Influence of surface pre-heating on the nitriding depth of steel 25CrMoVA used complex ion-plasma treatment

Abstract

In the method of nitriding elements, various methods of their thermal heating are used. The simplest heating method in ion-plasma nitriding is heating by bombarding the surface first with low-energy gas ions and then with metal ions with energies up to several kiloelectronvolt. Elements exposed to ion bombardment have a welldeveloped surface that is free from contaminants and facilitates the diffusion of nitrogen into the depth of the metal during nitriding. The paper studies the effect of various preliminary heating methods on the nitriding depth in the complex ion-plasma hardening technology of 25CrMoVA steel. A JSM 7000-1F scanning electron microscope equipped with an X-ray spectral energy dispersive microanalysis attachment was used to diagnose changes occurring on the surface of the samples and at depth; the hardness was measured using a Nanoindentor G200 device. The preliminary heating of the samples was carried out both with the use of bombardment with Ti or Mo ions, and without its direct effect on the heated surface. In the experiment, differences in the depth of hardening of the nitrided layer of steel are observed when it is heated in different ways. When bombarded with Mo ions, the greatest depths of hardening were obtained in comparison with other preliminary heating conditions. It is shown that these differences are associated with the features of the morphology of the steel surface formed as a result of sputtering processes. The formation of nitride compounds in its surface layer can serve as a barrier that slows down the penetration of nitrogen into the metal. It is shown that with complex treatment in the process of deposition of a nitride coating on the surface of nitrided steel, an additional increase in the depth of hardening of the nitrided layer occurs.

В технології азотування деталей використовують різні способи їх термічного нагріву. Найбільш простим способом нагріву при іонно-плазмовому азотуванні є нагрів за допомогою бомбардування поверхні спочатку газовими іонами низьких енергій, а потім іонами металів з енергіями до декількох кілоелектронвольт. Деталі, які піддавалися іонному бомбардуванню, мають очищену від забруднень і розвинену поверхню, що сприяє дифузії азоту вглиб металу при азотуванні. В роботі досліджено вплив різних способів попереднього нагріву на глибини азотування при комплексній іонно-плазмовій технології зміцнення сталі 25Х1М1Ф. Для діагностики змін, що відбуваються на поверхні зразків і на відстані від неї вглиб металу, застосовували скануючий електронний мікроскоп JSM 7000-1F, оснащений приставкою рентгеноспектрального енергодисперсійного мікроаналізу, і проводили вимірювання твердості за допомогою приладу Nanoindentor G200. Попередній нагрів зразків здійснювався як з використанням бомбардування іонами Ti або Mo, так і без його безпосереднього впливу на поверхню, що нагрівалася. В експерименті спостерігаються відмінності за глибиною зміцнення азотованого шару сталі при її нагріванні різними способами. При бомбардуванні іонами Мо отримані найбільші глибини зміцнення в порівнянні з іншими умовами попереднього нагрівання. Показано, що ці відмінності пов'язані з особливостями морфології поверхні сталі, сформованої в результаті розпилювальних процесів. Утворення нітридних з'єднань в її поверхневому шарі може служити бар'єром, що уповільнює проникнення азоту в метал. Показано, що при комплексній обробці в процесі осадження нітридних покриттів на поверхню азотованої сталі відбувається додаткове збільшення глибини зміцнення азотованого шару.

В технологии азотирования деталей используют различные способы их термического нагрева. Наиболее простым способом нагрева при ионно-плазменном азотировании является нагрев с помощью бомбардировки поверхности сначала газовыми ионами низких энергий, а затем ионами металлов с энергиями до нескольких килоэлектронвольт. Детали, подвергнутые ионной бомбардировке, имеют очищенную от загрязнений и развитую поверхность, способствующую диффузии азота в глубину металла при азотировании. В работе исследовано влияние различных способов предварительного нагрева на глубину азотирования при комплексной ионно-плазменной технологии упрочнения стали 25Х1М1Ф. Для диагностики изменений, происходящих на поверхности образцов и на расстоянии от нее в глубину металла, применяли сканирующий электронный микроскоп JSM 7000-1F, оснащенный приставкой рентгеноспектрального энергодисперсионного микроанализа, и производили измерения твердости с помощью прибора Nanoindentor G200. Предварительный нагрев образцов осуществлялся как с использованием бомбардировки ионами Ti или Mo, так и без ее непосредственного воздействия на нагреваемую поверхность. В эксперименте наблюдаются различия по глубине упрочнения азотированного слоя стали при ее нагреве разными способами. При бомбардировке ионами Мо получены наибольшие глубины упрочнения по сравнению с другими условиями предварительного нагрева. Показано, что эти различия связаны с особенностями морфологии поверхности стали, сформированной в результате распылительных процессов. Образование нитридных соединений в ее поверхностном слое может служить барьером, замедляющим проникновение азота в металл. Показано, что при комплексной обработке в процессе осаждения нитридного покрытия на поверхность азотированной стали происходит дополнительное увеличение глубины упрочнения азотированного слоя.