Ионно-плазменное упрочнение

С помощью методов вакуумной ионно-плазменной технологии можно выполнить:
1) модифицирование поверхностных слоев:
ионно-диффузионное насыщение; (ионное азотирование, науглероживание, борироване и др.);
ионное (плазменное) травление (очистка);
ионная имплантация (внедрение);
отжиг в тлеющем разряде;
ХТО в среде несамостоятельного разряда;
2) нанесение покрытий:
полимеризация в тлеющем разряде;
ионное осаждение (триодной распылительной системе, диодной распылительной системе, с использованием разряда в полом катоде);
электродуговое испарение;
ионно-кластерный метод;
катодное распыление (на постоянном токе, высокочастотное);
химическое осаждение в плазме тлеющего разряда.

Преимущества методов вакуумного ионно-плазменного упрочнения
высокая адгезия покрытия к подложке;
равномерность покрытия по толщине на большой площади;
варьирование состава покрытия в широком диапазоне, в пределах одного технологического цикла;
получение высокой чистоты поверхности покрытия;
экологическая чистота производственного цикла.

Ионное распыление
Ионные распылители разделяют на две группы:
плазмоионные, в которых мишень находится в газоразрядной плазме, создаваемой с помощью тлеющего, дугового и высокочастотного разряда. Распыление происходит в результате бомбардировки мишени ионами, извлекаемыми из плазмы;
автономные источники без фокусировки и с фокусировкой ионных пучков, бомбардирующих мишень.

Принципиальная система распыления
1- камера; 2- подложкодержатель; 3- детали (подложки); 4- мишень;
5- катод; 6- экран; 7- подвод рабочего газа; 8- источник питания; 9- откачка.

ХТО в среде тлеющего разряда
Диффузионные установки с тлеющим разрядом используются для проведения процессов азотирования, цементации, силицирования и других видов ХТО из газовой фазы. Глубина диффузионного слоя достигает нескольких миллиметров при равномерном насыщении всей по­верхности изделия. Процесс ведется при пониженном давлении, равном 10-1 – 10-3 Па, что обеспечивает существование тлеющего разряда.
Преимущества применения тлеющего разряда :
высокий коэффициент использования электроэнергии (расход только на ионизацию газа и нагрев детали);
уменьшение длительности процесса, за счет быстрого нагрева до температуры насыщения;
увеличения активности газовой среды и поверхностного слоя;
возможность получения покрытий из тугоплавких металлов, сплавов и химических соединений.
Недостатки процесса:
низкое давление в камере (10-1 Па), малая производительность, работа в периодическом режиме,
невозможность обработки длинномерных изделий (например, труб),
значительный расход электроэнергии
высокая стоимость установок.

Ионно-диффузионное насыщение
Преимущества перед процессом обычного газового азотирования:
сокращение длительности цикла в 3-5 раз;
уменьшение деформации деталей в 3-5 раз;
возможность проведения регулируемых процессов азотирования с получением слоев с заданным составом и структурой;
возможность уменьшения температуры процесса азотирования до 350-400 0С, что позволяет избежать разупрочнения материалы сердцевины изделий;
уменьшение хрупкости слоя и повышение его служебных характеристик;
простота защиты отдельных участков деталей от азотирования;
устранение опасности взрыва печи;
снижение удельных расходов электрической энергии в 1,5-2 раза и рабочего газа в 30-50 раз;
улучшения условий труда термистов.
Недостатки:
невозможность ускорения процесса путем увеличения плотности ионного потока, т.к. в результате перегрева деталей снижается поверхностная твердость;
интенсификация процесса ионного азотирования;
наложение магнитного поля с целью увеличения плотности тока и снижения давления газа;
за счет создания поверхности детали заданной дефектности (предварительное пластическое деформирование, термическая обработка).

Установка ионной цементации ЭВТ 25

Ионная цементация
При ионной цементации в граничном слое создается высокий градиент концентрации углерода. Скорость роста науглероженного слоя материала составляет 0,4…0,6 мм/ч, что в 3…5 раз превышает этот показатель для других способов цементации. Продолжительность ионной цементации для получения слоя толщиной 1…1,2 мм сокращается до 2…3 часов.
Вследствие низкого расхода газов, электроэнергии и непродолжительного времени обработки производственные затраты снижаются в 4…5 раз. К технологическим преимуществам ионной цементации следует отнести высокую равномерность науглероживания, отсутствие внешнего и внутреннего окисления, уменьшение коробления деталей.
Объем механической обработки сокращается на 30 %, число технологических операций уменьшается на 40 %, продолжительность цикла обработки сокращается на 50 %.

Распределение твердости по толщине цементированного слоя при двухстадийном режиме ионной цементации

Внешний вид установки для ионного азотирования

Процесс ионного азотирования

Ионно-плазменное азотирование (ИПА)
ИПА– разновидность химико-термической обработки деталей машин, инструмента, штамповой и литьевой оснастки, обеспечивающая диффузионное насыщение поверхностного слоя стали (чугуна) азотом или азотом и углеродом в азотно–водородной плазме при температуре 450 – 600 °С, а также титана или титановых сплавов при температуре 800 – 950 °С в азотной плазме.
Сущность ионно-плазменного азотирования заключается в том, что в разряженной до 200– 1000 Па азотсодержащей газовой среде между катодом, на котором располагаются обрабатываемые детали, и анодом, роль которого выполняют 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 с располагающейся под ней диффузионной зоной.

Микроструктура азотированного слоя инструментальной стали 4Х5МФС

Шестерни в камере установки

Установка УА-63-950/3400 с изменяемой геометрией рабочей камеры (высота 1,7 или 3,4 м)

Кривые изменения механических свойств по толщине слоя для различных способов ХТО

Применение метода ионно-плазменного азотирования
данным методом обрабатываются следующие изделия:
форсунки для легковых автомобилей, несущие пластины автоматического привода, матрицы, пуансоны, штампы, пресс-формы (Daimler Chrysler);
пружины для системы впрыска (Opel);
коленчатые валы (Audi);
распределительные (кулачковые) валы (Volkswagen);
коленчатые валы для компрессора (Atlas, США и Wabco, Германия);
шестерни для BMW (Handl, Германия);
автобусные шестерни (Voith);
упрочнения прессового инструмента в производстве алюминиевых изделий (Нугховенс, Скандекс, Джон Девис и др.).
Есть положительный опыт промышленного использования данного метода странами СНГ: Беларусь – МЗКТ, МАЗ, БелАЗ; Россия – АвтоВАЗ, КамАЗ, ММПП «Салют», Уфимское моторостроительное объединение (УМПО).
Методом ИПА обрабатываются:
шестерни (МЗКТ);
шестерни и другие детали (МАЗ);
шестерни большого (более 800 мм) диаметра (БелАЗ);
впускные и выпускные клапаны (АвтоВАЗ);
коленчатые валы (КамАЗ).

МЕТОДЫ ДИФФУЗИОННОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ

Металлизация изделий по типу 1 производится в декоративных целях, для повышения твёрдости и износостойкости, для защиты от коррозии. Из-за слабого сцепления покрытия с подложкой этот вид металлизации нецелесообразно применять для деталей, работающих в условиях больших нагрузок и температур.
Технология металлизации по типам 1 и 2а предусматривает наложение слоя вещества на поверхность холодного или нагретого до относительно невысоких температур изделия.
К этим видам металлизации относятся: электролитические (гальванотехника); химические; газопламенные процессы получения покрытий (напыление); нанесение покрытий плакированием (механо-термический); диффузионный, погружением в расплавленные металлы.
Технология металлизация по типу 2б предусматривает диффузионное насыщение металлическими элементами поверхности деталей, нагретых до высоких температур, в результате которого в зоне диффузии элемента образуется сплав (Диффузионная металлизация). В этом случае геометрия и размеры металлизируемой детали практически не меняются.