книги / Плазменная химико-термическая обработка

ка в газовой фазе присутствует много молекулярного азота и водорода, который абсорбируется поверхностью стали и тормозит поглощение сталью азота. В связи с этим при азотировании при 500 °С степень диссоциации аммиака стремятся поддержи-

вать около 15–30 %, при 550 °С – около 35–45 %, при 600 °С – около 45–60 % и т.д. [31, 35].

При низкотемпературном азотировании, независимо от того, в какой среде проводится обработка, происходит преимущественное насыщение стали азотом, а диффузионный слой содержит только азотистые фазы. Наличие углерода влияет лишь на формирование нитридной фазы, которая в зависимости от этого может быть карбонитридной или карбооксинитридной. При газовом азотировании могут использоваться различные типы рабочих сред. Наиболее распространенной из них является газовая среда, состоящая наполовину из аммиака, а оставшаяся часть – это пропан или смесь из аммиака и эндогаза, взятых в таких же пропорциях. Температура изотермической выдержки при использовании такой газовой среды составляет 570 °С, длительность выдержки 3 ч. Полученный азотированный слой имеет небольшую глубину, но высокую поверхностную твердость и износостойкость. При низкотемпературном газовом азотировании может использоваться частично диссоциированный аммиак, а также смеси аммиака и азота, аммиака и предварительно диссоциированного аммиака. Для активации процесса в аммиачно-водородную смесь иногда вводят кислород или воздух. Широкое применение находят атмосферы на основе частично диссоциированного аммиака и углеродсодержащих компонентов: природного газа, эндогаза, экзогаза, продуктов пиролиза синтина, керосина, спирта и т.д. Детали помещают в металлические ящики-муфели, которые устанавливают в нагревательной печи. В муфель подается газообразный аммиак. При температуре азотирования 500–600 °С происходит частичная диссоциация аммиака, в результате чего выделяется атомарный азот. В условиях повышенной температуры атомарный азот диффундирует в глубь металла.

21

Для газового азотирования используют печи периодического и непрерывного действия разных конструкций. К печам периодического действия относятся шахтные муфельные и безмуфельные печи, а также камерные печи.К печам, работающим по непрерывному циклу, – толкательные и конвейерные печи.

Наибольшее распространение получили шахтные печи. В муфельных шахтных печах рабочий газ поступает в герметизированный муфель и не соприкасается с нагревателями и футеровкой. В безмуфельных печах газ непосредственно контактирует с нагревателямиикладкойпечи.

Во всех шахтных печах циркуляция газа в рабочем пространстве принудительная, электрическая мощность разделяется по зонам, что обеспечивает высокую равномерность температурного поля и состава атмосферы.

Большое влияние на результаты газового азотирования оказывает характер подготовки поверхности. Стальные детали перед азотированием подвергают пескоструйной обработке или травлению; перед травлением места, не подлежащие азотированию, покрывают кислотостойкой краской.

Технологический процесс изготовления азотируемых изделий при газовом азотировании состоит из следующих этапов:

1)предварительная термическая обработка;

2)механическая обработка;

3)защита мест, не подлежащих азотированию;

4)азотирование;

5)окончательное шлифование или доводка изделия в соответствии с заданными допусками.

Жидкостным азотированием называется химико-термичес- кая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении стали азотом и углеродом при температуре в интервале, как правило, 560–580 °С в расплаве, содержащем цианистые соли [1, 31, 35]. Применяемые для насыщения расплавы солей должны обладать хорошей текучестью, низкой температурой плавления и стабильностью химического состава расплава, обеспечивающей высокую

22

активность ванны во времени. Чаще всего процесс проводится в цианид-цианитных расплавах или расплавах на основе карбамида. В процессе азотирования в жидких средах необходима продувка расплава воздухом, а процесс осуществляется в титановых тиглях. Перед азотированием детали проходят предварительную обработку: обезжириваются, промываются в горячей воде, просушиваются и после подогрева до 350–450 °С загружаются в ванну. Производственное оборудование для жидкостного азотирования представляет собой комплект ванн, в которых проводится предварительный подогрев, непосредственно азотирование, охлаждение и промывка деталей.

Азотирование в тлеющем разряде (ионное азотирование) проводится при пониженном давлении (100–800 Па) в азотсодержащей атмосфере. К обрабатываемым деталям прикладывается отрицательное напряжение, т.е. они являются катодом, а анодом является стенка вакуумной камеры. Между катодом-деталями и анодом возбуждается тлеющий разряд, и ионы газа, бомбардируя поверхность деталей, нагревают их до температуры насыщения. Процесс ионного азотирования реализуется в три стадии: первая – очистка поверхности катодным распылением, вторая – нагрев деталей до температурыизотермическойвыдержки, третья– собственнонасыщение.

Очистку поверхности деталей в режиме катодного распыления проводят обычно в течение 5–60 мин в зависимости от обрабатываемой площади при разрядном напряжении 600–650 В и низком давлении – порядка 20–30 Па, а непосредственно азотирование проводится при температуре 400–580 °С, рабочем напряжении 400–600 В, при этом продолжительность процесса составляет от нескольких часов до десятков часов в зависимости от глубины азотированного слоя.

Ионное азотирование применяют для обработки чугунов и различных сталей и сплавов: конструкционных, инструментальных, мартенситно-стареющих и коррозионностойких.

На основе применения газоразрядной плазмы в качестве «рабочего тела» создано оборудование, обеспечивающее сущест-

23

венный рост производительности, требуемое качество модифицированной поверхности, экологическую безопасность. В качестве насыщающих сред в установках подобного типа используются: аммиак, диссоциированный аммиак либо смеси азота с водородом, азота с аргоном, азота с водородом, аргоном, иногда с природным газом.

Управление структурой азотированного слоя и его механическими свойствами осуществляется различными способами:

а) изменением плотности тока разряда; б) изменением расхода азота;

в) изменением давления в разрядной камере.

1.2.Оборудование для ионного азотирования

втлеющем разряде

Вкачестве насыщающих сред при плазменной химико-терми- ческой обработке применяются азот- и углеродсодержащие газы, напримермолекулярныйазот, аммиак, ацетилен, метан, пропан-бутан.

Взависимости от марки обрабатываемой стали, цели обработки, элемента, используемого для поверхностного насыщения, температура и продолжительность процесса химико-термической обработки колеблются в весьма широких пределах. Температура преимущественно от 350 до 1050 °С, а продолжительность – от нескольких минут до десятков часов.

От температуры процесса зависят глубина, химический и фазовый состав диффузионного слоя. Для получения более глубоких диффузионных слоев температура поддерживается на верхнем, допустимом для данного процесса пределе, превышение которого отрицательно влияет на структуру сердцевины, фазовый состав и структуру поверхностного слоя. Глубина диффузионного слоя при данной температуре зависит главным образом от продолжительности процесса.

Для реализации процессов нагрева обрабатываемых изделий до температуры изотермической выдержки и формирования ак-

24

тивной среды в рабочем пространстве используется соответствующее оборудование. Это установки плазменной химикотермической обработки, содержащие вакуумную камеру, куда загружаются обрабатываемые изделия; откачные средства (вакуумный насос или откачной агрегат); система подачи и контроля расхода газовой смеси и система охлаждения стенок вакуумной камеры, которые могут иметь «горячие» и «холодные» стенки [38, 39]. Термин «холодные стенки» подразумевает, что камера имеет водоохлаждаемые стенки. Внутри таких камер имеются теплозащитные экраны из тонколистовой стали либо, или дополнительно, из волокнистых теплоизоляционных материалов. Термин «горячие стенки» означает, что снаружи обечайки вакуумной камеры или внутри нее находятся дополнительные (трубчатые, стержневые или зигзагообразные) нагреватели. Таким образом, детали садки можно разогревать не только тлеющим разрядом, но и резистивным нагревателем.

Вакуумные камеры установок для ионного азотирования, ионной цементации и нитроцементации по конструктивному исполнению делятся на следующие типы – колпаковые, колпаковые составные, камерные дверного типа, шахтные. Производством камер для ионного азотирования занимаются такие предприятия, как «Эльтро», «Платег» (Германия), «Рюбик» (Австрия), «Ионитех» (Болгария), а камер для ионной цементации – ГНУ ФТИ НАН Беларуси, ВНИИЭТО (Россия), SecoWarwick (Польша), «Ипсен» (Германия).

Типичная установка для ионного азотирования состоит из следующих основных частей: вакуумной камеры, токовводов, термопарных вводов, систем энергопитания, вакуумирования, газообеспечения, устройств дугогашения и стабилизации тлеющего разряда, контрольно-измерительной аппаратуры и системы управления. В литературе описано большое количество конструкций установок и устройств для ионного азотирования, которые разработаны и запатентованы во многих странах: Германии,

25

Японии, США, Великобритании, Франции, Швейцарии, Болгарии, России, Беларуси и др. [38–46].

1.2.1. Источники питания для формирования тлеющего разряда

Для формирования тлеющего разряда наиболее эффективно применение импульсных источников питания, обладающих широким диапазоном регулирования величины напряжения силы тока и мощности тлеющего разряда.

Рис. 1.2. Осциллограммы напряжения (1) и тока (2) импульсного источника питания

Если источник питания тлеющего разряда имеет достаточную мощность либо если загрузка камера обрабатываемыми деталями невелика, то при подаче на катод-детали импульса напряжения оно практически мало изменяется при развитии разряда, когда возрастает разрядный ток. При недостаточной мощности или достаточно развитой площади садки напряжение питания при развитии разряда (возрастании разрядного тока) «просаживается» относительно первоначальной величины (рис. 1.2).

26

1.2.2. Рабочие камеры установок ионного азотирования

Исторически первые вакуумные камеры установок ионного азотирования имели так называемые «холодные» стенки, т.е. обечайка вакуумной камеры имела рубашку водяного охлаждения

(рис. 1.3).

Рис. 1.3. Камера установки ионного азотирования

с «холодными» стенками: Pэл – мощность тлеющего разряда;

Q – тепловой поток от садки к стенке камеры

Для снижения теплопотерь в камере используются теплозащитные экраны из листового металла. Влияние количества коаксиальных экранов на тепловой баланс камеры достаточно подробно рассмотрено в ряде работ [47, 48].

Для повышения производительности процесса ионного азотирования в настоящее время применяются различные конструктив-

27

ные решения. Одним из них является введение дополнительных электронагревателей как внутри вакуумной камеры (рис. 1.4, а), так и за ее пределами (рис. 1.4, б). Это позволяет уменьшить время нагрева деталей и существенно сократить длительность процесса, особенно при обработке массивных деталей.

Такое оборудование производится немецкими фирмами

Eltro, PlaTeg (рис. 1.5, 1.6), австрийской фирмой Rübig.

Впоследнее время такое же оборудование предлагает болгарская фирма «Ионитех» (рис. 1.7).

Вустановках ионного азотирования совместного производства ООО «СНТ» и ФТИ НАН Беларуси электронагреватель расположен внутри камеры (рис. 1.8).

Для реализации процессов высокотемпературной упрочняющей обработки в тлеющем разряде (цементации или нитроцементации) камеры обязательно должны иметь «горячие» стенки, поскольку температурный диапазон данных процессов составляет 850–950 °С. Это приводит к значительным тепловым потокам от садки к стенке камеры. Использование только энергии тлеющего разряда для обеспечения температурного режима требует применения плазмогенераторов мощностью несколько сотен киловатт, что экономически нецелесообразно.

Типичные схемы вакуумных камер установок для ионной цементации показаны на рис. 1.9 а и б. Нагрев обрабатываемых изде-

лий в рабочей камере может осуществляться тлеющим разрядом Рэл (мощность разряда до Pэл) и резистивными нагревателями Рн (мощность нагревателя Pн), которые с целью минимизации тепловых потерьдолжнынаходитьсявнутриобечайкикамеры.

Для организации ускоренного охлаждения садки деталей после проведения процесса насыщения их углеродом применяют камеры с встроенным центробежным вентилятором (рис. 1.9, б). Он начинает работать после напуска в камеру азота до давления на уровне 0,7–0,9 от атмосферного. Это позволяет значительно сократить время остывания деталей до температуры, при которой возможно их извлечение из камеры.

28

а

б

Рис. 1.4. Камеры установок ионного азотирования с «горячими» стенками

29

Рис. 1.5. Схематическое изображение установок ионного азотирования с «горячими» стенками фирмы Eltro

Рис. 1.6. Схематическое изображение установок ионного азотирования с «горячими» стенками фирмы PlaTeg

30