Peralatan dan teknologi nitridasi ion. Nitridasi dan pelapisan ionik

A.V. ARZAMASOV
MSTU mereka. N.E.Bauman
ISSN 0026-0819. “Ilmu Logam dan Perlakuan Panas Logam”, No. 1. 1991

Pengembangan proses produksi baru ion nitridasi untuk meningkatkan ketahanan aus pada permukaan bagian yang terbuat dari baja austenitik merupakan tugas yang mendesak.

Baja austenitik sulit untuk nitrat, karena lapisan oksida permukaannya mencegah saturasi dengan nitrogen dan koefisien difusi nitrogen pada austenit lebih kecil dibandingkan pada ferit. Dalam hal ini, untuk menghilangkan lapisan oksida selama nitridasi konvensional, diperlukan perlakuan awal pada permukaan baja atau penggunaan depassivator.

Nitridasi konvensional pada sebagian besar baja austenitik dilakukan dalam amonia pada 560-600 °C selama 48-60 jam.Namun, mode ini tidak memungkinkan diperolehnya lapisan difusi dengan ketebalan lebih dari 0,12-0,15 mm, dan pada baja 45Х14Н14В2М (EI69 ) tidak mungkin mendapatkan ketebalan lapisan difusi lebih dari 0,12 mm bahkan dengan nitridasi selama 100 jam.Peningkatan suhu nitridasi dalam tungku di atas 700 ° C menyebabkan disosiasi amonia yang lebih lengkap dan, sebagai hasilnya, terhadap penurunan aktivitas proses.

Biasanya, setelah nitridasi konvensional, ketahanan korosi pada lapisan permukaan baja austenitik menurun.

Nitridasi ionik baja austenitik membantu meningkatkan koefisien difusi nitrogen dan tidak memerlukan penggunaan depassivator. Pada saat yang sama, durasi proses berkurang dan kualitas lapisan nitridasi yang dihasilkan meningkat.

Namun, ion nitridasi baja austenitik menurut rezim yang dikembangkan sebelumnya tidak memungkinkan untuk memperoleh lapisan difusi dengan ketebalan besar bahkan dengan paparan yang lama.

Berdasarkan perhitungan termodinamika dan studi eksperimental, mode nitridasi ion bagian yang terbuat dari baja austenitik dikembangkan, yang memungkinkan untuk memperoleh lapisan difusi tahan korosi non-magnetik berkualitas tinggi yang tahan aus dalam waktu yang relatif singkat. Film oksida dihilangkan dari permukaan bagian selama perlakuan kimia-termal.

Baja austenitik standar 45Х14Н14В2М (ЭИ69), 12Х18Н10Т (ЭЯ1Т) dipelajari; 25Х18Н8В2 (ЭИ946) dan eksperimental nitrogen tinggi yang dikembangkan oleh Institut Metalurgi dan Teknologi Logam dari Akademi Ilmu Pengetahuan Bulgaria - tipe Х14АГ20Н8Ф2М (0,46% N), Х18АГ11Н7Ф (0,70% N), Х18АГ12Ф (0,88% N), Х18АГ20Н7Ф ( 1. 09% N), X18AG20F (1,02% N), X18AG20F (2,00% N).

Struktur lapisan difusi pada baja dipelajari menggunakan metalografi, difraksi sinar-X dan analisis spektral sinar-X mikro. Telah ditetapkan bahwa kriteria struktural untuk ketahanan aus yang tinggi dari baja austenitik nitridasi adalah adanya nitrida tipe CrN di lapisan difusi. Analisis kurva konsentrasi unsur kimia yang diperoleh dengan menggunakan mikroanalisis ISM-35 CF, Cameca MS-46, Camebax 23-APR-85 menunjukkan bahwa, dibandingkan dengan unsur berat lainnya, kromium didistribusikan paling tiba-tiba ke seluruh ketebalan lapisan. Pada inti sampel, distribusi kromium seragam.

Pengulangan percobaan yang berulang-ulang untuk mempelajari distribusi nitrogen dan kromium di seluruh ketebalan lapisan difusi mengungkapkan perubahan mendadak yang sinkron dalam konsentrasinya. Selain itu, seperti yang ditunjukkan oleh uji keausan lapis demi lapis, zona mikro dari lapisan difusi dengan kandungan nitrogen dan kromium maksimum memiliki ketahanan aus terbesar (Tabel 1).

Tabel 1.

H, mikron	Kandungan unsur kimia, %				ε
H, mikron	C	N	Kr	Tidak	ε
20	0,70	10,0	19,0	11,0	9,5
40	0,85	12,0	25,0	8,0	10,7
45	0,88	15,0	25,0	8,0	11,2
50	0,92	10,0	25,0	8,0	11,0
70	0,90	0	14,0	12,0	1,7
* — istirahat Fe Catatan: 1. Uji keausan dilakukan pada mesin Skoda-Savin. 2. Ketahanan aus relatif ditentukan oleh perbandingan volume lubang aus pada standar (sampel baja dengan kekerasan 51 HRC) dan sampel uji = V fl / V arr (ketahanan aus relatif inti = 0,08 ).

Studi lebih lanjut tentang struktur baja austenitik nitridasi menggunakan analisis spektral sinar-X mikro memungkinkan untuk menetapkan bahwa di zona mikro lapisan difusi dengan kandungan nitrogen dan kromium yang tinggi, terjadi penurunan konsentrasi karbon, nikel dan besi ( Tabel 1).

Analisis komparatif struktur mikro lapisan dan inti baja nitrida 45Х14Н14В2М, diambil dari karakteristik radiasi kromium K α, menunjukkan bahwa lapisan difusi mengandung lebih banyak kelompok "titik putih" - senyawa kromium - daripada inti.

Pengukuran permeabilitas magnetik lapis demi lapis menggunakan magnetoskop F 1.067 dan penentuan kandungan fase ferit pada feritometer MF-10I menunjukkan bahwa metode nitridasi ion yang dikembangkan pada bagian yang terbuat dari baja austenitik berkontribusi pada produksi difusi non-magnetik. lapisan (Tabel 2).

Meja 2.

Ditemukan juga bahwa baja nitridasi 45Х14Н14В2М dan tipe Х14AG20Н8Ф2М memiliki ketahanan korosi yang memuaskan.

Sejumlah roda gigi yang terbuat dari baja 45Х14Н14В2М diproses menggunakan proses teknologi baru. Detailnya cocok persyaratan teknis. Analisis mikro dan makrostruktur mengkonfirmasi adanya lapisan difusi seragam berkualitas tinggi dengan ketebalan 270 mikron pada roda gigi.

Setelah uji industri yang panjang, tidak ditemukan cacat yang terlihat pada roda gigi. Kontrol lebih lanjut menunjukkan kepatuhan dimensi geometris roda gigi dengan persyaratan teknologi, serta tidak adanya keausan pada permukaan kerja bagian-bagian tersebut, yang dikonfirmasi oleh analisis mikrostruktur.

Kesimpulan. Mode nitridasi ion yang dikembangkan pada bagian yang terbuat dari baja austenitik memungkinkan pengurangan durasi proses lebih dari 5 kali lipat, sedangkan ketebalan lapisan meningkat 3 kali lipat, dan ketahanan aus lapisan meningkat 2 kali lipat. dibandingkan dengan parameter serupa setelah nitridasi konvensional. Selain itu, intensitas tenaga kerja berkurang, standar produksi ditingkatkan dan situasi lingkungan membaik.

Bibliografi:
1. Metode progresif perlakuan kimia-termal / Ed. G.N.Dubinina, Ya.D.Kogan. M.: Teknik Mesin, 1979. 184 hal.
2. Nitridasi dan karbonitriding / R. Chatterjee-Fisher, F.W. Eizell, R. Hoffman dkk.: Trans. dengan dia. M.: Metalurgi, 1990. 280 hal.
3. Sebagai. 1272740 Uni Soviet, MKI S23S8/36.
4. Bannykh O. A., Blinov V. M. Baja yang mengandung vanadium non-magnetik pengerasan dispersi. M.: Nauka, 1980.192 hal.
5. Rashev T.V. Produksi baja paduan. M.: Metalurgi, 1981. 248 hal.

Daya tahan suku cadang mesin turbin gas sangat ditentukan oleh kondisi permukaannya, dan terutama oleh ketahanan ausnya. Salah satu metode yang banyak digunakan untuk meningkatkan ketahanan aus pada permukaan mesin pesawat dan bagian-bagian pesawat adalah nitridasi. Nitridasi diterapkan pada bagian yang terutama mengandalkan gesekan selama pengoperasian.

Nitridasi adalah proses difusi saturasi lapisan permukaan produk baja dengan nitrogen. Nitridasi dilakukan untuk meningkatkan kekerasan dan ketahanan aus lapisan permukaan produk baja, meningkatkan ketahanan terhadap kelelahan dan korosi elektrokimia pada bagian.

Selama nitridasi, nitrogen membentuk sejumlah fase dengan besi: ferit nitrogen - larutan padat nitrogen dalam -besi, austenit nitrogen - larutan padat nitrogen dalam -besi, `-fase perantara Fe4N, -fase Fe2N, dll. Namun, besi nitrida memiliki kekuatan, kekerasan, kerapuhan yang tinggi dibandingkan dengan kromium nitrida CrN, Cr2N, molibdenum MoN, aluminium AlN dan beberapa elemen paduan lainnya. Oleh karena itu, baja paduan yang mengandung unsur-unsur ini dikenakan nitridasi: 45Х14Н14В2М, 1Х12Н2ВМФ, 15Х16К5Н2МВФАБ-Ш dan baja lain yang digunakan untuk pembuatan busing, batang, dudukan katup, berbagai badan, dll.

Metode nitridasi dalam amonia terdisosiasi menggunakan pemanasan tungku, yang banyak digunakan dalam industri, memiliki kelemahan serius seperti durasi proses yang lama, kesulitan dalam menjenuhkan baja paduan tinggi yang mudah dipasivasi dengan nitrogen, dan pembentukan fase getas di permukaan. bagian-bagiannya, dan deformasi tidak stabilnya yang signifikan. Penggilingan, yang merupakan operasi utama dalam pemrosesan permukaan nitridasi, adalah proses yang panjang dan padat karya.

Proses nitridasi ion dilakukan dalam ruang kerja vakum, yang bagian-bagiannya adalah katoda, dan badan ruang yang dibumikan adalah anoda. Pada tekanan rendah di atmosfer yang mengandung nitrogen, penerapan potensial listrik antara bagian-bagian dan badan ruang menyebabkan ionisasi gas. Sebagai hasil dari pemboman dengan ion, bagian-bagian tersebut dipanaskan hingga suhu yang diperlukan, dan permukaannya, yang jenuh dengan nitrogen, diperkuat.

Biasanya, nitridasi dilakukan pada suhu di bawah 600C, ketika terjadi difusi nitrogen yang dominan. Laju perpindahan difusi nitrogen bergantung pada suhu, gradien konsentrasi, komposisi dan struktur bahan dasar serta faktor lainnya. Difusi atom nitrogen terjadi melalui kekosongan, dislokasi, dan cacat lain pada struktur kristal. Akibat difusi, konsentrasi nitrogen di lapisan permukaan berubah secara mendalam.

Percepatan terbesar dari proses nitridasi dicapai dalam plasma lucutan pijar, ketika lucutan pijar tereksitasi dalam atmosfer yang dijernihkan antara bagian (katoda) dan anoda. Ion gas membombardir permukaan katoda dan memanaskannya hingga suhu 470-580C. Ion nitrogen bermuatan positif, di bawah pengaruh energi medan elektrostatis, bergerak dengan kecepatan tertentu tegak lurus permukaan bagian, dan energi ion nitrogen yang diperoleh dalam plasma lucutan pijar pada beda potensial 800 V adalah kira-kira 3000 kali lebih tinggi dari energi atom nitrogen selama nitridasi tungku dalam amonia terdisosiasi. Ion nitrogen memanaskan permukaan bagian dan juga mengeluarkan atom besi dari permukaan (sputtering katoda). Atom besi bergabung dengan nitrogen dalam plasma pelepasan cahaya untuk membentuk besi nitrida, yang diendapkan pada permukaan bagian dalam lapisan tipis. Selanjutnya, pemboman lapisan FeN dengan ion nitrogen disertai dengan pembentukan nitrida rendah FeNFe3NFe4N dan larutan padat nitrogen dalam -besi Fe(N). Nitrogen yang terbentuk selama penguraian nitrida rendah berdifusi jauh ke dalam bahan bagian tersebut, dan besi kembali disemprotkan ke dalam plasma.

Berbeda dengan pemanasan tungku, selama nitridasi ion (dalam plasma pelepasan pijar), bagian-bagian tersebut dipanaskan menggunakan energi plasma, yang dikonsumsi sebanding dengan massa muatan. Dalam hal ini, kompor dengan pasangan bata besar tidak diperlukan.

Nitridasi baja tahan karat kromium tinggi yang mudah dipasifkan memerlukan penambahan hidrogen ke lingkungan gas. Untuk mendapatkan lapisan difusi berkualitas tinggi tanpa fase pada permukaan selama nitridasi ion baja dari berbagai kelas, disarankan untuk melakukan tahap sputtering katoda dalam hidrogen pada tekanan sekitar 13 Pa dan tegangan sekitar 1000 V , dan tahap saturasi dalam campuran (3-5%) hidrogen dan (95 -97%) nitrogen pada tekanan 133-1330 Pa. Lingkungan gas dengan komposisi ini memastikan ketebalan lapisan difusi yang seragam pada bagian-bagian yang ditempatkan di dalam sangkar di seluruh volume ruang kerja. Peningkatan tekanan campuran pada tahap kedua (nitridasi) mendorong peningkatan kedalaman lapisan difusi.

Telah ditetapkan bahwa durasi proses nitridasi ion kira-kira setengah dari durasi nitridasi tungku yang menggunakan teknologi serial saat ini. Ketergantungan kedalaman lapisan difusi pada durasi saturasi selama nitridasi ion, serta selama nitridasi tungku, bersifat parabola. Pengaruh suhu ion nitridasi pada kedalaman lapisan memiliki ketergantungan yang mendekati eksponensial.

Selama nitridasi konvensional dalam amonia terdisosiasi, kekerasan maksimum untuk sebagian besar baja terletak pada jarak tertentu dari permukaan, dan lapisan permukaan, yang merupakan fase rapuh, biasanya digerus. Sebagai hasil dari ion nitridasi, permukaan memiliki kekerasan maksimum. Diameter bagian nitridasi dari tipe "poros" biasanya berubah sebesar 30-40 mikron, yang sering kali berada dalam kisaran toleransi. Oleh karena itu, dengan mempertimbangkan kualitas permukaan yang tinggi setelah ion nitridasi dan menjaga kebersihan, dimungkinkan untuk tidak memprosesnya, atau membatasinya pada pemolesan atau pemolesan ringan.

Dengan menggunakan ion nitridasi di pabrik dasar, efisiensi tinggi dapat dicapai dalam meningkatkan daya tahan alat pemotong dan cetakan panas dalam pembuatan suku cadang yang terbuat dari nikel, titanium, dan baja tahan karat tahan panas yang sulit dipotong.

Praktek memperkenalkan dan menggunakan proses nitridasi ion pada bagian-bagian dalam industri telah menunjukkan kelayakan untuk memperkenalkan proses ini secara luas ke dalam produksi massal. Proses nitridasi ion memungkinkan:

Meningkatkan masa pakai komponen nitridasi;

Memberikan pengerasan pada bagian-bagian yang sulit atau tidak mungkin menggunakan metode pengerasan lainnya;

Mengurangi intensitas tenaga kerja manufaktur dengan menghilangkan pengoperasian pelapisan listrik;

Dalam beberapa kasus, hindari penggilingan setelah nitridasi;

Mengurangi durasi siklus nitridasi lebih dari 2 kali lipat;

Meningkatkan kesehatan kerja.

Ciri khusus dari produksi mesin pesawat adalah beragam jenis baja, termasuk yang diperkuat dengan nitridasi. Perkembangan proses teknologi ion nitridasi didahului dengan analisis mendalam terhadap pencapaian penelitian luar dan dalam negeri di bidang ini.

Penguatan dengan ion nitridasi dipelajari pada baja struktural kelas perlitik, austenitik, martensit, transisi, baja maraging dari bahan berikut: 38Kh2MYuA, 30Kh3VA, 38KhA, 40KhA, 13Kh11N2V2MF (EI961), 45Kh14N14V2M (EI69), 25Kh18N 8В 2, 40Х10С2М, 14Х10С2М , 14Х17Н2, 15Х15К5Н2МВФАБ -Sh (EP866), 30Kh2NVA, 16Kh3NVFAB-Sh, (DI39, VKS-5), N18K9M5T (MS200), dll. Tujuan dari penelitian ini adalah pengembangan proses teknologi untuk keperluan konversi nitridasi tungku bagian menjadi ion, proses teknologi baru untuk nitridasi ion bagian alih-alih karburisasi , serta yang sebelumnya tidak diperkuat dengan perlakuan kimia-termal.

Untuk bagian yang mengalami keausan pada tekanan kontak rendah dalam kondisi korosi, perlu untuk mendapatkan lapisan difusi dengan zona nitrida yang dikembangkan, di mana permukaan gesekan dan ketahanan korosi bergantung.

Untuk suku cadang yang beroperasi di bawah beban siklik dalam kondisi keausan dengan peningkatan beban kontak, seseorang harus berusaha untuk mendapatkan lapisan dengan zona nitridasi internal yang besar.

Memvariasikan struktur lapisan memungkinkan seseorang memperoleh berbagai kombinasi lapisan dan inti. Hal ini dibuktikan dengan banyaknya contoh nitridasi untuk berbagai kelompok bagian.

Saat mengembangkan proses teknologi, studi sistematis komprehensif dilakukan mengenai pengaruh faktor teknologi utama terhadap kualitas dan karakteristik operasional lapisan difusi selama nitridasi ion untuk mengoptimalkan parameternya.

Kandungan hidrogen yang tinggi dalam campuran, termasuk komposisi dengan disosiasi sempurna amonia, mendorong pembentukan fase nitrida pada permukaan nitridasi dalam bentuk lapisan tunggal hingga fase - (Fe2N). Selain itu, campuran nitrogen dengan kandungan hidrogen yang tinggi baik di dalam silinder pengaduk, tempat campuran disiapkan, maupun di ruang kerja, setelah waktu tertentu mulai mempengaruhi kedalaman lapisan nitridasi, serta ketidakrataannya pada permukaan. bagian sepanjang volume muatan. Hidrogen dalam lingkungan gas selama nitridasi ion berperan sebagai zat pereduksi oksida pada permukaan yang mengeras, yang mencegah kontak langsung dan interaksi nitrogen dengan logam.

Baja kelas biasa dinitridasi dalam nitrogen murni tanpa bahan tambahan hidrogen. Namun, lapisan nitridasi tidak selalu memiliki kedalaman yang seragam.

Sebagai hasil studi tentang pengaruh tekanan di ruang kerja terhadap kualitas lapisan nitridasi, dapat direkomendasikan untuk melakukan tahap pertama (sputtering katoda) dalam hidrogen pada tekanan sekitar 13 Pa dan pada tegangan dari sekitar 1000 V. Peningkatan tekanan campuran tahap kedua (nitridasi) mendorong peningkatan kedalaman lapisan difusi, dan nitridasi ionik harus dilakukan pada tekanan 133-1330 Pa.

Kualitas lapisan difusi dipengaruhi oleh suhu dan durasi proses. Gambar tersebut menunjukkan pengaruh faktor-faktor ini terhadap kedalaman lapisan beberapa baja yang berbeda komposisinya dan merupakan perwakilan khas dari berbagai kelas.

Telah ditetapkan bahwa durasi proses nitridasi ion kira-kira setengah dari durasi nitridasi tungku yang menggunakan teknologi serial saat ini.

Distribusi kekerasan mikro sepanjang kedalaman lapisan nitridasi merupakan karakteristik kinerja yang penting. Selama nitridasi konvensional dalam amonia terdisosiasi, kekerasan maksimum untuk sebagian besar baja terletak pada jarak tertentu dari permukaan, dan lapisan permukaan, yang merupakan fase rapuh, biasanya digerus. Sebagai hasil dari nitridasi ion pada semua baja, permukaannya memiliki kekerasan maksimum. Oleh karena itu, dengan mempertimbangkan kualitas permukaan yang tinggi setelah ion nitridasi dan menjaga kebersihannya, permukaan tersebut dapat dibiarkan tidak dirawat atau dibatasi pada pemolesan atau pemolesan ringan.

Setelah ion nitridasi, semua baja tidak memiliki fasa pada permukaannya. Tidak adanya fase - pada permukaan selama nitridasi ion mungkin disebabkan oleh efek penghalang oksida yang mengurangi kandungan nitrogen langsung pada logam, sputtering katoda, dan stabilitas fase - yang lebih rendah dalam ruang hampa dan plasma pelepasan cahaya.

Salah satu karakteristik kinerja utama dari banyak mesin pesawat dan suku cadang pesawat adalah ketahanan aus.

Studi ketahanan aus dilakukan baik dari permukaan sampel nitridasi maupun setelah penggilingan hingga kedalaman 0,03-0,06 mm.

Dalam produksi massal, terutama tiga jenis suku cadang dikenai nitridasi ion. Ini adalah bagian yang mengalami nitridasi konvensional dalam amonia terdisosiasi, bagian yang disemen dengan beban kerja kecil dan menengah pada produk, dan bagian dengan keausan signifikan yang tidak mengalami pengerasan dengan perlakuan kimia-termal karena ketidakmungkinan penyempurnaan selanjutnya dengan penggilingan karena ke bentuk geometris yang kompleks.

Paparan isotermal dalam durasi yang lama, mencapai 50 jam, dengan sejumlah besar bagian nitridasi, seringkali mengganggu ritme produksi. Kerugian signifikan lainnya dari teknologi serial adalah tingginya intensitas tenaga kerja dalam pembuatan suku cadang yang terkait dengan penerapan dan penghilangan lapisan galvanik yang digunakan untuk melindungi dari nitridasi. Penggilingan bagian nitridasi, terutama konfigurasi yang rumit, terkadang disertai dengan cacat yang tidak rata, yang praktis tidak terdeteksi oleh kontrol dan hanya muncul selama pengoperasian pada mesin produksi sebagai akibat dari keausan dini pada lapisan yang rusak. Saat menggiling bagian, terutama dari baja paduan kompleks seperti 15Kh16K5N2MVFAB, retakan kadang-kadang terbentuk pada tepi tajam karena relaksasi tegangan sisa, serta pada titik transisi dari permukaan silinder ke permukaan ujung segera setelah nitridasi.

Dianjurkan untuk mengeraskan bagian yang akhirnya diproduksi dengan ion nitridasi. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa setelah nitridasi ion, permukaan itu sendiri atau lapisan di dekatnya memiliki kekerasan dan ketahanan aus yang maksimum, sedangkan setelah nitridasi konvensional, lapisan yang terletak agak jauh dari permukaan lebih efisien.

Untuk memperhitungkan kemungkinan terjadinya “pembengkakan” selama pembuatan, pengaruh ion nitridasi terhadap perubahan dimensi bagian dipelajari. Studi dilakukan pada perwakilan unit yang khas. Statistik distribusi suku cadang berdasarkan perubahan ukuran telah ditetapkan. Bagian tipe poros mengalami peningkatan diameter setelah ion nitridasi. Di bushing dan bola diameter luar meningkat, dan internal menurun. Untuk sebagian besar bagian nitridasi, diameternya telah berubah sebesar 30 - 40 mikron.

Beberapa bagian dinitridasi setelah pemesinan akhir, dan penyimpangan dimensi berada dalam kisaran toleransi. Jadi, selama proses pembuatan suku cadang, operasi penggilingan permukaan nitridasi yang memakan waktu dan tenaga kerja dihilangkan. Keadaan ini memungkinkan untuk memperluas jangkauan bagian yang dikeraskan di mana pemrosesan mekanis setelah pengerasan sulit atau tidak mungkin dilakukan (misalnya, bagian yang melengkung seperti perban).

Peralatan telah dikembangkan dan diproduksi untuk melindungi permukaan non-nitridasi. Ketika ion nitridasi pada bagian, berbeda dengan nitridasi tungku, perlindungan permukaan yang tidak terkena nitridasi adalah yang paling berteknologi maju. Pelapisan dan pelapisan nikel, yang digunakan untuk melindungi permukaan non-nitridasi selama nitridasi tungku, merupakan operasi padat karya dan tidak selalu memberikan hasil yang baik. kualitas yang dibutuhkan perlindungan. Selain itu, setelah nitridasi, seringkali lapisan ini perlu dihilangkan dengan cara kimia atau mekanis.

Ketika ion nitridasi, perlindungan permukaan non-nitridasi dilakukan dengan menggunakan layar logam yang bersentuhan dekat dengan permukaan yang tidak terkena nitridasi (celah tidak lebih dari 0,2 mm). Permukaan ini tidak terkena muatan cahaya dan karenanya terlindungi dari nitridasi. Saat melakukan nitridasi bagian, perlindungan terhadap nitridasi berulang kali digunakan menggunakan layar dari berbagai permukaan, seperti bidang, internal dan eksternal. permukaan silinder, permukaan berulir, dll. Praktek telah menunjukkan keandalan dan kenyamanan metode perlindungan ini. Perangkat untuk keperluan ini dapat digunakan berulang kali. Permukaan bagian yang tidak terkena nitridasi akhirnya dapat dirawat.

Proses nitridasi ion memungkinkan:

meningkatkan masa pakai komponen nitridasi;

memberikan pengerasan pada bagian-bagian yang sulit atau tidak mungkin menggunakan metode pengerasan lainnya;

mengurangi intensitas tenaga kerja di bidang manufaktur dengan menghilangkan operasi pelapisan listrik;

dalam beberapa kasus, menolak penggilingan setelah nitridasi;

mengurangi durasi siklus nitridasi lebih dari setengahnya;

meningkatkan higienitas kerja.

Tiga jenis nitridasi berbeda saat ini digunakan dalam industri: untuk mendapatkan kekerasan lapisan permukaan yang tinggi, nitridasi ionik anti korosi dan nitridasi “lunak”, dll.

Untuk mendapatkan kekerasan yang tinggi pada bagian baja struktural, proses dilakukan pada suhu 500 hingga 520C hingga 90 jam. Derajat disosiasi amonia diatur oleh suplainya dan berkisar antara 15 hingga 60%. Dalam mode nitridasi satu tahap, proses dilakukan pada suhu konstan (500520C), kemudian dinaikkan menjadi 560570C. Pada suhu rendah, hal ini pertama-tama mengarah pada pembentukan lapisan tipis yang jenuh dengan nitrogen dengan nitrida yang terdispersi halus, dan kemudian, dengan meningkatnya suhu, laju difusi meningkat dan waktu untuk mendapatkan ketebalan lapisan nitrida yang diperlukan berkurang. Siklus nitridasi dua tahap mengurangi waktu proses penjenuhan baja dengan nitrogen sebesar 22,5 kali lipat.

Ketika meningkatkan proses nitridasi, tugas-tugas penting berikut harus diselesaikan:

penciptaan proses terkendali yang memastikan diperolehnya komposisi gas tertentu, struktur dan kedalaman lapisan difusi;

intensifikasi proses pembentukan lapisan nitridasi.

Dua metode baru yang mendasar untuk pengendalian langsung proses nitridasi telah dikembangkan, salah satunya memungkinkan seseorang untuk mengevaluasi potensi nitrogen atmosfer tungku berdasarkan komposisi ioniknya (disosiasi ionik), dan di sisi lain, membuka kemungkinan pengendalian langsung. analisis kinetika pembentukan lapisan difusi selama proses nitridasi (penganalisis arus eddy). Potensi nitrogen dikontrol menggunakan sensor ionisasi dengan umpan balik dari sistem persiapan campuran.

Untuk nitridasi, instalasi baru secara kualitatif dengan dikendalikan programnya proses teknologi. Intensifikasi proses nitridasi dapat dicapai dengan meningkatkan suhu saturasi, mengatur aktivitas atmosfer, mengubah komposisinya, serta penggunaan medan magnet dan berbagai jenis pelepasan listrik (percikan, corona, pijar).

Selama perlakuan kimia-termal, kedalaman lapisan jenuh dalam beberapa kasus lebih besar dari yang dibutuhkan, dalam kasus lain lebih kecil dari yang dibutuhkan, kadang-kadang terjadi lengkungan dan deformasi, lapisan jenuh retak, dll. Karakteristik cacat pada perlakuan kimia-termal, penyebab utama terjadinya, dan tindakan untuk menghilangkan cacat diberikan dalam tabel.

Sifat-sifat suatu logam dapat diperbaiki dengan mengubah komposisi kimianya. Contohnya adalah nitridasi baja - secara relatif teknologi baru kejenuhan lapisan permukaan dengan nitrogen, yang mulai digunakan dalam skala industri sekitar satu abad yang lalu. Teknologi yang dipertimbangkan diusulkan untuk meningkatkan kualitas tertentu dari produk baja. Mari kita lihat lebih dekat bagaimana baja dijenuhkan dengan nitrogen.

Tujuan nitridasi

Banyak orang membandingkan proses penyemenan dan nitridasi karena keduanya dirancang untuk meningkatkan kinerja suatu komponen secara signifikan. Teknologi pemasukan nitrogen memiliki beberapa keunggulan dibandingkan karburisasi, di antaranya tidak perlu menaikkan suhu benda kerja ke nilai di mana kisi atom dipasang. Perlu juga dicatat bahwa teknologi memasukkan nitrogen praktis tidak mengubah dimensi linier benda kerja, sehingga dapat digunakan setelah pemrosesan selesai. Pada banyak orang jalur produksi Bagian yang telah dikeraskan dan digiling akan mengalami nitridasi dan hampir siap untuk diproduksi, namun beberapa kualitas perlu ditingkatkan.

Tujuan nitridasi dikaitkan dengan perubahan kualitas kinerja dasar selama pemanasan bagian dalam lingkungan yang ditandai dengan konsentrasi amonia yang tinggi. Karena efek ini, lapisan permukaan jenuh dengan nitrogen, dan bagian tersebut memperoleh kualitas kinerja berikut:

Ketahanan aus permukaan meningkat secara signifikan karena peningkatan indeks kekerasan.
Nilai ketahanan dan ketahanan terhadap peningkatan kelelahan struktur logam ditingkatkan.
Di banyak industri, penggunaan nitridasi dikaitkan dengan kebutuhan untuk memberikan ketahanan anti korosi, yang dipertahankan saat bersentuhan dengan air, uap, atau udara dengan kelembapan tinggi.

Informasi di atas menentukan bahwa hasil nitridasi lebih signifikan dibandingkan karburisasi. Keuntungan dan kerugian dari proses ini sangat bergantung pada teknologi yang dipilih. Dalam kebanyakan kasus, kualitas kinerja yang ditransfer dipertahankan bahkan ketika benda kerja dipanaskan hingga suhu 600 derajat Celcius; dalam kasus sementasi, lapisan permukaan kehilangan kekerasan dan kekuatan setelah dipanaskan hingga 225 derajat Celcius.

Teknologi proses nitridasi

Dalam banyak hal, proses nitridasi baja lebih unggul dibandingkan metode lain yang melibatkan perubahan komposisi kimia logam. Teknologi nitridasi untuk komponen baja memiliki beberapa fitur berikut:

Dalam kebanyakan kasus, prosedur ini dilakukan pada suhu sekitar 600 derajat Celcius. Bagian tersebut ditempatkan dalam tungku peredam besi tertutup, yang ditempatkan di dalam tungku.
Saat mempertimbangkan mode nitridasi, suhu dan waktu penahanan harus diperhitungkan. Untuk baja yang berbeda, angka-angka ini akan berbeda secara signifikan. Pilihannya juga bergantung pada kualitas kinerja apa yang perlu dicapai.
Amonia disuplai dari silinder ke dalam wadah logam yang dibuat. Suhu tinggi menyebabkan amonia mulai terurai, menyebabkan pelepasan molekul nitrogen.
Molekul nitrogen menembus logam melalui proses difusi. Karena itu, nitrida secara aktif terbentuk di permukaan, yang ditandai dengan peningkatan resistensi terhadap tekanan mekanis.
Prosedur perlakuan kimia-termal dalam hal ini tidak melibatkan pendinginan mendadak. Biasanya, tungku nitridasi didinginkan bersama dengan aliran amonia dan bagiannya, sehingga permukaannya tidak teroksidasi. Oleh karena itu, teknologi yang dipertimbangkan cocok untuk mengubah sifat-sifat bagian yang telah mengalami proses finishing.

Proses klasik untuk mendapatkan produk yang dibutuhkan dengan nitridasi melibatkan beberapa tahap:

Perlakuan panas persiapan, yang terdiri dari pengerasan dan temper. Karena penataan ulang kisi atom pada rezim tertentu, struktur menjadi lebih kental dan kekuatannya meningkat. Pendinginan dapat dilakukan dalam air atau minyak, atau media lain - semuanya tergantung pada seberapa tinggi kualitas produk tersebut.
Selanjutnya dilakukan pengolahan mekanis untuk memberikan bentuk dan ukuran yang diinginkan.
Dalam beberapa kasus, terdapat kebutuhan untuk melindungi bagian tertentu dari produk. Perlindungan dilakukan dengan mengaplikasikan kaca cair atau timah pada lapisan setebal 0,015 mm. Karena ini, lapisan pelindung terbentuk di permukaan.
Nitridasi baja dilakukan dengan menggunakan salah satu metode yang paling sesuai.
Pekerjaan sedang dilakukan untuk menyelesaikan pemrosesan mekanis dan menghilangkan lapisan pelindung.

Lapisan yang dihasilkan setelah nitridasi, yang diwakili oleh nitrida, berkisar antara 0,3 hingga 0,6 mm, sehingga menghilangkan kebutuhan akan prosedur pengerasan. Seperti disebutkan sebelumnya, nitridasi telah dilakukan relatif baru-baru ini, namun proses transformasi lapisan permukaan logam telah hampir sepenuhnya dipelajari, yang secara signifikan meningkatkan efisiensi teknologi yang digunakan.

Logam dan paduan mengalami nitridasi

Ada persyaratan tertentu yang berlaku untuk logam sebelum melakukan prosedur tersebut. Biasanya, perhatian diberikan pada konsentrasi karbon. Jenis baja yang cocok untuk nitridasi sangat berbeda-beda, syarat utamanya adalah fraksi karbon 0,3-0,5%. Hasil terbaik dicapai saat menggunakan paduan paduan, karena pengotor tambahan berkontribusi pada pembentukan nitrit padat tambahan. Contoh pengolahan kimia logam adalah penjenuhan lapisan permukaan dengan paduan yang mengandung pengotor berupa aluminium, kromium dan lain-lain. Paduan yang dimaksud biasanya disebut nitralloys.

Nitrogen ditambahkan saat menggunakan kualitas baja berikut:

Jika bagian tersebut akan terkena benturan mekanis yang signifikan selama pengoperasian, maka pilihlah grade 38Х2МУА. Ini mengandung aluminium, yang menyebabkan penurunan ketahanan deformasi.
Dalam industri peralatan mesin, baja yang paling banyak digunakan adalah 40X dan 40HFA.
Dalam pembuatan poros yang sering terkena beban lentur, digunakan grade 38ХГМ dan 30ХЗМ.
Jika Anda perlu mencapai presisi tinggi selama pembuatan dimensi linier, misalnya, saat membuat suku cadang untuk unit bahan bakar, digunakan baja kelas 30ХЗМФ1. Untuk meningkatkan kekuatan permukaan dan kekerasannya secara signifikan, pertama-tama dilakukan paduan dengan silikon.

Saat memilih grade baja yang paling sesuai, hal utama adalah memperhatikan kondisi yang terkait dengan persentase karbon, dan juga memperhitungkan konsentrasi pengotor, yang juga berdampak signifikan pada sifat kinerja logam.

Jenis utama nitridasi

Ada beberapa teknologi yang digunakan untuk melakukan nitridasi baja. Mari kita ambil daftar berikut sebagai contoh:

Lingkungan amonia-propana. Gas nitridasi telah tersebar luas saat ini. Dalam hal ini, campuran diwakili oleh kombinasi amonia dan propana, yang diambil dengan perbandingan 1 banding 1. Seperti yang diperlihatkan oleh praktik, gas nitridasi saat menggunakan media semacam itu memerlukan pemanasan hingga suhu 570 derajat Celcius dan ditahan selama 3 jam. Lapisan nitrida yang dihasilkan ditandai dengan ketebalan yang kecil, namun pada saat yang sama ketahanan aus dan kekerasannya jauh lebih tinggi dibandingkan saat menggunakan teknologi klasik. Nitridasi bagian baja dalam hal ini memungkinkan untuk meningkatkan kekerasan permukaan logam hingga 600-1100 HV.
Pelepasan cahaya adalah teknik yang juga melibatkan penggunaan lingkungan yang mengandung nitrogen. Keunikannya terletak pada hubungan bagian nitridasi dengan katoda, peredam bertindak sebagai muatan positif. Dengan menghubungkan katoda, proses dapat dipercepat beberapa kali lipat.
Media cair lebih jarang digunakan, tetapi juga sangat efektif. Contohnya adalah teknologi yang melibatkan penggunaan lapisan sianida cair. Pemanasan dilakukan hingga suhu 600 derajat, masa pemaparan dari 30 menit hingga 3 jam.

Dalam industri, media gas mendapatkan distribusi terbesar karena kemampuannya untuk memproses batch besar sekaligus.

Nitridasi gas katalitik

Jenis perawatan kimia ini melibatkan penciptaan suasana khusus di dalam kompor. Amonia yang terdisosiasi lolos pra-perawatan pada elemen katalitik khusus, yang secara signifikan meningkatkan jumlah radikal terionisasi. Fitur-fitur teknologi ini meliputi hal-hal berikut:

Persiapan awal amonia memungkinkan untuk meningkatkan proporsi difusi larutan padat, yang mengurangi proporsi reaksi proses kimia selama transisi zat aktif dari lingkungan menjadi besi.
Menyediakan penggunaan peralatan khusus yang menyediakan kondisi paling menguntungkan untuk pemrosesan kimia.

Metode ini telah digunakan selama beberapa dekade, memungkinkan perubahan sifat tidak hanya logam, tetapi juga paduan titanium. Tingginya biaya pemasangan peralatan dan persiapan lingkungan menentukan penerapan teknologi pada produksi suku cadang penting yang harus memiliki dimensi presisi dan peningkatan ketahanan aus.

Sifat permukaan logam nitridasi

Yang cukup penting adalah pertanyaan tentang seberapa keras lapisan nitridasi dicapai. Saat mempertimbangkan kekerasan, jenis baja yang diproses diperhitungkan:

Baja karbon dapat memiliki kekerasan pada kisaran 200-250HV.
Paduan paduan setelah nitridasi memperoleh kekerasan pada kisaran 600-800HV.
Nitralloin, yang mengandung aluminium, kromium, dan logam lainnya, dapat mencapai kekerasan hingga 1200HV.

Sifat-sifat baja lainnya juga berubah. Misalnya, ketahanan korosi pada baja meningkat, sehingga dapat digunakan lingkungan yang agresif. Proses pemasukan nitrogen itu sendiri tidak menyebabkan munculnya cacat, karena pemanasan dilakukan sampai suhu yang tidak mengubah kisi atom.

Ion plasma nitriding (IPA) adalah metode perlakuan kimia-termal pada produk baja dan besi cor dengan kemampuan teknologi yang tinggi, yang memungkinkan untuk memperoleh lapisan difusi dengan komposisi yang diinginkan dengan menggunakan media gas yang berbeda, yaitu. Proses saturasi difusi dapat dikontrol dan dioptimalkan tergantung pada persyaratan spesifik untuk kedalaman lapisan dan kekerasan permukaan. paduan kekerasan mikro nitridasi plasma

Kisaran suhu nitridasi ion lebih lebar dibandingkan dengan nitridasi gas dan berada pada kisaran 400-600 0 C. Perlakuan pada suhu di bawah 500 0 C sangat efektif dalam memperkuat produk yang terbuat dari baja paduan perkakas untuk pengerjaan dingin, kecepatan tinggi. dan merusak baja, karena sifat kinerjanya meningkat secara signifikan sambil mempertahankan kekerasan inti pada level 55-60 HRC.

Suku cadang dan perkakas dari hampir semua industri mengalami pengerasan menggunakan metode IPA (Gbr. 1).

Beras. 1.

Sebagai hasil dari IPA, karakteristik produk berikut dapat ditingkatkan: ketahanan aus, ketahanan lelah, sifat anti lecet, tahan panas dan tahan korosi.

Dibandingkan dengan metode penguatan perlakuan kimia-termal pada bagian baja yang banyak digunakan, seperti karburisasi, nitrokarburisasi, sianidasi, dan nitridasi gas dalam tungku, metode IPA memiliki keunggulan utama sebagai berikut:

· kekerasan permukaan yang lebih tinggi pada bagian nitridasi;
· tidak ada deformasi bagian setelah pemrosesan dan kebersihan permukaan yang tinggi;
· meningkatkan batas daya tahan dan meningkatkan ketahanan aus bagian yang diproses;
· suhu pemrosesan yang lebih rendah, sehingga tidak terjadi transformasi struktural pada baja;
· kemampuan memproses secara buta dan melalui lubang;
· menjaga kekerasan lapisan nitridasi setelah pemanasan hingga 600-650 C;
· kemungkinan memperoleh lapisan komposisi tertentu;
· kemampuan untuk memproses produk dengan ukuran dan bentuk yang tidak terbatas;
· tidak ada pencemaran lingkungan;
· meningkatkan standar produksi;
· pengurangan biaya pemrosesan beberapa kali.

Keunggulan IPA juga diwujudkan dalam pengurangan biaya produksi dasar yang signifikan.

Misalnya, dibandingkan dengan gas nitridasi di tungku, IPA menyediakan:

· pengurangan waktu pemrosesan sebanyak 2-5 kali, baik dengan mengurangi waktu pemanasan dan pendinginan muatan, dan dengan mengurangi waktu penahanan isotermal;
· pengurangan kerapuhan lapisan yang diperkuat;
· pengurangan konsumsi gas kerja sebanyak 20-100 kali lipat;
· pengurangan konsumsi energi sebesar 1,5-3 kali;
· pengecualian operasi depassivasi;
· pengurangan deformasi sehingga menghilangkan finishing grinding;
· kesederhanaan dan keandalan perlindungan layar terhadap nitridasi pada permukaan yang tidak mengeras;
· peningkatan kondisi produksi yang sanitasi dan higienis;
· kepatuhan penuh teknologi dengan semua persyaratan perlindungan lingkungan modern.

Dibandingkan dengan pengerasan Pemrosesan IPA memungkinkan:

· menghilangkan deformasi;
· meningkatkan masa pakai permukaan nitridasi sebanyak 2-5 kali lipat.

Penggunaan IPA sebagai pengganti karburisasi, nitrokarburisasi, nitridasi gas atau cair, pengerasan volumetrik atau frekuensi tinggi memungkinkan penghematan modal peralatan dan area produksi, mengurangi peralatan mesin dan biaya transportasi, mengurangi konsumsi listrik dan media gas aktif.

Prinsip pengoperasian IPA adalah bahwa dalam lingkungan gas yang mengandung nitrogen (p = 200-1000 Pa) yang mengandung nitrogen antara katoda - bagian - dan anoda - dinding ruang vakum - pelepasan cahaya anomali tereksitasi, membentuk media aktif (ion, atom, molekul tereksitasi), memastikan pembentukan lapisan nitrida yang terdiri dari zona nitrida luar dan zona difusi yang terletak di bawahnya.

Faktor teknologi yang mempengaruhi efisiensi ion nitridasi adalah suhu proses, durasi saturasi, tekanan, komposisi dan laju aliran campuran gas kerja.

Suhu proses, luas muatan yang terlibat dalam pertukaran panas dan efisiensi pertukaran panas dengan dinding (jumlah layar) menentukan daya yang diperlukan untuk mempertahankan pelepasan dan memastikan suhu produk yang diinginkan. Pilihan temperatur bergantung pada derajat paduan baja yang dinitridasi dengan elemen pembentuk nitrida: semakin tinggi derajat paduan, semakin tinggi pula temperaturnya.

Suhu pemrosesan harus setidaknya 10-20 0 C lebih rendah dari suhu temper.

Durasi proses dan suhu saturasi menentukan kedalaman lapisan, distribusi kekerasan sepanjang kedalaman dan ketebalan zona nitrida.

Komposisi media jenuh tergantung pada tingkat paduan baja yang sedang diproses dan persyaratan kekerasan dan kedalaman lapisan nitridasi.

Tekanan proses harus sedemikian rupa sehingga pelepasannya “pas” dengan permukaan produk dan memperoleh lapisan nitridasi yang seragam. Namun, harus diingat bahwa pelepasan pada semua tahap proses harus anomali, yaitu permukaan semua bagian muatan harus seluruhnya tertutup cahaya, dan rapat arus pelepasan harus lebih besar dari rapat normal untuk tekanan tertentu, dengan mempertimbangkan efek pemanasan gas di daerah pelepasan katoda.

Dengan munculnya instalasi IPA generasi baru, yang menggunakan campuran hidrogen, nitrogen, dan argon yang dikontrol komposisinya sebagai media kerja, serta plasma “berdenyut” daripada plasma arus searah, kemampuan manufaktur proses nitridasi ion telah meningkat secara signifikan.

Penggunaan pemanas gabungan (dinding ruang "panas") atau perlindungan termal yang ditingkatkan (pelindung panas rangkap tiga), bersama dengan kemampuan untuk mengatur komposisi gas dan tekanan di dalam ruang secara mandiri, memungkinkan, saat memproses alat pemotong, untuk menghindari panas berlebih pada bahan tipis. canggih selama pemanasan muatan, dan untuk secara akurat mengatur waktu saturasi dan, masing-masing, dan kedalaman lapisan, karena Produk dapat dipanaskan dalam lingkungan bebas nitrogen, misalnya dalam campuran Ar+H 2.

Insulasi termal yang efektif di ruang kerja (triple heat shield) memungkinkan produk diproses dengan konsumsi energi spesifik yang rendah, sehingga perbedaan suhu di dalam sangkar dapat diminimalkan selama pemrosesan. Hal ini dibuktikan dengan sebaran kekerasan mikro sepanjang kedalaman lapisan nitridasi untuk sampel yang terletak di tempat muatan berbeda (Gbr. 2).

Beras. 2.

a, c - roda gigi seberat 10,1 kg, 51 pcs., st - 40X, modul 4,5, pemaparan 16 jam, T = 530 0 C;

b, d - roda gigi seberat 45 kg, 11 pcs., st - 38HN3MFA, modul 3,25 (ring luar) dan 7 mm (ring dalam), pemaparan 16 jam, T = 555 0 C.

Ion nitridasi adalah metode yang efektif untuk memperkuat perawatan bagian-bagian yang terbuat dari baja struktural paduan: roda gigi, roda gigi ring, roda gigi bergigi poros, poros, roda gigi pacu, roda gigi bevel dan silinder, kopling, roda gigi poros dengan konfigurasi geometris yang kompleks, dll.

Sementasi, nitrokarburisasi, dan pengerasan frekuensi tinggi dibenarkan dalam pembuatan suku cadang dengan beban berat (roda gigi, gandar, poros, dll.) dengan presisi rendah dan sedang yang tidak memerlukan penggilingan berikutnya.

Jenis perlakuan panas ini tidak layak secara ekonomi dalam pembuatan suku cadang berpresisi tinggi dengan beban sedang dan rendah, karena Dengan pemrosesan ini, pembengkokan yang signifikan diamati dan penggilingan selanjutnya diperlukan. Oleh karena itu, ketika menggiling, perlu untuk menghilangkan ketebalan lapisan yang mengeras secara signifikan.

IPA dapat secara signifikan mengurangi lengkungan dan deformasi bagian sambil mempertahankan kekasaran permukaan dalam kisaran Ra = 0,63...1,2 mikron, yang memungkinkan penggunaan IPA sebagai penyelesaian akhir di sebagian besar kasus.

Sehubungan dengan industri peralatan mesin, ion nitridasi pada roda gigi secara signifikan mengurangi karakteristik kebisingan peralatan mesin, sehingga meningkatkan daya saingnya di pasar.

IPA paling efektif saat memproses komponen berskala besar dengan jenis yang sama: roda gigi, poros, gandar, poros bergigi, roda gigi bergigi poros, dll. Roda gigi yang mengalami nitridasi plasma memiliki stabilitas dimensi yang lebih baik dibandingkan dengan roda gigi yang disemen dan dapat digunakan tanpa tambahan pengolahan. Pada saat yang sama, daya dukung permukaan samping dan kekuatan dasar gigi, yang dicapai dengan menggunakan nitridasi plasma, sesuai dengan roda gigi yang disemen (Tabel 1).

Tabel 1. Karakteristik ketahanan lelah baja tergantung pada metode pengerasan roda gigi

Saat memperkuat perawatan dengan ion nitridasi pada bagian yang terbuat dari baja paduan rendah dan menengah yang diperkeras kotak (18KhGT, 20KhNZA, 20KhGNM, 25KhGT, 40Kh, 40KhN, 40KhFA, dll.), pertama-tama perlu untuk meningkatkan penempaan - volumetrik pengerasan dan temper hingga kekerasan 241-285 HB (untuk beberapa baja - 269-302 HB), kemudian pemrosesan mekanis dan terakhir - ion nitridasi. Untuk memastikan deformasi minimal produk sebelum nitridasi untuk menghilangkan stres, disarankan untuk melakukan anil dalam atmosfer gas pelindung, dan suhu anil harus lebih tinggi dari suhu nitridasi. Annealing harus dilakukan sebelum pemesinan presisi.

Kedalaman lapisan nitridasi yang terbentuk pada produk berbahan baja 40Kh, 18KhGT, 25KhGT, 20Kh2N4A, dll ini adalah 0,3-0,5 mm dengan kekerasan 500-800 HV tergantung grade bajanya (Gambar 3).

Untuk roda gigi yang beroperasi pada beban lebih berat, lapisan nitrida harus 0,6-0,8 mm dengan zona nitrida tipis atau tanpa zona nitrida sama sekali.

Beras. 3.

Optimalisasi sifat-sifat lapisan yang diperkeras ditentukan oleh kombinasi karakteristik bahan dasar (kekerasan inti) dan parameter lapisan nitridasi. Sifat beban menentukan kedalaman lapisan difusi, jenis dan ketebalan lapisan nitrida:

· pakai - "- atau - lapisan;
· beban dinamis - ketebalan lapisan nitrida terbatas atau tidak ada lapisan nitrida sama sekali;
· korosi - lapisan.

Kontrol independen terhadap laju aliran setiap komponen campuran gas, tekanan di ruang kerja dan variasi suhu proses memungkinkan terbentuknya lapisan dengan kedalaman dan kekerasan yang berbeda (Gbr. 4), sehingga memastikan kualitas pemrosesan yang stabil dengan minimal variasi sifat dari bagian ke bagian dan dari muatan ke muatan ( Gambar 5).

Beras. 4.

1, 3, 5 -proses satu langkah;
2,4 - proses dua tahap menurut konten N 2 dalam campuran kerja
1,2 - T=530 0 C, t=16 jam; 3 - T=560 0 C, t=16 jam;
4 - T=555 0 C, t=15 jam, 5 - T = 460 0 C, t = 16 jam

Beras. 5.

Nitridasi ionik dikenal luas sebagai salah satunya metode yang efektif meningkatkan ketahanan aus alat pemotong yang terbuat dari baja berkecepatan tinggi merek R6M5, R18, R6M5K5, R12F4K5, dll.

Nitridasi meningkatkan ketahanan aus alat dan ketahanan panasnya. Permukaan pahat yang dinitridasi, yang memiliki koefisien gesekan yang lebih rendah dan sifat anti-gesekan yang lebih baik, memastikan penghilangan serpihan lebih mudah, dan juga mencegah serpihan menempel pada tepi tajam dan pembentukan kawah keausan, sehingga memungkinkan peningkatan kecepatan umpan dan potong.

Struktur optimal baja kecepatan tinggi nitridasi adalah martensit nitrogen tinggi, yang tidak mengandung nitrida berlebih. Struktur ini dipastikan dengan menjenuhkan permukaan pahat dengan nitrogen pada suhu 480-520 0 C selama nitridasi jangka pendek (hingga 1 jam). Dalam hal ini, lapisan yang diperkuat dengan kedalaman 20-40 mikron terbentuk dengan kekerasan mikro permukaan 1000-1200 HV0,5 dengan kekerasan inti 800-900 HV (Gbr. 6), dan ketahanan pahat setelahnya ion nitridasi meningkat 2-8 kali lipat tergantung pada jenis dan jenis bahan yang diproses.

Beras. 6.

Keuntungan utama nitridasi ion suatu alat adalah kemungkinan untuk memperoleh hanya lapisan yang diperkeras difusi, atau lapisan dengan nitrida Fe 4 N monofase (“fase) di permukaan, berbeda dengan nitridasi gas klasik dalam amonia, di mana lapisan nitrida terdiri dari dua fase - "+, yang merupakan sumber tekanan internal pada antarmuka dan menyebabkan kerapuhan dan pengelupasan lapisan yang mengeras selama pengoperasian.

Ion nitridasi juga merupakan salah satu metode utama untuk meningkatkan daya tahan alat stamping dan peralatan cetakan injeksi dari baja 5KhNM, 4Kh5MFS, 3Kh2V8, 4Kh5V2FS, 4Kh4VMFS, 38Kh2MYuA, Kh12, Kh12M, Kh12F1.

Sebagai hasil dari ion nitridasi, karakteristik produk berikut dapat ditingkatkan:

· Penempaan cetakan untuk hot stamping dan cetakan untuk pengecoran logam dan paduan - meningkatkan ketahanan aus, mengurangi lengketnya logam.
· Cetakan untuk cetakan injeksi aluminium - lapisan nitridasi mencegah logam menempel di zona pasokan jet cair, dan proses pengisian cetakan tidak terlalu bergejolak, yang meningkatkan masa pakai cetakan, dan kualitas pengecoran lebih tinggi.

Secara signifikan meningkatkan kinerja ion nitridasi dan alat dingin (T< 250 0 С) обработки - вытяжка, гибка, штамповка, прессование, резка, чеканка и прошивка.

Persyaratan dasar yang menjamin kinerja tinggi dari alat tersebut - kekuatan tekan yang tinggi, ketahanan aus dan ketahanan terhadap beban tumbukan dingin - dicapai sebagai hasil dari perlakuan penguatan menggunakan metode ion nitridasi.

Jika baja kromium tinggi (12% kromium) digunakan untuk perkakas, maka lapisan nitridasi hanya boleh difusi, jika baja paduan rendah, maka selain lapisan difusi harus ada lapisan g - keras dan plastik.

Ciri khas nitridasi ion baja kromium tinggi adalah dengan memilih suhu proses, kekerasan inti produk, yang ditentukan melalui perlakuan panas awal, dapat dipertahankan dalam rentang yang luas (Tabel 2).

Untuk mendapatkan lapisan permukaan yang tahan aus sambil mempertahankan inti kental dari cetakan, pertama-tama perlu dilakukan pengerasan dan temper untuk kekerasan sekunder, pemrosesan dimensi, dan kemudian nitridasi ion.

Untuk menghilangkan atau meminimalkan deformasi yang terjadi selama nitridasi ion pada alat stamping, sebelum pemesinan akhir, disarankan untuk melakukan anil dalam lingkungan gas inert pada suhu setidaknya 20 C di bawah suhu temper.

Jika perlu, poles permukaan kerja yang diberi nitridasi.

Meja 2. Karakteristik baja paduan setelah nitridasi plasma ion.

kualitas baja	Kekerasan inti, HRC	Suhu proses	Karakteristik lapisan	Jenis lapisan koneksi yang direkomendasikan
	Kedalaman, mm	sudut pandang. Perangkat TV, HV 1	Ketebalan lapisan sambungan, µm
Baja yang dikerjakan panas




Baja pengerjaan dingin

Dengan memvariasikan komposisi media jenuh, suhu proses dan durasinya, dimungkinkan untuk membentuk lapisan dengan kedalaman dan kekerasan yang berbeda (Gbr. 7,8).

pukulan seberat 237 kg
cetakan seberat 1060 kg.

Beras. 7. Contoh pemrosesan perkakas cetakan (a, b) dan distribusi kekerasan mikro sepanjang kedalaman lapisan nitridasi (c, d).

Jadi, seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman dunia, penggunaan teknologi ion nitridasi untuk memperkuat pengolahan produk baja struktural, serta alat potong dan stamping, teknologi ini efektif dan relatif mudah diterapkan, terutama dengan penggunaan plasma arus berdenyut.

Nitridasi, di mana lapisan permukaan produk baja dijenuhkan dengan nitrogen, mulai digunakan dalam skala industri baru-baru ini. Metode pengolahan ini, diusulkan untuk digunakan oleh Akademisi N.P. Chizhevsky, memungkinkan Anda meningkatkan banyak karakteristik produk yang terbuat dari paduan baja.

Inti dari teknologi

Nitridasi baja, jika dibandingkan dengan metode pemrosesan logam yang populer seperti karburisasi, memiliki sejumlah keunggulan yang signifikan. Oleh karena itu teknologi ini mulai digunakan sebagai cara utama untuk meningkatkan karakteristik kualitas baja.

Saat melakukan nitridasi, produk baja tidak terkena efek termal yang signifikan, namun kekerasan lapisan permukaannya meningkat secara signifikan. Penting agar dimensi bagian yang dinitridasi tidak berubah. Hal ini memungkinkan metode pemrosesan ini digunakan untuk produk baja yang telah dikeraskan dengan temper tinggi dan digiling sesuai kebutuhan parameter geometris. Setelah nitridasi, atau sering disebut proses nitridasi, telah selesai, baja dapat segera dipoles atau metode penyelesaian lainnya.

Nitridasi baja melibatkan pemanasan logam dalam lingkungan yang ditandai dengan kandungan amonia yang tinggi. Sebagai hasil dari perlakuan ini, perubahan berikut terjadi pada lapisan permukaan logam yang jenuh dengan nitrogen.

Karena kekerasan lapisan permukaan baja meningkat, ketahanan aus bagian tersebut meningkat.
Kekuatan lelah produk meningkat.
Permukaan produk menjadi tahan terhadap korosi. Stabilitas ini dipertahankan ketika baja bersentuhan dengan air, udara lembab, dan lingkungan udara-uap.

Nitridasi menghasilkan indikator kekerasan baja yang lebih stabil daripada karburasi. Dengan demikian, lapisan permukaan produk yang telah mengalami nitridasi mempertahankan kekerasannya bahkan ketika dipanaskan hingga suhu 550–600°, sedangkan setelah karburisasi, kekerasan lapisan permukaan mungkin mulai menurun ketika produk dipanaskan di atas 225. °. Karakteristik kekuatan lapisan permukaan baja setelah nitridasi 1,5–2 kali lebih tinggi dibandingkan setelah pengerasan atau karburisasi.

Bagaimana proses nitridasi berlangsung?

Bagian logam ditempatkan dalam peredam yang tertutup rapat, yang kemudian dipasang di tungku untuk nitridasi. Di dalam tungku, peredam beserta bagiannya dipanaskan hingga suhu yang biasanya berkisar antara 500–600°, dan kemudian dipertahankan selama beberapa waktu pada suhu tersebut.

Untuk menciptakan lingkungan kerja di dalam peredam yang diperlukan agar nitridasi berlangsung, amonia disuplai ke dalamnya di bawah tekanan. Ketika dipanaskan, amonia mulai terurai menjadi unsur-unsur penyusunnya, proses ini dijelaskan dengan rumus kimia berikut:

2NH 3 → 6H + 2N.

Nitrogen atom, yang dilepaskan selama reaksi ini, mulai berdifusi ke dalam logam tempat benda kerja dibuat, yang mengarah pada pembentukan nitrida yang ditandai dengan kekerasan tinggi pada permukaannya. Untuk mengkonsolidasikan hasil dan mencegah permukaan bagian teroksidasi, peredam, bersama dengan produk dan amonia yang masih tersisa di dalamnya, didinginkan secara perlahan bersama dengan tungku nitridasi.

Lapisan nitrida yang terbentuk pada permukaan logam selama proses nitridasi dapat memiliki ketebalan berkisar antara 0,3–0,6 mm. Ini cukup untuk memberikan produk karakteristik kekuatan yang dibutuhkan. Baja yang diproses menggunakan teknologi ini tidak memerlukan metode pemrosesan tambahan apa pun.

Proses yang terjadi pada lapisan permukaan produk baja selama nitridasi cukup kompleks, namun telah dipelajari dengan baik oleh para ahli di industri metalurgi. Sebagai hasil dari proses tersebut, fase-fase berikut terbentuk dalam struktur logam yang diproses:

Larutan padat Fe 3 N, ditandai dengan kandungan nitrogen pada kisaran 8–11,2%;
larutan padat Fe 4 N, yang mengandung 5,7–6,1% nitrogen;
larutan nitrogen yang terbentuk dalam besi α.

Fase α tambahan dalam struktur logam terbentuk ketika suhu nitridasi mulai melebihi 591°. Pada saat derajat kejenuhan suatu fasa tertentu dengan nitrogen mencapai maksimum, fasa baru terbentuk dalam struktur logam. Dekomposisi eutektoid pada struktur logam terjadi bila derajat kejenuhannya dengan nitrogen mencapai 2,35%.

Katup mesin pembakaran internal berteknologi tinggi harus menjalani proses nitridasi

Faktor-faktor yang mempengaruhi nitridasi

Faktor utama yang mempengaruhi nitridasi adalah:

suhu di mana operasi teknologi tersebut dilakukan;
tekanan gas disuplai ke peredam;
durasi paparan bagian dalam oven.

Efisiensi proses ini juga dipengaruhi oleh derajat disosiasi amonia, yang biasanya berkisar antara 15–45%. Dengan meningkatnya suhu nitridasi, kekerasan lapisan yang terbentuk menurun, namun proses difusi nitrogen ke dalam struktur logam semakin cepat. Penurunan kekerasan lapisan permukaan suatu logam selama nitridasi terjadi karena koagulasi nitrida unsur paduan yang termasuk dalam komposisinya.

Untuk mempercepat proses nitridasi dan meningkatkan efisiensinya, digunakan skema dua tahap. Tahap pertama nitridasi saat menggunakan skema ini dilakukan pada suhu tidak melebihi 525°. Hal ini memungkinkan untuk memberikan kekerasan tinggi pada lapisan permukaan produk baja. Untuk melakukan prosedur tahap kedua, bagian tersebut dipanaskan hingga suhu 600–620°, sementara kedalaman lapisan nitridasi mencapai nilai yang diperlukan, dan prosesnya sendiri hampir dua kali lipat. Kekerasan lapisan permukaan produk baja yang diproses menggunakan teknologi ini tidak lebih rendah dari parameter serupa untuk produk yang diproses menggunakan metode satu tahap.

Jenis Baja Nitridasi

Baik bahan berkarbon maupun berkarbon yang memiliki karakteristik kandungan karbon dalam kisaran 0,3–0,5% dapat diproses menggunakan teknologi nitridasi. Efek maksimal Saat menggunakan operasi teknologi seperti itu, hal ini dapat dicapai jika baja dikenai, misalnya komposisi kimia yang meliputi unsur paduan yang membentuk nitrida keras dan tahan panas. Unsur-unsur tersebut, khususnya, termasuk molibdenum, aluminium, kromium dan logam lain dengan karakteristik serupa. Baja yang mengandung molibdenum tidak mengalami fenomena negatif seperti kerapuhan temper, yang terjadi ketika produk baja mendingin secara perlahan. Setelah nitridasi, baja dari berbagai tingkatan memperoleh kekerasan berikut:

Unsur paduan yang terdapat dalam komposisi kimia baja meningkatkan kekerasan lapisan nitridasi, tetapi pada saat yang sama mengurangi ketebalannya. Ketebalan lapisan nitridasi paling aktif dipengaruhi oleh unsur kimia seperti tungsten, molibdenum, kromium dan nikel.

Bergantung pada ruang lingkup penerapan produk yang menjalani prosedur nitridasi, serta kondisi pengoperasiannya, disarankan untuk menggunakan baja mutu tertentu untuk melakukan operasi teknologi tersebut. Jadi, sesuai dengan masalah teknologi yang perlu dipecahkan, para ahli menyarankan untuk menggunakan produk yang terbuat dari baja dengan kualitas berikut untuk nitridasi.

38Х2МУА

Ini adalah baja, yang setelah nitridasi, memiliki kekerasan permukaan luar yang tinggi. Aluminium yang terkandung dalam komposisi kimia baja tersebut mengurangi ketahanan deformasi produk, namun pada saat yang sama membantu meningkatkan kekerasan dan ketahanan aus pada permukaan luarnya. Pengecualian aluminium dari komposisi kimia baja memungkinkan terciptanya produk dengan konfigurasi yang lebih kompleks darinya.

40X, 40HFA

Baja paduan ini digunakan untuk pembuatan suku cadang yang digunakan dalam industri peralatan mesin.

30Х3М, 38ХГМ, 38ХНММА, 38ХН3МА

Baja ini digunakan untuk produksi produk yang sering mengalami beban lentur siklik selama pengoperasiannya.

30Х3МФ1

Produk dibuat dari paduan baja ini, yang keakuratan parameter geometrisnya diperlukan persyaratan tinggi. Untuk memberikan kekerasan yang lebih tinggi pada bagian yang terbuat dari baja ini (terutama bagian dari peralatan bahan bakar), silikon dapat ditambahkan ke komposisi kimianya.

Skema teknologi nitridasi

Untuk melakukan nitridasi gas tradisional, nitridasi plasma inovatif, atau nitridasi ion, benda kerja menjalani serangkaian operasi teknologi.

Perlakuan panas persiapan

Pemrosesan ini terdiri dari pengerasan produk dan temperingnya yang tinggi. Pengerasan sebagai bagian dari prosedur ini dilakukan pada suhu sekitar 940°, sedangkan benda kerja didinginkan dalam minyak atau air. Temper berikutnya setelah pengerasan, yang dilakukan pada suhu 600–700°, memungkinkan logam yang sedang diproses diberi kekerasan sehingga mudah dipotong.

Restorasi mekanis

Operasi ini diakhiri dengan penggilingannya, yang memungkinkan parameter geometris bagian dibawa ke nilai yang diperlukan.

Perlindungan area produk yang tidak memerlukan nitridasi

Perlindungan tersebut dilakukan dengan mengaplikasikan lapisan tipis (tidak lebih dari 0,015 mm) dari timah atau kaca cair. Teknologi elektrolisis digunakan untuk ini. Lapisan bahan yang terbentuk pada permukaan produk tidak memungkinkan nitrogen menembus ke dalam struktur internalnya.

Melakukan nitridasi itu sendiri

Produk yang disiapkan diproses dalam lingkungan gas.

Penyelesaian

Tahap ini diperlukan untuk membawa karakteristik geometris dan mekanik produk ke nilai yang diperlukan.

Derajat perubahan parameter geometrik suatu bagian ketika melakukan nitridasi, seperti disebutkan di atas, sangat kecil, dan bergantung pada faktor-faktor seperti ketebalan lapisan permukaan yang jenuh dengan nitrogen; rezim suhu prosedur. Teknologi yang lebih maju – ion nitridasi – dapat menjamin hampir tidak adanya deformasi pada produk olahan. Saat melakukan nitridasi plasma ion, produk baja terkena pengaruh termal yang lebih sedikit, sehingga deformasinya diminimalkan.

Berbeda dengan nitridasi plasma ion yang inovatif, nitridasi tradisional dapat dilakukan pada suhu hingga 700°. Untuk tujuan ini, peredam yang dapat diganti atau peredam yang terpasang pada tungku pemanas dapat digunakan. Penggunaan peredam yang dapat diganti, di mana bagian-bagian yang akan diproses dimuat terlebih dahulu, sebelum dipasang di tungku, dapat mempercepat proses nitridasi secara signifikan, namun tidak selalu merupakan pilihan yang ekonomis (terutama dalam kasus di mana berukuran besar produk dikenakan pemrosesan).

Jenis lingkungan kerja

Dapat digunakan untuk melakukan nitridasi Berbagai jenis lingkungan kerja Yang paling umum adalah lingkungan gas yang terdiri dari 50% amonia dan 50% propana atau amonia dan endogas, diambil dalam proporsi yang sama. Proses nitridasi dalam lingkungan seperti itu dilakukan pada suhu 570°. Dalam hal ini, produk terkena lingkungan gas selama 3 jam. Lapisan nitridasi yang dibuat dengan menggunakan media kerja tersebut memiliki ketebalan yang kecil, namun memiliki kekuatan dan ketahanan aus yang tinggi.

Tersebar luas di Akhir-akhir ini menerima metode nitridasi ion-plasma, dilakukan dalam lingkungan yang dijernihkan dan mengandung nitrogen.

Nitridasi plasma ion – pemandangan dari dalam

Ciri khas nitridasi plasma ion, yang juga disebut pemrosesan pelepasan cahaya, adalah benda kerja dan peredamnya dihubungkan ke sumber. arus listrik, dalam hal ini produk bertindak sebagai elektroda bermuatan negatif, dan peredam bertindak sebagai elektroda bermuatan positif. Akibatnya, aliran ion terbentuk antara bagian dan peredam - sejenis plasma yang terdiri dari N 2 atau NH 3, yang menyebabkan permukaan yang dirawat dipanaskan dan dijenuhkan dengan jumlah nitrogen yang dibutuhkan.

Selain nitridasi tradisional dan ion-plasma, proses penjenuhan permukaan baja dengan nitrogen dapat dilakukan dalam media cair. Dalam kasus seperti itu, garam sianida cair digunakan sebagai media kerja, yang memiliki suhu pemanasan sekitar 570°. Waktu nitridasi yang dilakukan dalam lingkungan kerja cair dapat berkisar antara 30 hingga 180 menit.