Практическо йонно азотиране на малки зъбни колела – стомана от марка AISI 4142

В Йонитех получаваме различни инструменти и детайли за азотиране от различни индустрии. Някои от тях поставят предизвикателства и изисквания, които се открояват. Получихме едно много интересно изискване – азотиране на малки зъбни колела, изработени от стомана с марка AISI 4142 (42CrMo4), с искане да се постигне много тънък дифузионен слой с дълбочина по-малка от 100 микрона. Този случай се откроява и е интересен, тъй като тази стомана обикновено се поддава много добре на азотиране и постига отличен баланс между повърхностна твърдост и дълбочина на дифузия, както ще разгледаме в друго наше проучване, в бъдеще. Въпреки това изискването беше за малка дълбочина на дифузия – по-малко от 100 микрона.

Първо, започваме с измерване на повърхностната твърдост преди азотирането. Измерването се извършва с твърдомер по Викерс, като използваме натоварвания от 1 кг, 500 грама, 300 грама и 100 грама. Извършваме няколко измервания с всяко от натоварванията, след което изчисляваме средната стойност за всяко от тях и я нанасяме на графиката.

Сега, нека разгледаме двете основни предизвикателства, които трябва да вземем предвид. Първото е да се постигне изискването за дифузионен слой с дебелина под 100 микрона, а второто предизвикателство е да се получи равномерен дифузионен слой както върху зъбите, така и между тях. Това представлява предизвикателство поради много малкия размер на зъбните колела, които трябва да бъдат азотирани.

Подреждаме внимателно детайлите в пещта и започваме процеса. Йонното/плазменото азотиране изисква внимателно подреждане на детайлите в камерата, така че между тях да има малко разстояние, а повърхностите, които трябва да бъдат азотирани, да са видими, за да се получи добър слой.

След процеса измерваме отново повърхностната твърдсот. При по-голямо натоварване е малко по-ниска в сравнение с измерването при по-малки натоварвания. Това се дължи на факта, че измерването с по-голямо натоварване прониква по-дълбоко в слоя и достига до място с по-малко атоми на азот, докато най-малкото натоварване от 100 g най-вероятно ще ни покаже най-точната твърдост на повърхността, тъй като ще проникне по-малко в повърхността и ще има по-висок процент на дифундиран азот. В повечето случаи, то дори ще проникне едва в образувалия се бял слой.

Измерването на повърхностната твърдост по Викерс е неразрушителен метод, но за да измерим дълбочината на азотирането, трябва: да отрежем пробата; да поставим напречното сечение в матрица; и да го полираме.
Има два основни начина за определяне на дълбочината на дифузия след измерването: обща дълбочина  и ефективна дълбочина на слоя. За целите на настоящото проучване обаче ще разгледаме общата дълбочина на повърхностното покритие.
Общата дълбочина на повърхностното покритие се измерва при натоварване от 50 HV, добавени върху измерената твърдост на сърцевината на материла. Затова първо трябва да определим твърдостта в сърцевината.
Извършваме няколко измервания в сърцевината, което се прави приблизително в центъра на напречното сечение. Намаляваме натоварването до 50 g, защото искаме да бъдем по-прецизни при измерването на дълбочината. Отново правим няколко измервания и получаваме средната стойност, която в този случай е около 375 HV.
Сега ще измерим твърдостта в дълбочина, като започнем от върха на зъба и се спускаме надолу към сърцевината.

Ще извършим същите измервания и между зъбите.
На всяко място се правят няколко измервания, за да се потвърди, че резултатите са еднородни. По този начин ще получим графика на твърдостта в дълбочина. Колкото повече се отдалечаваме от повърхността, толкова повече ще измерваме в зони с по-малко дифундиран азот, което означава по-ниска твърдост, докато достигнем сърцевината. И по този начин можем да определим докъде стига слоят. Извършваме същите измервания и между зъбите и наслагваме двете графики една върху друга, за да видим, че е постигната еднородност. Дълбочината на дифузия е еднаква както върху зъбите, така и между тях.

И накрая ще разгледаме металографията на пробата. Ще я подложим на ецване в разтвор на азотна киселина, след което ще я разгледаме под микроскоп при различни увеличения.

В заключение можем да кажем, че йонното азотиране на стомана от марка AISI 4142 е изключително подходящо, като осигурява висока повърхностна твърдост и добра дълбочина на дифузия, дори когато се изисква тя да бъде по-малка от обичайната за тази стомана. Най-важното е, че въпреки малките размери на зъбните колела, е постигната отлична еднородност на дифузионния слой както върху зъбите, така и между тях и това не представлява проблем при йонното азотиране.

Не пропускайте да видите видеото ни с визуално обяснение (на английски език):