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