36 Физико-химическая упрочняющая обработка

Ионная имплантация. В основе ионной имплантации (ионного легирования) лежит внедрение в поверхностный слой материала детали ускоренных ионизированных атомов легирующего вещества (титана, хрома, азота и др.). При ионной имплантации в поверхностном слое облучаемого материала образуются радиационные дефекты, которые приводят к изменению таких свойств материала, как микротвёрдость, прочность, пластичность, теплопроводность, электрическое сопротивление. При имплантации тонкий поверхностный слой насыщается элементом, потоком ионов которого поверхность обрабатывается (бомбардируется). Имплантированный элемент может входить в кристаллическую решётку основы в виде твёрдого тела или образовывать мелкокристаллические выделения химических соединений с компонентами материала основы. Кроме того, при внедрении иона в кристаллическую решётку инициируется смещение атомов, приводящих к образованию большого количества дефектов кристаллической решётки. Толщина этого слоя, насыщенного дефектами и вследствие этого упрочнённого, во много раз превышает глубину проникновения ионов. Ионная имплантация приводит к значительному изменению свойств поверхности по глубине: 1) слой с изменённым химическим составом до 1–9 мкм; 2) слой с изменённой дислокационной структурой до 100 мкм. Имплантация существенно снижает износ и трение, увеличивает антикоррозионные свойства металла.

Ионное азотирование. Сущность метода ионитрирования, или азотирования в плазме тлеющего разряда, заключается в том, что в герметичном контейнере создаётся разреженная азотосодержащая атмосфера. С этой целью можно использовать чистый азот, аммиак или смесь азота и водорода. Внутри контейнера размещают азотируемые детали, которые подключают к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения. Они играют роль катода. Анодом служит стенка контейнера. Между катодом и анодом включается высокое напряжение (500–1000 В). В этих условиях происходит ионизация газа. Образующиеся положительно заряженные ионы азота устремляются к отрицательному полюсу – катоду. Электрическое сопротивление газовой среды вблизи катода резко возрастает, вследствие чего почти все напряжение, подаваемое между анодом и катодом, падает на сопротивление вблизи катода, на расстоянии нескольких миллиметров от него. Благодаря этому создаётся очень высокая напряжённость электрического поля вблизи катода.

Ионы азота, входя в эту зону высокой напряжённости, разгоняются до больших скоростей и, соударяясь с деталью (катодом), внедряются в её поверхность. При этом высокая кинетическая энергия, которую имели ионы азота, переходит в тепловую. В результате деталь за короткое время, примерно 15–30 мин, разогревается до температуры 470–580°С, при которой происходит диффузия азота в глубь металла, т.е. идёт процесс азотирования. Кроме того, при соударении ионов с поверхностью детали происходит выбивание ионов железа с её поверхности. Благодаря этому происходиточистка поверхности от окисных плёнок, препятствующих азотированию. Это особенно важно для азотирования коррозионно-стойких сталей, у которых такая пассивирующая плёнка обычными способами удаляется очень трудно.

Упрочнение методами электроискровой обработки применяют для повышения: износостойкости и твёрдости поверхности деталей машин, работающих в условиях повышенных температур в инертных газах; жаростойкости и коррозионной стойкости поверхности; долговечности металлорежущего, деревообрабатывающего, слесарного и другого инструмента; создания шероховатости под последующее гальваническое покрытие; облегчения пайки обычным припоем труднопаяемых материалов (нанесение промежуточного слоя, например меди); увеличения размеров изношенных деталей машин при ремонте; изменения свойств поверхностей изделий из цветных металлов и инструментальных сталей.

Электроискровая обработка заключается в легировании поверхностного слоя металла изделия, являющегося катодом, материалом электрода (анода) при искровом разряде в воздушной среде. В результате химических реакций легирующего металла с диссоциированным атомарным азотом и углеродом воздуха, а также с материалом детали в поверхностных слоях образуются закалочные структуры и сложные химические соединения (высокодисперсные нитриды, карбонитриды и карбиды), возникает диффузионный износостойкий упрочненный слой.

Для улучшения контакта наносимого износостойкого покрытия с основным металлом перед электроискровым легированием изделие подвергают вначале воздействию ультразвука, а затем рекристаллизационному отжигу, который можно совместить с процессом нагрева изделия под закалку. В результате повышается прочность материала основы, и при последующем электроискровом легировании уменьшается возможность трещинообразования поверхностных слоёв основы, улучшается сцепление с наносимым слоем.