Безводородное азотирование в тлеющем разряде – технологическая инновация в химико-термической обработке стальных деталей

Традиционно в теории процессов азотирования в тлеющем разряде принято считать основными компонентами разреженной газовой среды, предопределяющими интенсивность модификации поверхности металлов, заряженные частицы — молекулярные и атомарные ионы. Однако исследования последних двух десятилетий указывают, что при таком способе азотирования существенную роль играют быстрые нейтральные компоненты, которые входят в состав потока частиц, бомбардирующих металлическую поверхность. Это первая идея новой технологии азотирования в тлеющем разряде.

В принципиальном плане азотирование в тлеющем разряде может проводиться в водородсодержащих и безводородных средах. Однако в случае азотирования в водородосодержащих средах выяснилось, что в продуктах частичной диссоциации аммиака или в разреженных газовых смесях азота с водородом с применением тлеющего разряда происходит насыщение поверхности стали не только азотом, но и водородом.

Современный уровень знаний предполагает, что водород способен растворяться в стали и диффундировать в кристаллической решетке железа только в виде протонов. Обладая более высокой диффузионной подвижностью, нежели атомы азота, протоны диффундируют на большую глубину. Гидриды железа до сих пор не обнаружены. Поэтому поглощенный сталью водород может находиться в двух состояниях: ионизированном (протоны), которые растворены в кристаллической решетке железа, и молекулярном, где молекулы водорода заключены в ловушках (дефекты кристаллического строения — структуры). К таким дефектам относятся микроскопические пустоты, щели, трещины, неметаллические включения, межзеренные прослойки, межзеренные границы, а также ультрамикроскопические дефекты кристаллической решетки — вакансии, их скопления и дислокации. Все указанные дефекты, если они замкнутые, играют роль ловушек, в которых может собираться водород, поглощенный поверхностью стальной детали в процессе азотирования из разреженной газовой смеси азота с водородом.

Но самое интересное — накопление водорода в поверхностном слое может происходить путем имплантации его ионов (протонов) на глубину в несколько десятков микрометров и сопровождаться явлением похожим на блистеринг (генерировать микротрещины в плоскости параллельной поверхности, и, как следствие, изменять микро- и наноморфологию поверхности).

Такие многообразные механизмы поглощения водорода создают предпосылки для неконтролируемого изменения механических свойств азотированной стали и скорости формирования азотированного слоя. По этой причине обнаружено снижение механических свойств азотированных изделий. Наиболее интенсивно снижаются показатели пластичности. Отказаться от водорода в технологии азотирования в тлеющем разряде – это вторая идея новой технологии.

Многолетняя опытно-промышленная эксплуатация установок на основе безводородного азотирования в тлеющем разряде в разреженной газовой азот-аргоновой смеси продемонстрировала целый ряд существенных преимуществ в сравнении с технологией азотирования в водородсодержащих средах. Среди них — исключение водородного охрупчивания и экологическая чистота процесса. Новая технология впервые предлагается на российский рынок.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Комментирование запрещено