Плазменное прецизионное азотирование изделий из сталей и сплавов Avinit N

Октябрь 16th, 2013

Нами разработан способ плазменного прецизионного азотирования Avinit® N. На способ получены патенты Украины и России.

Плазменное прецизионное азотирование Avinit® N — процесс химико-термической обработки деталей машин, инструмента, диффузионное насыщение поверхностного слоя азотом в плазме несамостоятельного газового разряда. Плазмообразующий газ — азот. Предлагаемый нами процесс является экологически чистым, в нем не применяется водород, аммиак, водородсодержащие соединения. Источником высокоплотной плазмы является газовый плазмогенератор установки Avinit®. Температура изделий в процессе азотирования для сталей 450-600°С, возможно применение аналогичного процесса для титана и титановых сплавов при температурах 600-800°С.

 Суть плазменного азотирования:

Детали, помещенные в вакуумную камеру, подвергаются обработке плазмой высокой плотности в разряженной инертной газовой среде, возбужденной генератором плазмы.

Детали, как и при других видах ионного азотирования, являются катодом, стенки вакуумной камеры — анодом. Воздействие плазмы приводит к нагреву деталей. После нагрева до рабочей температуры плазмообразующий газ в камере заменятся на азот, что приводит к формированию на поверхности изделия азотированного слоя.

Изменяя давление, температуру и время выдержки, параметры разряда, можно получать слои заданной структуры и фазового состава, обеспечивая строго заданные свойства азотированных поверхностей.

Способ Avinit® N осуществляют следующим образом:

В камере установки Avinit®, содержащей источник газоразрядной плазмы (газовый плазмогенератор), создают предварительный вакуум порядка 5·10-5 мм рт.ст. Затем через газовый плазмогенератор в камеру вводят аргон до давления 1·10-3 — 2·10-3 мм рт.ст.   изменением тока накала катода регулируют ток разряда плазмогенератора и плотность газоразрядной плазмы. На обрабатываемое изделие подают отрицательный потенциал смещения, плавно изменяя его значение от 50 до 500-600 В, и проводят ионную очистку поверхности. При этом интенсивность ионной очистки и температуру нагрева изделия регулируют током разряда газового плазмогенератора.

Проводят нагрев изделий до заданной температуры в интервале 400…500°С в газоразрядной плазме аргона, формируемой газовым плазмогенератором.

Затем проводят последующую изотермическую выдержку в газоразрядной плазме аргона и азота, также формируемой газовым плазмогенератором.

На третьем этапе осуществляют собственно азотирование при выдержке изделий при заданной температуре в насыщающей атмосфере азота, при котором высокоплотная газоразрядная плазма, в которой проводят диффузионное насыщение, содержит ионы азота и формируется газовым плазмогенератором.

Сравнительные характеристики традиционных процессов азотирования и плазменного прецизионного азотирования Avinit® N представлены в табл. 1 для промышленно широко используемых сталей 30Х2Н2ВФА, 25Х1МФ, 20Х3МВФ и сплава титана ВТ6.

Марка материалаПараметры процесса, свойстваТрадиционные процессы ионного азотированияПрецизионное плазменное азотирование Avinit® N
30Х2Н2ВФАВремя получения упрочненного слоя толщиной 0,2…0,3 мм, час162
Температура процесса, °С500 - 600530
Глубина азотированного слоя, мм0,25
Твёрдость азотированного слоя, HV830
Твёрдость основы, HRC37-39
Характеристика геометрических размеров с точностью 1 - 2 мкмНеизменна
25Х1МФВремя получения упрочненного слоя толщиной 0,2…0,3 мм, час162
Температура процесса, °С500-600530
Глубина азотированного слоя, мм0,25
Твёрдость азотированного слоя, HV790
Твёрдость основы, HRC36-40
Характеристика геометрических размеров с точностью 1 - 2 мкмНеизменна
20Х3МВФВремя получения упрочненного слоя толщиной 0,2…0,3 мм, час202
Температура процесса, °С500 - 600530
Глубина азотированного слоя, мм0,3
Твёрдость азотированного слоя, HV970
Твёрдость основы, HRC38
Характеристика геометрических размеров с точностью 1 - 2 мкмНеизменна
Сплав титана ВТ6Температура процесса, °С700 - 800700
Толщина слоя с твердостью ³ 600 HV, мм0,010,05
Время азотирования, час153
Глубина азотированного слоя, мм0,05
Твёрдость азотированного слоя, HV950
Твёрдость основы, HRC37-39
Характеристика геометрических размеров с точностью 1 - 2 мкмНеизменна

Из таблицы следует, что получение диффузионного слоя с равномерной структурой поверхности при диффузионном насыщении азотом под воздействием ионов газовой смеси аргона и азота, создаваемых газовым плазмогенератором, повышение твердости изделий из сталей и сплавов при минимальном короблении и сохранении исходных геометрических размеров изделий достигается при плазменном прецизионном азотировании Avinit® N с получением равномерно упрочненного слоя при отсутствии образования хрупкого слоя нитридов железа.

При плазменном азотировании Avinit® N интенсифицируется процесс образования азотированного слоя в 3-5 раз по сравнению с обработкой традиционным способом ионного азотирования в тлеющем разряде. Повышается твердость изделий за счет получения равномерно упрочненного азотированного слоя без коробления изделий с сохранением исходных геометрических размеров.

Температура изделий в процессе азотирования для сталей 500-600°С, для титана и титановых сплавов —  600-800°С.

Выполненные эксперименты по плазменному азотированию легированных сталей, в частности, цементируемых, улучшаемых и азотируемых сталей и некоторых жаропрочных конструкционных сталей показали, что плазменное азотирование Avinit® N таких сталей, которые не являюся типичными азотируемыми сталями. обеспечивает такие же, а зачастую даже более высокие свойства деталей при меньших затратах на изготовление, чем азотируемые стали. Например, стали, разработанные первоначально лишь для цементации, прекрасно зарекомендовали себя и после плазменного азотирования Avinit® N.

Достигаемые в этом случае твердость поверхности и глубина азотирования определяются предшествующей термообработкой (длительностью и температурой нормализации, температурой закалки, температурой и длительностью отпуска), содержанием легирующих элементов и условиями плазменного азотирования.

Преимущества плазменного прецизионного азотирования Avinit® N.

Основным преимуществом способа является существенная интенсификация процесса азотирования, получение равномерно упрочненного азотированного слоя, отсутствие хрупкого слоя без коробления изделий с сохранением исходных геометрических размеров деталей. После плазменного прецизионного азотирования Avinit® сохраняются чертежные размеры и отсутствует хрупкий поверхностный слой, что позволяет уйти от финишной шлифовки после азотирования, получить операцию азотирования «в размер».

Использование изобретения интенсифицирует процесс образования азотированного слоя в 3-5 раз по сравнению с обработкой традиционным способом ионного азотирования в тлеющем разряде и в 5-30 раз по сравнению с газовым азотированием. Повышается твердость и износостойкость изделий за счет получения равномерно упрочненного слоя.

В сравнении с широко используемыми способами азотирования метод плазменного прецизионного азотирования Avinit® имеет следующие основные преимущества:

  • отсутствие деформации деталей (коробления) после обработки, стабильное качество обработки с минимальным разбросом свойств от детали к детали и от садки к садке;
  • отсутствие загрязнения окружающей среды;
  • процесс является экологически чистым, в нем не применяется водород, аммиак, водородсодержащие соединения;
  • повышение культуры производства;
  • снижение себестоимости обработки.

Преимущества плазменного азотирования Avinit® N проявляются и в существенном сокращении основных издержек производства. Так, например, по сравнению с газовым азотированием в печах, плазменное азотирование Avinit® обеспечивает:

  • сокращение продолжительности обработки в 5 – 30 раз, как за счет снижения времени нагрева и охлаждения садки, так и за счет уменьшения времени изотермической выдержки;
  • сокращение расхода рабочих газов;
  • сокращение расхода электроэнергии;
  • снижение деформации деталей, исключая финишную шлифовку;
  • улучшение санитарно-гигиенических условий производства;
  • полное соответствие технологии всем современным требованиям по охране окружающей среды и экологической безопасности.

Процессы плазменного прецизионного азотирования устраняют недостатки традиционных промышленных процессов азотирования (традиционного ионного азотирования, жидкостного и газового азотирования), сокращают существенно их длительность, обеспечивают стабильную качественную микроструктуру поверхностных слоев деталей, устраняют их хрупкость, повышают эксплуатационные свойства деталей, расширяют ассортимент обрабатываемых материалов.

Для некоторых прецизионных сложнопрофильных изделий, не допускающих после азотирования коробления на уровне 1…2 мкм, и для которых обработка высокоточным шлифованием твердых азотированных поверхностей попросту невозможна, плазменное азотирование Avinit® N «в размер» является единственным способом получения готового изделия.

Плазменное прецизионное азотирование Avinit® N используется на производстве взамен традиционного ионного азотирования, жидкостного и газового азотирования.