Іонне азотування

3.2.1.1 Суть процесу іонного азотування

Інтенсифікація процесу при іонному азотуванні пояснюється впливом тліючого розряду на всі елементарні процеси, відповідальні за утворення дифузійного шару:

активацію газової фази;

адсорбцію;

дифузію.

При азотуванні в тліючому розряді позитивні іони елемента, що дифундують, під дією енергії електростатичного поля отримують швидкість, вектор якої спрямований по нормалі до оброблюваної поверхні (катоду).

Енергія іону, отриманого в плазмі тліючого розряду, перевершує в 3000 разів енергію атома азоту в дисоційованому аміаку в умовах звичайного азотування.

При бомбардуванні катода кінетична енергія іона витрачається на нагрівання поверхні і на відрив електронів і атомів заліза (зокрема, на катодне розпилення). Атоми заліза в плазмі тліючого розряду з’єднуються з азотом, що існує в різних станах збудження, утворюючи нітрид заліза, що адсорбується па поверхні катода у вигляді рівномірного шару. Концентрація азоту в нітридному шарі може коливатися від 5,9 до 17% по масі. Напилений шар нітридів під дією іонного бомбардування розкладається з одержанням нижчих нітридів заліза. Отриманий при розпаді нижчого нітриду азот дифундує в поверхневий шар, утворюючи зону внутрішнього азотування, а залізо, збіднене азотом, знову розпорошується в плазму. Процеси утворення нітридів у прикатодному просторі і їхнього осадження на катоді безупинно повторюються. Таким чином, нітридні фази, що конденсуються на поверхні катода, є поряд з газовою фазою самостійним джерелом азоту.

На відміну від пічного азотування утворення азотистого α-твердого розчину починається після утворення нітридів на поверхні, а утворення дифузійної зони і її фазовий склад визначаються протіканням двох конкуруючих процесів, відповідальних за формування азотованого шару: катодного розпилення і зворотного катодного розпилення.

При іонному бомбардуванні відбувається видалення оксидних плівок, напилюється плівка нітридів і відбуваються складні фізико-хімічні процеси в поверхневому шарі катода, що приводять до зміни тонкої структури металу. При пружному зіткненні іонів азоту (аміаку) з атомами кристалічної гратки у тонкому поверхневому шарі металу (глибиною до 0,05 мм) зростає щільність дефектів, наприклад, дислокацій.

Підвищення щільності дислокації збільшує провідну здатність дифузійної зони, приводячи до росту частки об’ємної дифузії. При звичайному (пічному) азотуванні дифузія азоту на початкових етапах розвивається по границях зерен. Карбідні фази, що розташовуються переважно по границях зерен, при дифузії азоту збільшуються в обсязі, перетворюються в карбонітридні фази і блокують граничну дифузію, що супроводжується зменшенням швидкості утворення дифузійного шару.

3.2.1.2 Технологія іонного азотування

Будова і властивості зміцненого шару іонно азотованих деталей залежать від наступних технологічних факторів:

- напруги між електродами;

- складу газового середовища;

- ступеня його розрідження;

- робочої температури;

- тривалості процесу;

- взаємного розташування деталей і електродів.­­

Температура азотування звичайно складає 470…580 °С, напруга 400…1100 В, розрідження 1…10 мм рт. ст. Робочий тиск лімітується властивостями тліючого розряду. При тиску нижче 1 мм рт. ст. енергія іонів недостатня для нагрівання оброблюваної деталі до робочої температури, при тиску вище 10 мм рт. ст. порушується стабільність розряду, тліючий розряд переходить у дуговий, що супроводжується появою на поверхні оплавлених мікрократерів. При тиску 2 мм рт. ст. при 520° С і 6 мм рт. ст. при 620° С досягається максимальна глибина дифузійного шару. На глибину шару впливає і збільшення напруги.

Вибір оптимального тиску залежить від складності конфігурації деталі, тому що зі зміною тиску змінюється довжина катодної частини розряду. Зі збільшенням тиску від 1 до 10 мм рт. ст. область катодної частини розряду зменшується від 10 до 1 мм. Це необхідно враховувати для забезпечення рівномірності дифузійного шару по периметру виробу.

Зміна щільності струму у великих межах (0,5…20 мА/см²) не чинить впливу на процес азотування.

Як азотовмісні гази застосовують аміак, азот і суміш азоту з воднем. В азотній плазмі присутність кисню неприпустима, тому що при цьому зменшується активність робочої атмосфери; водень мало впливає на ріст шару. Зміна концентрації водню в азотно-водневій суміші в межах від 1:9 до 9:1 не впливає на параметри дифузійного шару. Іонне азотування можна вести також у вільній від водню плазмі.

Процес іонного азотування реалізується в двох стадіях:

- очищення поверхні катодним розпиленням;

- власне насичення.

Електричні і вакуумні параметри розряду при катодному розпиленні гарантують активацію поверхні і руйнування оксидних плівок, а в другій стадії забезпечують нагрівання поверхні до температури дифузії, активність газової фази, підтримку градієнта концентрації азоту на поверхні і регулювання процесу по фазовому складі дифузійного шару.

Послідовність операцій при проведенні технологічного процесу приведена нижче.

Деталі, які піддаються азотуванню, встановлюють у камеру, під’єднуючи до негативного електрода, герметизують камеру і відпомповують повітря до тиску 1 мм рт. ст. Після евакуації повітря камеру продувають робочим газом протягом 5…15 хв при тиску ~10 мм рт. ст., потім відкачують камеру до тиску 0,2…0,4 мм рт. ст., подають на електроди напругу і збуджують тліючий розряд.

При напрузі 1100…1400 В починається стадія катодного розпилення. Після обробки поверхні протягом 50…60 хв по режиму катодного розпилення напругу знижують до робочої, а тиск підвищують до 1…10 мм рт. ст. При підвищенні тиску зменшується довжина катодного світіння, що рівномірно розподіляється по поверхні деталі, повторюючи її контури. Катодне розпилення можна проводити й у водневій атмосфері, застосування якої особливо доцільнe при азотуванні аустенітних сталей. Застосування водневої плазми в процесі азотування перед подачею аміаку супроводжується зневуглецюванням поверхні (особливо інтенсивно відбувається по границях зерен), що при незначному падінні твердості поліпшує пластичність дифузійного шару.

Робоча температура процесу (470…580 °С) досягається за 15…30 хв. Швидкість нагрівання визначається співвідношенням поверхні і маси деталей.

Після ізотермічної витримки деталі охолоджуються до кімнатної температури під вакуумом. При цьому швидкість охолодження у порівнянні з пічним нагріванням вища, тому що при іонній обробці нагріваються тільки вироби, а нагрівання стінок контейнера (робочої камери) за рахунок тепловипромінювання і конвекції в умовах розрідження незначний.

Процес насичення в порівнянні з нагрівом в печі значно прискорюється. Має значення і та обставина, що під впливом іонного бомбардування в поверхні металу підвищується кількість вакансій в кристалічній гратці.

При азотуванні в тліючому розряді для отримання товщини шару 0,5 мм на хромованій сталі 40Х потрібно біля 20 год, а при нагріві в печі – більш 40 год.