Ионно-плазменное азотирование ИПА

Ионно-плазменное азотирование (ИПА)- это 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. 

Суть ионно-плазменного азотирования заключается в том, что в разряженной до 200-000 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.

Варьируя состав насыщающего газа, давление, температуру, время выдержки можно получать слои заданной структуры с требуемым фазовым составом, обеспечивая строго регламентируемые свойства сталей, чугунов, титана или его сплавов. Оптимизация свойств упрочняемой поверхности обеспечивается за счет необходимого сочетания нитридного и диффузионного слоев, которые врастают в основной материал. В зависимости от химического состава нитридный слой является либо y-фазой (Fe4N) либо e-фазой (Fe2-3N). e-нитридный слой является коррозийно-стойким, а y-слой - износостойким, но относительно пластичным.

При этом с помощью ионно-плазменного азотирования возможно получение:

• диффузионного слоя с развитой нитридной зоной, обеспечивающей высокую сопротивляемость коррозии и прирабатываемость трущихся поверхностей - для деталей, работающих на износ
• диффузионного слоя без нитридной зоны – для режущего, штампового инструмента или деталей, работающих при высоких давлениях со знакопеременными нагрузками.

Ионно-плазменным азотированием можно улучшить следующие характеристики изделий:

• износостойкость
• усталостную выносливость
• антизадирные свойства
• теплостойкость
• коррозионную стойкость 

Основным достоинством метода является стабильное качество обработки с минимальным разбросом свойств от детали к детали, от садки к садке.  В сравнении с широко используемыми способами упрочняющей химико-термической обработки стальных деталей, такими, как цементация, нитроцементация, цианирование, газовое азотирование метод ионно-плазменного азотирования имеет следующие основные преимущества:

• более высокая поверхностная твердость азотированных деталей
• отсутствие деформации деталей после обработки
•  повышение предела выносливости с увеличением износостойкости обработанных деталей
• более низкая температура процесса, благодаря чему у обрабатываемых деталей отсутствуют структурные изменения
• возможность обработки глухих и сквозных отверстий
• сохранение твердости азотированного слоя после нагрева до 600 - 650 °С
• возможность получения слоев заданного состава
• возможность обработки изделий неограниченных размеров любой формы
• отсутствие загрязнения окружающей среды
• повышение культуры производства
• снижение себестоимости обработки в несколько раз 

Преимущества ионно-плазменного азотирования проявляются в существенном сокращении основных издержек производства. Так например, по сравнению с газовым азотированием ИПА обеспечивает:

• сокращение продолжительности обработки от 2 до 5 раз, как за счет снижения времени нагрева - охлаждения садки, так и за счет уменьшения времени изотермической выдержки
• сокращение расхода рабочих газов (20 - 100 раз)
• сокращение расхода электроэнергии (1,5 - 3 раза)
• снижение деформации настолько, чтобы исключить финишную шлифовку
• улучшение санитарно-гигиенических условий производства
• полное соответствие технологии всем современным требованиям по охране окружающей среды

По сравнению с закалкой обработка методом ионно-плазменного азотирования позволяет:

• исключить деформации
• увеличить ресурс работы азотированной поверхности (2-5 раз)

Применение ионно-плазменного азотирования вместо цементации, нитроцементации, газового или жидкостного азотирования, объемной или ТВЧ закалки позволяет:

• сэкономить основное оборудование и производственные площади
•  снизить станочные расходы, транспортные затраты
•  уменьшить расход электроэнергии, активных газовых сред.

Основными потребителями оборудования для ионно-плазменного азотирования являются автомобильные, тракторные, авиационные, судостроительные, судоремонтные, машино- / станкостроительные заводы, заводы по производству сельскохозяйственной техники, насосного и компрессорного оборудования, шестерен, подшипников, алюминиевых профилей, энергетических установок ...

Метод ионно-плазменного азотирования является одним из наиболее динамично развивающихся направлений химико-термической обработки в индустриально развитых странах. Широкое применение метод ИПА нашел в автомобилестроении. Он с успехом применяется ведущими авто- / моторостроительными предприятиями мира: Daimler Chrysler (Mercedes), Audi, Volkswagen, Voith, Volvo.
Например, 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) 

Как показывает мировой опыт применения технологии ионно-плазменного азотирования, экономический эффект от ее внедрения обеспечивается, главным образом, за счет снижения расхода электроэнергии, рабочих газов, сокращения трудоемкости изготовления изделий из-за существенного уменьшения объема шлифовальных работ, повышения качества продукции. 

В отношении режущего и штампового инструмента, экономический эффект обеспечивается за счет снижения его расхода в силу повышения в 4 и более раз его износостойкости с одновременным увеличением режимов резания. 

Для некоторых изделий ионное-плазменное азотирование является единственным способом получения готового изделия с минимальным процентом брака. 

Кроме того, процесс ИПА обеспечивает полную экологическую безопасность. 

Ионно-плазменное азотирование может использоваться на производстве взамен жидкостного или газового азотирования, цементации, нитроцементации, ТВЧ-закалки. 

PromNavigator.ru