Что такое плазменное азотирование стали и в чем его преимущества

Плазменное азотирование — это процесс термохимической закалки с использованием плазмы, используемый для улучшения износостойкости, твердости поверхности металла и усталостной прочности путем создания твердого слоя, содержащего сжимающие напряжения.

В случае с высоколегированными металлическими сплавами плазменное азотирование обеспечивает высокую твердость поверхности, тем самым повышая стойкость к износу и истиранию. Увеличение прочности происходит главным образом за счет возникновения поверхностных сжимающих напряжений.

Азотирование нержавеющей стали является хорошим выбором, когда деталь должна иметь как азотированные, так и пластичные участки. Возможность создания бездиффузионного композитного слоя часто используется при плазменном азотировании перед нанесением покрытий PVD или CVD. При соответствующей термообработке возможно получение нестандартных слоев и профилей твердости.

Плазменное азотирование – применение

Типичные области применения этой технологии обработки металлических поверхностей более распространены: шестерни, коленчатые валы, распределительные валы, подъемники кулачков, детали клапанов, шнеки экструдеров, инструменты для литья под давлением, ковочные штампы, инструменты для холодной штамповки, форсунки и инструменты для формования пластмасс, длинные валы, оси, сцепления и части двигателей. Плазменное азотирование обычно превосходит соответствующие газовые процессы, требующие маскировки необрабатываемых участков.

Плазменное азотирование подходит для всех черных металлов, а также для спеченных сталей, чугуна и высоколегированных инструментальных сталей с высокой пористостью, даже с содержанием хрома выше 12%.

Нержавеющие стали и сплавы на основе никеля можно подвергать плазменному азотированию, сохраняя большую часть коррозионной стойкости при низких температурах. Особое применение технологии — плазменное азотирование титановых и алюминиевых сплавов.

При больших нагрузках крупных деталей машин, таких как валы и шпиндели, азотирование специальными хромистыми и алюминиевыми сталями очень выгодно, поскольку плазменное азотирование дает твердость поверхности, превышающую 1000 HV.

Технология процесса плазменного азотирования

Плазменное азотирование — это современный термохимический процесс, который протекает в газовой смеси с выделением азота, водорода и (необязательно) углерода. Во время этого процесса при низком давлении между шихтой и стенками печи создается напряжение.

Вокруг элемента генерируется тлеющий разряд с высоким уровнем ионизации (плазма). На поверхностях, где ионы заряжены отрицательно, образуются и разлагаются богатые азотом нитриды, высвобождая на поверхность химически активный азот.

Плазменное азотирование позволяет модифицировать поверхность в соответствии с желаемыми свойствами. Регулируя газовую смесь, можно получить слои и распределения твердости с учетом потребностей заказчика: от поверхностей без слоев низкоазотистого композита толщиной до 20 микрон до слоев углекислотного композита с высоким содержанием азота.

Широкий диапазон используемых температур означает, что многие технологии выходят за рамки возможностей процессов в газовой или соляной ванне. Одним из самых больших преимуществ плазменной термообработки по сравнению с термообработкой в ​​печи с контролируемой атмосферой является ее меньшее воздействие на окружающую среду.

Например, аммиак обычно используется для азотирования в печах с контролируемой атмосферой, однако при плазменном азотировании сталь можно азотировать азотом и водородом. Кроме того, плазменное азотирование нагревает только заготовку и не требует нагрева всей внутренней части, как это требуется для печи с контролируемой атмосферой, а распределение нагретых молекул азота дополнительно поддерживает процесс азотирования.

Преимущества плазменного азотирования

Плазменное азотирование происходит намного быстрее, чем другие традиционные методы азотирования.

Правильный контроль температуры, состава атмосферы и параметров разряда может привести к превосходной микроструктуре и лучшему контролю состава поверхности, структуры и свойств конечного продукта.

Плазменное азотирование безвредно для окружающей среды.

В отличие от традиционных методов азотирования этот процесс можно проводить при температуре до 350°С. Низкотемпературное азотирование позволяет добиться высокой твердости поверхности при сохранении высокой прочности сердцевины стали, закаленной при низкой температуре. Кроме того, обработка при таких низких температурах сводит к минимуму искажения.

Процесс плазменного азотирования имеет ряд недостатков:

• чистота поверхностей компонентов имеет решающее значение для предотвращения образования нестабильных дуг во время циклов нагрева;
• из-за соотношения мощность/площадь детали, изготовленные из разных сплавов железа одинакового размера, не могут подвергаться плазменному азотированию за одну партию;
• высокая первоначальная стоимость плазмы.

Плазменное азотирование: процесс

Плазменное азотирование (также известное как импульсное плазменное азотирование и холодное азотирование или плазменная закалка) — это термохимический процесс термической обработки, используемый для повышения надежности и износостойкости механически напряженных металлических деталей.

Особенно щадящая обработка поверхности улучшает усталостную прочность и защиту от коррозии материала. Под воздействием тепла плазменное азотирование вызывает химическую трансформацию поверхностного слоя за счет диффузии азота, который образует нитриды с материалом заготовки. Это увеличивает твердость поверхности и значительно улучшает износостойкость.

По сравнению с традиционным процессом закалки заготовка обрабатывается при гораздо более низкой температуре, что обеспечивает высокую точность размеров при такой термообработке. В результате дорогостоящая последующая обработка науглероженных заготовок больше не требуется или может быть сведена к минимуму, так что плазменное азотирование может еще больше сэкономить на технологической цепочке.

Кроме того, термообработанные стали с очень низкими температурами отпуска можно обрабатывать без потери прочности сердцевины. В принципе, для азотирования можно использовать различные процессы – помимо плазменного азотирования, хорошо известны азотирование в ванне и газовое азотирование, но среди процессов закалки плазменное азотирование занимает особое место благодаря повторяемости, экологичности и энергоэффективности.

Физический принцип плазменного азотирования

Плазменное азотирование – это вакуумный процесс. Заготовка образует катод, а стенка печи — анод. После опорожнения шихты между шихтой и стенкой печи создается электрическое поле.

Подаваемый технологический газ крекируется и ионизируется в электрическом поле. Он создает проводящий газ – плазму. Когда ток течет к катоду, содержащиеся в нем ионы азота ускоряются и с большой энергией ударяются о поверхность заготовки.

После достижения температуры обработки начинается время выдержки, в зависимости от типа материала и требуемой глубины азотирования, и обычно составляет 12-50 часов. По сравнению с газовым азотированием, плазменное азотирование требует вдвое меньше времени выдержки.

По истечении соответствующего времени обработки давление выравнивается за счет наполнения газом. Затем загрузка контролируемым образом охлаждается, и готовую деталь можно снять при низкой температуре.