Азотирование в пульсирующей плазме
тел.: +7 915 260-56-26     
Технологии по обработке материалов
в плазме низкого давления.
ГлавнаяELTRO GmbHИонно-плазменные установкиГалереяКонтакты
Преимущества азотирования в пульсирующей плазме
Особенности плазменной технологии ELTROPULS
Азотирование деталей машин и инструмента
Галерея деталей машин и инструмента после плазменного азотирования по ELTROPULS-технологии

Азотирование в пульсирующей плазме

Плазмой называют электропроводящий газ. Для того чтобы газ стал электрически проводимым, должны иметься свободные носители заряда для передачи тока. При давлениях свыше 10 000 Па это условие достигается только при температурах более 8 000ºК. Если давление уменьшить примерно до 100 Па, плазму можно получить и при гораздо более низких температурах. Этот эффект и используется при плазменной термообработке. Плазма при низком давлении допускает высокотемпературный химический процесс для поверхности при низких температурах детали и для многих областей техники открывает уникальные возможности.

Принцип действия ELTROPULS — технологии

При ELTROPULS-технологии обработка деталей и инструментов производится в вакуумной камере. Согласно запатентованной ELTROPULS-технологии, между деталью (катодом) и стенкой камеры (анодом) при небольшом давлении (до 100Па) создаётся пульсирующее постоянное напряжение в несколько сотен вольт. В результате ионизации рабочего газа в камере обработки зажигатся тлеющий разряд. Положительно заряженные ионы ускоряются и сталкиваются с деталью, имея высокую кинетическую энергию. При этом в зоне поверхности детали происходит взаимодействие присутствующих в газе элементов с этой деталью, обеспечивающее формирование азотированного слоя, состоящего из внешней  соединительной (нитридной) зоны и располагающейся под ней диффузионной зоны. Технологическими факторами, влияющими на эффективность плазменного азотирования, являются температура процесса, продолжительность насыщения, давление, состав и объём рабочей газовой смеси.

Применение чистых газов и компьютерное управление позволяют на каждом этапе процесса задавать и выдерживать оптимальный состав газовой среды, например, на стадии нагрева использовать только водород (глубокая очистка и активирование поверхности), на стадии азотирования — смесь азота, водорода и аргона, на стадии охлаждения — аргон. Снимаются ограничения по обрабатываемым материалам.

При необходимости для низкогилированных сталей, в состав газа вводится углеродсодержащий газ — метан (нитрокарбюрирование). После завершения процесса азотирования или нитрокарбюрирования можно провести процесс оксидирования без прерывания общего процесса как один дополнительный шаг единой программы.

Применение системы импульсного зажигания позволяет:

  • снизить подаваемую мощность, исключить локальную концентрацию энергии и, соответственно, исключить перегрев и подгорание острых кромок и углов деталей;
  • придать плазме максимальную «подвижность и проникающую способность», что в свою очередь позволяет обрабатывать достаточно узкие пазы, внутренние диаметры малых размеров. Можно эффективно обрабатывать отверстия и углубления с соотношением глубины и диаметра до 10/1), а также производить плотную, с минимальными зазорами укладку деталей в садке и тем самым повышать производительность обработки.

Варьируя: состав газовой смеси, давление, температуру, время выдержки и другие параметры можно получать слои заданной структуры, фазового состава и геометрии. Оптимизация свойств упрочняемой поверхности обеспечивается за счет необходимого сочетания соединительного (нитридного) и диффузионного слоёв, которые врастают в основной материал. В зависимости от химического состава стали и условий азотирования соединительный слой является либо γ’ — фазой (Fe4N) либо ε — фазой (Fe2-3N).

Причём ε- слой является коррозионностойким, а γ’ — слой — износостойким и относительно пластичным. При этом, в зависимости от целей обработки, результате плазменного азотирования возможно получение как диффузионного слоя с развитой нитридной зоной, обеспечивающей высокую сопротивляемость коррозии и прирабатываемость трущихся поверхностей, так и диффузионного слоя без нитридной зоны, работающих при знакопеременных нагрузках в условиях изнашивания при высоких давлениях. В результате азотирования в пульсирующей плазме низкого давления могут быть существенно повышены следующие характеристики изделий: — износостойкость; — усталостная выносливость; — антизадирные свойства; — теплостойкость; — коррозионная стойкость.

Диаграмма состояния системы железо-азот

eltropuls

При нитрокарбюрировании (насыщение азота и углерода) в плазму добавляют метан, двуокись углерода или другой источник углерода. Поскольку углерод способствует образованию ε-фазы, добавлением углерода можно оптимизировать структуру соединительных прослоек. Если при традиционном газовом азотировании с применением аммиака обработка обычно производится постоянной газовой смесью, то в плазме имеется возможность в течение секунд менять атмосферу. Для получения желательной структуры рабочих слоёв эта возможность даёт решающие преимущества. В поверхностном слое можно получить максимальное содержание азота, а содержание углерода можно менять по толщине слоя.

Структура поверхностного слоя зуба шестерни из мартенситно-стареющей стали, азотированной в пульсирующей плазме.

Соединительный (нитридный) слой — светлый
Диффузионный — тёмный

Из диаграмм системы Fe-N-C известно, что ε — фаза при медленном охлаждении распадается на γ΄+Fe. Поэтому долгое время нельзя было получить чистые ε-слои с помощью плазменного метода. Благодаря интеграции теплообменника «газ—вода» в реципиенте при ЭЛЬТРОПУЛЬС-процессе можно очень быстро проводить охлаждение и противодействовать распаду ε-фазы. В то же время оказалось, однако, что и во время охлаждения должно оставаться достаточное количество азота, чтобы избежать деазотирования краев. Таким образом, в плазме можно в рабочих слоях создавать и надёжно воспроизводить определенные профили C и N.

На многих автомобильных фирмах коленчатые валы уже с начала 90-х годов обрабатываются по технологии ЭЛЬТРОПУЛЬС. Получают монофазные ε-слои. Отклонения в толщине соединительных слоев при одной садке из 450 валов составляют менее 2 μкм. В этом случае основным материалом является чугун. Поскольку в нем содержится достаточно углерода, можно отказаться от углерода в атмосфере обработки.

Последующее после азотирования оксидирование много лет практикуется в промышленных масштабах и вполне может производиться в плазме без ущерба для окружающей среды. Такая обработка применяется для обеспечения более полной защиты от коррозии или придания деталям благородного цвета от чёрного до антрацитового. Для оптимальной защиты от коррозии целесообразно перед оксидированием создать e-слой. Оксидирование может иметь место в едином цикле на стадии охлаждения садки. Слои Fe3O4 имеют толщину около 2-3 μкм. Можно увеличивать срок службы при испытании на коррозию согласно нормам DIN 50021 без появления какой-либо ржавчины вплоть до 160 часов и более. Для таких результатов решающее значение имеет исходное состояние до обработки. Оксидирование в плазме рекомендуется в том случае, если обработка может производиться в едином цикле. Во всех случаях необходимо учитывать, что структура как основного, так и оксидного слоёв в местах контакта деталей с загрузочным приспособлением нарушается.


тел.: +7 915 260-56-26     
Представительство в РФ: 119334, Москва, ул. Косыгина, д.5, оф. 296