Анализ современных методов поверхностного упрочнения деталей машин

Относительно других методов упрочнения и повышения межкристаллитной стойкости ИПА отличается сокращенной в несколько раз длительностью техпроцесса и уменьшенным на два порядка расходом рабочего газа. Т.о. для ионно-плазменного азотирования требуется в 2-3 раза меньше электроэнергии, а качество поверхности обработанного изделия позволяет вовсе исключить стадию финишной шлифовки. Кроме того, существует возможность провести обратный азотированию процесс, например перед шлифовкой.[5]

 

 

3.5 Ионно-плазменное термоциклическое  азотирование.

В своем дипломном проекте для поверхностного упрочнения рабочих поверхностей зубьев вала-шестерни воспользуемся методом азотирования.

В погоне за прочностью человек изобретает всё новые и новые способы воздействия на металл, укрепляя его структуру и делая его твёрже. Одним из таких способов является азотирование.

Суть данного уникального метода заключается в насыщении поверхности металлических деталей азотом. В результате этого повышается

 

 

твердость, износоустойчивость, так называемый предел усталости, а также устойчивость к коррозии. Азотированию в основном подвергается сталь, титан, определённые сплавы, самые распространенные среди которых - легированная сталь, в особенности хромоалюминиевая, а также сталь, содержащая ванадий и молибден.

Процесс азотирования стали является многостадийной химической реакцией, которая происходит при температуре 500-650 C в аммиачной среде. В итоге, металл, подвергшийся азотированию, значительно превосходит по износостойкости закалённые и цементированные стали. Однако, азотирование - процесс длительный. Так, для получения слоя толщиной 0,2-0,4 мм требуется 20-50 часов. При увеличении температуры процесс ускоряется, но тогда значительно страдает твердость слоя. А для уменьшения хрупкости слоя при азотировании жаропрочной стали используют смесь аммиака и азота.

Особенной разновидностью азотирования является ионно-плазменное азотирование.

Данный метод является одной из разновидностей химико-термической обработки деталей машин, различного инструмента, литьевой и штамповой оснастки, которая обеспечивает диффузное насыщение поверхностного слоя азотом и углеродом в азотно-водородной плазме при температуре 400-600 C, а также титана и его сплавов при температуре 800-950 C в азотной плазме. Существуют специальные автоматизированные аппараты качественного проведения процесса азотирования.

Ещё одним новшеством является каталитическое газовое азотирование. Это новая технология низкотемпературной химико-термической обработки машин и различного инструментария. Уникальность данного метода состоит в том, что он сокращает длительность обработки в 2-4 раза. В то же время срок службы обработанного материала увеличивается в 1,5-3 раза, что превосходит показатели традиционного газового азотирования. Неоспоримым достоинством являются стабильные результаты по качеству наложения слоя.

Можно однозначно утверждать, что азотирование нашло своих почитателей и вполне успешно используется для покорения новых высот в области прочности металла, а также для достижения поставленных целей при работе с металлом, используемым в тяжелых температурных условиях.

Суть ионно-плазменного азотирования заключается в том, что в разряженной до 200-000 Па азотсодержащей газовой среде между катодом, на котором располагаются обрабатываемые детали, и анодом, в качестве которого служат стенки вакуумной камеры, возбуждается аномальный тлеющий разряд, образующий активную среду (ионы, атомы, возбужденные молекулы). Это обеспечивает формирование на поверхности изделия азотированного слоя, состоящего из внешней – нитридной зоны и располагающейся под ней диффузионной зоны.

Варьируя состав насыщающего газа, давление, температуру и время выдержки, можно получать слои заданной структуры и фазового состава,

 

 

обеспечивая строго регламентируемые свойства сталей, чугунов, титана и сплавов. Оптимизация свойств упрочняемой поверхности обеспечивается за счет необходимого сочетания нитридного и диффузионного слоев, которые врастают в основной материал. В зависимости от химического состава нитридный слой является либо y-фазой (Fe4N) либо e-фазой (Fe2-3N). e-нитридный слой является коррозийно-стойким, а y-слой - износостойким и относительно пластичным. При этом, в зависимости от целей обработки, в результате ионно-плазменного азотирования возможно получение:

диффузионного слоя с развитой нитридной зоной, обеспечивающей высокую сопротивляемость коррозии и прирабатываемость трущихся поверхностей - для деталей, работающих на износ;

диффузионного слоя без нитридной зоны – для режущего и штампового инструмента и деталей, работающих при знакопеременных нагрузках в условиях изнашивания при высоких давлениях.

В результате ионного азотирования можно улучшить следующие характеристики изделий:

• износостойкость,
• усталостную выносливость,
• антизадирные свойства,
• теплостойкость,
• коррозионную стойкость.

 

Основные достоинства

Основным достоинством метода является стабильное качество обработки с минимальным разбросом свойств от детали к детали и от садки к садке. В сравнении с широко используемыми способами упрочняющей химико-термической обработки стальных деталей, такими, как цементация, нитроцементация, цианирование и газовое азотирование в печах, метод ионно-плазменного азотирования имеет следующие основные преимущества:

• более высокая поверхностная твердость азотированных деталей;
• отсутствие деформации деталей после обработки;
• повышение предела выносливости и увеличение износостойкости

обработанных деталей;

• более низкая температура обработки, благодаря чему,

в стали не происходит структурных превращений;

• возможность обработки глухих и сквозных отверстий;
• сохранение твердости азотированного слоя после

нагрева до 600 - 6500С;

• возможность получения слоев заданного состава;
• возможность обработки изделий неограниченных размеров и форм;
• отсутствие загрязнения окружающей среды;
• повышение культуры производства;
• снижение себестоимости обработки в несколько раз.

 

 

Преимущества ИПА проявляются и в существенном сокращении основных издержек производства. Так, например, по сравнению с газовым азотированием в печах, ИПА обеспечивает:

• сокращение продолжительности обработки в 2 - 5 раз, как за счет снижения времени нагрева и охлаждения садки, так и за счет уменьшения времени изотермической выдержки;
• сокращение расхода рабочих газов в 20 - 100 раз;
• сокращение расхода электроэнергии 1,5 - 3 раза;
• снижение деформации настолько, чтобы исключить финишную шлифовку;
• улучшение санитарно-гигиенических условий производства;
• полное соответствие технологии всем современным требованиям по охране окружающей среды.

По сравнению с закалкой обработка методом ИПА позволяет:

• исключить деформации,
• увеличить ресурс работы азотированной поверхности в 2-5 раз.

Для некоторых изделий (шестерни большого диаметра и др.) ионное азотирование является единственным способом получения готового изделия с минимальным процентом брака.

ИПА может использоваться на производстве взамен жидкостного и газового азотирования, цементации, нитроцементации и ТВЧ-закалки. Кроме того, процесс ИПА обеспечивает полную экологическую безопасность.

 

 

3.6 Обоснование выбора  метода поверхностного упрочнения.

Почему мы выбираем вакуумное ионно-плазменное азотирование?

В сравнении с широко используемыми способами упрочняющей химико-термической обработки стальных деталей, такими, как цементация, нитроцементация, цианирование и газовое азотирование в печах, метод ИПТА имеет следующие основные преимущества:

• более высокая поверхностная твердость азотированных деталей;
• отсутствие деформации деталей после обработки;
• повышение предела выносливости и увеличение износостойкости обработанных деталей;
• возможность обработки глухих и сквозных отверстий;
• сохранение твердости азотированного слоя после нагрева до 600 - 650 °С;
• возможность получения слоев заданного состава;
• возможность обработки изделий неограниченных размеров и форм;
• отсутствие загрязнения окружающей среды;
• повышение культуры производства;
• существенное снижение себестоимости обработки (Рисунок 3.9);
• более низкая температура обработки, благодаря чему, в детали не происходит структурных превращений (Рисунок 3.10);

Преимущества ИПТА проявляются и в существенном сокращении основных издержек производства.

 

 

Так, например, по сравнению с газовым азотированием в печах, ИПТА обеспечивает:

• сокращение продолжительности обработки в 2 - 5 раз, как за счет снижения времени нагрева и охлаждения садки, так и за счет уменьшения времени изотермической выдержки (Рисунок 3.11);
• сокращение расхода рабочих газов в 20 - 100 раз;
• сокращение расхода электроэнергии 1,5 - 3 раза;
• снижение деформации настолько, чтобы исключить финишную шлифовку;
• улучшение санитарно-гигиенических условий производства;
• полное соответствие технологии всем современным требованиям по охране окружающей среды.
• По сравнению с закалкой обработка методом ИПТА позволяет:
• исключить деформации;
• увеличить ресурс работы азотированной поверхности в 2-5 раз.

Применение ИПТА вместо цементации, нитроцементации, газового или жидкостного азотирования, объемной или ТВЧ закалки позволяет сэкономить основное оборудование и производственные площади, снизить станочные и транспортные затраты, уменьшить расход электроэнергии и активных газовых сред.

 

 

Рисунок 3.9 – Стоимость различных методов ХТЦО

 

 

 

Основными потребителями оборудования и метода ионно-плазменного термоциклического азотирования являются автомобильные, тракторные, авиационные, судостроительные и судоремонтные, машино- и станкостроительные заводы, заводы по производству сельскохозяйственной техники, насосного и компрессорного оборудования, шестерен, подшипников, алюминиевых профилей, энергетических установок и др. Метод ИПТА является одним из наиболее современных направлений химико-термической обработки на Украине.

ИПТА предназначено для азотирования деталей машин. Служит для поверхностного упрочнения деталей из конструкционных сталей различных структурных классов (перлитного, мартенситного и аустенитного), титановых сплавов и сплавов на основе тугоплавких металлов. При этом повышается прочность, твердость, износостойкость, выносливость, коррозионная стойкость, а при сквозном насыщении высокотемпературная прочность и жаропрочность.

 

 

Рисунок 3.10 – Зависимость глубины слоя

от продолжительности процесса.

 

Принцип действия ионно-плазменного термоциклического азотирования заключается в том, что в разреженной азотсодержащей газовой среде между катодом (деталью) и анодом (стенками вакуумной установки) возбуждается тлеющий разряд. Положительные ионы с высокой энергией, бомбардируя поверхность детали, нагревают ее и внедряются в нее, формируя твердый раствор азота в металле, а при достижении предела растворимости — нитридные фазы. Структура азотированного слоя в общем

 

 

 

случае состоит из двух зон: внешней — нитридной зоны и располагающейся под ней диффузионной зоны, состоящей из твердого раствора с дисперсными включениями промежуточных фаз. Особенностью разработанной технологии являются импульсные термоциклические режимы обработки. Воздействие на деталь можно сравнить с обработкой бетонных поверхностей префоратором: при невысоких энергиях удара и циклической частотой воздействия выполняемая работа является максимальной. Таким образом за короткий промежуток времени достигается высокое качество обработки с минимальными затратами.

 

 

Рисунок 3.11 – Температура Методов ХТЦО.