Формирование диффузионного слоя при ионном азотировании

Интенсификация процесса при ионном азотировании объяс­няется воздействием тлеющего разряда на все элементарные процессы, ответственные за образование диффузионного слоя: активацию газовой фазы, адсорбцию и диффузию.

При азотировании в тлеющем разряде (рис.) положительные ионы диффундирующего элемента (азота) под действием энергии электростатического поля приобретают скорость, вектор которой направлен нормально к обрабатывае­мой поверхности (катоду).

Энергия иона, полученного в плазме тлеющего разряда, пре­восходит в 3000 раз энергию атома азота в диссоциированном аммиаке в условиях обычного азотирования.

При бомбардировке катода кинетическая энергия иона расхо­дуется на нагрев поверхности Е_т и на отрыв электронов и ато­мов железа (Е_р) (в частности, на катодное распыление). Атомы железа в плазме тлеющего разряда соединяются с азотом, суще­ствующим в различных состояниях возбуждения, образуя нитрид железа, который адсорбируется на поверхности катода в виде равномерного слоя. Напыленный слой нитридов под действием ионной бомбардировки разлагается с по­лучением низших нитридов железа (от Fе₂N ->Fе₃N -> Fе₄N) и азотистого α-твердого раствора. Полученный при распаде низшего нитрида азот диффундирует в поверхностный слой, образуя зону внутреннего азотирования, а железо, обед­ненное азотом, вновь распыляется в плазму (обратное катодное распыление). Процессы образова­ния нитридов в прикатодном пространстве и их осаждения на катоде непрерывно повторяются. Таким образом, нитридные фазы, конденсирующиеся на поверхности катода, являются наряду с газовой фазой самостоятельным источником азота.

В отличие от печного азотирования образование азотистого α-твердого раствора начинается после образования нитридов на поверхности, а строение диффузионной зоны и ее фазовый состав определяются протеканием двух конкурирующих процессов, от­ветственных за формирование азотированного слоя: катодного распыления и обратного катодного распыления.

При ионной бомбардировке достигается идеальная депассивация поверхности за счет удаления окисных пленок, напыляется пленка нитридов и происходят сложные физико-химические про­цессы в поверхностном слое катода, приводящие к измене­нию тонкой структуры металла. При упругом соударении ионов азота с атомами кри­сталлической решетки в тонком поверхностном слое (0,05мм) металла возрастает плотность дефектов – дислокаций.

Повышение плотности дисло­каций увеличивает проводящую способность диффузионной зо­ны, приводя к росту доли объем­ной диффузии. При обычном (печном) азотировании диффу­зия азота на начальных этапах развивается по границам зерен. Нитридные фазы, располагаю­щиеся преимущественно по гра­ницам зерен, при диффузии азота увеличиваются в объеме, блокируют гранич­ную диффузию, что сопрово­ждается уменьшением скорости образования диффузионного слоя. При ионном азотировании роль граничной диффузии уменьшается. На началь­ных стадиях процесса значительная часть азота диффундирует не по границам, а по объему ферритных зерен, главным образом по дислокационным каналам. При этом не наблюдается укрупне­ния приграничных нитридов и значительно подавляется образование нитридной сетки по границам первичных аустенитных зерен.

Процесс азотирования в тлеющем разряде значительно уско­ряется при кратковременных выдержках, особенно интенсивное поглощение азота идет в первые 5мин.

Регулируя состав газовой атмосферы и соотношение процессов катодного распыления и обратного катодного распыления, можно получить диффузионный слой на базе высокоазотистого α-твердого раствора без поверхностной нитридной зоны, с однофазной зоной -γ'-фазы толщиной до 8 мкм и однофазной зоной ε-фазы (Fе₃_₂ N) толщиной 5—30 мкм. Нитридная зона всех составов не имеет пор.

Ионное азотирование применяют для обработки различных типов сталей и сплавов: азотируемых, инструментальных, мартенситно-стареющих, коррозионно-стойких, хромистых и хромоникелевых сталей, чугунов и т. д.

Рабочее давление лимитируется свойствами тлеющего разряда. При давле­нии азотирующей атмосферы ниже 1 мм рт. ст. энергия ионов недостаточна для нагрева обрабатываемой детали до рабочей температуры, при давлении выше 10 мм рт. ст. нарушается стабильность разряда, тлеющий разряд переходит в дуговой, что сопровождается появлением на поверхности оплавленных микрократеров. Рекомендуется притуплять острые кромки и заусенцы, что позволяет избежать при азотировании перехода тлеющего разряда в дуговой, сопровождающегося местным перегревом поверхности и образованием микрократеров.

При давлении 2 мм рт. ст. при 520° С и 6 мм рт. ст. при 620° С достигается макси­мальная глубина диффузионного слоя.

Выбор оптимального давления зависит от сложности конфигу­рации детали, так как с изменением давления изменяется протя­женность катодной части разряда. С увеличением давления от 1 до 10 мм рт. ст. область катодной части разряда уменьшается от 10 до 1 мм. Это необходимо учитывать для обеспече­ния равномерности диффузионного слоя по периметру изделия. Для получения равномерного слоя по всей поверхности деталей, включая внутренние азотируемые поверхности, необходимо, чтобы разряд полностью облегал всю азотируемую поверхность и толщина катодной части разряда (толщина зоны максимального свечения) должна составлять 1—2 мм. В связи с неравномерным распределением заряда на поверхности деталей сложной конфигурации прибегают к использованию профилированных анодов.

В качестве азотосодержащих газов применяют азот и смесь азота с водородом. В азотной плазме присутствие кислорода недопустимо, так как при этом уменьшается активность рабочей атмосферы.

Процесс ионного азотирования реализуется в две стадии: 1) очистка поверхности катодным распылением; 2) собственно насыщение.

Катодное распыление проводится в течение 5—60 мин при напряжении 1100—1400 В и давлении 0,1—0,2 мм рт. ст. В про­цессе катодного распыления температура поверхности детали не превышает 250° С. Рабочие параметры процесса при собственно насыщении: V = 400-1100 В, давление 1—10 мм рт. ст.

Азотируемые детали устанавливают в камеру, подключая к отрицательному электроду, герметизируют камеру и откачивают воздух до давления 1 мм рт. ст. После эвакуации воздуха камеру продувают рабочим газом в течение 5—15 мин при давлении —10 мм рт. ст., затем откачивают камеру до давления 0,2— 0,4 мм рт. ст., подают на электроды напряжение и возбуждают тлеющий разряд. При напряжении 1100—1400 В на этой стадии осуществляется катодное распыление. После обработки поверх­ности в течение 5—60 мин по режиму катодного распыления на­пряжение понижают до рабочего 400-1100В, а давление повышают до 1— 10 мм рт. ст. подачей азотсодержащих газов.

Оптимальное расстояние между деталями и анодом составляет 40-50мм.

Рабочая температура процесса (470—580° С) достигается за 15—30 мин. Скорость нагрева определяется соотношением поверх­ности и массы деталей.

После изотермической выдержки детали охлаждаются до ком­натной температуры под вакуумом в течение 1-2час.

Оборудование для ионного азотирования должно обеспечивать регулирование и стабильное поддержание электрических и ва­куумных характеристик разряда. Установка для азотирования в тлеющем разряде (рис) состоит из герметизированного контейнера, вакуумной системы, блока электропитания, оборудования для подачи насыщающих газов, приборов контроля и регулирования температуры.

В разреженной атмосфере насыщающего газа между деталями, подключенными к отрицательному электроду, (катодом) и стен­ками контейнера (анодом) возбуждается тлеющий разряд.

Анодом служит корпус камеры.

Температура измеряется хромель-алюмелевой термопарой с контрольного образца, сигнал подается на потенциометр. Авто­матическое регулирование температуры осуществляется через исполнительный механизм (электродвигатель с редуктором), воз­действующий на токосъемник автотрансформатора.

Датчиками измерения температуры наряду с термопарами мо­гут быть термоэлементы, реагирующие на тепловое излучение поверхности обрабатываемых деталей. Сигнал от термоэлемента при изменении степени радиации подается на термопреобразова­тель, регулирующий вводимую в установку мощность.

При контроле температуры термопарами необходимо исклю­чить влияние электрического поля разряда на их показания. Спай термопары или зачеканивают в глухое отверстие контроль­ного образца (вспомогательной детали), или вставляют в отвер­стие в кварцевом чехле, который обеспечивает отсутствие контакта термопары с поверхностью детали.

Современные установки (Германия) мощностью от 35 до 150 кВт имеют контейнеры диаметром 0,5—2м и высотой 0,5— 12м. Единовременная загрузка контейнеров максимальной емкости может составлять до 15 т.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: