului de suprafață cu rezistență ridicată la diferite tipuri de coroziune, faza ε conferă o acoperire relativ plastică rezistentă la uzură.

În ceea ce privește stratul de difuzie, zona de nitrură dezvoltată adiacentă reduce probabilitatea coroziunii intergranulare, oferind un grad de rugozitate suficient pentru frecare activă. Piesele cu un astfel de raport de straturi sunt utilizate cu succes în mecanismele de uzură. Excluderea stratului de nitrură face posibilă prevenirea distrugerii cu o schimbare constantă a forței de sarcină în condiții de presiune suficient de mare.

Acea. Nitrurarea ion-plasmă este utilizată pentru a optimiza rezistența la uzură, căldură și coroziune, cu o modificare a rezistenței la oboseală și a rugozității, care afectează probabilitatea de uzură a stratului de suprafață.

Avantajele nitrurării cu plasmă ionică

Nitrurarea ion-plasmă într-un proces tehnic bine ajustat oferă o răspândire minimă a proprietăților suprafeței de la o parte la alta la o intensitate energetică relativ scăzută, ceea ce face IPA mai atractiv decât nitrurarea, nitrocarburarea și cianurarea tradiționale cu gaze de cuptor.

Nitrurarea 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, cuplat cu posibilitatea de reglare fină a proprietăților fizice și mecanice, face posibilă utilizarea IPA pentru rezolvare. o mare varietate de probleme. În plus, nitrurarea ion-plasmă este excelentă pentru prelucrarea oțelurilor de diferite grade, deoarece temperatura de lucru procesul în amestecul de azot-carbon nu depășește 600 de grade, ceea ce exclude încălcări ale structurii interne și, dimpotrivă, ajută la reducerea probabilității de deteriorare prin oboseală și deteriorare din cauza fragilității ridicate a fazei de nitrură.

Pentru a îmbunătăți performanța anticorozivă și duritatea suprafeței prin nitrurare ion-plasmă, sunt potrivite piesele de prelucrat de orice formă și dimensiune, cu găuri traversante și oarbe. Protecția ecranului împotriva nitrurării nu este o soluție de inginerie complexă, astfel încât prelucrarea secțiunilor individuale de orice formă este ușoară și simplă.

În comparație cu alte metode de întărire și creștere a rezistenței intergranulare, IPA se caracterizează printr-o durată de câteva ori mai scurtă a procesului și o reducere de două ori a consumului de gaz de lucru. Acea. Nitrurarea ion-plasmă necesită de 2-3 ori mai puțină energie electrică, iar calitatea suprafeței produsului procesat face posibilă eliminarea completă a etapei de finisare a măcinarii. În plus, este posibil să se inverseze procesul de nitrurare, de exemplu înainte de măcinare.

Epilog

Din păcate, chiar și pe fundalul țărilor vecine, producătorii autohtoni folosesc destul de rar nitrurarea prin metoda ion-plasmă, deși avantajele economice și fizice și mecanice sunt vizibile cu ochiul liber. Introducerea nitrurării 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 această problemă plan financiar, deși nu există obstacole subiectiv reale. Nitrurarea ionică-plasmă, cu un design de echipament destul de simplu, 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 producători străini de echipamente IPA, ceea ce face achiziția unor astfel de unități mai accesibilă și mai ieftină. Aparent, problema principală stă doar în banala luare a deciziilor, care, ca tradiție rusă, se va naște la noi pentru o perioadă lungă și dificilă.

Cu compoziția și modul corect de aplicare a straturilor rezistente la uzură, performanța sculei de tăiere poate fi îmbunătățită semnificativ. Cu toate acestea, datorită invariabilității proprietăților acoperirii într-un singur strat la interfața cu baza sculei, proprietățile fizice, mecanice și termice (în primul rând modulul de elasticitate și coeficientul de dilatare termică) se modifică dramatic, ceea ce duce la formarea de tensiuni reziduale ridicate în acoperire și o scădere a rezistenței legăturii sale adezive.cu o bază, care este cea mai importantă condiție pentru funcționarea cu succes a unei scule de tăiere acoperite.

Cele specificate, precum și modificările proceselor de contact și termice în timpul prelucrării cu o unealtă acoperită, necesită crearea unui strat de tranziție intermediar între baza sculei și acoperire, care crește rezistența penei de tăiere acoperite la sarcinile active.

Cea mai comună metodă de formare a unui astfel de strat este nitrurarea ionică. În acest caz, stratul nitrurat format înainte de acoperire, în funcție de condițiile specifice de funcționare a sculei, trebuie să aibă o anumită structură, grosime și microduritate. În practică, uneltele din oțel de mare viteză sunt de obicei supuse unei astfel de prelucrări.

Figura 4. Schema schematică a unei instalații cu arc de vid pentru prelucrarea combinată a sculelor, inclusiv nitrurarea ionică și acoperirea: 1 - țintă; 2 - anod; 3 - ecran; 4 - camera de vid; 5 - atomi neutri; 6 - ioni; 7 - electroni; 8 - scule prelucrate

Pentru nitrurarea ionică și acoperirea ulterioară, este recomandabil să se folosească o instalație bazată pe o descărcare cu arc de vid, în care toate etapele de călire combinată pot fi implementate într-un singur ciclu tehnologic fără a supraîncărca sculele prelucrate.

Principiul de funcționare al unei astfel de instalații este următorul (Figura 4).

Ținta este evaporată de punctele catodice ale arcului de vid și este folosită ca catod de descărcare a arcului. Un ecran special situat între țintă și anod împarte camera în două zone pline cu metal-gaz (în stânga ecranului) și plasmă de gaz (în dreapta). Acest ecran este impermeabil la micropicături, atomii neutri și ionii metalici emiși de petele catodice de pe suprafața țintă. Doar electronii pătrund în ecran, ionizează gazul furnizat camerei în drumul lor către anod și formează în acest fel o plasmă de gaz care nu conține particule de metal.

Sculele scufundate în plasmă sunt încălzite de electroni atunci când li se aplică un potențial pozitiv, iar când se aplică un potențial negativ, sunt nitrurate. La sfârșitul nitrurării, ecranul este deplasat în lateral și după ce particulele țintei metalice încep să curgă pe suprafața sculei, acoperirea este sintetizată.

Depunerea de acoperire este un proces foarte consumator de energie, însoțit de acțiunea unui flux de plasmă de mare energie, mai ales în momentul bombardării ionice. Ca urmare, caracteristicile stratului obținut prin nitrurare ionică se pot schimba semnificativ.

Prin urmare, la optimizarea procesului de prelucrare combinată a sculelor de mare viteză, este necesar să se țină cont nu numai de factorii procesului de nitrurare, ci și ai procesului ulterior de aplicare a unui strat rezistent la uzură - în primul rând, aplicarea. timp, de care depinde direct grosimea acoperirii. Pe de o parte, creșterea acesteia are un efect pozitiv asupra creșterii rezistenței la uzură a plăcuțelor de contact ale sculei, iar pe de altă parte, duce la o creștere vizibilă a numărului de defecte ale acoperirii, o scădere a aderenței. rezistența acoperirii la materialul sculei și o scădere a capacității acoperirii de a rezista deformațiilor elastic-plastice.

Cele mai importante condiții pentru tratarea combinată sunt temperatura și durata procesului de nitrurare, fracția volumică de azot din amestecul de gaz cu argon și timpul procesului ulterior de acoperire rezistentă la uzură. Alti factori acest proces: presiunea azotului, tensiunea de referință, curentul arcului pe catod - afectează în principal caracteristicile acoperirii și trebuie setate la fel ca și în cazul depunerii acoperirilor tradiționale.

În funcție de tipul sculei de tăiere și de condițiile funcționării sale ulterioare în timpul prelucrării combinate, modurile sale variază de obicei în următoarele limite: temperatura de nitrurare 420 ... 510 ° C; fracția atomică de azot N 2 într-un amestec gazos cu argon 10 ... 80%; timp de nitrurare 10...70 min; presiunea amestecului de gaz ~ 9,75·10 -1 Pa; timp de aplicare a stratului 40...80 min.

Practica exploatării sculelor din oțeluri de mare viteză după călirea combinată în diferite operații de prelucrare arată că prezența unui strat nitrurat sub acoperire, în care există o zonă de nitrură fragilă (faza a și a), limitează semnificativ efectul prelucrării combinate.

O astfel de structură se formează în timpul nitrurării într-o atmosferă de azot pur folosind o plasmă de descărcare cu arc de vid. Prezența unei zone de nitrură relativ groase (> 0,5 µm) în tăierea continuă (strunjire și găurire) nu asigură o creștere semnificativă a duratei de viață a sculei în comparație cu o sculă cu un strat tradițional, iar în tăierea întreruptă (frezare și dăltuire) duce adesea la ciobirea muchiilor de tăiere deja în primele minute de funcționare a sculei.

Introducerea argonului în compoziția unei atmosfere care conține azot în timpul nitrurării înainte de depunerea acoperirii face posibilă controlul compoziției de fază a stratului format și, în funcție de condițiile specifice de funcționare a sculei de tăiere și scopul său de serviciu, obținerea structura necesara.

Atunci când se operează o unealtă de mare viteză cu prelucrare combinată în condiții de tăiere intermitentă, structura optimă a stratului nitrurat este o soluție solidă vâscoasă și rezistentă la sarcină de azot în martensită, în care se formează o cantitate mică de nitruri dispersate ale componentelor de aliere. este admisibil.

Această structură poate fi obținută prin nitrurare într-un mediu care conține ~ 30% N 2 și 70% Ar.

In cazul functionarii sculei in conditii de taiere continua, stratul format din martensita azotata si nitruri speciale ale elementelor de aliere (W, Mo, Cr, V) se caracterizeaza prin cea mai mare performanta.

În plus, prezența unei cantități foarte mici de fază a este admisibilă. Această structură mărește rezistența stratului de suprafață al sculei la sarcinile termice și se poate forma în timpul nitrurării într-un mediu care conține ~ 60% N2 și 40% Ar.

Învelișul (Ti, Al)N depus pe probe nitrurate în amestecuri unice care conțin, %, 60 N 2 + 40 Ar și 30 N 2 + 70 Ar, se caracterizează printr-o putere de aderență satisfăcătoare. Probele nu prezintă nicio decojire a acoperirii, nici fisuri evidente, care au fost găsite pe probele nitrurate la 100% N2.

Crearea unui complex rezistent la uzură pe plăcuțele de contact ale unei scule de tăiere, format prin nitrurare ionică urmată de acoperire într-o plasmă de descărcare cu arc de vid, afectează în mod semnificativ intensitatea și natura uzurii sculei.

Figurile 5 si 6 prezinta profilograme obtinute experimental ale uzurii sculei cu o acoperire si cu prelucrare combinata la strunjirea longitudinala si frezarea frontala a otelului structural 45. intensitatea acestuia.

Pentru condițiile de funcționare luate în considerare, există o eficiență scăzută a unei scule cu înveliș fără nitrurare, atât la frezare, cât și la strunjire. Acest lucru se datorează faptului că învelișul este distrus foarte rapid și condițiile de frecare de pe suprafața din spate se apropie din ce în ce mai mult de cele tipice pentru o unealtă neacoperită. Și aceasta înseamnă că cantitatea de căldură eliberată crește, temperatura din apropierea suprafeței din spate crește, drept urmare procese ireversibile de înmuiere în materialul sculei, care duc la uzură catastrofală.

Studiile privind natura tocirii sculei cu nitrurare și acoperire ne permit să concluzionam că principala contribuție la reducerea intensității uzurii a unei scule de mare viteză o are așa-numitul „efect de margine”, care constă în următoarele.

Deja în primele minute de funcționare a sculei, așa cum se poate observa din profilogramele suprafețelor sale de lucru (Figurile 5 și 6), acoperirea este distrusă la întreaga sa grosime în zonele din apropierea muchiei de tăiere. Cu toate acestea, creșterea ulterioară a centrelor de uzură de-a lungul lungimii și adâncimii este restrânsă de marginile zonelor de contact, care păstrează combinația rezistentă la uzură a stratului de acoperire și a stratului nitrurat.

În plus, stratul nitrurat de suprafață, care are o duritate crescută combinată cu o rezistență ridicată la căldură, se caracterizează printr-o rezistență mai mare la deformațiile microplastice și contribuie la inhibarea proceselor de înmuiere la suprafața posterioară.

Figura 5. Profilograme secțiunilor uzate ale inserțiilor de tăiere din oțel R6M5 la strunjirea oțelului 45: a - R6M5 + (Ti, A1)N; b - Р6М5 + nitrurare + (Ti, A1)N; moduri de prelucrare: v = 82 m/min; S = 0,2 mm/tur; / = 1,5 mm (fără lichid de răcire)

Figura 6. Profilograme secțiunilor uzate ale inserțiilor de tăiere din oțel R6M5 la frezarea frontală a oțelului 45: a - R6M5 + (Ti, Al)N; b - Р6М5 + nitrurare + (Ti, Al)N; moduri de prelucrare: v = 89 m/min; S= 0,15 mm/dinte; H = 45 mm;

Experiența în producție arată că tratamentul combinat, care asigură nitrurarea preliminară și acoperirea ulterioară, face posibilă creșterea duratei de viață a celei mai largi game de scule de mare viteză de până la 5 și de până la 3 ori în comparație cu sculele fără întărire și cu un instrument tradițional. acoperire, respectiv.

Figura 7 arată dependența modificării uzurii în timp h 3 \u003d f (T) a inserțiilor de tăiere din oțel R6M5 care au trecut tipuri diferite călirea suprafeței, în timpul strunjirii și frezării frontale a oțelului 45. Se poate observa că rezistența la uzura catastrofală a sculei în timpul strunjirii crește de 2,6 ori, iar la frezare - de 2,9 ori față de o unealtă cu înveliș, dar fără nitrurare. .

Figura 7. Dependența uzurii de suprafața flancului unei scule din oțel R6M5 cu diferite opțiuni de tratare a suprafeței de timpul de tăiere: -- *-- P6M5 + (Ti, A1)N; --*-- Р6М5 + nitrurare + (Ti-Al)N; a - strunjirea oțelului 45 la v = 82 m / min; S = 0,2 mm/tur; /=1,5 mm; b - frezarea otelului 45: v = 89 m/min; 5= 0,15 mm/dinte; H = 45 mm; t = 1,5 mm

Călirea ion-plasmă Metodele vid ion-plasmă pentru călirea suprafețelor pieselor includ următoarele procese: generarea (formarea) unui flux corpuscular de materie; activarea, accelerarea și focalizarea acesteia; ; condensarea și pătrunderea în suprafața pieselor (substraturi). Generare: fluxul corpuscular al materiei este posibil prin evaporarea (sublimarea) și pulverizarea acesteia. Evaporare: trecerea fazei condensate în vapori se realizează ca urmare a furnizării de energie termică a substanței evaporate. Solidele se topesc de obicei când sunt încălzite și apoi se transformă în stare gazoasă. Unele substanțe trec în stare gazoasă ocolind faza lichidă. Acest proces se numește sublimare. .

Folosind metodele tehnologiei ion-plasmă în vid, se pot efectua: 1) modificarea straturilor de suprafață: saturarea ion-difuzie; (nitrurare ionică, cementare, borurare etc.); gravare (curățare) ionică (plasmă); implantare ionică (implementare); recoacere cu descărcare strălucitoare; CTO în mediul de descărcare non-susținută; 2) acoperire: polimerizare prin descărcare strălucitoare; depunerea ionică (sistem de pulverizare cu triodă, sistem de pulverizare cu diode, folosind descărcarea într-un catod gol); evaporarea arcului electric; metoda clusterului de ioni; pulverizare catodică (cc, frecvență înaltă); depunerea chimică în plasma cu descărcare luminoasă.

Avantajele metodelor de întărire cu ion-plasmă în vid aderență ridicată a acoperirii la substrat; uniformitatea acoperirii în grosime pe o suprafață mare; variația compoziției de acoperire într-o gamă largă, în cadrul unui ciclu tehnologic; obținerea unei purități ridicate a suprafeței de acoperire; curăţenia mediului a ciclului de producţie.

Pulverizarea ionică Pulverizarea ionică este împărțită în două grupe: pulverizarea plasmonică, în care ținta se află într-o plasmă cu descărcare de gaz creată de o strălucire, arc și descărcare de înaltă frecvență. Pulverizarea are loc ca urmare a bombardării țintei cu ioni extrași din plasmă; surse autonome fără focalizare și cu focalizarea fasciculelor de ioni care bombardează ținta.

Sistem principal de pulverizare 1 - camera; 2 - suport substrat; 3 - detalii (substraturi); 4 - tinta; 5 - catod; 6 - ecran; 7 - furnizarea gazului de lucru; 8 - alimentare; 9 - pompare.

CTO într-un mediu cu descărcare luminoasă Instalațiile de difuzie cu descărcare luminoasă sunt utilizate pentru nitrurare, cementare, siliciurare și alte tipuri de CTO din faza gazoasă. Adâncimea stratului de difuzie atinge câțiva milimetri cu saturarea uniformă a întregii suprafețe a produsului. Procesul se desfășoară la o presiune redusă de 10 -1 - 10 -3 Pa, ceea ce asigură existența unei descărcări strălucitoare. Avantajele utilizării unei descărcări luminoase: eficiență energetică ridicată (consum doar pentru ionizarea gazelor și încălzirea piesei); reducerea duratei procesului, datorită încălzirii rapide la temperatura de saturație; creșterea activității mediului gazos și a stratului de suprafață; posibilitatea de a obține acoperiri din metale refractare, aliaje și compuși chimici. Dezavantaje ale procesului: presiune scăzută în cameră (10 -1 Pa), productivitate scăzută, funcționare în lot, imposibilitate de prelucrare a produselor lungi (de exemplu, țevi), consum semnificativ de energie, cost ridicat al instalațiilor.

Saturația prin difuzie ionică Avantaje față de nitrurarea convențională cu gaz: reducerea timpului de ciclu de 3-5 ori; reducerea deformarii pieselor de 3-5 ori; posibilitatea de a efectua procese de nitrurare controlată pentru a obține straturi cu o compoziție și o structură dată; posibilitatea de a reduce temperatura procesului de nitrurare la 350 -400 0 С, ceea ce face posibilă evitarea înmuirii materialelor de bază ale produselor; reducerea fragilității stratului și creșterea caracteristicilor sale de serviciu; ușurință de protecție a secțiunilor individuale ale pieselor împotriva nitrurării; eliminarea pericolului de explozie a cuptorului; reducerea consumului specific de energie electrică de 1,5-2 ori și a gazului de lucru de 30-50 ori; îmbunătățirea condițiilor de muncă pentru lucrătorii termici. Dezavantaje: imposibilitatea accelerării procesului prin creșterea densității fluxului de ioni, deoarece ca urmare a supraîncălzirii pieselor, duritatea suprafeței scade; intensificarea procesului de nitrurare ionică; aplicarea unui câmp magnetic pentru a crește densitatea curentului și a reduce presiunea gazului; prin crearea suprafeței piesei cu o defectivitate dată (deformare plastică preliminară, tratament termic).

Unitate de cementare ionică EVT

Cementarea ionică Cementarea ionică creează un gradient mare de concentrație de carbon în stratul limită. Rata de creștere a stratului de material cementat este de 0,4…0,6 mm/h, ceea ce este de 3…5 ori mai mare decât în ​​cazul altor metode de cementare. Durata cimentării ionice pentru obținerea unui strat cu grosimea de 1 ... 1,2 mm se reduce la 2 ... 3 ore. Datorită consumului redus de gaze, energie electrică și timpilor scurti de procesare costurile productiei scade de 4 ... 5 ori. Avantajele tehnologice ale carburării ionice includ uniformitatea ridicată a carburării, absența oxidării externe și interne și o scădere a deformarii pieselor. Volumul de prelucrare este redus cu 30%, numărul de operații tehnologice este redus cu 40%, durata ciclului de prelucrare este redusă cu 50%.

Nitrurarea ion-plasmă (IPA) IPA este un fel de tratament chimico-termic al pieselor de mașini, unelte, echipamente de ștanțare și turnare, care asigură saturarea prin difuzie a stratului de suprafață de oțel (fontă) cu azot sau azot și carbon în azot- plasma de hidrogen la o temperatură de 450 - 600 ° C, precum și titan sau aliaje de titan la o temperatură de 800 - 950 ° C în plasmă de azot. Esența nitrurării ion-plasmă constă în faptul că, într-un mediu gazos care conține azot, descărcat la 200–1000 Pa, între catod, pe care sunt amplasate piesele de prelucrat, și anodul, al cărui rol este jucat de pereți. a camerei cu vid se excită o descărcare anormală de strălucire, formând un mediu activ (ioni, atomi, molecule excitate). Acest lucru asigură formarea unui strat nitrurat pe suprafața produsului, constând dintr-o zonă externă de nitrură cu o zonă de difuzie situată sub aceasta.

Microstructura stratului nitrurat de oțel de scule 4 X 5 MFS a b Microstructuri ale oțelurilor U 8 (a) și 20 X 13 (b) după nitrurare ion-plasmă

Instalatie UA-63 -950/3400 cu geometrie variabila a camerei de lucru (inaltime 1,7 sau 3,4 m)

Aplicarea metodei de nitrurare ion-plasmă cu această metodă, se prelucrează următoarele produse: duze pentru mașini, plăci suport de antrenare automată, matrițe, poanson, matrițe, matrițe (Daimler Chrysler); arcuri pentru sistemul de injectie (Opel); arbori cotiți (Audi); arbori de distribuție (cam) (Volkswagen); arbori cotiți pentru compresor (Atlas, SUA și Wabco, Germania); angrenaje pentru BMW (Handl, Germania); angrenaje pentru autobuz (Voith); călirea 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, Bel. AZ; Rusia - Auto. VAZ, Kam. AZ, MMPP Salyut, Ufa Engine Building Association (UMPO). Metoda IPA prelucrează: angrenaje (MZKT); angrenaje și alte piese (MAZ); angrenaje cu diametru mare (mai mult de 800 mm) (Bel. AZ); supape de admisie și evacuare (Avto. VAZ); arbori cotiți (Kam. AZ).

Metalizarea produselor conform tipului 1 se realizează în scop decorativ, pentru a crește duritatea și rezistența la uzură, pentru a proteja împotriva coroziunii. Din cauza aderenței slabe a stratului de acoperire la substrat, acest tip de metalizare nu este recomandabil pentru piesele care funcționează la sarcini și temperaturi ridicate. Tehnologia de metalizare conform tipurilor 1 și 2a prevede aplicarea unui strat de substanță pe suprafața unui produs rece sau încălzit la temperaturi relativ scăzute. Aceste tipuri de metalizare includ: electrolitică (electroplating); chimic; procedee cu flacără gaz pentru obținerea acoperirilor (pulverizare); acoperire prin placare (mecano-termic); difuzie, imersie în metale topite. Tehnologia de metalizare conform tipului 2 b prevede saturarea prin difuzie a suprafeței pieselor încălzite la temperaturi ridicate cu elemente metalice, în urma căreia se formează un aliaj în zona de difuzie a elementului (Metalizarea prin difuzie). În acest caz, geometria și dimensiunile piesei metalizate practic nu se schimbă.

Metalizarea ion-plasmă Metalizarea ion-plasmă are o serie de avantaje semnificative față de alte tipuri de metalizare. Temperatura ridicată a plasmei și mediul neutru fac posibilă obținerea de acoperiri cu uniformitate structurală mai mare, oxidabilitate mai scăzută, proprietăți de coeziune și adezive mai mari, rezistență la uzură etc. comparativ cu aceste proprietăți ale altor tipuri de metalizare. Cu această metodă de placare, pot fi pulverizate diverse materiale refractare: wolfram, molibden, titan etc., aliaje dure, precum și oxizi de aluminiu, crom, magneziu etc. Acoperirea poate fi realizată prin pulverizare atât cu sârmă, cât și prin pulbere. Metalizarea propriu-zisă constă din trei procese: topirea metalului solid al firului sau al pulberii (în timpul metalizării ion-plasmă), pulverizarea metalului topit și formarea unei acoperiri. Materialele pentru pulverizare pot fi orice metale refractare sub formă de sârmă sau pulbere, dar pot fi utilizate și fire cu carbon mediu până la aliaje de tipurile Np-40, Np-ZOHGSA, Np-ZKh 13 etc. condițiile întreprinderilor de reparații auto, un aliaj de tip VZK (stellit) sau sormit, care are rezistență ridicată la uzură și rezistență la coroziune.