Azotowanie plazmowe, to wspomagany plazmowo proces termochemicznego utwardzania stosowany w celu poprawy odporności na zużycie, twardości powierzchni metalu i wytrzymałości zmęczeniowej poprzez utworzenie twardej warstwy zawierającej naprężenia ściskające.
Korzyści związane ze stosowaną metodą azotowania plazmowego
Zalety procesu azotowania gazowego można przewyższyć azotowaniem plazmowym. Zwłaszcza w przypadku stopów metali wysokostopowych – azotowanie plazmowe zapewnia wysoką twardość powierzchni, poprawiając w ten sposób odporność na zużycie, ścieranie, zacieranie i zacieranie. Wzrost wytrzymałości wynika głównie z generowania powierzchniowych naprężeń ściskających. Azotowanie stali nierdzewnej jest dobrym wyborem, gdy część musi mieć zarówno obszary azotowane, jak i zmiękczone. Możliwość tworzenia bezdyfuzyjnej warstwy kompozytowej jest często wykorzystywana w azotowaniu plazmowym przed nałożeniem powłok PVD lub CVD. Można uzyskać bowiem niestandardowe warstwy i profile twardości w trakcie odpowiedniej obróbce cieplnej.
Azotowanie plazmowe – zastosowanie
Typowe zastosowania sprawiają, że ta technika do powierzchni metalu pojawia się częściej, gdy chodzi koła zębate, wały korbowe, wałki rozrządu, podnośniki krzywkowe, części zaworów, śruby wytłaczarki, narzędzia do odlewania ciśnieniowego, matryce do kucia, narzędzia do formowania na zimno, wtryskiwacze i narzędzia do formowania tworzyw sztucznych, długie wały, osie, sprzęgła i części silników. Azotowanie plazmowe jest generalnie lepsze od odpowiednich procesów gazowych, które wymagają maskowania. Azotowanie plazmowe nadaje się do wszystkich materiałów żelaznych, ale także do stali spiekanych, żeliwa i wysokostopowych stali narzędziowych o dużej porowatości, nawet o zawartości chromu powyżej 12%. Stale nierdzewne i stopy na bazie niklu mogą być azotowane plazmowo i zachowują większość swojej odporności na korozję w niskich temperaturach. Szczególnym zastosowaniem jest azotowanie plazmowe stopów tytanu i aluminium. W przypadku dużych obciążeń dużych części maszyn, takich jak wały i wrzeciona, bardzo korzystne jest azotowanie specjalnymi stalami chromowymi i aluminiowymi, ponieważ azotowanie plazmowe daje twardość powierzchni przekraczającą 1000 HV.
Szczegóły procesu azotowania plazmowego
Azotowanie plazmowe to nowoczesny proces termochemiczny, który zachodzi w mieszaninie gazów uwalniającej azot, wodór i (opcjonalnie) węgiel. Podczas tego niskociśnieniowego procesu, pomiędzy wsadem, a ścianami pieca przykładane jest naprężenie. Wokół elementu generowane jest wyładowanie jarzeniowe o wysokim poziomie jonizacji (plazma). Na powierzchniach, na których jony są bezpośrednio naładowane, tworzą się azotki bogate w azot, które rozkładają się, uwalniając reaktywny azot na powierzchnię. Dzięki temu mechanizmowi ekranowanie można łatwo uzyskać, przykrywając odpowiedni obszar metalowym kocem. Azotowanie plazmowe umożliwia modyfikację powierzchni zgodnie z pożądanymi właściwościami. Dostosowując mieszankę gazów, możliwe jest uzyskanie warstw i rozkładów twardości dostosowanych do potrzeb klienta: od powierzchni bez warstw kompozytowych niskoazotowych o grubości do 20 mikronów po warstwy kompozytowe gazów węglowych o wysokiej zawartości azotu (azotowanie plazmowe). Zastosowany szeroki zakres temperatur sprawia, że wiele zastosowań wykracza poza możliwości procesów kąpieli gazowej lub solnej. Jedną z największych zalet plazmowej obróbki cieplnej w porównaniu z obróbką cieplną w piecu z kontrolowaną atmosferą jest jej mniejszy wpływ na środowisko. Na przykład amoniak jest powszechnie stosowany do azotowania w piecach z kontrolowaną atmosferą. Natomiast w technice azotowania plazmowego stal może być azotowana azotem i wodorem. Ponadto, azotowanie plazmowe ogrzewa tylko obrabiany przedmiot i nie wymaga ogrzewania całego wnętrza pieca, co jest wymagane w przypadku pieca z kontrolą atmosfery, a rozkład cząsteczek podgrzanego azotu jeszcze bardziej wspiera proces azotowania.
Zalety azotowania plazmowego
1. Azotowanie plazmowe jest znacznie szybsze niż inne konwencjonalne techniki azotowania.
2. Właściwa kontrola temperatury, składu atmosfery i parametrów wyładowania może skutkować doskonałą mikrostrukturą i lepszą kontrolą składu powierzchni, struktury i właściwości produktu końcowego.
3. Azotowanie plazmowe jest nieszkodliwe dla środowiska.
4. W przeciwieństwie do konwencjonalnych metod azotowania, proces ten może przebiegać w temperaturach do 350°C. Azotowanie niskotemperaturowe pozwala osiągnąć wysoką twardość powierzchni przy zachowaniu wysokiej wytrzymałości rdzenia stali hartowanej w niskiej temperaturze. Dodatkowo obróbka w tak niskich temperaturach minimalizuje zniekształcenia.
Istnieje kilka wad procesu azotowania plazmowego:
– czystość powierzchni komponentów ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania tworzeniu się niestabilnych łuków podczas cykli nagrzewania,
– części wymagają naprawy, aby uniknąć przegrzania,
– ze względu na zależność moc/obszar komponenty z różnych stopów żelaza o podobnej wielkości nie mogą być azotowane plazmowo w jednej partii,
– wysoki początkowy koszt plazmy.
Azotowanie plazmowe: proces
Azotowanie plazmowe (znane również jako pulsacyjne azotowanie plazmowe i azotowanie na zimno lub hartowanie plazmowe) to proces termochemicznej obróbki cieplnej stosowany w celu poprawy niezawodności i odporności na zużycie mechanicznie obciążonych części metalowych. Dzięki obróbce powierzchni w szczególnie delikatny sposób poprawia się wytrzymałość zmęczeniowa i ochrona materiału przed korozją. Pod wpływem ciepła azotowanie plazmowe powoduje chemiczną przemianę warstwy wierzchniej poprzez dyfuzję azotu, który tworzy azotki z materiałem obrabianego materiału. Powoduje to wzrost twardości powierzchni i znaczną poprawę odporności na zużycie. W porównaniu z konwencjonalnym procesem hartowania przedmiot obrabiany jest w znacznie niższej temperaturze, co zapewnia wysoką dokładność wymiarową w tej obróbce cieplnej. W rezultacie kosztowna obróbka końcowa detali nawęglanych nie jest już konieczna lub może zostać zredukowana do minimum, dzięki czemu azotowanie plazmowe może jeszcze bardziej oszczędzić łańcuch procesowy. Surowce często mogą być wytwarzane do ostatecznego rozmiaru w stanie miękkim i mogą być wykonane po obróbce cieplnej plazmą z niewielkim lub żadnym przetwarzaniem końcowym. Ponadto, stale poddane obróbce cieplnej o bardzo niskiej temperaturze odpuszczania mogą być przetwarzane bez utraty wytrzymałości rdzenia. W zasadzie do azotowania można stosować różne procesy. Oprócz azotowania plazmowego dobrze znane jest azotowanie kąpielowe i azotowanie gazowe. Wśród procesów hartowania szczególne miejsce zajmuje azotowanie plazmowe ze względu na swoją powtarzalność, przyjazność dla środowiska i energooszczędność.
Fizyczna zasada azotowania plazmowego
Azotowanie plazmowe jest procesem wspomaganym próżniowo. Obrabiany przedmiot tworzy katodę, a ściana pieca anodę. Po opróżnieniu zbiornika ładunku pomiędzy wsadem, a ścianą pieca przykładane jest pole elektryczne. Dostarczany gaz procesowy jest krakowany i jonizowany w polu elektrycznym. Tworzy gaz przewodzący – plazmę. Gdy prąd płynie do katody, zawarte w niej jony azotu ulegają przyspieszeniu i z dużą energią uderzają w powierzchnię przedmiotu obrabianego. Skutki powyższego procesu są następujące:
– powierzchnia atomów zostaje dokładnie oczyszczona,
– warstwy pasywacyjne (np. na stali nierdzewnej lub stali nierdzewnej i tytanie) ulegają rozpuszczeniu,
– następuje aktywacja powierzchni,
– dochodzi do podgrzewania wsadu do azotowania,
– azot dyfunduje na powierzchnię obrabianego przedmiotu, co sprawia, że zachodzi inaczej wchłanianie powstałego azotu.
Po osiągnięciu temperatury przetwarzania rozpoczyna się czas przetrzymywania. Zależy to od rodzaju materiału i wymaganej głębokości twardości azotowania. W przypadku azotowania plazmowego czas ten wynosi zwykle 12-50 godzin. W porównaniu z azotowaniem gazowym azotowanie plazmowe wymaga tylko około połowy czasu utrzymywania. Po odpowiednim czasie obróbki ciśnienie wyrównuje się poprzez napełnianie gazem. Ładunek jest następnie schładzany w kontrolowany sposób, a gotową część można wyjąć w niskiej temperaturze.
Podsumowanie
Procesy azotowania przeznaczone są do powierzchni stali, gdzie nie może dojść do większych nacisków i zmian fizycznych. Ten proces zapewnia właściwą kontrolę temperatury, mikrostukture i lepszą kontrolę składu powierzchni – nawet na specjalne odmiany stali. Nie potrzebuje ono dodatkowej obróbki cieplnej i zmniejsza zużycie ścierne maszyny. Pamiętajmy także, że z wykorzystaniem amoniaku wiąże się także proces azotowania.