Сущность и краткие сведения по теории азотирования металлов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт ИФВТ__ _______________ ____

Направление подготовки (специальность) _Машиностроение________ ___

Кафедра ФВТМ _________ _____ ____________________

ОТЧЕТ

По лабораторной работе

ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО _

АЗОТИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЕЙ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ

(Название лабораторной работы)

по дисциплине Металлообрабатывающее оборудование______________________ __

Выполнил студент гр. 4А10_____ ____________ ____ Ристо Н А____

(Номер группы) (Подпись) (Ф.И.О.)

_____ _____________ 20__г.

(Дата сдачи отчета)

Отчет принят:

________ Доцент_____________ ____________ Гончаренко И.М.

(Ученая степень, ученое звание, должность) (Подпись) (ФИО)

_____ _____________ 20__г.

(дата проверки отчета)

Томск 20 14 г.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО АЗОТИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЕЙ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ

Цель работы:

1) Изучить принцип действия ионно-плазменного азотирования в тлеющем разряде (ИПА);

2) Изучить состав, назначение и основные параметры оборудования ИПА.

Задачи:

1) Изучить назначение и области применения ионно-плазменного азотирования в тлеющем разряде;

2) Изучить установку для проведения процесса ионно-плазменного азотирования;

3) Изучить стадии технологии азотирования в плазме тлеющего разряда.

Сущность и краткие сведения по теории азотирования металлов

Азотирование – технологический процесс химико-термической обработки, приводящий к диффузионному насыщению азотом поверхностного слоя нагретой детали. Азотирование широко применяется в различных областях техники как самостоятельный метод модификации поверхности для повышения надежности и долговечности деталей машин и инструмента, выполненных из любых сталей перлитного, ферритного и аустенитного классов.

На любом авто- и машиностроительном предприятии существует проблема упрочнения поверхности деталей машин, штампового или режущего инструмента. Борьба с преждевременным износом деталей и инструмента приобретает с каждым днем все большее значение, т.к. развитие большинства технологических процессов связанно с увеличением нагрузок, температур, агрессивных сред, в которых работают эти изделия. Объектом изучения в рамках настоящей лабораторной работы является одна из разновидностей химико-термической обработки (ХТО) сталей – азотирование в газовом разряде низкого давления. Азотирование заключается в насыщении поверхностного слоя стали и чугуна азотом при температуре 400-600 °C, титана и титановых сплавов при температуре 800-950 °С в азотно-водородной плазме, с целью повышения износостойкости, антизадирной стойкости, коррозийной стойкости, предела усталости и жаропрочности обработанных изделий. Азотированные детали имеют в 1, 4–4 раза большую износостойкость по сравнению с закаленными, цементованными и нитроцементованными сталями. Сущность ионной ХТО заключается в том, что в разреженной газовой среде, куда помещены обрабатываемые стальные детали под отрицательным потенциалом, возбуждается газовый разряд и ионы, поступающие на поверхность с определенной энергией и плотностью нагревают эти детали и активно участвуют в химических процессах. Электрический разряд в газах – явление сложное и многофакторное. Известно, что в обычных условиях концентрация носителей заряда в газе (ионов и электронов) невелика, поэтому газ и является хорошим диэлектриком. Под действием внешнего ионизатора возникает газовый разряд, существование которого зависит от действия ионизатора. Причиной увеличения тока в этом разряде является ионизация молекул газа электронами под действием сил электрического поля. Ионизацией называют отрыв электронов от атомов и превращение этих атомов в ионы. При обычной термической обработке термическая ионизация маловероятна из-за сравнительно низких температур нагрева газа. В технике ионизация возможна под действием электрической искры, вольтовой дуги, тлеющего разряда и т.д. Механизм ионизации в разряде заключается в возникновении лавинообразно нарастающего потока электронов, что приводит к значительному увеличению тока между электродами (анодом и катодом), к которым приложена разность потенциалов. При этом вследствие ионизации газа непрерывно образуются новые носители заряда. В настоящее время разработан и доведён до технологического совершенства метод азотирования в низкотемпературной плазме тлеющего разряда – ионно-плазменное азотирование (ИПА). Этот процесс отвечает большинству современных требований и оценивается как высокопроизводительный, высокоэффективный и экологически чистый способ ХТО. Интенсификация процесса при азотировании в плазме тлеющего разряда по сравнению с термическим нагревом в азотосодержащей среде объясняется воздействием разряда на все элементарные процессы, влияющие на образование упрочняющего слоя: активацию газовой фазы, адсорбцию и диффузию. Энергия иона, полученная в плазме тлеющего разряда, в несколько раз превосходит энергию атома азота в диссоциированном аммиаке в условиях обычного газового азотирования. Строение азотированного слоя и его толщина зависят от параметров разряда: давления, удельной мощности и состава азотирующей атмосферы.

Принцип действия ИПА заключается в том, что в разряженной (200-1000 Па) азотсодержащей газовой среде между катодом, на котором располагаются обрабатываемые детали, и анодом, в качестве которого служат стенки вакуумной камеры, возбуждается аномальный тлеющий разряд, образующий активную среду (ионы, атомы, возбужденные молекулы). Это обеспечивает формирование на поверхности изделия азотированного слоя, состоящего из внешней – нитридной зоны и располагающейся под ней диффузионной зоны.

Глубина азотированного слоя связана параболической зависимостью со временем азотирования. Однако, ввиду низких температур процесса (500-600 °C) и в связи с тем, что формирование диффузионного слоя подчиняется общей для всех переходных металлов закономерности, обусловленной максимальной диффузионной подвижностью азота в твердом растворе и замедлением диффузии азота в нитридных фазах, наращивание слоя происходит медленно. Так, при обычном газовом азотировании в муфелях или контейнерах, через которые пропускается диссоциированный аммиак, диффузионную зону толщиной около 0, 5 мм на поверхности специально легированной стали 38Х2МЮА получают при 500 – 550 °C за 60 часов. Ускорение процесса азотирования путем повышения температуры приводит к снижению твердость на поверхности, что не эффективно.