Modalità di nitrurazione ionica degli acciai ad alto contenuto di cromo. La nitrurazione al plasma ionico come uno dei metodi moderni di indurimento superficiale dei materiali

LA NITRURAZIONE ION-PLASMA COME UNO DEI METODI MODERNI PER L'INDURIMENTO SUPERFICIALE DEI MATERIALI

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, Arte. insegnante

Migliorare la qualità del metallo e le sue proprietà meccaniche è il modo principale per aumentare la durabilità delle parti e una delle principali fonti di risparmio di acciaio e leghe. La qualità e la durabilità dei prodotti vengono migliorate attraverso una scelta razionale dei materiali e dei metodi di indurimento, ottenendo al contempo un'elevata efficienza tecnica ed economica. Esistono molti metodi diversi di indurimento superficiale: indurimento con correnti ad alta frequenza, deformazione plastica, trattamento chimico-termico (CHT), trattamento laser e plasma ionico.

Il processo di nitrurazione gassosa, tradizionalmente utilizzato nell'industria, come uno dei tipi di trattamento chimico, è il processo di saturazione per diffusione dello strato superficiale dell'acciaio con azoto. La nitrurazione può essere utilizzata con grande effetto per aumentare la resistenza all'usura, la durezza, la resistenza alla fatica, la resistenza alla corrosione e alla cavitazione di vari materiali (acciai strutturali, acciai e leghe resistenti al calore, acciai non magnetici, ecc.). vantaggi, quali: relativa semplicità del processo, possibilità di utilizzare attrezzature e dispositivi universali per la posa dei pezzi, possibilità di nitrurare pezzi di qualsiasi dimensione e forma. Allo stesso tempo, la nitrurazione gassosa presenta anche una serie di svantaggi: la lunga durata del processo (20-30 ore) anche in caso di nitrurazione con spessori ridotti (0,2-0,3 mm); il processo è difficile da automatizzare; la protezione locale delle superfici non soggette a nitrurazione è difficoltosa; l'applicazione di vari rivestimenti galvanici (rame, stagnatura, nichelatura, ecc.) richiede l'organizzazione di una produzione speciale.

Una delle aree di intensificazione della produzione è lo sviluppo e l'implementazione nelle imprese industriali di nuovi processi e tecnologie promettenti che migliorano la qualità dei prodotti, riducono i costi di manodopera per la loro produzione, aumentano la produttività del lavoro e migliorano le condizioni sanitarie e igieniche nella produzione.

Una tecnologia così progressiva è la nitrurazione al plasma ionico (IPA) - un tipo di trattamento chimico-termico di parti di macchine, utensili, attrezzature per stampaggio e fusione, che garantisce la saturazione per diffusione dello strato superficiale di acciaio e ghisa con azoto (azoto e carbonio) in un plasma di azoto-idrogeno ad una certa temperatura
400-600ºС, titanio e leghe di titanio ad una temperatura di 800-950 ºС in plasma contenente azoto. Questo processo è attualmente diffuso in tutti i paesi economicamente sviluppati: USA, Germania, Svizzera, Giappone, Inghilterra, Francia.

In molti casi, la nitrurazione ionica è più appropriata della nitrurazione gassosa. I vantaggi dell'IPA nel plasma a scarica a bagliore includono quanto segue: la capacità di controllare il processo di saturazione, che garantisce la produzione di un rivestimento di alta qualità con una determinata composizione e struttura di fase; garantire un'attività assolutamente identica del mezzo gassoso su tutta la superficie della parte coperta dalla scarica luminescente, ciò assicura in definitiva la produzione di uno strato nitrurato di spessore uniforme; ridurre l'intensità del lavoro di protezione locale delle superfici non soggette a nitrurazione, che viene effettuata con schermi metallici; una forte riduzione della durata della nitrurazione delle parti (2-2,5 volte); riduzione della deformazione delle parti. L'uso di IPA invece di carburazione, nitrocarburazione, nitrurazione gassosa o liquida, indurimento volumetrico o ad alta frequenza consente di risparmiare beni strumentali e spazio di produzione, ridurre i costi di macchinari e trasporto e ridurre il consumo di elettricità e mezzi gassosi attivi.

L'essenza del processo di nitrurazione ionica è la seguente. In uno spazio chiuso ed evacuato tra il pezzo (catodo) e l'involucro del forno (anodo), viene eccitata una scarica a bagliore. La nitrurazione viene effettuata con una scarica luminescente anomala, ad alta tensione dell'ordine di W. Le installazioni moderne garantiscono la stabilità di una scarica a bagliore al confine della sua transizione verso normale e arco. Il principio di funzionamento dei dispositivi di estinzione dell'arco si basa su uno spegnimento a breve termine dell'impianto quando si accende un arco voltaico.

La nitrurazione aumenta la resistenza alla corrosione delle parti in acciai al carbonio e bassolegati. Le parti nitrurate per aumentare la resistenza superficiale e la resistenza all'usura acquisiscono contemporaneamente proprietà contro la corrosione in vapore, acqua di rubinetto, soluzioni alcaline, petrolio greggio, benzina e atmosfere inquinate. La nitrurazione ionica aumenta significativamente la durezza delle parti, a causa della precipitazione di nitruro altamente dispersa, la cui quantità e dispersione influisce sulla durezza raggiunta. La nitrurazione aumenta il limite di fatica. Ciò è spiegato, in primo luogo, dall'aumento della resistenza della superficie e, in secondo luogo, dalla presenza di tensioni di compressione residue in essa.

I vantaggi della nitrurazione ionica si realizzano maggiormente nella produzione su larga scala e di massa, quando si rinforzano grandi lotti di parti simili. Variando la composizione del gas, la pressione, la temperatura e il tempo di permanenza, si possono ottenere strati di una determinata struttura e composizione di fase. L'uso della nitrurazione ionica fornisce effetti tecnici, economici e sociali.

E le industrie sviluppate industrialmente oggi preferiscono il trattamento chimico-termico, in particolare la nitrurazione ionica al plasma (di seguito IPA), che si differenzia favorevolmente dal punto di vista economico dalle tecnologie termiche. Oggi l'IPA viene utilizzato attivamente nell'ingegneria meccanica, nella costruzione navale e nella costruzione di macchine utensili, nell'industria agricola e di riparazione e per la produzione di impianti per l'industria energetica. Tra le imprese che utilizzano attivamente la tecnologia di nitrurazione al plasma ionico ci sono grandi nomi come l'azienda tedesca Daimler Chrysler, il colosso automobilistico BMW, la svedese Volvo, lo stabilimento bielorusso di trattori gommati, KamAZ e BelAZ. Inoltre, i vantaggi dell'IPA sono stati apprezzati dai produttori di utensili a pressare: Skandex, Nughovens.

Tecnologia di processo

La nitrurazione ionica al plasma, utilizzata per utensili da lavoro, parti di macchine, attrezzature per stampaggio e fusione, garantisce la saturazione dello strato superficiale del prodotto con azoto o una miscela di azoto-carbonio (a seconda del materiale del pezzo). Gli impianti per IPA operano in un'atmosfera rarefatta a pressioni fino a 1000 Pa. La camera, funzionante secondo il principio del sistema catodo-anodo, viene fornita con una miscela di azoto-idrogeno per la lavorazione della ghisa e di vari acciai o azoto puro come gas di lavoro per la lavorazione del titanio e delle sue leghe. Il pezzo funge da catodo e le pareti della camera fungono da anodo. L'eccitazione di una carica anomala incandescente avvia la formazione del plasma e, di conseguenza, di un mezzo attivo, che include ioni caricati, atomi e molecole della miscela di lavoro che si trovano in uno stato eccitato. La bassa pressione garantisce una copertura uniforme e completa del pezzo in lavorazione. La temperatura del plasma varia da 400 a 950 gradi a seconda del gas di lavoro.

La nitrurazione ionica al plasma richiede 2-3 volte meno energia elettrica e la qualità della superficie del prodotto lavorato permette di eliminare completamente la fase di rettifica di finitura

La pellicola che si forma sulla superficie è composta da due strati: diffusione inferiore e nitruro superiore. La qualità dello strato superficiale modificato e l'efficienza economica del processo nel suo complesso dipendono da una serie di fattori, tra cui la composizione del gas di lavoro, la temperatura e la durata del processo.

Garantire una temperatura stabile dipende dai processi di scambio termico che avvengono direttamente all'interno della camera IPA. Per ridurre l'intensità dei processi di scambio con le pareti della camera, vengono utilizzati schermi speciali non conduttori di calore. Consentono un notevole risparmio sui consumi elettrici. La temperatura del processo, insieme alla durata, influenza la profondità di penetrazione dei nitruri, che provoca cambiamenti nel grafico della distribuzione della profondità degli indicatori di durezza. Le temperature inferiori a 500 gradi sono ottimali per la nitrurazione di acciai legati lavorati a freddo e materiali martensitici, poiché le prestazioni aumentano senza modificare la durezza del nucleo o distruggere termicamente la struttura interna.
La composizione del mezzo attivo influenza la durezza finale e la dimensione della zona di nitruro e dipende dalla composizione del pezzo.

Risultati dell'utilizzo della nitrurazione al plasma ionico

La nitrurazione al plasma ionico consente di aumentare la resistenza all'usura riducendo contemporaneamente la tendenza ai danni da fatica della struttura metallica. L'ottenimento delle proprietà superficiali necessarie è determinato dal rapporto tra la profondità e la composizione degli strati di diffusione e di nitruro. Lo strato di nitruro, in base alla sua composizione chimica, viene solitamente suddiviso in due fasi distintive: “gamma” con un'alta percentuale di composti Fe4N e “upsilon” con Fe2N Fe3N. La fase - è caratterizzata da una bassa plasticità dello strato superficiale con elevata resistenza a vari tipi di corrosione, la fase ε fornisce un rivestimento relativamente plastico resistente all'usura.

Per quanto riguarda lo strato di diffusione, la zona di nitruro sviluppata adiacente riduce la probabilità della formazione di corrosione intercristallina, fornendo una qualità di rugosità sufficiente per l'attrito attivo. Le parti con questo rapporto di strato vengono utilizzate con successo nei meccanismi legati all'usura. L'esclusione dello strato di nitruro consente di prevenire la distruzione quando la forza di carico cambia costantemente in condizioni di pressione sufficientemente elevata.

Quello. La nitrurazione al plasma ionico viene utilizzata per ottimizzare la resistenza all'usura, al calore e alla corrosione con cambiamenti nella resistenza alla fatica e nella ruvidità, che influiscono sulla probabilità di abrasione dello strato superficiale.

Vantaggi della nitrurazione al plasma ionico

La nitrurazione al plasma ionico in un processo tecnico ben funzionante fornisce una variazione minima delle proprietà superficiali da parte a parte con un'intensità energetica relativamente bassa, il che rende l'IPA più attraente rispetto alla nitrurazione gassosa, alla nitrocarburazione e alla cianurazione del forno tradizionale.

La nitrurazione al plasma ionico elimina la deformazione del pezzo e la struttura dello strato nitrurato rimane invariata anche quando la parte viene riscaldata a 650 gradi, il che, unito alla possibilità di regolazione fine delle proprietà fisiche e meccaniche, consente l'uso dell'IPA per risolvere un'ampia varietà di problemi. Inoltre, la nitrurazione ionica al plasma è ottima per la lavorazione di acciai di vario grado, poiché la temperatura operativa del processo nella miscela azoto-carbonio non supera i 600 gradi, il che elimina i danni alla struttura interna e, anche viceversa, aiuta a ridurre la probabilità di rotture per fatica e danni dovuti all'elevata fragilità della fase nitruro.

Per aumentare le proprietà anticorrosive e la durezza superficiale utilizzando il metodo della nitrurazione ionica al plasma, sono adatti pezzi di qualsiasi forma e dimensione con fori passanti e ciechi. La protezione dello schermo contro la nitrurazione non è una soluzione ingegneristica complessa, quindi la lavorazione di singole sezioni di qualsiasi forma è facile e semplice.

Rispetto ad altri metodi di rafforzamento e aumento della resistenza intergranulare, l'IPA si distingue per una riduzione di più volte della durata del processo tecnico e una riduzione di due volte del consumo di gas di lavoro. Quello. La nitrurazione ionica al plasma richiede 2-3 volte meno energia elettrica e la qualità della superficie del prodotto lavorato consente di eliminare completamente la fase di rettifica di finitura. Inoltre è possibile eseguire il processo inverso della nitrurazione, ad esempio prima della macinazione.

Epilogo

Purtroppo, anche rispetto ai paesi vicini, i produttori nazionali utilizzano raramente la nitrurazione con il metodo del plasma ionico, sebbene i vantaggi economici, fisici e meccanici siano visibili ad occhio nudo. L'introduzione della nitrurazione al plasma ionico nella produzione migliora le condizioni di lavoro, aumenta la produttività e riduce i costi del lavoro, mentre la durata del prodotto trasformato aumenta di 5 volte. Di norma, la questione della realizzazione di processi tecnici utilizzando impianti per l'IPA si scontra di norma con il problema del piano finanziario, sebbene non vi siano ostacoli soggettivamente reali. La nitrurazione al plasma ionico, con una struttura dell'attrezzatura abbastanza semplice, esegue più operazioni contemporaneamente, la cui implementazione con altri metodi è possibile solo in fasi, quando i costi e la durata aumentano notevolmente. Inoltre, ci sono diverse aziende in Russia e Bielorussia che collaborano con produttori stranieri di apparecchiature per IPA, il che rende l'acquisto di tali impianti più accessibile ed economico. Apparentemente, il problema principale risiede solo nel banale processo decisionale, che, come la tradizione russa, richiederà molto tempo e difficoltà per venirci incontro.

La durata dei componenti dei motori a turbina a gas è determinata in gran parte dalle condizioni della loro superficie e soprattutto dalla resistenza all'usura. Uno dei metodi più diffusi per aumentare la resistenza all'usura delle superfici dei motori degli aerei e delle parti degli aerei è la nitrurazione. La nitrurazione viene applicata a parti che fanno affidamento principalmente sull'attrito durante il funzionamento.

La nitrurazione è un processo di saturazione per diffusione degli strati superficiali dei prodotti siderurgici con azoto. La nitrurazione viene effettuata al fine di aumentare la durezza e la resistenza all'usura degli strati superficiali dei prodotti in acciaio, migliorare la resistenza alla fatica e alla corrosione elettrochimica delle parti.

Durante la nitrurazione, l'azoto forma una serie di fasi con il ferro: ferrite azotata - una soluzione solida di azoto in -ferro, austenite azotata - una soluzione solida di azoto in -ferro, fase intermedia ` Fe4N, fase -Fe2N, ecc. Tuttavia, i nitruri di ferro hanno resistenza, durezza, elevata fragilità insufficienti rispetto ai nitruri di cromo CrN, Cr2N, molibdeno MoN, alluminio AlN e alcuni altri elementi di lega. Pertanto, gli acciai legati contenenti gli elementi indicati sono sottoposti a nitrurazione: 45Х14Н14В2М, 1Х12Н2ВМФ, 15Х16К5Н2МВФАБ-Ш e altri acciai utilizzati per la fabbricazione di boccole, aste, sedi di valvole, corpi vari, ecc.

Il metodo di nitrurazione dell'ammoniaca dissociata mediante riscaldamento in forno, ampiamente utilizzato nell'industria, presenta gravi svantaggi come la lunga durata del processo, la difficoltà di saturare con azoto gli acciai altolegati facilmente passivabili, la formazione di una fase fragile sulla superficie delle parti e le loro significative deformazioni instabili. La rettifica, che è l'operazione principale nella lavorazione delle superfici nitrurate, è un processo lungo e ad alta intensità di manodopera.

Il processo di nitrurazione ionica viene eseguito in una camera di lavoro sotto vuoto, in cui le parti sono il catodo e il corpo della camera messo a terra è l'anodo. A bassa pressione in un'atmosfera contenente azoto, l'applicazione di un potenziale elettrico tra le parti e il corpo della camera provoca la ionizzazione del gas. Come risultato del bombardamento con ioni, le parti vengono riscaldate alla temperatura richiesta e la superficie, satura di azoto, viene rafforzata.

Tipicamente la nitrurazione viene effettuata a temperature inferiori a 600°C, quando avviene la diffusione preferenziale dell'azoto. La velocità di trasferimento dell'azoto per diffusione dipende dalla temperatura, dal gradiente di concentrazione, dalla composizione e dalla struttura del materiale di base e da altri fattori. La diffusione degli atomi di azoto avviene lungo posti vacanti, dislocazioni e altri difetti nella struttura cristallina. Come risultato della diffusione, la concentrazione di azoto nello strato superficiale cambia in profondità.

La massima accelerazione del processo di nitrurazione si ottiene in un plasma a scarica luminescente, quando una scarica luminescente viene eccitata in un'atmosfera rarefatta tra il componente (catodo) e l'anodo. Gli ioni di gas bombardano la superficie del catodo e lo riscaldano ad una temperatura di 470-580°C. Gli ioni di azoto caricati positivamente, sotto l'influenza dell'energia di un campo elettrostatico, si muovono ad una certa velocità perpendicolare alla superficie della parte e l'energia di uno ione di azoto ottenuto in un plasma a scarica a bagliore con una differenza di potenziale di 800 V è circa 3000 volte superiore all'energia di un atomo di azoto durante la nitrurazione in forno dell'ammoniaca dissociata. Gli ioni di azoto riscaldano la superficie della parte e spruzzano anche atomi di ferro dalla superficie (sputtering catodico). Gli atomi di ferro si combinano con l'azoto nel plasma a scarica luminescente e formano nitruro di ferro, che si deposita sulla superficie del pezzo in uno strato sottile. Successivamente, il bombardamento dello strato di FeN con ioni di azoto è accompagnato dalla formazione di nitruri inferiori FeNFe3NFe4N e di una soluzione solida di azoto in ferro -Fe(N). L'azoto formato durante la decomposizione del nitruro inferiore si diffonde in profondità nel materiale della parte e il ferro viene nuovamente spruzzato nel plasma.

A differenza del riscaldamento in forno, nella nitrurazione ionica (nel plasma a scarica ad incandescenza), i pezzi vengono riscaldati utilizzando l'energia del plasma, consumata in proporzione alla massa della carica. In questo caso non sono necessarie stufe con muratura massiccia.

La nitrurazione di acciai inossidabili ad alto contenuto di cromo facilmente passivabili richiede necessariamente l'aggiunta di idrogeno all'ambiente gassoso. Per ottenere strati di diffusione di alta qualità senza fase - sulla superficie durante la nitrurazione ionica di acciai di varie classi, è consigliabile eseguire la fase di sputtering catodico in idrogeno ad una pressione di circa 13 Pa e una tensione di circa 1000 V , e lo stadio di saturazione in una miscela (3-5%) di idrogeno e (95-97%) azoto ad una pressione di 133-1330 Pa. Un ambiente gassoso di questa composizione garantisce uno spessore uniforme degli strati di diffusione sulle parti posizionate nella gabbia in tutto il volume della camera di lavoro. Un aumento della pressione della miscela nel secondo stadio (nitrurazione) favorisce un aumento della profondità dello strato di diffusione.

È stato accertato che la durata del processo di nitrurazione ionica è circa la metà di quella della nitrurazione in forno utilizzando l'attuale tecnologia seriale. La dipendenza della profondità dello strato di diffusione dalla durata della saturazione durante la nitrurazione ionica, così come durante la nitrurazione in forno, ha un carattere parabolico. L'effetto della temperatura di nitrurazione ionica sulla profondità dello strato ha una dipendenza quasi esponenziale.

Durante la nitrurazione convenzionale in ammoniaca dissociata, la durezza massima per la maggior parte degli acciai si trova ad una certa distanza dalla superficie e lo strato superficiale, che è una fase fragile, viene solitamente rimosso. Come risultato della nitrurazione ionica, la superficie ha la massima durezza. I diametri delle parti nitrurate del tipo “albero” variano, di regola, di 30-40 micron, che spesso rientra nel range di tolleranza. Pertanto, tenendo conto dell'elevata qualità della superficie dopo la nitrurazione ionica e del mantenimento della pulizia, è possibile non lavorarla o limitarla alla lucidatura o alla leggera lappatura.

Utilizzando la nitrurazione ionica nell'impianto di base, è stato possibile ottenere un'elevata efficienza nell'aumentare la durata degli utensili da taglio e degli stampi per formatura a caldo nella produzione di parti realizzate in nichel, titanio e acciai inossidabili resistenti al calore difficili da tagliare.

La pratica di introdurre e utilizzare il processo di nitrurazione ionica delle parti nell'industria ha dimostrato la fattibilità di un'introduzione diffusa di questo processo nella produzione di massa. Il processo di nitrurazione ionica consente:

Aumentare la durata delle parti nitrurate;

Fornire l'indurimento di parti per le quali l'uso di altri metodi di indurimento è difficile o impossibile;

Ridurre l'intensità della manodopera nella produzione eliminando l'operazione di galvanica;

In alcuni casi evitare la molatura dopo la nitrurazione;

Ridurre di oltre 2 volte la durata del ciclo di nitrurazione;

Migliorare la salute sul lavoro.

Una caratteristica speciale della produzione di motori aeronautici è l'ampia varietà di qualità di acciaio, compresi quelli rinforzati mediante nitrurazione. Lo sviluppo del processo tecnologico di nitrurazione ionica è stato preceduto da un'analisi approfondita dei risultati ottenuti in questo settore della ricerca estera e nazionale.

Il rafforzamento mediante nitrurazione ionica è stato studiato su acciai strutturali delle classi perlitici, austenitici, martensitici, di transizione, acciai maraging dei seguenti materiali: 38Х2МУА, 30Х3ВА, 38ХА, 40ХА, 13Х11Н2В2МФ (EI961), 45Х14Н14В2М (Э И69), 25Х18Н8 B2, 40Х10С2М, 14Х10С2М , 14Х17Н2, 15Х15К5Н2МВФАБ -Sh (EP866), 30Kh2NVA, 16Kh3NVFAB-Sh, (DI39, VKS-5), N18K9M5T (MS200), ecc. L'obiettivo della ricerca è lo sviluppo di processi tecnologici allo scopo di convertire la nitrurazione in forno di parti a ione, nuovi processi tecnologici per la nitrurazione ionica delle parti invece della carburazione, nonché quelle precedentemente non rinforzate mediante trattamento chimico-termico.

Per le parti soggette ad usura a basse pressioni di contatto in condizioni di corrosione, è necessario ottenere uno strato di diffusione con una zona di nitruro sviluppata, da cui dipendono il rodaggio delle superfici di sfregamento e la resistenza alla corrosione.

Per le parti che funzionano sotto carichi ciclici in condizioni di usura con carichi di contatto aumentati, si deve cercare di ottenere uno strato con un'ampia zona di nitrurazione interna.

Variando la struttura degli strati è possibile ottenere diverse combinazioni tra strato e nucleo. Ciò è confermato da numerosi esempi di nitrurazione per vari gruppi di parti.

Durante lo sviluppo dei processi tecnologici, sono stati condotti studi sistematici completi sull'influenza dei principali fattori tecnologici sulla qualità e sulle caratteristiche operative dello strato di diffusione durante la nitrurazione ionica al fine di ottimizzare i loro parametri.

L'elevato contenuto di idrogeno nella miscela, compreso quello corrispondente alla composizione con completa dissociazione dell'ammoniaca, favorisce la formazione di fasi nitrurate sulla superficie nitrurata sotto forma di monostrato fino alla fase - (Fe2N). Inoltre, una miscela di azoto ad alto contenuto di idrogeno sia nel cilindro del miscelatore, dove viene preparata la miscela, sia nella camera di lavoro, dopo un certo tempo comincia ad influenzare la profondità dello strato nitrurato, nonché le sue irregolarità sulla superficie. parti in tutto il volume della carica. L'idrogeno in un ambiente gassoso durante la nitrurazione ionica svolge il ruolo di agente riducente per gli ossidi sulla superficie da rinforzare, che impediscono il contatto diretto e l'interazione dell'azoto con il metallo.

Gli acciai di qualità normale sono nitrurati in azoto puro senza additivi di idrogeno. Tuttavia, gli strati nitrurati non sono sempre uniformi in profondità.

In seguito agli studi sull'influenza della pressione nella camera di lavoro sulla qualità dello strato nitrurato, si può consigliare di effettuare il primo stadio (sputtering catodico) in idrogeno ad una pressione di circa 13 Pa e ad una tensione di circa 1000 V. L'aumento della pressione della miscela del secondo stadio (nitrurazione) favorisce un aumento della profondità dello strato di diffusione e la nitrurazione ionica dovrebbe essere effettuata ad una pressione di 133-1330 Pa.

La qualità degli strati di diffusione è influenzata dalla temperatura e dalla durata del processo. La figura mostra l'influenza di questi fattori sullo spessore dello strato di alcuni acciai che differiscono nella composizione e sono rappresentanti tipici di varie classi.

È stato accertato che la durata del processo di nitrurazione ionica è circa la metà di quella della nitrurazione in forno utilizzando l'attuale tecnologia seriale.

La distribuzione della microdurezza lungo la profondità dello strato nitrurato è una caratteristica prestazionale importante. Durante la nitrurazione convenzionale in ammoniaca dissociata, la durezza massima per la maggior parte degli acciai si trova ad una certa distanza dalla superficie e lo strato superficiale, che è una fase fragile, viene solitamente rimosso. Come risultato della nitrurazione ionica di tutti gli acciai, la superficie ha la massima durezza. Pertanto, tenendo conto dell'elevata qualità della superficie dopo la nitrurazione ionica e del mantenimento della pulizia, è possibile lasciarla non trattata o limitarsi alla lucidatura o alla leggera lappatura.

Dopo la nitrurazione ionica, tutti gli acciai non presentano fase - sulla superficie. L'assenza della fase - sulla superficie durante la nitrurazione ionica è probabilmente dovuta all'effetto barriera degli ossidi che riducono il contenuto di azoto direttamente sul metallo, allo sputtering catodico e alla minore stabilità della fase - nel vuoto e nel plasma a scarica a bagliore.

Una delle principali caratteristiche prestazionali di molti motori aeronautici e di parti di aeromobili è la resistenza all'usura.

Lo studio della resistenza all'usura è stato effettuato sia dalla superficie dei campioni nitrurati che dopo macinazione ad una profondità di 0,03-0,06 mm.

Nella produzione di massa, principalmente tre tipi di parti sono sottoposti a nitrurazione ionica. Si tratta di particolari sottoposti a nitrurazione convenzionale in ammoniaca dissociata, particolari cementati con piccoli e medi carichi di lavoro sul manufatto, e particolari con usura significativa che non sono sottoposti ad indurimento mediante trattamento chimico-termico per impossibilità di successivo affinamento mediante molatura dovuto alla complessa forma geometrica.

Una lunga durata di esposizione isotermica, che raggiunge le 50 ore, con un'ampia gamma di parti nitrurate, spesso sconvolge il ritmo della produzione. Un altro svantaggio significativo della tecnologia seriale è l'elevata intensità di manodopera nella produzione di parti associata all'applicazione e alla rimozione dei rivestimenti galvanici utilizzati per la protezione dalla nitrurazione. La molatura delle parti nitrurate, in particolare le configurazioni complesse, è talvolta accompagnata da difetti irregolari, che praticamente non vengono rilevati dal controllo e compaiono solo durante il funzionamento su un motore di produzione a causa dell'usura prematura dello strato difettoso. Durante la rettifica di parti, soprattutto di acciai legati complessi come 15Kh16K5N2MVFAB, a volte si formano crepe sugli spigoli vivi a causa del rilassamento delle tensioni residue, nonché nei punti di transizione dalla superficie cilindrica alla superficie terminale immediatamente dopo la nitrurazione.

È consigliabile sottoporre le parti finalmente prodotte ad indurimento mediante nitrurazione ionica. Ciò è dovuto al fatto che dopo la nitrurazione ionica, la superficie stessa o gli strati vicini ad essa hanno la massima durezza e resistenza all'usura, mentre dopo la nitrurazione convenzionale, gli strati situati ad una certa distanza dalla superficie sono più efficienti.

Per tenere conto della tolleranza al "rigonfiamento" durante la produzione, è stato studiato l'effetto della nitrurazione ionica sui cambiamenti nelle dimensioni delle parti. Gli studi sono stati condotti su rappresentanti tipici delle parti. Sono state stabilite statistiche sulla distribuzione delle parti in base alle variazioni di dimensione. Le parti ad albero presentano un aumento di diametro dopo la nitrurazione ionica. Per le boccole e le sfere il diametro esterno aumenta e quello interno diminuisce. Per la maggior parte delle parti nitrurate, il diametro è cambiato di 30 - 40 micron.

Alcune parti vengono nitrurate dopo la lavorazione di finitura e le deviazioni dimensionali rientrano nell'intervallo di tolleranza. Pertanto, durante il processo di produzione delle parti, è stata eliminata l'operazione ad alta intensità di manodopera di rettifica della superficie nitrurata. Questa circostanza consente di ampliare la gamma di parti temprate dove la lavorazione meccanica dopo la tempra è difficile o impossibile (ad esempio, parti curve come una benda).

L'attrezzatura è stata sviluppata e prodotta per proteggere le superfici non nitrurate. Nella nitrurazione ionica delle parti, a differenza della nitrurazione in forno, la protezione delle superfici non soggette a nitrurazione è la più tecnologicamente avanzata. La nichelatura e la stagnatura, utilizzate per proteggere le superfici non nitrurate durante la nitrurazione in forno, sono operazioni ad alta intensità di manodopera e non sempre forniscono la qualità di protezione richiesta. Inoltre, dopo la nitrurazione, è spesso necessario rimuovere questi rivestimenti con mezzi chimici o meccanici.

Nella nitrurazione ionica, la protezione delle superfici non nitruranti viene effettuata utilizzando schermi metallici che sono a stretto contatto con la superficie non soggetta a nitrurazione (spazio non superiore a 0,2 mm). Questa superficie non è esposta alla carica incandescente ed è quindi protetta in modo affidabile dalla nitrurazione. Durante la nitrurazione delle parti, la protezione contro la nitrurazione veniva utilizzata ripetutamente utilizzando schermi di varie superfici, come piani, superfici cilindriche interne ed esterne, superfici filettate, ecc. La pratica ha dimostrato l'affidabilità e la praticità di questo metodo di protezione. I dispositivi per questi scopi possono essere utilizzati ripetutamente. Le superfici delle parti non soggette a nitrurazione possono essere infine trattate.

Il processo di nitrurazione ionica consente:

aumentare la durata delle parti nitrurate;

provvedere all'indurimento di parti per le quali l'uso di altri metodi di indurimento è difficile o impossibile;

ridurre l'intensità della manodopera nella produzione eliminando le operazioni di galvanica;

in alcuni casi rifiutare la macinazione dopo la nitrurazione;

ridurre di oltre la metà la durata del ciclo di nitrurazione;

migliorare l’igiene sul lavoro.

Attualmente nell’industria vengono utilizzati tre diversi tipi di nitrurazione: per ottenere un’elevata durezza dello strato superficiale, nitrurazione ionica anticorrosiva e “dolce”, ecc.

Per ottenere un'elevata durezza delle parti realizzate in acciai strutturali, il processo viene eseguito a temperature comprese tra 500 e 520°C per un massimo di 90 ore. Il grado di dissociazione dell'ammoniaca è regolato dal suo apporto e varia dal 15 al 60%. Nella modalità di nitrurazione a stadio singolo, il processo viene eseguito a temperatura costante (500520°C), quindi viene portato a 560570°C. A basse temperature questo porta dapprima alla formazione di uno strato sottile ben saturo di azoto con nitruri finemente dispersi, poi, con l'aumentare della temperatura, la velocità di diffusione aumenta e il tempo per ottenere lo spessore richiesto dello strato nitrurato si riduce. Il ciclo di nitrurazione a due stadi riduce di 22,5 volte il tempo del processo di saturazione dell'acciaio con azoto.

Quando si migliora il processo di nitrurazione, è necessario risolvere i seguenti compiti importanti:

creazione di un processo controllato che garantisca l'ottenimento di una determinata composizione del gas, struttura e profondità dello strato di diffusione;

intensificazione del processo di formazione dello strato nitrurato.

Sono stati sviluppati due metodi fondamentalmente nuovi di controllo diretto del processo di nitrurazione, uno dei quali consente di valutare il potenziale di azoto dell'atmosfera del forno in base alla sua composizione ionica (dissociameri ionici), e dall'altro apre la possibilità di controllo diretto analisi della cinetica di formazione dei rivestimenti di diffusione durante il processo di nitrurazione (analizzatori a correnti parassite). Il potenziale di azoto viene controllato mediante un sensore di ionizzazione con feedback dal sistema di preparazione della miscela.

Per la nitrurazione è necessario utilizzare impianti qualitativamente nuovi con controllo programmatico del processo tecnologico. L'intensificazione del processo di nitrurazione può essere ottenuta aumentando la temperatura di saturazione, regolando l'attività dell'atmosfera, modificandone la composizione, nonché utilizzando campi magnetici e vari tipi di scariche elettriche (scintilla, corona, bagliore).

Durante il trattamento chimico-termico, lo spessore dello strato saturo in alcuni casi è maggiore di quanto richiesto, in altri è inferiore a quello richiesto, talvolta si verificano imbarcamenti e deformazioni, lo strato saturo si fessura, ecc. Nella tabella sono riportate le caratteristiche dei difetti nel trattamento chimico-termico, le principali ragioni del suo verificarsi e le misure per eliminare i difetti.

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Nitrurazione ionica al plasma (IPA)- Si tratta di un tipo di trattamento chimico-termico di parti di macchine, utensili, attrezzature per stampaggio e fusione, garantendo la saturazione per diffusione dello strato superficiale dell'acciaio (ghisa) con azoto o azoto e carbonio in un plasma di azoto-idrogeno ad una temperatura di 450 -600 °C, nonché titanio o leghe di titanio a temperatura 800-950 °C nel plasma di azoto.

L'essenza della nitrurazione al plasma ionico è che in un ambiente di gas contenente azoto scaricato a 200-000 Pa tra il catodo su cui si trovano i pezzi e l'anodo, il cui ruolo è svolto dalle pareti della camera a vuoto, si verifica un fenomeno anomalo la scarica luminescente viene eccitata, formando un mezzo attivo (ioni, atomi, molecole eccitate). Ciò garantisce la formazione di uno strato di nitrurazione sulla superficie del prodotto, costituito da una zona di nitruro esterna con una zona di diffusione posta al di sotto di essa.

Variando la composizione del gas saturo, pressione, temperatura e tempo di permanenza, è possibile ottenere strati di una determinata struttura con la composizione di fase richiesta, garantendo proprietà rigorosamente regolate di acciai, ghise, titanio o sue leghe. L'ottimizzazione delle proprietà della superficie indurita è garantita dalla necessaria combinazione di strati di nitruro e di diffusione, che crescono nel materiale di base. A seconda della composizione chimica, lo strato di nitruro è una fase y (Fe4N) o una fase e (Fe2-3N). Lo strato di nitruro di e è resistente alla corrosione, mentre lo strato di nitruro di y è resistente all'usura ma relativamente duttile.

Allo stesso tempo, con l'ausilio della nitrurazione al plasma ionico è possibile ottenere:

strato di diffusione con una zona di nitruro sviluppata, che fornisce elevata resistenza alla corrosione e resistenza all'usura delle superfici di sfregamento - per parti soggette ad usura

strato di diffusione senza zona di nitruro - per utensili da taglio, stampaggio o parti che funzionano ad alte pressioni con carichi alternati.

La nitrurazione al plasma ionico può migliorare le seguenti caratteristiche dei prodotti:

resistenza all'usura

resistenza alla fatica

proprietà anti-graffio

resistenza al calore

resistenza alla corrosione

Il vantaggio principale del metodo è qualità di lavorazione stabile con variazione minima delle proprietà di parte in parte, di carica in carica. Rispetto ai metodi ampiamente utilizzati per rafforzare il trattamento chimico-termico delle parti in acciaio, come carburazione, nitrocarburazione, cianurazione, nitrurazione gassosa, il metodo di nitrurazione al plasma ionico presenta i seguenti principali vantaggi:

maggiore durezza superficiale delle parti nitrurate

nessuna deformazione delle parti dopo la lavorazione

aumentando il limite di resistenza con l'aumento della resistenza all'usura delle parti lavorate

temperatura di processo inferiore, grazie alla quale non si verificano cambiamenti strutturali nelle parti lavorate

possibilità di lavorazione con fori ciechi e passanti

mantenimento della durezza dello strato nitrurato dopo riscaldamento a 600 - 650 °C

possibilità di ottenere strati di determinata composizione

possibilità di lavorare prodotti di dimensioni illimitate e di qualsiasi forma

nessun inquinamento

miglioramento degli standard produttivi

riduzione dei costi di lavorazione più volte

I vantaggi della nitrurazione al plasma ionico si manifestano in una significativa riduzione dei costi di produzione di base. Ad esempio, rispetto alla nitrurazione gassosa, l’IPA prevede:

riduzione dei tempi di lavorazione da 2 a 5 volte, sia riducendo il tempo di riscaldamento e raffreddamento della carica, sia riducendo il tempo di permanenza isotermica

riduzione del consumo di gas di lavoro (20 - 100 volte)

riduzione del consumo energetico (1,5 - 3 volte)

Riduce la deformazione abbastanza da eliminare la levigatura di finitura

miglioramento delle condizioni sanitarie e igieniche di produzione

piena conformità della tecnologia con tutti i moderni requisiti di protezione ambientale

Rispetto alla tempra, il trattamento mediante nitrurazione al plasma ionico consente:

eliminare le deformazioni

aumentare la durata della superficie nitrurata (2-5 volte)

L’utilizzo della nitrurazione ionica al plasma invece della carburazione, nitrocarburazione, nitrurazione gassosa o liquida, indurimento volumetrico o ad alta frequenza consente:

risparmiare beni strumentali e spazio di produzione

ridurre i costi della macchina, i costi di trasporto

ridurre il consumo di energia elettrica e di gas attivi.

I principali consumatori di attrezzature per la nitrurazione al plasma ionico sono automobili, trattori, aviazione, costruzione navale, riparazione navale, fabbriche di macchine / macchine utensili, fabbriche per la produzione di macchine agricole, apparecchiature di pompaggio e compressione, ingranaggi, cuscinetti, profili in alluminio, centrali elettriche. ..

Il metodo della nitrurazione al plasma ionico rappresenta uno dei settori del trattamento chimico-termico in più dinamico sviluppo nei paesi industrializzati. Il metodo IPA ha trovato ampia applicazione nel settore automobilistico. Viene utilizzato con successo dalle principali aziende produttrici di automobili e motori a livello mondiale: Daimler Chrysler (Mercedes), Audi, Volkswagen, Voith, Volvo.
Ad esempio, i seguenti prodotti vengono elaborati utilizzando questo metodo:

iniettori per autovetture, piastre di supporto per azionamenti automatici, matrici, punzoni, matrici, stampi (Daimler Chrysler)

molle per sistema di iniezione (Opel)

alberi motore (Audi)

alberi a camme (Volkswagen)

alberi motore per compressori (Atlas, USA e Wabco, Germania)

ingranaggi per BMW (Handl, Germania)

ingranaggi per autobus (Voith)

indurimento di utensili di pressatura nella produzione di prodotti in alluminio (Nughovens, Scandex, John Davis, ecc.)

Esiste un'esperienza positiva nell'uso industriale di questo metodo nei paesi della CSI: Bielorussia - MZKT, MAZ, BelAZ; Russia - AvtoVAZ, KamAZ, MMPP "Salyut", Ufa Engine-Building Association (UMPO).
Il metodo IPA viene utilizzato per elaborare:

ingranaggi (MZKT)

ingranaggi e altre parti (MAZ)

ingranaggi di grande diametro (oltre 800 mm) (BelAZ)

valvole di aspirazione e scarico (AvtoVAZ)

alberi motore (KAMAZ)

Come dimostra l'esperienza globale nell'uso della tecnologia di nitrurazione al plasma ionico, l'effetto economico della sua implementazione è assicurato principalmente dalla riduzione del consumo di elettricità e gas di lavoro, riducendo l'intensità di manodopera dei prodotti manifatturieri a causa di una significativa riduzione del volume di macinazione lavoro e migliorare la qualità del prodotto.

Per quanto riguarda gli utensili da taglio e stampaggio, l'effetto economico si ottiene riducendone il consumo grazie ad un aumento della resistenza all'usura di 4 o più volte con un simultaneo aumento delle condizioni di taglio.

Per alcuni prodotti la nitrurazione ionica al plasma è l’unico modo per ottenere un prodotto finito con una percentuale minima di difetti.

Inoltre, il processo IPA garantisce la completa sicurezza ambientale.

La nitrurazione al plasma ionico può essere utilizzata nella produzione al posto della nitrurazione liquida o gassosa, della carburazione, della nitrocarburazione e dell'indurimento ad alta frequenza.