Способ химико-термической обработки изделия

Изобретение относится к области упрочняющей обработки материалов, в частности к способам химико-термической обработки изделий путем нанесения металлосодержащих покрытий различного назначения. Способ включает химико-термическую обработку изделия, изготовленного из материала, способного к насыщению неметаллами 2-го периода с образованием твердого раствора неметаллов 2-го периода и их неустойчивых соединений, при этом сначала поверхностный слой насыщают неметаллом 2-го периода и напыляют на поверхность металлы IV-V групп, после чего инициируют реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза металлов IV-V групп с неметаллами 2-го периода путем импульсного нагрева поверхности изделия до температуры Т, которую выбирают из следующих условий: Т>Т_и; Т>Т_д, где Т_и - температура инициирования реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза между металлами IV и V групп и неметаллами 2-го периода; Т_д - температура диссоциации неустойчивых соединений неметаллов 2-го периода с материалом изделия. Технический результат заключается в повышении качества обработки изделия. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области упрочняющей обработки материалов, в частности к способам химико-термической обработки изделий путем нанесения металлосодержащих покрытий различного назначения.

Из уровня техники известны способы упрочнения изделий из твердого сплава при помощи износостойкого покрытия, например нанесения покрытия вакуумно-дуговым методом с помощью холодного катода. Сущность метода в том, что к катоду и аноду подводится ток, катодом является охлаждаемая мишень из материала, который необходимо нанести на изделие, а анод это подложка с деталями (Андреев А.А., Саблев Л.П., Григорьев С.Н. Вакуумно-дуговые покрытия, г. Харьков, Ризопечать, 2010 г., с. 172-173).

Известные способы имеют один существенный недостаток: в связи с разницей в твердости покрытия и основы, в результате проявляется эффект скорлупы, т.е. хрупкое покрытие продавливается.

Наиболее близким техническим решением по технической сути и достигаемому результату - прототипом - является способ химико-термической обработки изделия путем нанесения на поверхность изделия шихты из металлов IV-V групп и неметаллов 2-го периода и возбуждения их самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (С.Н. Ткаченко. Поверхностное упрочнение деталей из высокоуглеродистых материалов в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, Восточно-Европейский журнал передовых технологий ISSN 1729-3774, 2/5 (62) 2013, с. 30-33). В результате на поверхности обработанного таким образом изделия появляется пленка с требуемыми физико-механическими и иными свойствами, повышающая эксплуатационные характеристики конструкционных и инструментальных изделий.

К недостаткам прототипа следует отнести сложность обеспечения надежного сцепления синтезированного покрытия с поверхностью изделия.

В основу изобретения положена задача надежного «интегрирования» синтезированного покрытия в поверхностный слой изделия.

Технический результат - повышение качества обработки изделия.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в способе химико-термической обработки изделия путем возбуждения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза металлов IV-V групп с неметаллами 2-го периода на его поверхности изделие изготавливают из материала, способного к насыщению неметаллами 2-го периода с образованием твердого раствора неметаллов 2-го периода и их неустойчивых соединений, неметаллом 2-го периода насыщают поверхностный слой изделия, металлы IV-V групп напыляют на поверхность изделия, после чего инициируют реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза металлов IV-V групп с неметаллами 2-го периода путем импульсного нагрева поверхности изделия, преимущественно в режиме теплового взрыва, до температуры Т так, что Т>Т_д; Т>Т_и, где Т_и - температура инициирования реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза между металлами IV и V групп и неметаллами 2-го периода, а Т_д - температура диссоциации неустойчивых соединений неметаллов 2-го периода с материалом изделия.

Изобретение поясняется изображениями:

- на Фиг. 1 - кросс-сечение режущей кромки пластины, обработанной заявленным способом;

- на Фиг. 2 - кросс-сечение режущей кромки пластины, обработанной способом-прототипом.

В основу изобретения положен принцип использования внутренней энергии химического взаимодействия исходных реагентов. Обычно реагенты в процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (далее - СВС) используются в виде тонкодисперсных порошков, жидкостей и газов. Известны подобные процессы в системах порошок-жидкость, газовзвесь, пленка-пленка. Отличительной особенностью настоящего изобретения является использование системы: массивный объект - тонкая пленка.

Заявленный способ химико-термической обработки изделия осуществляется следующим образом.

Изделие, например рабочая пластина режущего инструмента, изготавливается любым традиционным способом. При этом материал пластины должен обладать способностью к насыщению неметаллами 2-го периода (таблицы Менделеева) с образованием твердого раствора неметаллов 2-го периода и их неустойчивых соединений. Такой способностью обладает большинство конструкционных и инструментальных материалов, таких как стали, твердые сплавы, керамика и ряд других. Указанные материалы способны растворять неметаллы 2-го периода: С, N, В, О, Cl, F с образованием твердого раствора указанных неметаллов и их неустойчивых соединений, например нитриды железа, нитрид алюминия, карбид вольфрама (структурный тип hP3/2) и др. Насыщение поверхностного слоя неметаллами 2-го периода как поверхностно упрочняющая операция широко известно (например, борирование стального сельскохозяйственного инструмента с целью повышения твердости, износоустойчивости и коррозионной стойкости - см. http://elib.altstu.ru/elib/books/Files/pv201l_02_2/pdf/098plehanov.pdf). В контексте заявленного изобретения эта операция носит иное назначение - подготовка массивного объекта к участию в СВС в качестве реагента. Второй реагент - металл IV или V групп (таблицы Менделеева), к которым относятся Ti, Zr, Hf, Nb, Та, V, наносится на поверхность уже подготовленного вышеописанным образом изделия, например, напылением. В случае использования бора в качестве первого реагента, в качестве второго реагента можно использовать, например, титан с синтезированием ТiВ₂ (такое покрытие обеспечит повышение твердости, износоустойчивости и коррозионной стойкости изделия как минимум на 20% в комплексе по сравнению с простым борированием изделия). Далее изделие подвергается импульсному нагреву поверхности до температуры Т>Т_д; Т>Т_и, например, воздействием серии импульсов широкоапертурного низкоэнергетического сильноточного электронного пучка, что вызывает СВС вышеозначенных реагентов. Полученное таким образом покрытие с заданным химическим составом, нанесенное на поверхность образца, оказывается вплавленным в нее и теперь составляет с ним единое целое. Процесс проходит более эффективно в случае нагрева всей поверхности объекта в режиме теплового взрыва (тепловой взрыв сам по себе широко известен, характеризуется комплексом параметров, приведенных, например www.ism.ac.ru/sgv/rtf/113.rtf). Оценка коэффициента диффузии в таких реакциях в 10¹⁰-10¹⁵ раз больше, чем обычно наблюдается в твердой фазе. Предполагаемый механизм заключается в том, что в момент релаксации упругих напряжений происходит лавинообразное появление структурных дефектов. В этом состоянии твердое тело находится в особом состоянии, отличном от твердого, жидкого и газообразного. В этот момент оно становится проницаемым, и взрывные реакции успевают произойти. В любом случае твердофазные реакции в тонких пленках, которые являются реакциями СВС, будут происходить только при температуре выше температуры инициирования. Интенсивный перенос массы и диффузионное перемешивание на атомном уровне будут происходить только при прохождениях фронта СВС и возможного фазового разложения. После прохождения фронта диффузия в пленочном образце вновь становится незначительной.

Пример осуществления заявленного способа химико-термической обработки изделия.

Для проведения экспериментов в качестве материала основы были использованы предварительно азотированные в двухступенчатом вакуумно-дуговом разряде на глубину порядка 50 мкм пластины из быстрорежущей стали Р6М5. На пластины при помощи магнетрона наносилась тонкая, толщиной 150-250 нм, пленка Zr с целью получения в приповерхностном слое кристаллов ZrN. В нашем случае образцы были подвергнуты воздействию серии импульсов широкоапертурного низкоэнергетического сильноточного электронного пучка (НЭСП), чтобы инициировать химические реакции, в том числе твердофазные, между циркониевой пленкой и азотом, находящимися в составе основы как в свободном виде, так и в составе соединений. Обработка проводилась в установке «РИТМ-СП», которая представляет собой комбинацию источника низкоэнергетических сильноточных электронных пучков «РИТМ», и двух магнетронных распылительных систем на единой вакуумной камере. Установка позволяет осуществлять напыление пленок разных материалов на поверхность нужного изделия и последующее жидкофазное перемешивание материалов пленки и подложки интенсивным импульсным электронным пучком. Генерация НСЭП включает в себя эмиссию электронов, образование пучка в плазмонаполненном диоде и его транспортировку в плазменном канале. Использование такой схемы генерации позволяет получить пучок микросекундной длительности с плотностью тока до 1000 А/см² при ускоряющем напряжении 15-30 кВ, что является относительно небольшой величиной. Площадь единовременной обработки составляет около 50 см². В результате воздействия на образцы пучком электронов происходит нагрев поверхностного слоя сплава до Т>Т_д (500°C для нитридов железа и 1250 для WC), Т>Т_и (1150-1700°C для большинства реакций СВС), возбуждается экзотермический процесс СВС. Благодаря возбужденной СВС реакции температура в приповерхностном слое достигает значений, превышающих температуру плавления компонентов системы. В результате покрытие с заданным химическим составом, синтезированное на поверхности образца, оказывается вплавленным в него и теперь составляет с ним единое целое, что подтверждается Фиг. 1 и Фиг. 2, на которых видно, что при схожести слоев 1 (синтезированное покрытие) и 3 (тело обработанного образца - пластины), слой 2 (взаимно диффундирующие друг в друга слои 1 и 3) пластины, обработанной заявленным способом, существенно превышает слой 2 пластины, обработанной способом-прототипом (на Фиг. 2 слой 3 практически отсутствует при одинаковом с Фиг. 1 разрешении). Аналогичные результаты (методом компьютерного моделирования) получены и для других вышеозначенных реагентов в большинстве их сочетаний, что позволяет обобщить результат.

Таким образом, вышесказанное свидетельствует о том, что поставленная задача - надежное «интегрирование» синтезированного покрытия в поверхностный слой изделия - решена, а заявленный технический результат - повышение качества обработки изделия - достигнут.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к области упрочняющей обработки материалов, в частности к способам химико-термической обработки изделий путем нанесения металлосодержащих покрытий различного назначения;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

1. Способ химико-термической обработки изделия, изготовленного из материала, способного к насыщению неметаллами 2-го периода с образованием твердого раствора неметаллов 2-го периода и их неустойчивых соединений, характеризующийся тем, что насыщают поверхностный слой изделия неметаллом 2-го периода и напыляют на поверхность металлы IV-V групп, после чего инициируют реакцию самораспостраняющегося высокотемпературного синтеза металлов IV-V групп с неметаллами 2-го периода путем импульсного нагрева поверхности изделия до температуры Т, которую выбирают из следующих условий:
Т > Т_и
и
Т > Т_д,
где Т_и - температура инициирования реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза между металлами IV и V групп и неметаллами 2-го периода;
Т_д - температура диссоциации неустойчивых соединений неметаллов 2-го периода с материалом изделия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что импульсный нагрев поверхности изделия осуществляют в режиме теплового взрыва.