Іонно-плазмове азотування (ІПА)-це різновид хіміко-термічної обробки деталей машин, інструменту, штампової та ливарної оснастки, що забезпечує дифузійне насичення поверхневого шару сталі (чавуну) азотом або азотом і вуглецем в азотно-водневій плазмі при температурі 450-600 °С, а також температурі 800-950 ° С в азотній плазмі.
Суть іонно-плазмового азотування полягає в тому, що в розрядженому до 200-000 Па азотовмісному газовому середовищі між катодом, на якому розташовуються оброблювані деталі, і анодом, роль якого виконують стінки вакуумної камери, збуджується аномальний тліючий розряд, що утворює активне середовище (іони, атоми, збуджені молекули). Це забезпечує формування на поверхні виробу азотованого шару, що складається з зовнішньої - нітридної зони з дифузійною зоною, що розташовується під нею.
Варіюючи склад насичуючого газу, тиск, температуру, час витримки можна отримувати шари заданої структури з необхідним фазовим складом, забезпечуючи строго регламентовані властивості сталей, чавунів, титану або його сплавів. Оптимізація властивостей зміцнюваної поверхні забезпечується за рахунок необхідного поєднання нітридного та дифузійного шарів, що вростають в основний матеріал. Залежно від хімічного складу нітридний шар або y-фазою (Fe4N) або e-фазою (Fe2-3N). e-нітридний шар є корозійностійким, а y-шар - зносостійким, але відносно пластичним.
При цьому за допомогою іонно-плазмового азотування можливе одержання:
дифузійного шару з розвиненою нітридною зоною, що забезпечує високу опірність корозії і прироблюваність поверхонь, що труться, - для деталей, що працюють на знос
дифузійного шару без нітридної зони - для різального, штампового інструменту або деталей, що працюють при високих тискахзі знакозмінними навантаженнями.
Іонно-плазмовим азотуванням можна покращити такі характеристики виробів:
зносостійкість
втомну витривалість
антизадирні властивості
теплостійкість
корозійну стійкість
Основною перевагою методу є стабільна якість обробки з мінімальним розкидом властивостейвід деталі до деталі, від садка до садка. У порівнянні з широко використовуваними способами зміцнюючої хіміко-термічної обробки сталевих деталей, такими як цементація, нітроцементація, ціанування, газове азотування метод іонно-плазмового азотування має наступні основні переваги:
більш висока поверхнева твердість азотованих деталей
відсутність деформації деталей після обробки
підвищення межі витривалості зі збільшенням зносостійкості оброблених деталей
нижча температура процесу, завдяки чому у оброблюваних деталей відсутні структурні зміни
можливість обробки глухих та наскрізних отворів
збереження твердості азотованого шару після нагрівання до 600 - 650 °С
можливість отримання шарів заданого складу
можливість обробки виробів необмежених розмірів будь-якої форми
відсутність забруднення довкілля
підвищення культури виробництва
зниження собівартості обробки у кілька разів
Переваги іонно-плазмового азотування проявляються у суттєвому скороченні основних витрат виробництва. Так, наприклад, порівняно з газовим азотуванням ІПА забезпечує:
скорочення тривалості обробки від 2 до 5 разів, як за рахунок зниження часу нагріву - охолодження садки, так і за рахунок зменшення часу ізотермічної витримки
скорочення витрати робочих газів (20 – 100 разів)
скорочення витрати електроенергії (1,5 – 3 рази)
зниження деформації настільки, щоб виключити фінішне шліфування
покращення санітарно-гігієнічних умов виробництва
повна відповідність технології всім сучасним вимогам щодо охорони навколишнього середовища
Порівняно із загартуванням обробка методом іонно-плазмового азотування дозволяє:
виключити деформації
збільшити ресурс роботи азотованої поверхні (2-5 разів)
Застосування іонно-плазмового азотування замість цементації, нітроцементації, газового або рідинного азотування, об'ємного або ТВЧ загартування дозволяє:
заощадити основне обладнання та виробничі площі
знизити верстатні витрати, транспортні витрати
зменшити витрати електроенергії, активних газових середовищ.
Основними споживачами обладнання для іонно-плазмового азотування є автомобільні, тракторні, авіаційні, суднобудівні, судноремонтні, машино-/верстатобудівні заводи, заводи з виробництва сільськогосподарської техніки, насосного та компресорного обладнання, шестерень, підшипників, алюмінієвих профілів, енергетичних установок.
Метод іонно-плазмового азотування є одним з найбільш динамічних напрямків хіміко-термічної обробки в індустріально розвинених країнах. Широке застосування метод ІПА знайшов у автомобілебудуванні. Він з успіхом застосовується провідними авто-/моторобудівними підприємствами світу: Daimler Chrysler (Mercedes), Audi, Volkswagen, Voith, Volvo.
Наприклад, даним методом обробляються такі вироби:
форсунки для легкових автомобілів, що несуть пластини автоматичного приводу, матриці, пуансони, штампи, прес-форми (Daimler Chrysler)
пружини для системи упорскування (Opel)
колінчасті вали (Audi)
розподільні (кулачкові) вали (Volkswagen)
колінчасті вали для компресора (Atlas, США та Wabco, Німеччина)
шестерні для BMW (Handl, Німеччина)
автобусні шестерні (Voith)
зміцнення пресового інструменту у виробництві алюмінієвих виробів (Нугховенс, Скандекс, Джон Девіс та ін.)
Є позитивний досвід промислового використання даного методукраїнами СНД: Білорусь – МЗКТ, МАЗ, БелАЗ; Росія - АвтоВАЗ, КамАЗ, ММВП "Салют", Уфімське моторобудівне об'єднання (УМПО).
Методом ІПА обробляються:
шестерні (МЗКТ)
шестерні та інші деталі (МАЗ)
шестерні великого (більше 800 мм) діаметра (БІЛАЗ)
впускні та випускні клапани (АвтоВАЗ)
колінчасті вали (КамАЗ)
Як показує світовий досвід застосування технології іонно-плазмового азотування, економічний ефект від її впровадження забезпечується головним чином за рахунок зниження витрати електроенергії, робочих газів, скорочення трудомісткості виготовлення виробів через суттєве зменшення обсягу шліфувальних робіт, підвищення якості продукції.
Щодо ріжучого та штампового інструменту, економічний ефект забезпечується за рахунок зниження його витрати через підвищення в 4 і більше разів його зносостійкості з одночасним збільшенням режимів різання.
Для деяких виробів іонно-плазмове азотування є єдиним способом отримання готового виробу з мінімальним відсотком шлюбу.
Крім того, процес ІПА забезпечує повну екологічну безпеку.
Іонно-плазмове азотування може використовуватися на виробництві замість рідинного або газового азотування, цементації, нітроцементації, ТВЧ-загартування.
Поліпшення властивостей металу може відбуватися шляхом зміни хімічного складу. Прикладом можна назвати азотування сталі щодо нова технологіянасичення поверхневого шару азотом, яка стала застосовуватися у промислових масштабах близько століття тому. Ця технологія була запропонована для поліпшення деяких якостей продукції, що виготовляється зі сталі. Розглянемо докладніше те, як проводиться насичення сталі азотом.
Призначення азотування
Багато хто порівнює процес цементування та азотування через те, що обидва призначені для суттєвого підвищення експлуатаційних якостей деталі. Технологія внесення азоту має кілька переваг перед цементацією, серед яких відзначають відсутність необхідності підвищення температури заготівлі до значень, при яких відбувається пристосування атомних ґрат. Також наголошується на тому факті, що технологія внесення азоту практично не змінює лінійні розміри заготовок, за рахунок чого її можна застосовувати після фінішної обробки. На багатьох виробничих лініях азотування піддають деталі, які пройшли загартування та шліфування, практично готові до випуску, але потрібно покращити деякі якості.
Призначення азотування пов'язане із зміною основних експлуатаційних якостей у процесі нагрівання деталі в середовищі, що характеризується високою концентрацією аміаку. За рахунок подібного впливу поверхневий шар насичується азотом, і деталь набуває наступних експлуатаційних якостей:
- Істотно підвищується зносостійкість поверхні за рахунок зростання індексу твердості.
- Поліпшується значення витривалості та опір до зростання втоми структури металу.
- У багатьох виробництвах застосування азотування пов'язане з необхідністю надання антикорозійної стійкості, яка зберігається при контакті з водою, парою чи повітрям із підвищеною вологістю.
Наведена вище інформація визначає те, що результати азотування більш вагомі, ніж цементації. Переваги та недоліки процесу багато в чому залежать від обраної технології. У більшості випадків передані експлуатаційні якості зберігаються навіть при нагріванні заготовки до температури 600 градусів Цельсія, у разі цементування поверхневий шар втрачає твердість та міцність після нагрівання до 225 градусів Цельсія.
Технологія процесу азотування
Багато в чому процес азотування стали перевершує інші методи, що передбачають зміну хімічного складу металу. Технологія азотування деталей зі сталі має такі особливості:
- Найчастіше процедура проводиться при температурі близько 600 градусів Цельсія. Деталь міститься в герметичну муфельну піч із заліза, яка міститься в печі.
- Розглядаючи режими азотування, слід враховувати температуру та час витримки. Для різних сталей ці показники суттєво відрізнятимуться. Також вибір залежить від того, яких експлуатаційних якостей потрібно досягти.
- У створений контейнер із металу проводиться подача аміаку з балона. Висока температура призводить до того, що аміак починає розкладатися, завдяки чому починають виділятися молекули азоту.
- Молекули азоту проникають у метал через проходження процесу дифузії. За рахунок цього на поверхні активно утворюються нітриди, що характеризуються підвищеною стійкістю до механічного впливу.
- Процедура хіміко-термічного впливу у разі не передбачає різке охолодження. Як правило, піч для азотування охолоджується разом із потоком аміаку та деталлю, за рахунок чого поверхня не окислюється. Тому технологія, що розглядається, підходить для зміни властивостей деталей, які вже пройшли фінішну обробку.
Класичний процес отримання необхідного виробу із проведенням азотування передбачає кілька етапів:
- Підготовча термічна обробка, яка полягає у загартуванні та відпустці. За рахунок перебудови атомних ґрат при заданому режимі структура стає більш в'язкою, підвищується міцність. Охолодження може проходити у воді чи олії, іншому середовищі – все залежить від того, наскільки якісним має бути виріб.
- Далі виконується механічна обробка для надання потрібної фори та розмірів.
- У деяких випадках є необхідність захисту певних частин виробу. Захист проводиться шляхом нанесення рідкого скла або олова шаром завтовшки близько 0,015 мм. Завдяки цьому на поверхні утворюється захисна плівка.
- Виконується азотування сталі однією з найбільш підходящих методик.
- Проводяться роботи з фінішної механічної обробки, зняття захисного шару.
Отримуваний шар після азотування, який представлений нітридом, становить від 0,3 до 0,6 мм, за рахунок чого відпадає необхідність проведення процедури загартовування. Як раніше було зазначено, азотування проводять відносно недавно, але сам процес перетворення поверхневого шару металу був практично повністю вивчений, що дозволило істотно підвищити ефективність застосовуваної технології.
Метали та сплави, що піддаються азотуванню
Існують певні вимоги, які пред'являються до металів перед проведенням цієї процедури. Як правило, приділяється увага концентрації вуглецю. Види сталей, придатних для азотування, найрізноманітніші, головна умова полягає у частці вуглецю 0,3-0,5%. Найкращих результатівдосягають при застосуванні легованих сплавів, оскільки додаткові домішки сприяють утворенню додаткових твердих нітритів. Прикладом хімічної обробки металу назвемо насичення поверхневого шару сплавів, які у складі мають домішки як алюмінію, хрому та інші. Сплави, що розглядаються, прийнято називати нітралоями.
Внесення азоту проводиться при застосуванні наступних марок сталі:
- Якщо на деталь надаватиметься істотна механічна дія при експлуатації, то вибирають марку 38Х2МЮА. До її складу входить алюміній, що стає причиною зниження деформаційної стійкості.
- У станкобудуванні найбільшого поширення набули стали 40Х і 40ХФА.
- При виготовленні валів, які часто піддаються згинальним навантаженням застосовують марки 38ХГМ та 30ХЗМ.
- Якщо при виготовленні необхідно отримати високу точність лінійних розмірів, наприклад, при створенні деталей паливних агрегатів, то використовується марка сталі 30ХЗМФ1. Для того щоб суттєво підвищити міцність поверхні та її твердість, попередньо проводять легування кремнем.
При виборі найбільш підходящої марки стали головне дотримуватися умов, пов'язане з відсотковим вмістом вуглецю, а також враховувати концентрацію домішок, які також істотно впливають на експлуатаційні властивості металу.
Основні види азотування
Виділяють кілька технологій, якими проводять азотування стали. Як приклад наведемо наступний список:
- Аміачно-пропанова середовище. Газове азотування сьогодні набуло дуже великого поширення. В даному випадку суміш представлена поєднанням аміаку та пропану, які беруться у співвідношенні 1 до 1. Як показує практика, газове азотування при застосуванні подібного середовища вимагає нагрівання до температури 570 градусів Цельсія та витримки протягом 3-х годин. Шар нітридів, що утворюється, характеризується невеликою товщиною, але при цьому зносостійкість і твердість набагато вища, ніж при застосуванні класичної технології. Азотування сталевих деталей у разі дозволяє підвищити твердість поверхні металу до 600-1100 HV.
- Тліючий розряд – методика, яка також передбачає застосування азотовмісного середовища. Її особливість полягає в підключенні азотованих деталей до катода, як позитивний заряд виступає муфель. За рахунок підключення катода можна прискорити процес у кілька разів.
- Рідке середовище застосовується трохи рідше, але також характеризується високою ефективністю. Прикладом можна назвати технологію, яка передбачає використання розплавленого ціаністого шару. Нагрів проводиться до температури 600 градусів, період витримки від 30 хвилин до 3-х годин.
У промисловості найбільшого поширення набула газове середовище з допомогою можливість обробки одночасно великої партії.
Каталітичне газове азотування
Цей різновид хімічної обробки передбачає створення особливої атмосфери в печі. Дисоційований аміак проходить попередню обробку на спеціальному каталітичному елементі, що значно підвищує кількість іонізованих радикалів. Особливості технології полягають у наведених нижче моментах:
- Попередня підготовка аміаку дозволяє збільшити частку твердорозчинної дифузії, що знижує частку реакційних хімічних процесів під час переходу активної речовини від довкілля на залізо.
- Передбачає застосування спеціального обладнання, яке забезпечує найбільше сприятливі умовихімічної обробки
Застосовується цей метод протягом кількох десятиліть, що дозволяє змінювати властивості не тільки металів, а й титанових сплавів. Високі витрати на встановлення обладнання і підготовку середовища визначають застосовність технології до отримання відповідальних деталей, які повинні мати точні розміри і підвищену зносостійкість.
Властивості азотованих металевих поверхонь
Досить важливим є питання, яка досягається твердість азотованого шару. При розгляді твердості враховується тип оброблюваної сталі:
- Вуглецева може мати твердість у межах 200-250HV.
- Леговані метали після проведення азотування знаходять твердість у межах 600-800HV.
- Нітралої, які мають у складі алюміній, хром та інші метали, можуть отримати твердість до 1200HV.
Інші властивості сталі також змінюються. Наприклад, підвищується корозійна стійкість сталі, за рахунок чого її можна використовувати в агресивному середовищі. Сам процес внесення азоту не призводить до появи дефектів, оскільки нагрівання проводиться до температури, яка змінює атомні ґрати.
І індустріальні розвинені виробництва сьогодні віддають переваги хіміко-термічній обробці, зокрема іонно-плазмовому азотуванню (далі ІПА), що вигідно відрізняється з економічної точки зору від термічних технологій. Сьогодні ІПА активно використовується в машино-, судно та верстатобудуванні, промисловості сільськогосподарського та ремонтного призначення, для виробництва установок енергетичної галузі. Серед підприємств, що активно використовують технологію іонно-плазмового азотування, такі гучні імена, як німецький концерн Daimler Chrysler, автомобільний гігант BMW, шведський Volvo, білоруський завод колісних тягачів, КамАЗ і БелАЗ. Крім того, перевагу ІПА оцінили виробники пресових інструментів: Skandex, Нугховенс.
Технологія процесу
Іонно-плазмове азотування, що застосовується для робочих інструментів, деталей машин, обладнання для штампування та лиття, забезпечує насичення поверхневого шару виробу азотом або азотно-вуглецевою сумішшю (залежно від матеріалу заготівлі). Установки для ІПА працюють у розрядженій атмосфері при тиску до 1000 Па. У камеру, що діє за принципом катодно-анодної системи, подається азотно-воднева суміш для обробки чавуну та різних сталей або чистий азот як робочий газ для роботи з титаном та його сплавами. Катодом служить заготівля, анодом – стінки камери. Порушення аномально тліючого заряду ініціює утворення плазми і, як наслідок, активного середовища, що включає заряджені іони, атоми і молекули робочої суміші, що знаходяться в збудженому стані. Низький тиск забезпечує рівномірне та повноцінне покриття заготівлі світінням. Температура плазми коливається від 400 до 950 градусів, залежно від робочого газу.
Для іонно-плазмового азотування потрібно в 2-3 рази менше електроенергії, а якість поверхні обробленого виробу дозволяє виключити стадію фінішного шліфування.
Плівка, що формується на поверхні, складається з двох шарів: нижнього дифузійного і верхнього нітридного. Якість модифікованого поверхневого шару та економічна ефективністьпроцесу в цілому залежить від низки факторів, включаючи склад робочого газу, температуру та тривалість процесу.
Забезпечення стабільної температури упирається в процеси теплообміну, що відбуваються безпосередньо всередині камери ІПА. Для зниження інтенсивності обмінних процесів зі стінками камери використовуються спеціальні екрани, що не проводять тепло. Вони дозволяють значно заощадити на споживаній потужності. Температура процесу разом із тривалістю впливають на глибину проникнення нітридів, що викликає зміни у графіку глибинного розподілу показників твердості. Температура нижче 500 градусів найбільш оптимальна для азотування легованих сталей холодної обробки та мартенситних матеріалів, оскільки експлуатаційні характеристики підвищуються без зміни твердості серцевини та термічної руйнації внутрішньої структури.
Склад активного середовища впливає на кінцеву твердість і розмір нітридної зони і залежить від складу виробу, що обробляється.
Результати застосування іонно-плазмового азотування
Іонно-плазмове азотування дозволяє підвищити показники зносостійкості з одночасним зниженням схильності до втомних порушень структури металу. Отримання необхідних поверхневих властивостей визначається співвідношенням глибини та складу дифузійного та нітридного шарів. Нітридний шар, виходячи з хімічного складу, прийнято ділити на дві визначальні фази: "гама" з високим відсотковим вмістом сполук Fe4N та "іпсилон" з Fe2N Fe3N. -фаза відрізняється низькою пластичністю поверхневого шару з високими показниками опору різним типам корозії, -фаза дає відносно пластичне зносостійке покриття.
Що стосується дифузійного шару, то прилегла розвинена нітридна зона знижує можливість утворення міжкристалітної корозії, забезпечуючи достатній для активного тертя кваліфікація шорсткості. Деталі з таким співвідношенням шарів успішно використовуються в механізмах, що працюють на знос. Виняток нітридного шару дозволяє перешкоджати руйнуванню за постійної зміни сили навантаження за умов досить високого тиску.
Т.ч. іонно-плазмове азотування використовується для оптимізації показників зносо-, тепло-і корозійної стійкості зі зміною втомної витривалості та шорсткості, що впливає на ймовірність задирання поверхневого шару.
Переваги іонно-плазмового азотування
Іонно-плазмове азотування в налагодженому техпроцесі дає мінімальний розкид поверхневих властивостей від деталі до деталі при відносно низькій енергоємності, що робить ІПА привабливішим, ніж традиційне пічне газове азотування, нітроцементацію та ціанування.
Іонно-плазмове азотування виключає деформацію заготівлі, а структура азотованого шару залишається незмінною навіть при нагріванні деталі до 650 градусів, що разом з можливістю тонкого коригування фізико-механічних властивостей дозволяє використовувати ІПА для вирішення найрізноманітніших завдань. Крім того, азотування іонно-плазмовим методом відмінно підходить для обробки сталей різних марок, оскільки робоча температураПроцес азотно-вуглецевої суміші не перевищує 600 градусів, що виключає порушення внутрішньої структури і навіть навпаки - сприяє зниження ймовірності втомних руйнувань і пошкоджень через високу крихкість нітридної фази.
Для підвищення антикорозійних показників та поверхневої твердості методом іонно-плазмового азотування підходять заготовки будь-якої форми та розмірів з наскрізними та глухими отворами. Екранний захист від азотування не є складним інженерним рішенням, тому обробка окремих ділянок будь-якої форми проводиться легко і просто.
Щодо інших методів зміцнення та підвищення міжкристалітної стійкості ІПА відрізняється скороченою у кілька разів тривалістю техпроцесу та зменшеною на два порядки витратою робочого газу. Т.ч. для іонно-плазмового азотування потрібно в 2-3 рази менше електроенергії, а якість поверхні обробленого виробу дозволяє виключити стадію фінішного шліфування. Крім того, існує можливість провести зворотний азотування процес, наприклад перед шліфуванням.
Епілог
На жаль, на тлі навіть близького зарубіжжя вітчизняні виробничники використовують азотування іонно-плазмовим методом досить рідко, хоча економічні та фізико-механічні переваги видно неозброєним оком. Використання на виробництво іонно-плазмового азотування покращує умови праці, підвищує продуктивність та знижує вартість робіт, при цьому ресурс служби обробленого виробу збільшується у 5 разів. Як правило, питання побудови техпроцесів з використанням установок для ІПА впирається у проблему фінансового планухоча суб'єктивно реальних перешкод немає. Іонно-плазмове азотування за досить простої конструкції обладнання виконує відразу кілька операцій, реалізація яких іншими методами можлива лише поетапно, коли вартість і тривалість різко поповзуть вгору. Крім того, є кілька компаній у Росії та Білорусі, які співпрацюють із закордонними виробниками обладнання для ІПА, що робить покупку таких установок доступнішими та дешевшими. Мабуть, головна проблема полягає лише в банальному ухваленні рішення, яке, як російська традиція, народиться у нас довго та важко.
При правильно вибраному складі та режимі нанесення зносостійких покриттів експлуатаційні показники ріжучого інструменту можуть бути суттєво покращені. Проте внаслідок незмінності властивостей покриття в межах одного шару на межі розділу з інструментальною основою різко змінюються фізико-механічні та теплофізичні властивості (насамперед модуль пружності та коефіцієнт термічного розширення), що призводить до утворення в покритті високих залишкових напруг та зниження міцності його адгезійного зв'язку з основою, що є найважливішою умовою успішної експлуатації ріжучого інструменту з покриттям.
Зазначене, а також зміни контактних та теплових процесів при обробці інструментом з покриттям, вимагають створення між інструментальною основою та покриттям проміжного перехідного шару, що підвищує опір ріжучого клина з покриттям, що діє навантаженням.
Найбільш поширений метод формування такого шару – іонне азотування. При цьому азотований шар, що формується перед нанесенням покриття, в залежності від конкретних умов експлуатації інструменту повинен мати певну структуру, товщину і мікротвердість. На практиці такій обробці зазвичай піддаються інструменти з швидкорізальних сталей.
Рисунок 4. Принципова схема вакуумно-дугової установки для комбінованої обробки інструменту, що включає іонне азотування і нанесення покриттів: 1 - мішень; 2 – анод; 3 – екран; 4 – вакуумна камера; 5 – нейтральні атоми; 6 – іони; 7 – електрони; 8 - інструменти, що обробляються
Для іонного азотування та подальшого нанесення покриття доцільно застосування установки на базі вакуумно-дугового розряду, в якій за один технологічний цикл без перевантаження оброблюваних інструментів можна реалізувати всі етапи комбінованого зміцнення.
Принцип роботи такої установки ось у чому (рисунок 4).
Мета випаровується катодними плямами вакуумної дуги і використовується як катод дугового розряду. Спеціальний екран, розташований між мішенню та анодом, ділить камеру на дві зони, заповнені металогазовою (ліворуч від екрана) та газовою плазмою (праворуч). Цей екран непроникний для мікрокрапель, нейтральних атомів та іонів металу, що емітуються катодними плямами на поверхні мішені. Тільки електрони проникають через екран, іонізують по дорозі до анода подається в камеру газ і таким чином утворюють газову плазму, що не містить металевих частинок.
Занурені в плазму інструменти нагріваються електронами при подачі ними позитивного потенціалу, а при подачі негативного потенціалу здійснюється їх азотування. Після закінчення азотування екран зміщується убік, а після того, як частинки металевої мішені починають надходити на поверхню інструменту, здійснюється синтез покриття.
Осадження покриттів - дуже енергоємний процес, що супроводжується впливом високоенергетичного потоку плазми, особливо у момент іонного бомбардування. Внаслідок цього характеристики шару, отриманого при іонному азотуванні, можуть суттєво змінюватися.
Тому при оптимізації процесу комбінованої обробки швидкорізального інструменту необхідно враховувати фактори не тільки процесу азотування, а й наступного процесу нанесення зносостійкого покриття - насамперед час нанесення, від якого залежить товщина покриття. З одного боку, її збільшення сприятливо позначається на підвищенні зносостійкості контактних майданчиків інструменту, а з іншого - призводить до помітного збільшення кількості дефектів у покритті, зниження міцності зчеплення покриття з інструментальним матеріалом та зменшення здатності покриття чинити опір пружнопластичним деформаціям.
Найважливішими умовами комбінованої обробки є температура та тривалість процесу азотування, об'ємна частка азоту в газовій суміші з аргоном, а також час наступного процесу нанесення зносостійкого покриття. Інші фактори даного процесу: тиск азоту, опорна напруга, струм дуги на катоді - впливають головним чином на характеристики покриття і повинні призначатися такими, як і у випадку осадження традиційних покриттів.
Залежно від типу ріжучого інструменту та умов його подальшої експлуатації при комбінованій обробці її режими зазвичай варіюють у таких межах: температура азотування 420...510 °С; атомна частка азоту N 2 у газовій суміші з аргоном 10...80 %; час азотування 10...70 хв; тиск газової суміші ~ 9,75 · 10 -1 Па; час нанесення покриттів 40...80 хв.
Практика експлуатації інструментів з швидкорізальних сталей після комбінованого зміцнення на різних операціях механообробки показує, що наявність під покриттям азотованого шару, в якому є крихка нітридна зона (?- і?"-фази), істотно обмежує ефект від застосування комбінованої обробки.
Така структура формується за азотування в атмосфері чистого азоту з використанням плазми вакуумно-дугового розряду. Наявність порівняно товстої нітридної зони (> 0,5 мкм) при безперервному різанні (точенні та свердлінні) не забезпечує суттєвого збільшення стійкості інструменту в порівнянні з інструментом, що має традиційне покриття, а при переривчастому різанні (фрезеруванні та довбанні) часто веде до вифарбовування ріжучих кром. вже у перші хвилини роботи інструменту.
Введення аргону до складу азотовмісної атмосфери при азотуванні, що передує нанесенню покриття, дозволяє керувати фазовим складом шару, що формується, і в залежності від конкретних умов експлуатації ріжучого інструменту і його службового призначення отримувати необхідну структуру.
При експлуатації швидкорізального інструменту з комбінованою обробкою в умовах переривчастого різання оптимальною структурою азотованого шару є в'язкий та стійкий до змінних навантажень твердий розчин азоту в мартенсіті, в якому допустимо утворення незначної кількості дисперсних нітридів легуючих компонентів.
Зазначена структура може бути отримана при азотуванні в середовищі, що містить ~ 30% N 2 та 70% Ar.
У разі експлуатації інструменту в умовах безперервного різання найбільшою працездатністю характеризується шар, що складається з азотистого мартенситу та спеціальних нітридів елементів (W, Mo, Cr, V).
Крім того, допустима наявність дуже невеликої кількості?-фази. Ця структура підвищує опір поверхневого шару інструменту термічним навантаженням і може бути сформована при азотуванні в середовищі, що містить ~ 60% N 2 і 40% Аг.
Покриття з (Ti, Al)N, нанесене на зразки, азотовані в разових сумішах, що містять, %, 60 N 2 + 40 Ar та 30 N 2 + 70 Ar, відрізняється задовільною міцністю адгезійного зв'язку. На зразках не спостерігається відшаровування покриття, ні явних тріщин, які були виявлені на зразках, азотованих при 100 % N 2 .
Створення на контактних майданчиках різального інструменту зносостійкого комплексу, що формується шляхом іонного азотування з подальшим нанесенням покриттів у плазмі вакуумно-дугового розряду, значно впливає на інтенсивність та характер зношування інструменту.
На рисунках 5 і 6 представлені експериментально отримані профілактограми зносу інструменту з покриттям і з комбінованою обробкою при поздовжньому точенні і торцевому фрезеруванні конструкційної сталі 45. Видно, що порівняно з одношаровим покриттям азотування в поєднанні з покриттям практично не змінює характеру зношування інструменту, але сильно його інтенсивність.
Для умов експлуатації відзначається невисока ефективність інструменту з покриттям без азотування, як при фрезеруванні, так і при точенні. Це пов'язано з тим, що дуже швидко руйнується покриття та умови тертя по задній поверхні дедалі більше наближаються до тих, що характерні для інструменту без покриття. А це означає, що збільшується кількість теплоти, що виділяється, зростає температура поблизу задньої поверхні, в результаті чого в інструментальному матеріалі починаються незворотні процеси розміцнення, які і призводять до катастрофічного зносу.
Дослідження природи затуплення інструменту з азотуванням і покриттям дозволяють зробити висновок, що основний внесок у зниження інтенсивності зношування швидкорізального інструменту вносить так званий крайовий ефект, який полягає в наступному.
Вже в перші хвилини роботи інструменту, як видно з профілактограм його робочих поверхонь (малюнки 5 і 6), покриття руйнується на всю свою товщину на ділянках поблизу кромки. Однак подальше зростання вогнищ зносу по довжині та глибині стримується краями майданчиків контакту, що зберігають зносостійку комбінацію покриття та азотованого шару.
Крім того, поверхневий азотований шар, що має підвищену твердість у поєднанні з високою теплостійкістю, відрізняється більш високим опором мікропластичним деформаціям і сприяє гальмування процесів розуміцнення у задній поверхні.
Рисунок 5. Профілограми зношених ділянок ріжучих пластин із сталі Р6М5 при точенні сталі 45: а - Р6М5+ (Ti, A1)N; б - Р6М5 + азотування + (Ti, A1) N; режими обробки: v = 82 м/хв; S = 0,2 мм/об; / = 1,5 мм (без СОЖ)
Рисунок 6. Профілограми зношених ділянок ріжучих пластин із сталі Р6М5 при торцевому фрезеруванні сталі 45: а - Р6М5+ (Ti, Al)N; б - Р6М5 + азотування + (Ti, Al) N; режими обробки: v = 89 м/хв; S=0,15 мм/зуб; В = 45 мм;
Виробничий досвід показує, що комбінована обробка, що передбачає попереднє азотування та подальше нанесення покриттів, дозволяє збільшити стійкість швидкорізального інструменту найширшої номенклатури до 5 і до 3 разів у порівнянні з інструментом відповідно без зміцнення та з традиційним покриттям.
На малюнку 7 показано залежності зміни зносу в часі h 3 =f(T) ріжучих пластин із сталі Р6М5, що пройшли різні видиповерхневого зміцнення, при точенні та торцевому фрезеруванні стали 45. Видно, що стійкість до катастрофічного зношування інструменту при точенні збільшується в 2,6 рази, а при фрезеруванні - у 2,9 рази в порівнянні з інструментом з покриттям, але без азотування.
Рисунок 7. Залежність зношування по задній поверхні інструменту із сталі Р6М5 з різними варіантами поверхневої обробки від часу різання: -- *-- Р6М5 + (Ti, A1)N; --*-- Р6М5 + азотування + (Ti-Al)N; а - точення сталі 45 при v = 82 м/хв; S = 0,2 мм/об; /=1,5 мм; б - фрезерування сталі 45: v = 89 м/хв; 5= 0,15 мм/зуб; В = 45 мм; t = 1,5 мм
Іонно-плазмове зміцнення Вакуумні іонно-плазмові методи зміцнення поверхонь деталей включають такі процеси: генерацію (утворення) корпускулярного потоку речовини; його активізацію, прискорення та фокусування; ; конденсацію та впровадження в поверхню деталей (підкладок). Генерація: корпускулярного потоку речовини можлива його випаровуванням (сублімацією) та розпорошенням. Випаровування: перехід конденсованої фази в пар здійснюється в результаті підведення теплової енергії до речовини, що випаровується. Тверді речовини зазвичай під час нагрівання розплавляються, а потім переходять у газоподібний стан. Деякі речовини переходять у газоподібний стан, минаючи рідку фазу. Такий процес називається сублімацією. .
За допомогою методів вакуумної іонно-плазмової технології можна виконати: 1) модифікування поверхневих шарів: іонно-дифузійне насичення; (іонне азотування, навуглерожування, бороване та ін.); іонне (плазмове) травлення (очищення); іонна імплантація (впровадження); відпал у тліючому розряді; ХТО серед несамостійного розряду; 2) нанесення покриттів: полімеризація в тліючому розряді; іонне осадження (тріодної розпилювальної системи, діодної розпилювальної системи, з використанням розряду в підлоговому катоді); електродугове випаровування; іонно-кластерний метод; катодне розпилення (на постійному струмі, високочастотне); хімічне осадження у плазмі тліючого розряду.
Переваги методів вакуумного іонно-плазмового зміцнення; висока адгезія покриття до підкладки; рівномірність покриття за товщиною на великій площі; варіювання складу покриття у широкому діапазоні, в межах одного технологічного циклу; отримання високої чистоти поверхні покриття; екологічна чистота виробничого циклу
Іонне розпилення Іонні розпилювачі поділяють на дві групи: плазмоионные, у яких мета перебуває у газорозрядної плазмі, створюваної з допомогою тліючого, дугового і високочастотного розряду. Розпилення відбувається в результаті бомбардування мішені іонами, що витягуються з плазми; автономні джерела без фокусування і з фокусуванням іонних пучків, бомбардують мета.
Принципова система розпилення 1 - камера; 2 - підкладкотримач; 3 - деталі (підкладки); 4 - мета; 5 - катод; 6 - екран; 7 - підведення робочого газу; 8 - джерело живлення; 9 - відкачування.
ХТО в середовищі тліючого розряду Дифузійні установки з тліючим розрядом використовуються для процесів азотування, цементації, силікування та інших видів ХТО з газової фази. Глибина дифузійного шару досягає декількох міліметрів при рівномірному насиченні всієї поверхні виробу. Процес ведеться при зниженому тиску, що дорівнює 10 -1 - 10 -3 Па, що забезпечує існування тліючого розряду. Переваги застосування тліючого розряду: високий коефіцієнт використання електроенергії (витрата тільки на іонізацію газу та нагрівання деталі); зменшення тривалості процесу за рахунок швидкого нагріву до температури насичення; збільшення активності газового середовища та поверхневого шару; можливість отримання покриттів із тугоплавких металів, сплавів та хімічних сполук. Недоліки процесу: низький тиск у камері (10 -1 Па), мала продуктивність, робота в періодичному режимі, неможливість обробки довгомірних виробів (наприклад, труб), значні витрати електроенергії, висока вартість установок.
Іонно-дифузійне насичення Переваги перед процесом звичайного газового азотування: скорочення тривалості циклу в 3-5 разів; зменшення деформації деталей у 3 -5 разів; можливість проведення регульованих процесів азотування з отриманням шарів із заданим складом та структурою; можливість зменшення температури процесу азотування до 350 -400 0 З, що дозволяє уникнути розуміцнення матеріали серцевини виробів; зменшення крихкості шару та підвищення його службових характеристик; простота захисту окремих ділянок деталей від азотування; усунення небезпеки вибуху печі; зниження питомих витрат електричної енергії в 1, 5 -2 рази та робочого газу в 30 -50 разів; покращення умов праці термістів. Недоліки: неможливість прискорення процесу шляхом збільшення густини іонного потоку, тому що в результаті перегріву деталей знижується поверхнева твердість; інтенсифікація процесу іонного азотування; накладання магнітного поля з метою збільшення щільності струму та зниження тиску газу; з допомогою створення поверхні деталі заданої дефектності (попереднє пластичне деформування, термічна обробка).
Установка іонної цементації ЕВТ
Іонна цементація При іонній цементації у граничному шарі створюється високий градієнт концентрації вуглецю. Швидкість зростання вуглероженного шару матеріалу становить 0, 4… 0, 6 мм/год, що у 3… 5 разів перевищує цей показник інших способів цементації. Тривалість іонної цементації для одержання шару товщиною 1…1,2 мм скорочується до 2…3 годин. Внаслідок низької витрати газів, електроенергії та нетривалого часу обробки виробничі витратизнижуються у 4… 5 разів. До технологічних переваг іонної цементації слід віднести високу рівномірність навуглерожування, відсутність зовнішнього та внутрішнього окиснення, зменшення короблення деталей. Обсяг механічної обробки скорочується на 30%, кількість технологічних операцій зменшується на 40%, тривалість циклу обробки скорочується на 50%.
Іонно-плазмове азотування (ІПА) ІПА – різновид хіміко-термічної обробки деталей машин, інструменту, штампової та ливарної оснастки, що забезпечує дифузійне насичення поверхневого шару сталі (чавуну) азотом або азотом і вуглецем в азотно-водневій плазмі при температурі 0 , а також титану або титанових сплавів при температурі 800-950 ° С в азотній плазмі. Сутність іонно-плазмового азотування полягає в тому, що в розрядженому до 200-1000 Па азотовмісному газовому середовищі між катодом, на якому розташовуються оброблювані деталі, і анодом, роль якого виконують стінки вакуумної камери, збуджується аномальний тліючий розряд, що утворює активне середовище (іони, атоми, збуджені молекули). Це забезпечує формування на поверхні виробу азотованого шару, що складається з зовнішньої – нітридної зони з дифузійною зоною, що знаходиться під нею.
Мікроструктура азотованого шару інструментальної сталі 4 Х 5 МФС а б Мікроструктури сталей У 8 (а) та 20 Х 13 (б) після іонно-плазмового азотування
Установка УА-63 -950/3400 із змінною геометрією робочої камери (висота 1, 7 або 3, 4 м)
Застосування методу іонно-плазмового азотування даним методом обробляються наступні вироби: форсунки для легкових автомобілів, пластини автоматичного приводу, матриці, пуансони, штампи, прес-форми (Daimler Chrysler); пружини для системи упорскування (Opel); колінчасті вали (Audi); розподільні (кулачкові) вали (Volkswagen); колінчасті вали для компресора (Atlas, США та Wabco, Німеччина); шестерні для BMW (Handl, Німеччина); автобусні шестірні (Voith); зміцнення пресового інструменту у виробництві алюмінієвих виробів (Нугховенс, Скандекс, Джон Девіс та ін.). Є позитивний досвід промислового використання цього методу країнами СНД: Білорусь – МЗКТ, МАЗ, Біл. АЗ; Росія – Авто. ВАЗ, Кам. АЗ, ММВП «Салют», Уфімське моторобудівне об'єднання (УМПО). Методом ІПА обробляються: шестірні (МЗКТ); шестерні та інші деталі (МАЗ); шестерні великого (більше 800 мм) діаметра (Біл. АЗ); впускні та випускні клапани (Авто. ВАЗ); колінчасті вали (Кам. АЗ).
Металізація виробів за типом 1 проводиться в декоративних цілях, для підвищення твердості та зносостійкості, для захисту від корозії. Через слабке зчеплення покриття з підкладкою цей вид металізації недоцільно застосовувати для деталей, що працюють в умовах великих навантажень та температур. Технологія металізації за типами 1 і 2 передбачає накладення шару речовини на поверхню холодного або нагрітого до відносно невисоких температур виробу. До цих видів металізації відносяться: електролітичні (гальванотехніка); хімічні; газополум'яні процеси одержання покриттів (напилення); нанесення покриттів плакування (механо-термічний); дифузійний, зануренням у розплавлені метали. Технологія металізація за типом 2 б передбачає дифузійне насичення металевими елементами поверхні деталей, нагрітих до високих температур, в результаті якого в зоні дифузії елемента утворюється метал (дифузійна металізація). У цьому випадку геометрія та розміри металізованої деталі практично не змінюються.
Іонно-плазмова металізація Іонно-плазмова металізація має ряд істотних переваг у порівнянні з іншими видами металізації. Висока температура плазми та нейтральне середовище дозволяють отримувати покриття з більшою структурною однорідністю, меншою окислюваністю, вищими когезійними та адгезійними властивостями, зносостійкістю та ін. в порівнянні з цими властивостями інших видів металізації. За допомогою цього методу металізації можна розпорошувати різні тугоплавкі матеріали: вольфрам, молібден, титан та ін. тверді метали, а також оксиди алюмінію, хрому, магнію та ін Нанесення покриття можна здійснювати розпиленням як дроту, так і порошку. Власне металізація складається з трьох процесів: плавлення твердого металу дроту або порошку (при іонно-плазмовій металізації), розпилення розплавленого металу та формування покриття. Матеріалами для напилення можуть бути будь-які тугоплавкі метали у вигляді дроту або порошку, але можуть використовуватися і середньоутворені до леговані дроти типу Нп-40, Нп-ЗОХГСА, Нп-ЗХ 13 та ін. В умовах авторемонтних підприємств як тугоплавкі матеріали може застосовуватися сплав типу ВЗК (стеліт) або сормайт, що володіє високими зносостійкістю та корозійною стійкістю.
Планування будинку, плани будинків та котеджів
Малий бізнес - ідеї виробництва вдома
Історія JANOME. Швейні машини. Janome, Veritas, Pfaff Швейна машинка janome виробник країна
Робота з системою tattis
Властивості міді та її застосування