книги / Плазменная химико-термическая обработка

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

М.Н. Босяков, О.В. Силина, А.А. Козлов

ПЛАЗМЕННАЯ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Монография

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2023

1

УДК 621,785 Б85

Рецензенты:

канд. техн. наук, главный металлург АО «ПНИТИ» А.С. Перцев

(Пермский научно-исследовательский технологический институт);

д-р техн. наук, проф. Т.В. Ольшанская (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Босяков, М.Н.

Б85 Плазменная химико-термическая обработка : моногр. / М.Н. Босяков, О.В. Силина, А.А. Козлов. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2023. – 135 с.

ISBN 978-5-398-03027-3

Представлены результаты исследований по разработке методики расчета энергетических характеристик процесса азотирования в тлеющем разряде, показана взаимосвязь габаритов рабочей камеры с мощностью тлеющего разряда, рассмотрены вопросы организации газодинамических параметров оборудования для обработки в тлеющем разряде, выбора параметров процесса обработки во взаимосвязи со свойствами тлеющего разряда, показана роль фазы разогрева садки деталей в формировании упрочненного слоя.

Может быть полезно аспирантам, докторантам и инженернотехническим работникам (металловедам, техникам, технологам в области ХТО, разработчикам оборудования для плазменной обработки) в области машиностроения, вакуумной техники, плазменной технологии.

ИсследованиевыполненоприфинансовойподдержкеПравительства Пермского края в рамках научного проекта № С 26/513.

2

3

4

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ХТО – химико-термическая обработка ВЦ – вакуумная цементация ИЦ – ионная цементация

ВТА – высокотемпературное азотирование СТА – среднетемпературное азотирование НТА – низкотемпературное азотирование ИПА – ионно-плазменное азотирование ТЭН – трубчатый электронагреватель

ГНУФТИНАН– государственноенаучноеучреждениеФизикотехнологическийинститутНациональнойакадемиинаукБеларуси ВНИИЭТО – Всесоюзный научно-исследовательский инсти-

тут электротермического оборудования

ООО «СНТ» – общество с ограниченной ответственностью «СтратНаноТек»

АВЗ-20Д – агрегат вакуумный золотниковый ДВН-50 (НВД-200) – двухроторный вакуумный насос ДВН-150 (НВД-600) – двухроторный вакуумный насос МКРВ-200 – муллитокремнеземистый войлок МКРК-500 – муллитокремнеземистый картон МКРП-400 – муллитокремнеземистые плиты ОКП – область катодного падения потенциала а.е.м. – атомная единица массы

5

ВВЕДЕНИЕ

В современном машиностроении создание высококачественных, конкурентоспособных машин и оборудования неразрывно связано с разработкой и применением новых высокопроизводительных энерго-

иресурсосберегающих экологически чистых технологий, обеспечивающих рост эксплуатационных свойств изделий машиностроения. Одной из таких технологий является упрочнение поверхности деталей

иинструментаметодомионногоазотированиявтлеющемразряде. Ионное азотирование – наиболее современная технология азо-

тирования – выполняется в условиях вакуума при бомбардировке обрабатываемой поверхности ионами газов насыщающей среды. В настоящее время в развитых странах доля ионного азотирования составляет порядка 35 %, остальные 65 % приходятся на процессы газового и жидкостного азотирования, причем следует отметить, что доляпроцессовионного азотированиянеуклонноувеличивается.

Поскольку при ионном азотировании тлеющий разряд на всех стадияхпроцессаобработкиприразогревесадкииееизотермической выдержки должен существовать в аномальном виде, это обусловливает особые требования к выбору режима обработки – рабочего давления в камере и состава насыщающей среды, особенно при обработке деталей сложной формы, когда из-за неправильно выбранного режимавозможнылокальныеперегревыотдельныхучастковдеталей.

При ионном азотировании именно тлеющий разряд является источником формирования активных частиц – атомов и ионов азота, поэтому несомненный интерес представляет вопрос взаимосвязи мощности разряда с указанными параметрами процесса применительно к промышленному оборудованию. Особого внимания заслуживает задача разработки режима технологического процесса упрочняющей обработки во взаимосвязи геометрии рабочей камеры и массы садки с мощностью тлеющего разряда и его химической активностью, так называемым «азотным потенциалом», что необходимо для задания параметров процесса, обеспечивающих при заданной температуре формирование азотированного слоя необходимой глубины.

6

На современном этапе развития теории и практики азотирования наблюдается расширение сферы применения данной технологии для упрочнения изделий из нержавеющих сталей, реализация дуплексной технологии, когда после ионного азотирования на поверхность материала наносятся тонкие износостойкие пленки. Наибольший вклад в развитие теории и практики ионного азотирования внесли советские исследователи – школы Ю.М. Лахтина в МАДИ и Б.Н. Арзамасова (МГТУ им. Н.Э. Баумана), а также зарубежные исследователи: в Германии – Б. Эденхофер, К. Келлер, И. Кельбель, К. Ри, Г.-И. Шпис, в Великобритании – Т. Белл, Д. Сан, в США – Э. Ролинский, в Болгарии – Д. Бучков, В. Тошков, на Украине – И.М. Пастух. В Республике Беларусь также ведутся работы в данном направлении. В Физико-техническом институте Национальной академии наук Беларуси создается не только современное автоматизированное оборудование для ионного азотирования, но и успешно функционирует обрабатывающий центр, насчитывающий несколько установок с различными камерами, который оказывает услуги по упрочняющей обработке различным предприятиям и организациям Беларуси и России.

Работы по исследованию процесса ионного азотирования различных сталей касаются в основном установок лабораторного типа с небольшими габаритами рабочего пространства вакуумных камер и посвящены влиянию режимов обработки на кинетику формирования азотированного слоя, его состав и изучению износостойкости азотированной поверхности. Данная технология достаточно широко представлена в промышленности, где этим методом обрабатываются самые различные изделия, однако характеристики рабочих камер промышленных установок существенно отличаются от камер лабораторных установок, что не позволяет перенести режимы обработки, полученные на лабораторных установках, на установки промышленного типа. Это определяет актуальность исследований, направленных на выяснение роли параметров процесса обработки на промышленном оборудовании в формировании азотированного слоя, что позволитоптимизироватьпроцессобработки.

7

ГЛАВА 1. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

ВСОВРЕМЕННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

1.1.Современные способы химико-термической обработки

иприменяемое технологическое оборудование

Химико-термической обработкой называется термическая обработка, сочетающая термическое и химическое воздействие с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя обрабатываемого изделия [1].

Она является одним из наиболее эффективных и широко применяемых в промышленности методов упрочнения поверхности, приводящих к повышению долговечности многих ответственных деталей, которая воздействует на поверхностные слои металла, т.е. на те слои, в которых концентрируются максимальные напряжения, возникаюттрещины, развиваютсяпроцессыизносаикоррозии.

Химико-термической обработкой достигаются:

1)поверхностное упрочнение металлов и сплавов (повышаются поверхностная твердость, износостойкость, усталостная прочность, теплостойкость и т.д.);

2)повышение стойкости металлов и сплавов против воздействия внешних агрессивных сред при нормальных и повышенных температурах (повышаются стойкость против коррозии, кавитационной эрозии, кислотостойкость, окалиностойкость и т.д.).

Химико-термическая обработка металлов и сплавов заключается в нагреве и выдержке их при определенной температуре в активных газовых, жидких или твердых средах, в результате чего изменяются химический состав, структура и свойства поверхностных слоев металлов и сплавов. В отличие от термической обработки хи- мико-термическая обработка изменяет не только структуру, но и химический состав поверхностных слоев, что позволяет в более широких пределах изменять свойства металлов и сплавов. После некоторых видов химико-термической обработки для улучшения свойств сердцевины и поверхностных слоев проводят термическую

8

обработку – закалку и отпуск. Иногда термическая обработка предшествует химико-термической обработке – азотированию, низкотемпературной нитроцементации и низкотемпературному цианированию, термодиффузионному цинкованиюит.д.

Наибольшее распространение в промышленности получили процессы цементации, нитроцементации, цианирования и азотирования. Реже применяют алитирование, борирование, силицирование, хромирование и сульфоцианирование стали.

Химико-термическая обработка, основанная на поверхностном обогащении металлов определенными элементами (например, углеродом, азотом или углеродом и азотом), в большинстве случаев включаетвсебятриодновременно идущихэлементарных процесса:

–диссоциацию – образование во внешней среде диффундирующего элемента в активном атомарном состоянии;

–адсорбцию – присоединение активных атомов диффундирующего элемента к поверхности металла с установлением химических и физических связей;

–диффузию – проникновение в глубь металла адсорбированных атомов.

Состав, строение и физико-химические свойства диффузионного слоя зависят главным образом от состава насыщающей среды, а также температуры и продолжительности процесса.

В качестве насыщающих сред применяются твердые, жидкие

игазообразные вещества.

Методы химико-термической обработки по температуре процесса можно разделить на высокотемпературные – цементация (Т = 900…950 °С), нитроцементация(Т = 850…870 °С), борирование

(Т = 950…1000 °С), алитирование (Т = 950…1000°С), сульфоциани-

рование (Т = 930…950 °С), и низкотемпературные – азотирование

(Т = 400…580 °С) икарбонитрирование(Т= 570…580 °С).

Цементация (науглероживание) – это процесс диффузионного насыщения углеродом поверхностного слоя малоуглеродистых (0,1–0,25 % C) сталей [1–4]. Целью цементации является получение поверхностного слоя с высокими показателями твердости и износо-

9

стойкости, повышение предела выносливости изделия при сохранении вязкой сердцевины. Науглероживание стали (цементация) происходит вследствие диффузии углерода, причем при газовой цементацииосновной реакцией, обеспечивающей образование атомарного углерода, являетсядиссоциацияокисиуглерода[2]:

При высоком содержании метана в науглероживающей атмосфере возможна также реакция разложения метана с образованием атомарного углерода Сат [4, 5]:

Цементация применяется преимущественно при крупносерийном производстве. В качестве рабочих газов используется природный газ, аммиак в чистом виде или разбавленный продуктами диссоциации. Рабочая температура обычного процесса составляет 900– 950 °С, высокотемпературной цементации – 970–1100 °С. Твердость после цементации составляет порядка 59–62 HRC при эффективной толщинеслоя0,5–1,5 ммиболеемиллиметров.

Недостатком процесса является высокая энергоемкость технологии и использование компонентов, представляющих опасность для окружающей среды.

Наиболее часто на предприятиях применяются следующие виды цементации (нитроцементации):

–с регламентируемой подачей карбюризатора. Это шахтные печитипаотечественных«Ц», «СШНЦА» идр.;

–в контролируемой атмосфере. Это камерные и проходные агрегатытипаотечественных«СНЦТА» ипольских«Пекат»;

–в атмосфере с регулируемым углеродным потенциалом. Это печи типа немецких «Ипсен», «Айхелин», польских «Пекат», «Сековарвик», «Эльтерма», «Ремикс» и отечественных «СНЦТА» с системамирегулированияуглеродногопотенциала;

10