Азотирование сталей с использованием тлеющего или дугового разрядов

На территории СНГ теоретические и экспериментальные исследования ряда научных коллективов (под руководством Ю.М. Лахтина, Б.Н. Арзамасова, В.Г. Каплуна и др.) позволили для существенного ускорения процесса насыщения металла азотом в газовой среде пониженного давления использовать воздействие на газовый промежуток между анодом и катодом электрического поля с образованием двух вариантов разряда - тлеющего или дугового ( использование искрового, а тем более коронного разрядов не нашли широкого применения в промышленности по сравнению с тлеющим или дуговым). В технической литературе 80-90-х годов прошлого столетия такой процесс часто называют ионное или плазменное азотирование, что не совсем корректно отображают его сущность. Для этих двух вариантов процесса азотирования характерно пониженное давление газовой среды (снижает расход атмосферы в ~20-30 раз по сравнению с традиционным режимом азотирования). В принципиальном плане газовые среды, используемые в такой технологии, могут содержать водород (чаще на базе аммиака) или быть без него (при концентрации кислорода ≤1% об.). Технологии подобного типа соответствуют классу вакуумно-диффузионных газоразрядных и в современной интерпретации достаточно полно изложены в работах Андреева А.А., Пастуха И.М. Шулаева В.М. и др.

При этом между деталью (катодом - наиболее часто реализуемый вариант) и анодом, которым является контейнер установки с разреженной азотсодержащей атмосферой (NH₃. N₂). Следует отметить, что деталь может являться в такой схеме и анодом (возможен и плавающий потенциал). При возбуждении разряда в такой цепи в возникающей плазме поверхность катода (детали) бомбардируется ионами азота из плазменного разряда, разогревая ее до температуры насыщения.

Процесс ионного азотирования разделяется на две стадии:

А) предварительная обработка детали вне камеры:

-очистка поверхности и обезжиривание;

-формирование садки;

Б) подготовка и запуск режима азотирования:

-вакуумирование разрядной камеры, иногда многократное с промежуточной «промывкой» азотом до давления ~1Па;

-очистка поверхности детали катодным распылением (ионная бомбардировка) в течение 5-60 мин при напряжениях 1000-1400 В и давлении 0,1-0,2 мм.рт.ст (~13-26 Па). При этом температура поверхности детали не превышает 250⁰С;

-увеличение давления в камере до рабочего в пределах 50-1300 Па (реальный процесс при давлениях не выше 400-450Па), выход на рабочую температуру (450-580⁰С) насыщение металла и давления до 1-10 мм.рт.ст. (~133-1333Па) при рабочем напряжении 300-1100В;

-реализация самого процесса диффузионного насыщения (от минут до 24 часов) при котором температура поверхности детали не превышает 450-500⁰С;

-остывание камеры и выгрузка садки.

При азотировании в тлеющем разряде могут использоваться следующие насыщающие газовые среды:

-диссоциированный аммиак (25% азота+75% водорода);

-в течение 30% от общей продолжительности процесса в диссициированном аммиаке, а затем в смеси азота (80-90%) и аммиака (20-10%); смеси аммиака с пропаном (8-10%); смеси аммиака (20-10%) с аргоном (80-90%).

В результате такой обработки в поверхностном слое металла формируется структура, состоящая из нитридной зоны и зоны твердого раствора азота в железе. Соотношение нитридных фаз в слое зависит от азотного потенциала плазмы (отношение N₂: H₂), температуры и времени азотирования, концентрации углерода в подложке и в насыщающей атмосфере.

При азотировании по такой схеме существует критический анодный потенциал (отношение N₂: H₂), называемый пороговым азотным потенциалом, ниже которого на поверхности изделия не образуется нитридный слой. Азотирование без нитридного слоя называется светлым азотированием. Увеличение содержания углерода в стали увеличивает количество e –фазы в слое и скорость роста слоя в целом. Введение углеродсодержащих газов в состав насыщающей атмосферы также приводит к увеличению содержания e –фазы в слое. Увеличение температуры подложки процесс диссоциации соединений Fe-N усиливается, растет доля g¹ - фазы, которая как и e –фаза, исчезает по мере дальнейшего повышения температуры подложки. Из существующей в литературе диаграммы Fe-N следует, что e –фаза распадается при температуре около 500⁰С, а g¹ - фаза при ~700⁰С. В последнее десятилетие появились уточненные данные, показывающие, что распад e –фазы происходит при ~590⁰С, а g¹ - фазы при ~680⁰С.

Hитроцементация и цианирование - процессы одновременного насыщения металла углеродом и азотом:

-газовая нитроцементация осуществляется в контролируемой эндотермической атмосфере с добавкой 1,5- 5,5% (об.) природного газа и 1,0 – 3,5% (об.) аммиака при температуре 850-870⁰С в течение 4-10 часов. После нитроцементации следует закалка (чаще непосредственно из печи) и низкий отпуск (160-180⁰С). Толщина нитроцементованного слоя составляет ~0,2 – 0,8мм. После такой обработки твердость HRC= ~58-60; HV= ~570-690;

- азотирование в жидких средах (тенифер-процесс) проводят при ~530-570⁰С в течение 0,5-3,0 часов в расплавленных цианистых солях (85% соли, содержащей: 40%-KCNO+ 60%NaCl+15% Na₂ CO₃) - цианирование. При окислении цианистого натрия образуется атомарный азот и оксид углерода. Преимущества процесса - малая продолжительность, высокая износостойкость и коррозионная стойкость поверхности изделий. Недостаток процесса - ядовитые соли и пары.

Диффузионное насыщение металлами:

Металлы растворяются в железе по способу замещения и поэтому медленнее, чем неметаллы, диффундируют в изделие. Как правило, этот процесс проводится при более высоких температурах, чем насыщение неметаллами.

Алитирование (алюминирование)- насыщение аллюминием металла поверхности изделия на глубину 0,2-0,8мм при температуре 950-1050⁰С в течение 3-12 часов. Наиболее часто производя алитирование стальных изделий в порошках с насыщением из газовой среды. Порошкообразная смесь состоит из ферроалюминия, хлористого аммония и окиси алюминия. В присутствии NH₄Cl образуется газообразный хлорид алюминия AlCl₃, являющийся поставщиком активных атомов алюминия. Окись алюминия предотвращает спекание частиц ферроалюминия. При нагреве алитированного изделия в окислительной среде на его поверхности образуется тонкая и прочная пленка Al₂O₃, предохраняющее изделие от дальнейшего окисления. Процесс используется для повышения жаропрочности различных изделий (лопаток турбин и т.д.).

Диффузионное хромирование - повышает коррозионную стойкость, окалиностойкость и износостойкость стальных деталей. Наиболее распространено хромирование в порошкообразных смесях феррохрома (или хрома), хлористого аммония и оксида алюминия при 1000-1050⁰С с выдержкой 6-12 часов. Поставщиком активных атомов является образующийся газообразный CrCl₂. Толщина слоя обычно 0,2 мм.

Хромирование в вакууме проводят при 1000-1050⁰С в течение нескольких часов с насыщением из паровой фазы, получаемой при испарении порошка хрома.

Дата добавления: 2014-10-23