Ионно-плазменное азотирование: что это такое, принцип и области применения

Ионно-плазменное азотирование: что это такое и зачем применяется

Ионно-плазменное азотирование (также называют ионным азотированием или азотированием в тлеющем разряде) — один из современных методов химико-термической обработки поверхности. Технология позволяет существенно повысить твёрдость, износостойкость, контактную выносливость и коррозионную стойкость металлических деталей без значительного изменения их размеров.

Метод относится к диффузионным процессам упрочнения и широко применяется в машиностроении, инструментальном производстве, нефтегазовом оборудовании и изготовлении ответственных узлов. Главное отличие ионно-плазменного азотирования — насыщение поверхностного слоя азотом происходит в плазме тлеющего разряда при относительно невысоких температурах.

Принцип ионно-плазменного азотирования

Процесс проводится в вакуумной камере. Детали размещают внутри, камеру вакуумируют и заполняют азотосодержащей газовой смесью (обычно азот с водородом, иногда с добавлением аргона). Между обрабатываемыми изделиями (катод) и стенками камеры (анод) подаётся напряжение, в результате чего возникает аномальный тлеющий разряд.

Ионы азота ускоряются электрическим полем и бомбардируют поверхность металла. Одновременно происходят три основных процесса:

• очистка поверхности за счёт катодного распыления;
• нагрев детали энергией ионной бомбардировки;
• диффузия азота в кристаллическую решётку металла.

В результате на поверхности формируется упрочнённый слой, состоящий из компаунд-зоны (нитриды железа) и диффузионной зоны (твёрдый раствор азота). Температура процесса обычно составляет 450–580 °C. Это позволяет сохранить механические свойства сердцевины детали.

Типичная твёрдость поверхности после ионно-плазменного азотирования на легированных сталях достигает 900–1200 HV. Толщина компаунд-слоя чаще всего находится в пределах 5–25 мкм, а общая глубина упрочнённого слоя может составлять от 0,15 до 0,7–0,8 мм в зависимости от марки стали и выбранного режима.

Сравнение с другими способами упрочнения поверхности

Ионно-плазменное азотирование имеет ряд существенных отличий от альтернативных методов:

• Объёмная закалка повышает твёрдость всей детали целиком, но часто приводит к значительным деформациям и требует последующей правки или шлифования. Ионное азотирование упрочняет только поверхность, сохраняя вязкость сердцевины.
• Цементация и нитроцементация дают более глубокий слой, однако проводятся при температурах свыше 850 °C и сопровождаются существенными изменениями размеров. После этих процессов почти всегда необходима финишная механическая обработка.
• Газовое азотирование близко по принципу действия, но проходит дольше, хуже контролируется по структуре компаунд-слоя и чаще вызывает небольшие деформации. Плазменное азотирование позволяет получать более чистую поверхность и работать с уже готовыми деталями.
• Нанесение покрытий (PVD, CVD, гальванические покрытия) создаёт внешний слой, который может отслаиваться при ударных и знакопеременных нагрузках. Диффузионный слой, полученный при ионно-плазменном азотировании, связан с основным металлом на атомном уровне.

Благодаря сочетанию относительно низкой температуры, хорошей управляемости процессом и минимальных деформаций метод особенно востребован для прецизионных, тонкостенных и уже финишно обработанных деталей.

Области применения ионного азотирования

Технологию используют для повышения ресурса деталей, работающих в условиях трения, знакопеременных нагрузок и агрессивных сред. Наиболее распространённые сферы применения:

• штоки гидроцилиндров и пневмоцилиндров;
• зубчатые колёса, валы и валы-шестерни;
• направляющие, шпиндели и точные валы;
• пресс-формы и штамповая оснастка;
• детали насосов, компрессоров и запорной арматуры;
• режущий и штамповый инструмент из легированных и быстрорежущих сталей.

Ионно-плазменное азотирование хорошо работает по углеродистым, легированным, инструментальным и некоторым нержавеющим сталям, а также по чугунам и отдельным титановым сплавам.

Возможности оборудования ООО «Альбрехта»

В ООО «Альбрехта» ионно-плазменное азотирование выполняется на специализированной установке со следующими характеристиками:

• рабочая зона ⌀700 × 1200 мм;
• максимальная загрузка до 1000 кг;
• рабочий диапазон температур 300–900 °C;
• максимальный ток 150 А;
• напряжение 0–800 В;
• частота импульсного питания 500–10 000 Гц.

  

Импульсный режим позволяет гибко регулировать параметры процесса и получать стабильный результат как на единичных ответственных деталях, так и на серийных партиях.

Ограничения метода

Несмотря на широкие возможности, ионно-плазменное азотирование подходит не для всех задач. Метод менее эффективен, когда требуется очень глубокий упрочнённый слой (более 0,8–1,0 мм) на больших партиях простых деталей — в таких случаях газовое азотирование может оказаться экономичнее. Также сложнее обрабатывать изделия с крайне разветвлённой внутренней геометрией, куда плазма проникает недостаточно равномерно.

Заключение

Ионно-плазменное азотирование — управляемый и технологичный способ поверхностного упрочнения металла. Метод сочетает высокую износостойкость полученного слоя с минимальным влиянием на геометрию детали и позволяет решать широкий круг задач по повышению ресурса изделий.

Для оценки возможности ионно-плазменного азотирования ваших деталей направьте чертежи и технические требования в ООО «Альбрехта».