Суть ионно-плазменного азотирования заключается в том, что в разряженной до 200-000 Па азотсодержащей газовой среде между катодом, на котором располагаются обрабатываемые детали, и анодом, в качестве которого служат стенки вакуумной камеры, возбуждается аномальный тлеющий разряд, образующий активную среду (ионы, атомы, возбужденные молекулы). Это обеспечивает формирование на поверхности изделия азотированного слоя, состоящего из внешней – нитридной зоны и располагающейся под ней диффузионной зоны.

Варьируя состав насыщающего газа, давление, температуру и время выдержки, можно получать слои заданной структуры и фазового состава, обеспечивая строго регламентируемые свойства сталей, чугунов, титана и сплавов. Оптимизация свойств упрочняемой поверхности обеспечивается за счет необходимого сочетания нитридного и диффузионного слоев, которые врастают в основной материал. В зависимости от химического состава нитридный слой является либо y-фазой (Fe4N) либо e-фазой (Fe2-3N). e-нитридный слой является коррозийно-стойким, а y-слой - износостойким и относительно пластичным. При этом, в зависимости от целей обработки, в результате ионно-плазменного азотирования возможно получение:

диффузионного слоя с развитой нитридной зоной, обеспечивающей высокую сопротивляемость коррозии и прирабатываемость трущихся поверхностей - для деталей, работающих на износ;

диффузионного слоя без нитридной зоны – для режущего и штампового инструмента и деталей, работающих при знакопеременных нагрузках в условиях изнашивания при высоких давлениях.

В результате ионного азотирования можно улучшить следующие характеристики изделий:

износостойкость,

усталостную выносливость,

антизадирные свойства,

теплостойкость,

коррозионную стойкость.

Основным достоинством метода является стабильное качество обработки с минимальным разбросом свойств от детали к детали и от садки к садке. В сравнении с широко используемыми способами упрочняющей химико-термической обработки стальных деталей, такими, как цементация, нитроцементация, цианирование и газовое азотирование в печах, метод ионно-плазменного азотирования имеет следующие основные преимущества:

более высокая поверхностная твердость азотированных деталей,

отсутствие деформации деталей после обработки,

повышение предела выносливости и увеличение износостойкости обработанных деталей,

более низкая температура обработки, благодаря чему, в стали не происходит структурных превращений,

возможность обработки глухих и сквозных отверстий,

сохранение твердости азотированного слоя после нагрева до 600 - 650⁰С,

возможность получения слоев заданного состава,

возможность обработки изделий неограниченных размеров и форм,

отсутствие загрязнения окружающей среды,

повышение культуры производства,

снижение себестоимости обработки в несколько раз.

Преимущества ИПА проявляются и в существенном сокращении основных издержек производства. Так, например, по сравнению с газовым азотированием в печах, ИПА обеспечивает:

сокращение продолжительности обработки в 2 - 5 раз, как за счет снижения времени нагрева и охлаждения садки, так и за счет уменьшения времени изотермической выдержки,

сокращение расхода рабочих газов в 20 - 100 раз,

сокращение расхода электроэнергии 1,5 - 3 раза,

снижение деформации настолько, чтобы исключить финишную шлифовку,

улучшение санитарно-гигиенических условий производства,

полное соответствие технологии всем современным требованиям по охране окружающей среды.

По сравнению с закалкой обработка методом ИПА позволяет:

исключить деформации,

увеличить ресурс работы азотированной поверхности в 2-5 раз.

Для некоторых изделий (шестерни большого диаметра и др.) ионное азотирование является единственным способом получения готового изделия с минимальным процентом брака.

ИПА может использоваться на производстве взамен жидкостного и газового азотирования, цементации, нитроцементации и ТВЧ-закалки. Кроме того, процесс ИПА обеспечивает полную экологическую безопасность.