Способ ионно-плазменного азотирования длинномерной стальной детали


 


Владельцы патента RU 2528537:

Открытое акционерное общество "Ижевский завод нефтяного машиностроения" (ОАО "Ижнефтемаш") (RU)

Изобретение относится к способу ионно-плазменного азотирования длинномерной стальной детали. Способ включает нагрев детали, изотермическую выдержку, предварительное азотирование, окончательное азотирование и охлаждение. Начинают охлаждение с температуры 530°C до 370-390°C в течение 100-140 минут в плазме тлеющего разряда. Затем проводят охлаждение до 240-260°C в течение 100-140 минут. Окончательное охлаждение до 140-160°C в течение 100-140 минут проводят в печи без воздействия плазмы. Подачу ионизирующих газов осуществляют циклически. При нагреве с температуры 200-220°C ведут подачу газовой смеси водород, азот, метан в течение 15-20 минут, далее до температуры нагрева 400-440°C в течение 100-140 минут и при изотермической выдержке в течение 20-40 минут осуществляют подачу водорода, а при дальнейшем нагреве до 480°C подают водород в течение 20-30 минут. Предварительное азотирование ведут с участием водорода и азота в течение 100-140 минут, а окончательное азотирование ведут с участием азота, водорода и метана в течение 14-16 часов. Охлаждение с температуры 530°C - 370-390°C ведут в среде азота и водорода в течение 120 минут и дальнейшее охлаждение до 150-170°C в течение 240 минут ведут с участием только азота. В результате достигается сохранение геометрических размеров длинномерных стальных деталей за счет отсутствия деформации деталей после обработки и сохранения поверхности металла от образования окисной пленки.

 

Изобретение относится к области химико-термической обработки и может быть использовано при ионно-плазменном азотировании стальных изделий, например для обработки цилиндров скважинных насосов.

Известен способ изготовления деталей из конструкционных сталей (патент RU №2250273, МПК C23C 8/26, опубл. 20.042006 г.), включающий улучшение, черновую обработку, стабилизирующий отпуск, окончательную механическую обработку, которую ведут путем двухкратной чистовой механической обработки с промежуточным и окончательным отпуском в селитровой ванне при температуре 520-540°C в течение 0,25-0,5 ч. Двухступенчатое газовое азотирование ведут с выдержкой в атмосфере аммиака сначала при температуре 510-515°С, затем при 540-545°C проводят в постоянном магнитном поле напряженностью 100-150 Э в течение 1-2 ч с последующим охлаждением со скоростью 20-30°C/мин.

Недостатком известного изобретения является то, что данный вид азотирования неприемлем для обработки длинномерных трубных деталей, при котором неизбежен процесс коробления деталей, что приводит к необходимости введения последующих дополнительных операций правки и хонингования. Для достижения нормативных требований азотированные цилиндры с высокой твердостью покрытия подвергаются правке и хонингованию, что недопустимо. В результате нарушается азотированная рабочая поверхность и резко снижается ее коррозионная стойкость. Недостаток заключается также в длительности процесса азотирования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ ионно-вакуумного азотирования длинномерной стальной детали в тлеющем разряде (патент RU №2419676, МПК C23C 8/36, опубл. 27.05.2011 г.), включающий нагрев детали при температуре 400-500°C, изотермическую выдержку в течение 20-30 мин, предварительное азотирование при температуре 480-510°C в течение 60-120 мин, окончательное азотирование при температуре на 20-50°C выше температуры предварительного азотирования в течение 8-16 часов и охлаждение до 350-400°C в течение 40-60 мин.

При данной химико-термической обработке длинномерных стальных деталей в связи с прекращением охлаждения деталей в печи при температуре 350-400°C и при выгрузке их из печи происходит ускоренное остывание до температуры окружающей среды. Вследствие чего возможны возникновения внутренних напряжений. Поэтому не удается избежать деформаций длинномерной детали, особенно тонкостенных длинных цилиндров, к которым предъявляются повышенные требования по обеспечению прочности и износостойкости. Другим недостатком является то, что подачу азотсодержащей газовой среды осуществляют в течение всего цикла, что ведет к увеличенному расходу газа. Кроме того, при контакте горячего металла с воздухом на нем происходит образование окислов (посинение поверхности металла).

Технической задачей предлагаемого изобретения является сохранение геометрических размеров длинномерных стальных деталей за счет отсутствия деформации деталей после азотирования и сохранение поверхности металла от образования окисной пленки.

Поставленная техническая задача достигается тем, в способе ионно-плазменного азотирования длинномерной стальной детали, включающем нагрев детали, изотермическую выдержку, предварительное азотирование, окончательное азотирование и охлаждение, согласно изобретению процесс охлаждения осуществляют последовательно, начиная с температуры 530°C до 370-390°C в течение 100-140 минут в плазме тлеющего разряда, далее до 240-260°C проводят в течение 100-140 минут и окончательное охлаждение до 140-160°C в течение 100-140 минут проводят в печи без воздействия плазмы, подачу ионизирующих газов осуществляют циклически, причем при нагреве до температуры 200-220°C ведут подачу газовой смеси водород, азот, метан в течение 15-20 минут, далее до температуры нагрева 400-440°C в течение 100-140 минут и при изотермической выдержке в течение 20-40 минут осуществляют подачу водорода, при дальнейшем нагреве до 480°C подают водород в течение 20-30 минут, предварительное азотирование ведут с участием водорода и азота в течение 100-140 минут, а окончательное азотирование ведут с участием азота, водорода и метана в течение 14-16 часов, охлаждение с температуры 530°C - 370-390°C ведут в среде азота и водорода в течение 120 минут и дальнейшее охлаждение до 150-170°C в течение 240 минут ведут с участием только азота.

Охлаждение обрабатываемых деталей по вышеуказанной схеме позволяет выполнить процесс охлаждения в замедленном мягком режиме, что исключает резкое остывание деталей с ускоренным формированием микрокристаллической структуры металла, ведущее к появлению внутренних напряжений и, как следствие, деформации. Контакт металла с воздухом при извлечении деталей при температуре 140-160°C не ведет к образованию оксидной пленки на поверхности. Таким образом, замедленное охлаждение длинномерной детали до температуры 140-160°C позволяет получить необходимую геометрическую точность без последующей механической обработки правки и хонингования. Цикличность подачи газовой смеси ведет к ее экономному расходованию.

Способ осуществляется следующим образом.

Технологический процесс химико-термической обработки азотируемых длинномерных стальных деталей представлен в следующей последовательности. Обрабатываемые длинномерные детали помещают в вакуумную камеру и осуществляют их нагрев в плазме тлеющего разряда. При нагреве с температуры 200-220°C ведут подачу газовой смеси водород, азот и метан в течение 15-20 минут. Далее нагрев ведут до температуры 400-440°C в течение 100-140 минут и осуществляют подачу водорода. Затем осуществляют изотермическую выдержку в течение 20-40 минут с подачей также водорода. Предварительное азотирование ведут с участием водорода и азота в течение 100-140 минут, а окончательное азотирование в среде азота, водорода и метана в течение 14-16 часов при температуре 520-540°C. Процесс охлаждения ведут последовательно. Охлаждение деталей осуществляют с температуры 520-540°C до 370-390°C, окончательное охлаждение до температуры 150-170°C проводят в печи без воздействия плазмы в течение 200-280 минут только в среде азота.

Пример. Предлагаемым способом обрабатывали цилиндры скважинных насосов из стали 38Х2МЮА длиной 4277 мм, внутренний диаметр 31,75 мм, наружный диаметр 40,75 мм. Цилиндры загружали в печь в специальной оснастке по 48 штук. В начале процесса для вытеснения атмосферного воздуха из объема печи подавали газ (водород, азот, метан) при температуре 210°C в течение 18 минут. Далее нагрев печи до температуры 420°C осуществляли только в среде водорода в течение 120 минут с последующей изотермической выдержкой 30 мин. Нагрев до температуры 480°C осуществляли также с подачей водорода в течение 25 минут. Затем предварительное азотирование вели дополнительно с участием азота в течение 120 минут. Окончательное азотирование выполняли в среде азота, водорода и метана в течение 16 часов при температуре 530°C. После 16-часовой выдержки проводили последовательное охлаждение. Охлаждение с температуры 530°C до t 380°C проводили с участием азота и водорода в плазме тлеющего разряда в течение 120 минут. Дальнейшее охлаждение с t 380°C до t 250°C проводили в течение 120 минут и окончательное охлаждение до температуры 150°C в течение 120 минут осуществляли без воздействия плазмы только в среде азота. При температуре 150°C осуществляли выгрузку цилиндров из печи.

В результате получили технологический процесс азотирования с увеличением выхода годных цилиндров по геометрическим характеристикам с 98% до 99,7%, с полным отсутствием окисного посинения поверхности цилиндров и с полным соответствием азотированного слоя предъявляемым требованиям.

Таким образом, использование предлагаемого способа азотирования длинномерной стальной детали позволяет за счет замедленного охлаждения до температуры, незначительно превышающей температуру окружающей среды, обеспечить сохранение требуемых геометрических характеристик обработанной детали и исключить оксидирование поверхности деталей. Благодаря этому обеспечивается бездеформационное и качественное упрочнение, что благоприятно влияет на эксплуатационные характеристики, и повышается экономическая эффективность производства.

Способ ионно-плазменного азотирования длинномерной стальной детали, включающий нагрев детали, изотермическую выдержку, предварительное азотирование, окончательное азотирование и охлаждение, отличающийся тем, что процесс охлаждения осуществляют последовательно, начиная с температуры 530°C до 370-390°C в течение 100-140 минут в плазме тлеющего разряда, далее охлаждение до 240-260°C проводят в течение 100-140 минут и окончательное охлаждение до 140-160°C в течение 100-140 минут проводят в печи без воздействия плазмы, подачу ионизирующих газов осуществляют циклически, причем при нагреве с температуры 200-220°C ведут подачу газовой смеси из водорода, азота, метана в течение 15-20 минут, далее до температуры нагрева 400-440°C в течение 100-140 минут и при изотермической выдержке в течение 20-40 минут осуществляют подачу водорода, а при дальнейшем нагреве до 480°C подают водород в течение 20-30 минут, предварительное азотирование ведут с участием водорода и азота в течение 100-140 минут, а окончательное азотирование ведут с участием азота, водорода и метана в течение 14-16 часов, причем охлаждение с температуры 530°C до 370-390°C ведут в среде азота и водорода и дальнейшее охлаждение до 150-170°C ведут с участием только азота.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам повышения механических свойств приповерхностных слоев деталей машин из сплавов на основе железа с получением субмикро- или наноструктурированного состояния диффузионных слоев.

Изобретение относится к способу формирования микроструктурированного слоя нитрида титана. Формирование микроструктурированного слоя нитрида титана осуществляют путем воздействия на титановую подложку фемтосекундным лазерным излучением с энергией в импульсе порядка 100 мкДж и с плотностью мощности в импульсе порядка 1013 Вт/см2 в среде жидкого азота.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способу азотирования деталей узлов трения скольжения с получением наноструктурированного приповерхностного слоя.
Изобретение относится к способам повышения стойкости металла к коррозии и может быть использовано в подземном трубопроводном транспорте. .
Изобретение относится к области обработки поверхности длинномерных прецизионных цилиндров скважинных насосов, работающих в условиях абразивного износа. .

Изобретение относится к вакуумной ионно-плазменной технологии, а именно к устройствам для обработки длинномерных изделий. .

Изобретение относится к способу получения изделий из материала на основе титана с покрытием, представляющих собой полусферическую головку медицинской полусферической фрезы.
Изобретение относится к области химико-термической обработки сталей ионно-вакуумным азотированием и может быть использовано для упрочнения деталей с резьбовой поверхностью.

Изобретение относится к области металлургии, а именно способам химико-термической поверхностной обработки титановых сплавов, и может быть использовано в машиностроении для повышения износостойкости и коррозионной стойкости деталей машин.
Изобретение относится к области обработки поверхности металлического материала и может быть использовано для обработки длинноменых прецизионных цилиндров скважинных насосов, работающих в условиях абразивного износа.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способу ионоазотирования деталей машин с использованием импульсов электромагнитного поля. Обеспечивают подачу в камеру для азотирования реакционного газа, его нагрев с одновременным генерированием в камере переменного электромагнитного поля посредством соленоида. Внутри соленоида располагают обрабатываемую деталь с направлением вектора магнитной индукции перпендикулярно обрабатываемой поверхности детали и изменением в процессе азотирования его величины с формированием прямоугольных импульсов, длительность и периодичность которых обеспечивает ускорение движения и внедрения ионов азота в обрабатываемую поверхность за счет вертикального фронта нарастания напряженности магнитного поля. Устройство для осуществления упомянутого способа содержит камеру для азотирования детали, устройство для подачи реакционного газа в упомянутую камеру на обрабатываемую деталь, нагревательное устройство и устройство для генерирования электромагнитного поля. Устройство для генерирования электромагнитного поля выполнено в виде расположенного вокруг упомянутой камеры соленоида, обеспечивающего генерирование импульсного электромагнитного поля с прямоугольными импульсами с направлением вектора магнитной индукции перпендикулярно обрабатываемой поверхности находящейся внутри него детали. Обеспечивается одновременное ускорение процесса азотирования и повышение механических свойств приповерхностных слоев материала, формирующихся в результате одновременного азотирования и воздействия как на ионы азота, так и на материал обрабатываемой детали импульсами сравнительно маломощного магнитного поля. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области термической и химико-термической обработки и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности, для поверхностного упрочнения материалов. Способ азотирования стальной детали в плазме тлеющего разряда включает катодное распыление, вакуумный нагрев детали в плазме тлеющего разряда, состоящей из смеси азотсодержащего и инертного газов, с формированием участков с разнородной структурой стали, при этом переходный участок между участками с разнородной структурой имеет микронеоднородную структуру с постепенным изменением одного вида в другой. Разнородную структуру формируют в виде макронеоднородной структуры стали посредством перфорированного экрана, выполненного с отверстиями диаметром d, причем d>4·l, где l - толщина катодного слоя, и плотно прилегающего к обрабатываемой детали, и экрана для создания эффекта полого катода, плотно прилегающего к перфорированному экрану, для обеспечения возможности получения на поверхности участков, азотированных в тлеющем разряде с эффектом полого катода, чередующихся с неазотированными участками. Обеспечивается повышение контактной долговечности и износостойкости упрочненного слоя за счет локальной обработки и создания макронеоднородной структуры материала. 4 ил., 1 пр.

Изобретение относится к области термической и химико-термической обработки и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности для поверхностного упрочнения материалов. Способ азотирования стальной детали в плазме тлеющего разряда включает размещение стальной детали и перфорированного экрана в вакуумной камере, осуществление катодного распыления, вакуумный нагрев детали в плазме тлеющего разряда, состоящей из смеси азотсодержащего и инертного газов, с формированием участков с разнородной структурой стали, при этом переходный участок между участками с разнородной структурой имеет микронеоднородную структуру с постепенным изменением одного вида в другой. Разнородную структуру стали формируют в виде макронеоднородной структуры посредством перфорированного экрана, выполненного с отверстиями диаметром d, причем 2·l<d<4·l, где l - толщина катодного слоя, и плотно прилегающего к обрабатываемой детали, для обеспечения возможности получения на поверхности чередующихся азотированных в тлеющем разряде с эффектом полого катода участков с неазотированными участками. Обеспечивается повышение контактной долговечности и износостойкости упрочненного слоя за счет локальной обработки и создания макронеоднородной структуры материала. 5 ил., 1 пр.

Изобретение относится к области термической и химико-термической обработки и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности для поверхностного упрочнения материалов. Способ азотирования стальной детали в плазме тлеющего разряда включает размещение стальной детали и перфорированного экрана в вакуумной камере, осуществление катодного распыления, вакуумный нагрев детали в плазме тлеющего разряда, состоящей из смеси азотсодержащего и инертного газов, с формированием участков с разнородной структурой стали, при этом переходный участок между участками с разнородной структурой имеет микронеоднородную структуру с постепенным изменением одного вида в другой. Разнородную структуру формируют в виде макронеоднородной структуры стали посредством перфорированного экрана, выполненного с отверстиями диаметром d, причем d>4·l, где l - толщина катодного слоя, и плотно прилегающего к обрабатываемой детали для обеспечения возможности получения на поверхности участков, азотированных в тлеющем разряде, чередующихся с неазотированными участками. Обеспечивается повышение контактной долговечности и износостойкости упрочненного слоя за счет локальной обработки и создания макронеоднородной структуры материала. 4 ил., 1 пр.
Изобретение относится к области машиностроения, к способам образования защитных покрытий на изделиях, имеющих тонкостенные и толстостенные части и выполненных из стали или титанового сплава. Проводят очистку изделий в вакуумной камере в среде инертного газа, затем осуществляют ионное травление, ионно-плазменное азотирование, чередующееся с ионным травлением, и нанесение нанокомпозитного покрытия методом физического осаждения из паровой фазы посредством магнетронов. Температуру тонкостенных и толстостенных частей изделий выравнивают во время очистки изделий в среде инертного газа, ионного травления, ионно-плазменного азотирования, чередующегося с ионным травлением, и нанесения нанокомпозитного покрытия путем размещения изделий так, чтобы тонкостенная часть одного изделия располагалась между толстостенными частями других изделий. Упомянутое нанесение нанокомпозитного покрытия проводят путем нанесения микрослоя из нанослоев толщиной 1-100 нм из титана и хрома и последующего нанесения микрослоя из нанослоев толщиной 1-100 нм из нитридов титана и хрома. В частных случаях осуществления изобретения микрослой из титана и хрома наносят толщиной 0,3-0,8 мкм путем последовательного прохождения изделия перед магнетронами с мишенями из указанных материалов. Микрослой из нитридов титана и хрома наносят толщиной 2,5-3 мкм путем последовательного прохождения изделия перед магнетронами с мишенями из титана и хрома при подаче в камеру азота. Повышается срок службы покрытия в условиях эрозии, коррозии и высоких температур. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1пр.

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов, в частности к ионному азотированию, и может быть использовано в машиностроении, автостроении и арматуростроении. Устройство для химико-термической обработки детали в несамостоятельном тлеющем разряде содержит вакуумную камеру и подложку для размещения деталей, источник питания, соединенный отрицательным полюсом с подложкой, положительным - с корпусом камеры, термоэмиссионный электрод, второй источник питания, соединенный отрицательным полюсом с термоэмиссионным электродом, положительным - с корпусом камеры, полый цилиндрический электрод, имеющий внутренний диаметр, превышающий геометрические размеры обрабатываемой детали, и термоэмиссионный электрод, расположенный коаксиально с цилиндрическим электродом. Устройство дополнительно содержит второй полый цилиндрический электрод, расположенный коаксиально первому электроду и образующий с первым электродом электростатическую линзу. Ось симметрии полых цилиндрических электродов ориентирована под углом, равным критическому углу падения ионного потока на поверхность обрабатываемой детали. Термоэмиссионный электрод расположен в фокусе электростатической линзы. Повышается предел выносливости деталей, и снижаются энергозатраты при проведении химико-термической обработки. 1 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к методу образования защитного нанокомпозитного покрытия на поверхности изделия из жаропрочного никелевого сплава, подверженного высоким температурам и механическим нагрузкам. Проводят очистку изделия и вакуумной камеры в среде инертного газа, осуществляют ионное травление, после которого осуществляют ионно-плазменную цементацию, дополнительно проводят ионное травление поверхности изделия и нанесение покрытия методом физического осаждения из паровой фазы. Ионно-плазменную цементацию с последующим ионным травлением проводят поэтапно с числом этапов N, причем N≥1, до насыщения углеродом приповерхностного слоя упомянутого изделия на глубину до 50 мкм. На поверхность изделия наносят не менее одного микрослоя из нихрома и сплава алюминия с кремнием, который состоит из нанослоев указанных материалов толщиной 1-100 нм, а затем наносят микрослой из нанослоев оксидов нихрома и сплава алюминия с кремнием толщиной 1-100 нм. В частных случаях осуществления изобретения общая толщина микрослоя из нихрома и сплава алюминия с кремнием составляет 2,3-3,0 мкм, при этом указанный микрослой наносят путем последовательного прохождения изделия перед мишенями магнетронов из указанных материалов. Толщина микрослоя из оксидов нихрома и сплава алюминия с кремнием составляет 0,5-1,5 мкм, при этом указанный микрослой наносят путем последовательного прохождения изделия перед мишенями магнетронов из указанных материалов при подаче в камеру кислорода. Обеспечивается повышение долговечности и жаростойкости никелевого сплава в условиях высокотемпературного окисления и эрозионного воздействия. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.
Изобретение относится к области технологии машиностроения и может быть использовано в процессах упрочнения деталей машин и инструментов. Способ включает воздействие на поверхность детали ионизированным газом, полученным пропусканием его через электроразряд, при этом покрытие формируют, по меньшей мере, локальным с помощью сопла, расположенного на расстоянии 8-10 мм от поверхности детали под углом 70-80° к ней, при этом в качестве ионизированного газа используют озонированный воздух, который получают с помощью коронного электроразряда силой тока 400 мкА, создаваемого внутри упомянутого сопла, а воздействие озонированным воздухом на поверхность детали осуществляют с давлением 0,2 кгс/см2 при комнатной температуре. Воздействие озонированным воздухом на деталь из титановых сплавов осуществляют в течение 3 часов, на деталь из быстрорежущих сплавов - в течение 3,5 часов, на деталь из твердых сплавов - в течение 4 часов. Применение данного изобретения позволяет значительно упростить способ формирования износостойкого покрытия, а также снизить трудоемкость и затраты на осуществление этого процесса. 3 з.п. ф-лы, 1 пр.

Изобретение относится к плазменной химико-термической обработке, а именно к способу ионно-плазменного прецизионного азотирования металлических поверхностей, и может быть использовано в машиностроении, двигателестроении, металлургии и других отраслях промышленности. Предварительно инициируют газоразрядную плазму на основе аргона. После выдержки в инициированной плазме на основе аргона в газоразрядную плазму вводят азот, подают отрицательный потенциал смещения на обрабатываемое изделие с плавным изменением его до рабочего значения и осуществляют изотермическую выдержку. После этого заменяют аргон-азотную смесь чистым азотом, создавая плазменный поток, содержащий ионы азота, повышают отрицательный потенциал смещения и температуру изделия и выполняют изотермическую выдержку в азотной плазме. В результате на поверхности изделия формируется азотированный слой со стабильно равновесной микроструктурой без хрупкой поверхностной структуры и, как следствие, увеличивается твердость, отсутствует коробление изделий, обеспечивается сохранение исходных геометрических размеров при одновременном ускорении азотирования в 3-5 раз. 5 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 пр., 6 ил.

Изобретение относится к области термической, химико-термической обработки и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности. Способ упрочнения поверхностей деталей из титановых сплавов включает азотирование с последующим отжигом. Азотирование деталей проводят в вакуумной камере в газовой смеси 15 мас.% азота и 85 мас.% аргона при температуре 650-700°C путем вакуумного нагрева в плазме повышенной плотности с эффектом полого катода. Плазму повышенной плотности формируют между деталью и экраном, выполненным с отверстиями и изготовленным из титанового сплава, затем проводят вакуумный диффузионный отжиг в аргоне при температуре 800-850°C. Повышается твердость и контактная износостойкость титановых сплавов, при меньшем давлении рабочего процесса и меньшем временем выдержки. 3 ил., 1 пр.
Наверх