Ионное азотирование: твердость, выносливость, стойкость

Ионное азотирование: твердость, выносливость, стойкость

Инновационными технологиями поверхностного упрочнения в ФТИ НАН Беларуси занимаются не одно десятилетие. Среди изучаемых методов -электронно- и ионно-лучевое, плазменное, магнито- и электроимпульсное воздействие, скоростной электроконтактный и тВЧ-нагрев, электроискровое легирование и др. В последние годы в институте проводятся также работы по ионному азотированию.

Игорь Поболь,

директор

Научного инженерного центра «Плазмотег»,

завлабораторией электрофизики Физико-технического института НАН Беларуси, доктор технических наук

Ионное азотирование (ИА) - это метод химико-термической обработки (ХТО) в тлеющем разряде, повышающий твердость, сопротивление к схватыванию и изнашиванию, контактную выносливость, коррозионную и теплостойкость деталей (до 500-600 °С). Основное отличие азотирования, выгодно выделяющее его на фоне других методов высокотемпературной ХТО (цементации, нитроцементации и т.д.), - малая деформация и коробление деталей или их полное отсутствие. Это возможно благодаря отсутствию фазовых превращений в стали в процессе насыщения поверхности азотом и низкой температурой процесса (350-570 °С), что позволяет почти полностью исключить этап финишного шлифования изделия.

В мире происходит замена традиционных высокотемпературных видов ХТО на процессы азотирования. Новые разработки, в частности ионное азотирование в тлеющем разряде, позволяют избавиться от таких недостатков газового метода, как большая длительность и трудоемкость процесса, повышенная хрупкость слоя, недостаточная контактная выносливость. При ионном азотировании диффузионное насыщение поверхностного слоя металла азотом (или азотом и углеродом) происходит в азотсодержащем тлеющем аномальном разряде при температуре 350-570 °С и давлении 100-600 Па. Ионному азотированию могут подвергаться практически все легированные, а также среднеугле-родистые стали и чугуны. Имеются также

исследования по ионному азотированию титановых и алюминиевых сплавов, тугоплавких металлов.

В разряженной среде между катодом (деталями) и анодом (стенками рабочей вакуумной камеры) возбуждается тлеющий разряд (рис. 1), образующий активную среду (ионы и атомы азота), обеспечивающую формирование азотированного слоя, состоящего из внешней, нитридной, и располагающейся под ней диффузионной зоны.

Температура азотирования назначается, исходя из требований конструкторской документации по глубине и твердости слоя (с учетом температуры предварительной термической обработки), марки стали и экономических соображений.

ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Технологические факторы, влияющие на эффективность ионного азотирования, - температура процесса, продолжительность насыщения, давление, состав и расход рабочей газовой смеси. Варьируя этими параметрами, можно получать азотированные слои заданной структуры и фазового состава.

В результате ИА изделий могут быть существенно повышены их износостойкость, усталостная выносливость, антизадирные свойства, теплостойкость, коррозийная стойкость. Обеспечивается стабильное качество обработки. По сравнению с газовым азотированием в печи ИА сокращает продолжительность обработки в 2-5 раз, снижает или полностью исключает хрупкость упрочненного слоя, сокращает расход рабочих газов в 20-100 раз, расход электроэнергии - в 1,5-3 раза и т.д.

Ионное азотирование может использоваться вместо газового и жидкостного азотирования в соляных ваннах, никотри-рования (газового азотирования в среде аммиака и природного газа) и в некоторых случаях - вместо цементации (нитроце-ментации), а также ТВЧ-закалки.

Как показывает мировой и отечественный опыт применения технологии ИА, экономический эффект обеспечивается благодаря снижению расхода электроэнергии, рабочих газов, сокращению трудоемкости изготовления изделий из-за существенного уменьшения или полного исключения объема шлифовальных работ, повышению качества продукции.

Экономический эффект при ИА режущего и штампового инструмента обусловлен снижением его расхода ввиду повышения в 4 и более раз его износостойкости и повышения режимов резания.

Для шестерен большого диаметра, применяемых в большегрузных автомобилях, экскаваторах и другой специальной технике, использование технологии ионного азотирования является единственным способом получения готового изделия без брака.

Сталь перед азотированием должна быть нормализована или улучшена (в поковках, если речь идет о шестернях или вал-шестернях), либо может быть в состоянии поставки. Вид предварительной

термообработки зависит от величины нагрузки на азотированный слой и типа нагрузки на изделие.

ИА можно применять для упрочнения зубчатых колес, при этом ресурс работы азотированной поверхности в 2-5 раз выше по сравнению с обработанной методом ТВЧ-закалки.

Контактная усталостная прочность нагруженных сталей после азотирования выше, чем после поверхностной ТВЧ-закалки, а износостойкость азотированного слоя в 2-4 раза выше цементованного.

ИА - один из основных методов повышения предела выносливости деталей. Обработка при температурах ниже 500 °С особенно эффективна при упрочнении изделий из инструментальных легированных сталей для холодной обработки, имеющих при отпуске вторичный максимум в районе 500 °С, а также изделий из быстрорежущих и мартенситно-стареющих сталей.

Основные потребители оборудования и технологии ИА - автомобильные, тракторные, авиационные, судостроительные, судоремонтные, машино- и станкостроительные заводы, производители сельскохозяйственной техники, насосного и компрессорного оборудования, шестерен, подшипников, алюминиевых профилей, энергетических установок и др. В течение многих лет ионное азотирование с успехом применяется ведущими авто-, тракто-ро- и моторостроительными предприятиями мира: Atlas, Audi, Chrysler, Caterpillar, Ford Motor, General Motors, Handle, John Deere, Mercedes, Opel Volkswagen, Voith, Volvo, Wabco и многими другими. Этим методом обрабатываются шестерни, форсунки для легковых автомобилей, несущие пластины автоматического привода, матрицы, пуансоны, штампы, пресс-формы, пружины для системы впрыска, коленчатые и распределительные валы и т.д. Ряд фирм используют ИА для упрочнения прессового инструмента в производстве алюминиевых изделий. Есть положительный опыт промышленного применения метода в странах СНГ: Украине, Казахстане и России.

В Беларуси оборудование для ионного азотирования отечественных и зарубежных производителей имеется на БелАЗе, МАЗе, МЗКТ, заводе самоходных

комбайнов ПО «Гомсельмаш», а также в ФТИ НАН Беларуси и на СП «Авиценна Интернешнл» ООО. На последних двух проводится упрочняющая обработка изделий широкой номенклатуры - шкивов, муфт, шестерен, инструментальной оснастки, деталей термопластавтоматов, втулок для колесных пар подвижного состава, элементов рулевого управления, деталей гидронасосов, деталей микроскопов и т.д. по заказам более чем 20 предприятий.

Шестерни, упрочненные методом ИА, практически не подвергаются короблению по сравнению с цементованными (нитро-цементованными), а также прошедшими ТВЧ-закалку, что позволяет использовать их без дополнительной обработки (шлифования), существенно сокращая трудозатраты при производстве. В нефтегазовом и химическом машиностроении использование азотирования повышает надежность и долговечность деталей, увеличивается межремонтный период при эксплуатации. В результате азотирования штампо-прессового инструмента повышаются износостойкость, сопротивляемость трещинообразованию, уменьшается налипание металла, в 2-6 раз увеличивается долговечность. Метод наиболее эффективен при обработке крупносерийных партий однотипных деталей: шестерен, валов, осей, зубчатых валов, зубчатых вал-шестерен и др. Опыт эксплуатации белорусского оборудования и технологий ИПА в стране и за рубежом полностью

Рис. 1. Детали при ионном азотировании

№8(114) Август 2012 НАУКА И ИННОВАЦИИ 19

подтвердил их высокую энергосберегающую эффективность.

Установка ионного азотирования состоит из рабочей вакуумной камеры, шкафа питания и управления, силового трансформатора, газо-вакуумной системы, системы водяного охлаждения камеры, соединительных кабелей и магистралей и управляющего компьютера. Применяются вакуумные камеры колпако-вого либо шахтного типа в зависимости от типа изделий, подлежащих упрочняющей обработке. Наиболее эффективно использование установки ионного азотирования, имеющей камеру с изменяемой геометрией, позволяющей при необходимости обрабатывать длинномерные изделия в подвешенном состоянии. Характеристики одной из инновационных установок с изменяемой геометрией вакуумной камеры (рис. 2), созданной в ФТИ НАН Беларуси: диаметр рабочего пространства камеры колпакового типа - 950 мм, высота -1500 или 3000 мм, номинальная масса садки - до 2 тыс. кг, температура обработки - 350-600 °С, рабочее давление -100-350 Па, максимальная мощность раз-

ряда - до 45 кВт, расход газов:

1-

Аг - 1-90, Н - 1-15 л/ч, длительность цикла обработки изделий от загрузки до выгрузки - до 24 ч.

Разработанное программное обеспечение для управления работой установки, а также системы газоснабжения и энергопитания соответствуют общепринятым мировым нормам для такого рода оборудования. Управление работой установки и контроль за ходом процесса обработки осуществляется автоматически по заданной программе посредством контроллера и компьютера, который может располагаться в отдельном помещении либо быть встроенным в шкаф управления. Все этапы работы установки (вакуумирование камеры, разогрев садки, выдержка и осту-живание) автоматизированы. При обработке идентичных садок деталей режим выбирается автоматически. В ходе технологического процесса контролируются и отображаются на дисплее управляющего компьютера в виде графического протокола процесса следующие параметры: рабочее давление, температура садки, расход рабочих газов, напряжение и ток разряда.

Графический протокол процесса и его ход (время запуска, старт каждого шага, сообщения о неполадках и т.д.) сохраняются с возможностью их просмотра и распечатки. Программируются количество шагов на стадии разогрева и стадии выдержки, их длительность, давление, расход каждого из газов и т.д.

Кроме того, компьютер контролирует состояние установки и в случае неполадок подает световой и звуковой сигналы, а также текстовое сообщение на экран ПК. При несвоевременном принятии мер по устранению ошибок либо при возникновении аварийной ситуации обеспечивается безаварийный выход из режима обработки на любом этапе процесса. После устранения нештатной ситуации обеспечивается выход в предшествовавший ей режим.

В качестве рабочей среды в установке используется газовая смесь ^+Н2+Лг (с добавлением при необходимости метана или пропан-бутана), что позволяет обрабатывать изделия из любых марок азотируемых сталей и чугунов, формируя на них упрочненные слои любого заданного состава, глубины и твердости. Отсутствие аммиака в качестве рабочего газа, как это

Рис. 2. Установка с изменяемой геометрией рабочей камеры

принято при газовом азотировании и нико-трировании, обеспечивает экологическую безопасность процесса и дает возможность обрабатывать детали из разных марок сталей. Автономная система получения чистого водорода из дистиллированной воды позволяет организовать безопасную работу и упрощает требования к помещениям, где будет эксплуатироваться оборудование.

Применение пульсирующего напряжения с регулируемой длительностью импульсов тока для формирования плазмы позволят сократить по времени до нескольких минут стадию микродуговой очистки, которая в установках, работающих на постоянном токе, может длиться часами. Использование оптимальной системы экранной теплоизоляции камеры обеспечивает равномерность температуры деталей в садке, экономный расход электроэнергии и охлаждающей воды.

Полностью автоматизированное компьютерное управление на всех этапах процесса по основным параметрам гарантирует серийную устойчивость технологии и воспроизводимость результатов обработки, позволяет минимизировать роль «человеческого фактора» в проведении процесса.

Все эти новшества, реализованные в установке с изменяемой геометрией рабочей камеры, позволяют составить реальную конкуренцию зарубежным производителям аналогичного оборудования не только в Беларуси и странах СНГ, но и в дальнем зарубежье.

Опыт создания и применения технологий и оборудования Иа в Беларуси -пример реализации завершенного цикла: от зарождения идеи до сдачи оборудования «под ключ». В 2012 г. после победы в конкурсе ценовых предложений в ФТИ НАН Беларуси модернизируются две импортные установки ионного азотирования для ОАО «МАЗ». В результате заключения договора на проведение работ по совершенствованию имеющегося оборудования обеспечено импортозамещение на сумму 307 тыс. евро. В планах ФТИ НАН Беларуси - изготовление оборудования ИА для еще нескольких крупных промышленных предприятий страны и выход на зарубежные рынки.