Упрочнение стальных деталей плазмохимической обработкой

. . , . . , . . 




  «-» 
2021 

621.78 
34.65 
48 

:

-. . ; 
-. . 
48  
, . . 
: / . . , . . , . . .– ; 
: -, 2021. – 46. : ., .     
 ISBN 978-5-9729-0639-0 

-. , . -, .  
, , -. , . 
621.78 
34.65 

ISBN 978-5-9729-0639-0 
© . ., . ., . ., 2021 
 
© «-», 2021 
 
© . «-», 2021 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ...............................................................................................................6

ГЛАВА 1.
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЗМЕННОГО АЗОТИРОВАНИЯ ...............................8
1.1. Основные фазы и фазовые превращения в системе железо–азот .......................... 8
1.2.  Основные фазы и фазовые превращения при азотировании ................................. 9

ГЛАВА 2.
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ 
НА РЕЗУЛЬТАТЫ ПЛАЗМЕННОГО АЗОТИРОВАНИЯ ..........................................14
2.1 Влияние состава газовой смеси ............................................................................. 15
2.1.1 
Роль кислорода в реакторе ......................................................................... 15
2.1.2. Влияние добавки водорода ........................................................................ 21
2.1.3. Влияние добавки аргона ............................................................................ 30
2.2. Влияние температуры процесса ............................................................................. 31
2.3. Влияние длительности процесса ........................................................................... 49
2.4. Влияние рабочего давления газовой смеси ........................................................... 62
2.5. Влияние энергии и плотности тока ионов азота ................................................... 66

ГЛАВА 3.
ВЛИЯНИЕ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ 
К ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ..........................................................81
3.1. Подготовка деталей после их изготовления до загрузки в реактор 
для последующего азотирования ........................................................................... 81
3.1.1. Влияние шероховатости ............................................................................. 82
3.1.2. Обработка деформацией ............................................................................ 85
3.1.3. Дробеструйная (пескоструйная) обработка .............................................. 94
3.1.4. Предварительная термообработка ............................................................. 99
3.2. Очистка поверхности деталей в реакторе непосредственно
перед плазменной химико-термической обработкой ..........................................103

ГЛАВА 4.
УСТРОЙСТВА, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ 
ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ........................................................... 113
4.1 Способы нагрева деталей для плазменной химико-термической 
обработки ...............................................................................................................113
4.2. Устройства, создающие плазму в плазменных реакторах 
для химико-термической обработки ....................................................................118
4.2.1. Ионно-лучевое азотирование ...................................................................119
4.2.2. Реакторы с тлеющим разрядом .................................................................126
4.2.3 
Реакторы, использующие эффект полого катода .....................................128
4.2.4. ВЧ-источники плазмы ..............................................................................133
4.2.5. СВЧ-источники плазмы ............................................................................134
4.2.6 
Реакторы с накаливаемым катодом ..........................................................139
4.2.7. Реакторы на основе вакуумно-дугового разря да 
с накаливаемым катодом ...........................................................................143

vAB_.indd   3
29.10.2012   1:14:11

Содержание

4.2.8. Реакторы с разделением объемов возбуждения 
плазмы и обработки детали .......................................................................150
4.2.9. Реакторы с возбуждением плазмы электронным пучком ........................156
4.2.10.  Классификация реакторов по виду подаваемого 
на детали напряжения смещения .............................................................166
4.3. Плазменно-иммерсионная ионная имплантация и 
ее применение в гибридных процессах 
химико-термической обработки ...........................................................................167
4.3.1. Плазменно-иммерсионная ионная имплантация ...................................172
4.3.2. Гибридный процесс, состоящий из ПИИИ-процесса и 
обычного плазменного азотирования ......................................................183
4.3.3. Плазменно-иммерсионная ионная имплантация и 
нанесение слоя из ионов ...........................................................................186
4.4. Сравнение различных способов азотирования между собой ..............................187
4.5. Азотирование при поверхностном нагреве деталей .............................................193
4.5.1. Низкотемпературное азотирование с последующим 
импульсным нагревом ионами аргона .....................................................193
4.5.2. Применение для азотирования импульсных 
электронных пучков ..................................................................................195
4.6. Некоторые способы повышения производительности 
процесса обработки ...............................................................................................197
4.7. Выводы из главы 4 .................................................................................................201

ГЛАВА 5.
СПОСОБЫ ДОСТИЖЕНИЯ РАВНОМЕРНОГО АЗОТИРОВАНИЯ
ДЕТАЛЕЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ ........................................................................... 202
5.1 Азотирование протяженных деталей ....................................................................202
5.2. Азотирование деталей сложной формы ................................................................206
5.2.1. Эффект кромки .........................................................................................207
5.2.2. Эффект полого катода ...............................................................................214
5.3. Достижение равномерности азотирования с помощью 
активного экрана ...................................................................................................222
5.3.1. Одинарный активный экран .....................................................................223
5.3.2. Двухслойный активный экран ..................................................................238

ГЛАВА 6.
ДРУГИЕ ВИДЫ ПЛАЗМЕННОЙ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ 
ОБРАБОТКИ СТАЛЕЙ .......................................................................................... 243
6.1 Карбонизация и карбоазотирование ....................................................................243
6.1.1. Карбонизация ............................................................................................243
6.1.2. Карбоазотирование ...................................................................................259
6.1.3. Сравнение результатов азотирования, карбонизации и 
карбоазотирования ....................................................................................288
6.1.4. Комбинированные процессы, состоящие 
из азотирования и карбонизации .............................................................297
6.2. Оксидирование и оксиазотирование ....................................................................306
6.3. Сульфатирование и сульфоазотирование.............................................................322
6.4. Кадмирование........................................................................................................327

vAB_.indd   4
29.10.2012   1:14:12

Содержание 

ГЛАВА 7. 
ОСОБЕННОСТИ (ПРИМЕРЫ) ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ 
ОБРАБОТКИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ СТАЛЕЙ ...................................................... 329
7.1. Влияние концентрации легирующих элементов в различных сталях .................329
7.1.1. Низкоуглеродистые стали .........................................................................329
7.1.2. Углеродистые стали ...................................................................................336
7.1.3 
Нержавеющие стали ..................................................................................340
7.2. Влияние кристаллической структуры различных нержавеющих
сталей на результаты химико-термической обработки ........................................358
7.2.1. Ферритные по структуре стали .................................................................359
7.2.2. Аустенитные стали .....................................................................................360
7.2.3. Мартенситные стали .................................................................................380
7.2.4.  Упрочненные преципитацией стали .........................................................389

ГЛАВА 8.
ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ 
ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ
НА СВОЙСТВА НАНОСИМЫХ НА НИХ УПРОЧНЯЮЩИХ ИЛИ 
ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ................................................................................... 397 
8.1. Однослойные покрытия ........................................................................................398
8.2. Многослойные покрытия .....................................................................................411
8.3. Многослойные градиентные покрытия ...............................................................431

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 .................................................................................................. 438

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 .................................................................................................. 442

ЛИТЕРАТУРА ........................................................................................................ 446

vAB_.indd   5
29.10.2012   1:14:12

Содержание

Введение

Для увеличения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости деталей машин и механизмов обычно применяют специальные высоколегированные стали и 
другие дорогие материалы, из-за чего увеличивается стоимость всей машины. Чтобы 
снизить стоимость деталей машин, можно использовать и менее дорогие слаболегированные стали, прошедшие объемную упрочняющую термообработку. Если этого недостаточно, то применяют специальные покрытия [1] или/и поверхностную химикотермическую обработку деталей, улучшающую свойства их поверхностных слоев детали, которые зачастую определяют срок службы деталей в целом.
При химико-термической обработке поверхностные слои обрабатываемой детали 
насыщают атомами насыщающих элементов: азота (азотирование), углерода (карбонизация), бора (борирование), кадмия (кадмирование) или нескольких элементов одновременно (например карбоазотирование или сульфоазотирование). Во время химикотермической обработки нагретая деталь помещается в среду, содержащую упомянутые 
элементы. Чаще всего используют два основных вида химико-термической обработки: газовую и плазменную [27]. При газовой химико-термической обработке нагретая деталь находится в среде газа, содержащего нужный насыщающий элемент. А при 
плазменной обработке деталь погружена в плазму газа, содержащего нужный элемент, 
ионы которого обычно ускоряют к детали с помощью электрического поля. В обоих случаях распространение насыщающего элемента в объеме детали происходит под 
действием термически активированной диффузии, скорость которой определяется в 
основном температурой обработки и градиентом насыщающего элемента.
При плазменной обработке положительно заряженные ионы насыщающего элемента под действием электрического поля ускоряются по направлению к детали, бомбардируют ее и внедряются в нее. Даже при сравнительно небольшой разнице потенциалов между плазмой и деталью энергия ионов в тысячи раз больше энергии атомов 
при газовой обработке. Это дает им возможность либо преодолевать тонкие пассивирующие окисные пленки на поверхности детали и глубже внедряться в деталь при более 
низких температурах, чем при газовой химико-термической обработке, либо распылять эти пленки, что также ведет к увеличению скорости насыщения, либо, наконец, 
создавать градиент концентрации насыщающего элемента, ускоряющий диффузию.
Таким образом, скорость плазменной химико-термической обработки определяется скоростью самой медленной ее стадии – стадии диффузии. Интенсификация процесса при плазменной химико-термической обработке происходит из-за более успешной имплантации и ускорения диффузии легирующих атомов, еще и благодаря тому, 
что при бомбардировке ионами происходит образование большого числа радиационных дефектов в кристаллической решетке детали [64], то есть из-за радиационностимулированной диффузии.
Точный контроль улучшения металлургических свойств поверхности азотированной стали и хорошая воспроизводимость результатов – самые важные преимущества 
плазменного процесса азотирования.
Далее остановимся на рассмотрении плазменной химико-термической обработки, в частности азотирования, стальных образцов и деталей. В отечественной научнотехнической литературе подробное рассмотрение плазменной химико-термической 
обработки было осуществлено в книгах [64–66]. Это довольно подробные и содержательные монографии, освещающие все основные процессы химико-термической обработки. Они вышли до 2000 года. С тех пор вышло множество оригинальных статей по 
этому вопросу, поэтому в данной работе ставится задача составить обзор-справочник 
этих работ, чтобы сообщить специалистам обобщенные результаты новых современ
vAB_.indd  6
29.10.2012
1:14:12

Введение

ных исследований, подробно останавливаясь на условиях проведения современной 
химико-термической обработки и ее результатах. Причем главный упор будет сделан 
на способах обработки и достигнутых улучшениях свойств деталей. Обзор работ будет 
сделан так, чтобы каждый специалист смог бы сделать для себя конкретные выводы по 
интересующему его вопросу для используемых им технологических процессов и, кроме того, по изменению свойств обрабатываемых сталей (таблица 1 Приложения 1).
Марки сталей в таблице 1 Приложения 1 приведены так, как они заявлены в статьях, их обозначения в других стандартах можно выяснить в справочных таблицах 
[283, 284]. Указанный в таблице 1 Приложения 1 разброс концентраций легирующих 
элементов охватывает различия в составе одной и той же марки стали, определенном 
в различных работах. Точные величины концентрации элементов в использованном 
в конкретной работе образце стали приведены в большинстве этих работ. Кроме того, 
для удобства пользователей, интересующихся определенным сортом стали, в таблице 
приведены ссылки на работы, в которых исследовали обработку этих сталей, и главы 
данной книги, где они описаны.
Из-за обзорного (справочного) характера данной книги в ее объем не включены 
некоторые детали методик испытаний и измерений, но подробно представлена информация о содержании работ, особенно о технологии проведения процесса химикотермической обработки. Недостаточная для читателя информация может быть найдена по ссылкам на рассмотренные работы в обширном списке использованной литературы.
Из большого числа рассмотренных работ можно было сформулировать только общие выводы, и они сделаны в конце соответствующих разделов. Более конкретные 
выводы трудно было сформулировать, так как они сильно зависят от целей химикотермической обработки. Например, можно получить еще большую твердость, но потерять коррозионную стойкость, и наоборот. Так же и с другими параметрами. Кроме 
того, результаты обработки зависят от сорта обрабатываемой стали и ее предварительной обработки. Это рассмотрено в соответствующей специальной главе 7.
Некоторые противоречивые результаты, полученные в разных работах, объясняются особенностями используемого в них оборудования и обрабатываемых материалов. Для нахождения четких технологических рекомендаций читателю необходимо изучить в данной книге общие закономерности процесса и затем найти работы, близкие 
к его частному случаю. Поэтому жанр книги обозначен как «обзор-справочник».

vAB_.indd   7
29.10.2012   1:14:13

Введение

Рис. 1.1. Диаграмма состояния Fe-N [39, 65, 66]

ГЛАВА 1. 
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЗМЕННОГО 
АЗОТИРОВАНИЯ

1.1. 
Основные фазы и фазовые превращения в системе 
железо–азот

Основные фазы и фазовые превращения в системе железо–азот можно описать на 
основании анализа диаграммы состояния системы железо–азот [65]. На практике наибольшее значение имеет не равновесная, а метастабильная система Fe–N, диаграмма 
состояний которой приведена на рис. 1.1.
В соответствии с диаграммой состояния, показанной на рис. 1.1, в метастабильной 
системе Fe-N образуются следующие фазы [65]:
-фаза – азотистый феррит с ОЦК-решеткой с периодами, зависящими от концентрации азота, 0,286–0,287. Азот занимает поры в решетке -Fe. Растворимость азота в -фазе при эвтектоидной температуре не превышает 0,11 %, снижаясь при комнатной температуре до 0,004 масс. %;

vAB_.indd   8
29.10.2012   1:14:13

1.2. Основные фазы и фазовые превращения при азотировании

-фаза – азотистый аустенит с ГЦК-решеткой с неупорядоченным расположением 
атомов азота в междоузлиях. Периоды решетки зависят от концентрации азота и составляют 0,361–0,366. Максимальная растворимость азота в -фазе 2,8 масс. %. При 
температуре 590 °С -фаза распадается на фазы и '.
'-фаза соответствует твердому раствору на базе нитрида Fe4N. Зона гомогенности
лежит в пределах 5,3–5,75 масс. % азота. Кристаллическая '-фаза имеет ГЦК-решетку 
из атомов железа с упорядоченным расположением атомов азота в центрах элементарных кубов. Эта фаза устойчива только до 670 °С, при более высокой температуре она 
превращается в -фазу.
-фаза соответствует твердому раствору на базе нитрида Fe2-3N. Зона гомогенности
этой фазы лежит в широких пределах 4,55–11,0 масс. % азота. Основой ее кристаллического строения является плотная гексагональная упаковка атомов железа. Атомы 
азота располагаются в междоузлиях, образующих подрешетку типа графита. При температуре 650 °С -фаза распадается на и '-фазы. Содержание азота в эвтектоиде – 
4,5 масс. %. -фаза является ферромагнитной.
–, '– и –фазы и продукты их распада обладают невысокой твердостью 
(100–300 HV). -фаза имеет повышенную сопротивляемость износу и высокую стойкость против коррозии в атмосфере и пресной воде.
Перечисленные выше фазы образуются при азотировании деталей из железа с 
низкой концентрацией нитридообразующих легирующих элементов, например из 
-железа или ферритных сталей.
Концентрация азота в железе может выражаться по-разному: в массовых процентах, в атомных процентах или в объемной концентрации атомов азота в матри-
це сплава железа. Возможен пересчет одного выражения в другое. Действительно, 
так как молекулярная масса железа равна 55,85, то масса одного киломоля железа 
MFe = 55,85 кг/кмоль. Плотность железа dFe = 7,874 · 103 кг/м3, поэтому объем, занимаемый одним киломолем железа, равен MFe/dFe [м3/кмоль]. В нем содержится атомов 
железа Na= 6,02 · 1026 кмоль-1 (число Авогадро), тогда в единице объема содержится 

Fe
a
Fe

d
N
M
⋅
атомов железа, то есть 8,487 · 1028 м-3.

Если концентрацию азота в железе в атомных процентах обозначим а, то их ко
личество в единице объема железа будет
100

Fe
N
a
Fe

a
d
C
N
M
=
⋅
⋅
. Тогда масса атомов азота 

(с атомной массой MN=14) в таком объеме будет 
(
)
1
1
100

Fe
N
Fe
a
Fe

d
a M
a
M
N
M
⋅
⋅
+
−
⋅
⋅
⋅
⎡
⎤
⎣
⎦
, а 

концентрация азота в массовых процентах P будет 
(
)
1

N

N
Fe

a M
P
a M
a
M
⋅
=
⋅
+
−
⋅

. Графики для 

пересчета концентраций азота по полученным формулам представлены на рис. 1.2.
Вышеперечисленные данные о фазах позволяют пересчитать границы области гомогенности фаз из массовых процентов в атомные или объемные концентрации атомов азота в матрице сплава железа. В соответствии с этим расчетом границы областей 
гомогенности представлены в таблице 1.1.
Таким способом можно сопоставлять результаты различных исследований, авторы 
которых используют различные единицы концентрации.

1.2.  
Основные фазы и фазовые превращения при азотировании

Плазменное азотирование – плазменная химико-термическая обработка – технология насыщения поверхностных слоев стальных изделий в плазме, содержащей азот 

vAB_.indd   9
29.10.2012   1:14:22

Глава. Колонтитул
Глава 1. Основы технологии плазменного азотирования

при пониженном давлении, которая возбуждена электрическим разрядом. Модификация поверхности детали происходит за счет поступления на нее атомарного азота и 
бомбардировки ионами азота из плазмы газового разряда, имплантации его атомов через эту поверхность и дальнейшей диффузии вглубь детали.
Внедрившиеся в поверхностный слой стали атомы азота диффундируют по объему стали. В зависимости от продолжительности обработки возникает соответствующий концентрационный профиль, характеризующий распределение азота по глубине. Если на поверхности концентрация азота достигает величины, необходимой для 
образования '- и -нитрида, то отмечается образование именно этих нитридов. Они 
растут из отдельных зародышей и быстро образуют сплошной слой, называемый нитридным, или «слоем соединений». Толщина слоя, независимо от содержания азота 
в обычно применяемых средах, увеличивается в результате дальнейшего поглощения 
азота в соответствии с первым законом диффузии Фика, то есть приблизительно пропорционально корню квадратному из продолжительности обработки. Одновременно продолжается диффузия атомов азота через слой соединений вглубь металла. При 
этом скорость их диффузии через '-фазу примерно в 25 раз, а через -нитрид даже в 60 
раз меньше, чем через феррит.
В результате обработки в приповерхностных слоях стальной детали могут образоваться слои с различным содержанием азота. Наивысшей концентрацией азота обладает внешний слой фазы (Fe2–3N). За ним глубже лежит слой с меньшей концентрацией азота -фаза (Fe4N). Еще глубже находится слой -фазы (диффузионная
зона). Далее находится уже исходный материал, например фаза железа (у малоуглеродистых сталей). При недостаточной степени обработки верхние слои могут отсутствовать. Слой соединений и диффузионная зона вместе образуют азотированный слой.
В диффузионной зоне азот образует твердый раствор в железе, в котором предел 
растворимости азота в железе не превышен. Его одиночные атомы являются атомами 
внедрения. Когда концентрация азота растет по направлению к поверхности и предел растворимости в железе будет превышен, формируются очень мелкие преципитаты нитридов [58]. Еще ближе к поверхности концентрация азота настолько высока, 
что образуются нитридные слои, состоящие из фаз Fe4N и Fe2–3N.
В диффузионной зоне твердость слабо меняется и мало отличается от твердости 
исходного материала. Но когда появляются преципитаты нитридов элементов, образующих твердые нитриды, твердость увеличивается. А в зоне нитридов Fe4N и Fe2–3N, 
называемой белым слоем из-за его цвета после полировки и травления поверхности, 
достигается наивысшая твердость (рис. 1.3) [58].
При низких температурах модифицированный поверхностный слой в стали главным образом состоит из метастабильной фазы, известной как перенасыщенный аустенит, обладающей высокой твердостью и очень хорошей коррозионной стойкостью. 
Эта фаза обозначается в разных работах как N-, S-фаза или m-фаза. Эти обозначения
равнозначны, и далее будут использоваться такие, какие использовали авторы рассматриваемой конкретной работы. Когда в этой фазе появляются преципитаты нитридов 
элементов, образующих нитриды, твердость увеличивается. А в зоне нитридов Fe4N и 
Fe2–3N, называемой белым слоем из-за его цвета после полировки и травления поверхности, достигается наивысшая твердость [58].
Таким образом, при азотировании железа последовательно образуются в виде слоев фазы ' , что соответствует последовательности их расположения вдоль 
изотермы, соответствующей температуре насыщения на диаграмме состояния Fe-N 
(рис. 1.1). Двухфазные зоны могут появиться лишь при достаточно медленном охлаждении в виде избыточных выделений второй фазы в матрице основной фазы [64].

vAB_.indd   10
29.10.2012   1:14:26