УДК 620

Ионно-плазменное азотирование деталей

Хасанов Наиль Салаватович – студент Институт авиационных технологий и материалов Уфимского университета науки и технологий

Латыпов Карам Нуршатович – студент Институт авиационных технологий и материалов Уфимского университета науки и технологий

Аннотация: Данная статья посвящена адаптации технологии ионно-плазменного азотирования механических деталей (валов и шестерен). Раньше эти детали подвергались индукционной закалке, и требованием заказчика было заменить технологию индукционной закалки на химико-термическую обработку, т.е. ионно-плазменную закалку. Описана методика ионно-плазменного азотирования штифтов и шестерен из стали 42ХМ4. Начиная с термической обработки деталей, их очистки и загрузки деталей в камеру. Описано описание камеры и полной установки для нитрида в. Приведены экспериментальные параметры азотирования. Наконец, точность полученных результатов была проверена путем измерения твердости азотированных деталей. Значения твердости соответствовали требованиям покупателя.

Ключевые слова: твердость, ионно-плазменное азотирование.

Введение

Преимущества ионно-плазменного азотирования заключаются в следующем: меньшая деформация по сравнению с другими процессами обработки поверхности, возможность контроля и даже улучшения характеристик износа деталей.

Азотирование в импульсном тлеющем разряде (плазменное азотирование) является эффективным методом повышения твердости и износостойкости металлов и сплавов. Основным технологическим преимуществом этого метода является низкая температура, при которой проводится процесс (450-520°С), что приводит к частичным объемным деформациям и искривлению заготовки. Плазменное азотирование материалов характеризуется активным участием этих материалов в тлеющем выбросе, так как они служат катодом.

В результате стойкость инструмента увеличивается от нескольких до десяти и более раз. Характеристики обычных сталей могут быть значительно улучшены.

Зная основные характеристики и параметры ионно-плазменного азотирования, основной задачей в данной работе была оптимизация параметров процесса и получение поверхностных слоев обрабатываемых деталей с необходимыми параметрами, позволяющими их практическое использование.

Материал и исследования

Детали ионно-плазменного нитридирования (штифты и конические шестерни) изготовлены из низколегированной стали 42ХM4. Химический состав деталей приведен в Таблица 1. Вид деталей до азотирования приведен на Рисунок 1.

Таблица 1. Химический состав ионно-азотированных деталей.

Элемент	%
	Штифт	Шестерня
С	0,41	0,45
Si	0,2	0,26
Mn	0,75	0,8
Cr	1,05	1,11
Mo	0,23	0,25
остальные	-	-

Рисунок 1 Детали для азотирования.

Подготовка деталей к азотированию

Прежде чем приступить к плазменному азотированию, была проведена термическая обработка (закалка и отпуск) деталей.

Параметры термической обработки следующие:

• Закалка Т=820 – 860°С (масло)
• Отпуск Т=550°С, t=20 ч

После термической обработки производилась механическая обработка деталей до окончательных размеров. Наконец, была произведена шлифовка деталей. Азотируемые детали должны быть очищены от продуктов коррозии и примесей, таких как консистентная смазка и т.п. Для удаления органических примесей применяют органические растворители, а оксиды удаляют измельчением или химическими растворами, в основном Н₃РО₄.

Подготовка камеры

После очистки детали от жирных масел и подобных примесей детали загружались в рабочую зону камеры. Обработанные детали укладывают на рабочую поверхность, поддерживаемую тремя вспомогательными изоляторами. Положительно заряженная часть соединена с корпусом рабочей камеры

Размер камеры

Полезный диаметр – 1000 мм;

Полезная высота – 1300 мм;

Полезный объем – 0,8 м³;

Рабочее напряжение на электрическую опору и катодную изоляцию – 1500 В;

Рабочая температура 300 – 600°С;

Рабочее давление 0 – 10 бар;

Охлаждение – холодной водой.

Технические характеристики камеры

Внешние характеристики вакуумной камеры 1360х1800 мм;

Внутренние рабочие размеры камеры: 1000х1400 мм;

Максимальный вес обрабатываемых деталей: 1000 кг;

После окончания процесса детали оставляют в камере и охлаждают в вакууме. При снижении температуры до 100 °С линию можно открыть и процесс ионно-плазменного азотирования полностью завершается.

Параметры плазменного азотирования

Детали азотировались при следующих параметрах камеры:

• постоянная температура камеры 500 °С;
• состав газа: 99,9%;
• давление в камере (частичное) 3,0 мбар;
• катодное напряжение (600В).

Результаты исследования

После завершения процесса ионно-плазменного азотирования детали зубчатых колес и штифты подвергались измерению поверхностной твердости. Для измерения детали использовали передвижной твердомер. А для подготовленных образцов из той же стали, азотированных в тех же условиях, использовали твердомер и микротвердомер. Результаты измерений твердости приведены в таблицах 2 и 3.

Полученные результаты по значениям твердости для обоих типов деталей приведены в таблицах 2 и 3. Значения твердости измерены до и после плазменного азотирования на установках Роквела (HRc) и Виккерса (HV1). В обоих случаях измеренные значения соответствуют требованиям покупателя, т.е. твердость поверхности после азотирования составляет 50-55 HRc.

Таблица 2. Значения твердости азотированных штифтов.

	До азотирования		После азотирования
	HRc нагрузка 150 кг	HV1	HRc нагрузка 150 кг	HV1
1	30	278	55	649
2	30	278	52	549
3	32	303	52	549
4	29	277	53	587
5	28	271	54	589
Среднее	29,8	286	53,2	592

Таблица 3. Значения твердости азотированных конических шестерен.

	До азотирования		После азотирования
	HRc нагрузка 150 кг	HV1	HRc нагрузка 150 кг	HV1
1	28	271	52	549
2	30	285	51	538
3	30	285	52	549
4	31	285	50	505
5	32	303	51	531
Среднее	30	303	51	549

Итог

В экспериментальной работе данной статьи была описана процедура ионно-плазменного азотирования штифтов и шестерен из стали 42ХM4. Базовой задачей данной практической НИР было дать технологию ионно-плазменного азотирования.

Вывод

Основная идея в этой работе заключалась в повышении поверхностной твердости двух разных частей, т.е. штифта и конической шестерни. Вместо использовавшейся ранее индукционной закалки в данном случае было проведено ионно-плазменное азотирование. Требование состояло в том, чтобы получить твердость между 50-55 HRc, чтобы выполнить эту задачу; детали прошли ионно-плазменное азотирование. Детали с плазменным азотированием изготавливались из стали 42ХM4. Измерение твердости показывает, что полученные значения составляют 53 HRc для штифта и 51 HRc для конического зубчатого колеса, что полностью соответствует требованиям заказчика.

Список литературы

1. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов – 1965. 59 с.
2. Козловский И.С. Химико-термическая обработка шестерен – 1970. 79 с.
3. Гуляев А.С. Термическая обработка стали – 1979. 109 с.
4. Козловский И.С. Термическая обработка зубчатых колес – 1963. 69 с.
5. Никифоров В.Ф. Повышение прочности автотракторных шестерен цементацией и нитроцементацией: «Металловедение и термическая обработка металлов» - 1966 - №5 – С. 29
6. Берлин Е.В. Плазменная химико-термическая обработка поверхности стальных деталей – 2012. 156 с.
7. Малинкина Е.И. Образование трещин при термической обработке стальных изделий – 1965. С 68
8. Коротин И.М. Контроль качества термической обработки металлов – 1980. 34 с.
9. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов – 1989. 200 с.