Йонно/плазменото азотиране е дифузионен процес, при който азотът се въвежда в кристалната структура на материала и повишава твърдостта, износоустойчивостта и якостта на умора на инструментите и детайлите.
Добре, но какво точно означава това?
За да обясним концепцията, ще използваме пример със зъбни колела, изработени от стомана, и ще ги разгледаме по-подробно. Стоманите се състоят от желязо и малко количество въглерод. Обикновено се добавят легиращи елементи като хром, манган, силиций, молибден, никел и други, за да се подобрят свойствата им – като якост, издръжливост, обработваемост, устойчивост на корозия и т.н. Зъбните колела, които ще разгледаме, са изработени от стомана с марка AISI 4142 и съдържат някои от споменатите легиращи елементи.
В стоманите атомите са плътно прилепени един до друг и са подредени в решетъчни структури, наречени кристални структури. За по-голяма простота ще разгледаме кристалната структура в двуизмерно пространство.
Има два начина, по които атомите на легиращите елементи могат да станат част от кристалната структура на стоманата. Първият е субституционен – атомите на легиращите елементи са с размер, подобен на този на атомите на основния метал, и заместват атомите, съставляващи кристалната структура. Вторият начин е интерстициален. При него атомите на легиращия елемент са много по-малки от атомите на основния метал и се разполагат между тях – в интерстициалните пространства. В този случай става дума за атомите на въглерода, които имат много по-малък диаметър.
Азотирането е процес на дифузия на азот в стоманата. Азотните атоми, подобно на въглеродните атоми, са по-малки в сравнение с атомите на основния метал, така че дифундират в стоманата през междинните пространства. По този начин те нарушават кристалната структура на материала – локален положителен дефект, който повишава твърдостта. Ето как изглеждат напречното сечение на азотирана стомана и слоят в повечето случаи.
Белият слой (Свързаната зона) – това е най-горната и най-твърда част от целия азотиран слой.
Тя е с дебелина само няколко микрона и се състои предимно от железни нитриди; повишава повърхностната твърдост, намалява абразивното и адхезивното износване, повишава устойчивостта на корозия и намалява коефициента на триене на детайлите.
Дифузионната зона – в зависимост от марката на стоманата и параметрите на процеса тази зона може да варира между 10 и 800 микрона или повече дълбочина. Азотът е вътре в кристалната структура, като образува силни връзки с желязото и някои от легиращите елементи. Тази зона осигурява допълнителна опора на повърхността за издържане на по-високи експлоатационни натоварвания и притежава висока твърдост и висока устойчивост на умора, което значително удължава експлоатационния цикъл на азотираните детайли.
Преходната зона между дифузионната зона и основния материал – тя е подобна на дифузионната зона, но с много по-малко азот, достигащ тези дълбочини на материала.
Сърцевината – под слоя се намира материалът на сърцевината, който остава такъв, какъвто е бил преди азотирането. Това е много важно, защото благодарение на запазването на сърцевината материалът остава пластичен, но с повишена твърдост по работните повърхности.
Нека се върнем към примера със зъбното колело и да видим как ще изглежда азотираният слой, когато направим напречен разрез на зъбното колело.
Някои марки стомани са по-подходящи за плазмено азотиране от други и затова с тях се постигат по-добри резултати. Това се дължи на легиращите елементи, присъстващи в стоманата. Някои елементи образуват по-добре азотни нитриди, но прекалено голямото количество легиращи елементи може в крайна сметка да доведе до по-малка дълбочина на дифузия, поради което трябва да се поддържа баланс. При азотирането на неръждаеми стомани, например, високото съдържание на хром в стоманата допринася за високата повърхностна твърдост, но също така пречи на дифузията на азота в дълбочина.
Има два начина за определяне на азотнирания слой или дълбочината на проникване.
Обща дълбочина на проникване и ефективна дълбочина на проникване. И двете се определят чрез измерване на твърдостта в дълбочина, като най-често се използва методът на Викерс, при който се измерва от повърхността към сърцевината. Процентното съдържание на дифундиралия азот ще намалее и по този начин ще получим по-ниска твърдост.
Общата дълбочина на проникване се измерва при 50 HV над твърдостта на сърцевината. След това, при измерване от повърхността към сърцевината, мястото, където достигаме тази стойност, е мястото, за което казваме, че имаме обща дълбочина на закаляване. Това е мястото, където завършва зоната на дифузия.
Ефективната дълбочина на закаляване, от друга страна, се дава като стандартни стойности на твърдостта за различни стомани, при които слоят е фиксиран да завършва. В нашия случай с AISI 4142, например, стойността е 395 HV твърдост.
 |
| Fig. 3 - Пример за стойности на дълбочината при стандартен процес на йонно азотиране за стомана от марка 42CrMo4 (AISI 4142). |
Йонното азотиране е изключително подходящо за подобряване на повърхностните свойства на различни стоманени компоненти, използвани в отрасли като автомобилната, аерокосмическата, инструменталната и производствената промишленост, където повишената твърдост, износоустойчивостта и устойчивността на умора са от решаващо значение за експлоатационните характеристики и живота на детайлите.
Не пропускайте да видите видеото ни с визуално обяснение (на английски език):
RU 
BG 
ES 
EN