Способ упрочнения стальных изделий

Изобретение относится к ионной химико-термической обработке и может быть использовано в машиностроении, двигателестроении, металлургии и изготовлении инструментов. Способ ионного упрочнения стального изделия включает диффузионное внедрение ионов Н+ по всему объему изделия при его нагреве до температуры 300°C. Внедрение ионов Н+ осуществляют из ионно-плазменного потока аргона и паров воды. Обеспечивается упрочнение изделий и повышение их износостойкости.

 

Изобретение относится к ионной химико-термической обработке, а именно к упрочнению стальных изделий путем диффузионного внедрения ионов (H+) водорода по всему объему стальных изделий.

Известен способ плазменно-термической обработки изделий, при котором на поверхности изделия формируется азотированный слой со стабильно равновесной микроструктурой без хрупкой поверхностной структуры и, как следствие, увеличивается твердость, прочность, отсутствует коробление изделий, обеспечивается сохранение исходных геометрических размеров. (см. Патент № RU 2555692, C23C 14/48).

Известен способ модификации поверхности металлов и сплавов, при котором в обрабатываемую поверхность поочередно имплантируют ионы азота и ионы инертного газа. (см. Патент 2509174 от 10.03.14).

Наиболее близким способом к предложенному является способ комбинированной ионно-плазменной обработки изделий из сталей и твердых сплавов, который относится к области машиностроения, в частности к технологии упрочнения и повышения износостойкости инструментов и деталей, включающий комбинированную ионно-плазменную обработку изделий из стали и твердых сплавов в газоразрядной плазме, содержащей ионы аргона. Затем осуществляют диффузионное насыщение изделий, при котором в газоразрядную плазму магнетронным распылением мишени-катода вводят ионы компонентов твердого вещества, входящих в состав наносимого покрытия. В частных случаях осуществления изобретения газоразрядная плазма, в которой проводят диффузионное насыщение или нанесение покрытия, содержит ионы аргона и азота и формируется газовым плазмогенератором. (см. RU 2370570, C23C 26/00, C23C 14/06, 20.10.2009).

К недостаткам известного способа можно отнести то, что упрочнение изделий происходит только за счет упрочнения их поверхностных слоев, глубинные области изделий остаются без изменений. Например, при штамповке в таких изделиях разрушение наступает с внутренних областей и, развиваясь, выходит на поверхность, что приводит к полному их разрушению.

Задачей изобретения является упрочнение стальных изделий по всему объему тела.

Поставленная задача достигается тем, что упрочнение стального изделия проводят диффузионным внедрением ионов Н+ по всему объему изделия при его нагреве до температуры 300°C, при этом внедрение ионов Н+ осуществляют из ионно-плазменного потока аргона и паров воды.

Осуществление способа поясняется следующим.

Структура стальных изделий состоит из зерен, поверхность которых не обладает строгой периодичностью в расположении атомов, поэтому связь между зернами не является идеальной и прочной. Кроме того, в структуре металла имеются дефекты кристаллического строения, которые образуются при литье: точечные и линейные дефекты, усадочные раковины. Для получения изделий с повышенными прочностными характеристиками проводят отжиг и нормализацию, основная цель которых является перекристаллизация, ликвидация дефектов, устранение внутренних напряжений.

Отжиг, без сомнения, приносит положительные результаты, но не позволяет в разы повысить эксплуатационные свойства изделий. Повысить эксплуатационные характеристики стальных изделий позволяет созданный нами метод диффузионного внедрения ионов (Н+) в тело стальных изделий по всему объему.

Суть метода

Металлическая связь между атомами металла в зерне обеспечивается переходом валентных электронов одного атома на свободные и близкие по энергии орбитали соседних атомов, в результате образуются ионы в узлах кристаллической решетки. Электроны обладают высокой подвижностью, и металлическая связь формируется между свободными электронами и ионами атомов в узлах кристаллической решетки путем их взаимного притяжения.

На поверхности зерен картина другая. Согласно принципу Паули в атоме не может быть больше 2-х электронов, у которых все четыре квантовых числа одинаковые. Поэтому у поверхностного атома железа, который может выделить 3 электрона на образование связей, один электрон задействован в образовании кристаллического строения зерна, один осуществляет связь между зернами путем спаривания с электроном атома соседнего зерна, а один находится в относительно свободном состоянии.

Электроны, обладающие свободой перемещения, имеются на всех поверхностях зерен, они создают свои собственные электромагнитные поля отрицательного заряда и при сближении зерен возникают силы отталкивания между соседними зернами. Два одноименных заряда отталкиваются - Закон Кулона. Очевидно, чтобы исключить силы отталкивания, необходимо как исключить свободу перемещения свободных электронов, так и уменьшить напряженность электромагнитного поля отрицательного заряда и обеспечить дополнительную связь между зернами.

Для решения поставленной задачи создан метод диффузионного внедрения ионов (Н+) в тело стальных изделий по всему объему. Ионы образуются в низкотемпературной плазме аргона с парами воды.

Среднемассовая температура плазмы выше 1000°C и при такой температуре происходит диссоциация молекул воды по реакции: H2O=H+ + OH-. Ион (H+) адсорбируется поверхностью, имеет электрический заряд +1, отношение размера элементарной ячейки железа к размеру иона равно, примерно, 10*5, поэтому ион легко проникает внутрь изделий по всему объему.

Свободный ион стабилен, является мощным акцептором электронов и, как следствие, осуществляет донорно-акцепторное взаимодействие. Накачка ионов внутрь стальных изделий приводит к тому, что между свободными электронами поверхностных атомов соседних зерен и ионами возникнет электростатическое притяжение. Поверхностные электроны зерен уже не являются свободными, а через ион связаны между собой. Сила связи между зернами увеличивается, что приводит к увеличению прочностных характеристик изделий.

Пример осуществления способа

Штампы для вырубки гаечных ключей, упрочненные по новому способу, выдержали 120000 циклов и не разрушились, а заводские - 10000 циклов и разрушились.

Предлагаемый способ позволит упрочнять: ударные инструменты - штампы, пуансоны, кузнечный молот; валки прокатных станов; зубья шестерен и экскаваторов; гусеницы танков и тракторов; бронежилеты и другое, что необходимо для промышленности.

Способ ионного упрочнения стального изделия, включающий нагрев стального изделия, отличающийся тем, что упрочнение проводят диффузионным внедрением ионов Н+ по всему объему изделия при его нагреве до температуры 300°C, при этом внедрение ионов Н+ осуществляют из ионно-плазменного потока аргона и паров воды.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к металлургии, а именно к способам химико-термической обработки деталей из легированных инструментальных сталей, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения режущего инструмента.

Изобретение относится к способу восстановления частично удаленного упрочненного ионным азотированием слоя стальной детали. Проводят электроэрозионное легирование графитовым электродом (ЦЭЭЛ) с энергией разряда, при которой зона термического влияния при легировании не превышает толщины остатка поверхностного слоя стальной детали, упрочненного упомянутым ионным азотированием.

Изобретение относится к области термической и химико-термической обработки и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности для обработки широкого ассортимента деталей машин и инструмента, изготовленных из стали.

Изобретение относится к линии изготовления азотированного листа из текстурированной электротехнической стали и к способу изготовления листа из указанной стали с использованием данной линии.

Изобретение относится к линии изготовления азотированного листа из текстурированной электротехнической стали и к способу изготовления азотированного листа из текстурированной электротехнической стали с использованием упомянутой линии.

Изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим способам обработки деталей, в частности к электроэрозионному легированию графитовым электродом и ионному азотированию поверхностей стальных деталей.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к химико-термической обработке изделий из инструментальных сталей. Для увеличения глубины азотируемого слоя за короткий промежуток времени, повышения износостойкости перетачиваемого инструмента, изготовленного из отожженной заготовки, инструмент нагревают в вакуумной камере в среде аргона при давлении 0,2-0,67 Па до температуры не ниже 450° и не выше Ac1-(50-70)°C с обеспечением ионной очистки поверхности, затем при указанной температуре нагрева осуществляют ионно-плазменное азотирование в плазме азота или смеси газов аргона и азота с концентрацией азота не менее 20% путем двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, при этом сила тока дуги составляет (80-100)±0,5А, а сила тока дополнительного анода - (70-90)±0,5 А при подаче на инструмент напряжения смещения в диапазоне от -50 В до -900 В в течение 0,5-2 час, охлаждение ведут в камере, а закалку и отпуск проводят по стандартному режиму для данной стали с получением азотированного слоя глубиной 2-2,5 мм.

Изобретение относится к способу получения упрочненного сплава, имеющего металлическую основу, в объеме которой диспергированы наночастицы, из которых по меньшей мере 80% имеют средний размер от 0,5 нм до 50 нм.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к способу комбинированной химико-термической обработки деталей машин. Способ комбинированной химико-термической обработки деталей машин из теплостойких сталей включает циклическую цементацию деталей и закалку.

Изобретение относится к способу ионной имплантации поверхностей детали из конструкционной стали и может быть использовано в машиностроении для повышения эксплуатационных свойств деталей машин и механизмов.
Изобретение относится к металлургии, а именно к способам химико-термической обработки деталей из легированных инструментальных сталей, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения режущего инструмента.
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из сплава на основе титана, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей, работающих в парах трения.
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из сплава на основе никеля, и может быть использовано для изготовления деталей и узлов горячего тракта газотурбинных авиационных двигателей, стационарных газотурбинных установок и других изделий, работающих при высоких температурах.
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из сплава на основе кобальта, и может быть использовано для изготовления деталей и узлов горячего тракта газотурбинных авиационных двигателей, стационарных газотурбинных установок и других изделий, работающих при высоких температурах.
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из титана, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей, работающих в парах трения.

Изобретение относится к ионно-лучевой вакуумной технологии получения материалов со специальными свойствами, в частности к способу поверхностной обработки углеродистой стали, и может быть использовано для изготовления деталей машин и механизмов, работающих в сложных условиях.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к химико-термической обработке изделий из инструментальных сталей. Для увеличения глубины азотируемого слоя за короткий промежуток времени, повышения износостойкости перетачиваемого инструмента, изготовленного из отожженной заготовки, инструмент нагревают в вакуумной камере в среде аргона при давлении 0,2-0,67 Па до температуры не ниже 450° и не выше Ac1-(50-70)°C с обеспечением ионной очистки поверхности, затем при указанной температуре нагрева осуществляют ионно-плазменное азотирование в плазме азота или смеси газов аргона и азота с концентрацией азота не менее 20% путем двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, при этом сила тока дуги составляет (80-100)±0,5А, а сила тока дополнительного анода - (70-90)±0,5 А при подаче на инструмент напряжения смещения в диапазоне от -50 В до -900 В в течение 0,5-2 час, охлаждение ведут в камере, а закалку и отпуск проводят по стандартному режиму для данной стали с получением азотированного слоя глубиной 2-2,5 мм.
Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может использоваться в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты пера лопаток компрессора от эрозии и солевой коррозии при температурах эксплуатации до 800°C.
Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты пера лопатки компрессора от эрозии и солевой коррозии при температурах эксплуатации до 800 °C.

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для формирования покрытий путем импульсно-периодического плазменного осаждения, а также для изменения механических, химических, электрофизических свойств приповерхностных слоев материалов. Способ импульсно-периодического плазменного формирования покрытия с диффузионным слоем карбида молибдена на изделии из молибдена включает генерирование плазмы непрерывным вакуумно-дуговым разрядом и формирование диффузионного слоя при импульсно-периодическом ускорении ионов из плазменного потока. Формирование упомянутого покрытия на обрабатываемом изделии осуществляют путем последовательной подачи импульсов напряжения переменной полярности, формирующих импульсные потоки ускоренных ионов и электронов, при этом обеспечивают разогрев изделия до температуры 700-1000 K за интервал времени (te34), соответствующий длительности импульсов электронного тока, поступающего на изделие, и осаждение ускоренных ионов плазменного потока за интервал времени (ti12), соответствующий длительности импульсов ионного тока, поступающего на изделие, при этом устанавливают соотношение (te34)≥(ti12). Обеспечивается получение покрытий высокого качества с достижением высокой скорости роста формируемого покрытия и, как следствие, повышение эксплуатационных свойств обрабатываемых изделий. 3ил.

Изобретение относится к ионной химико-термической обработке и может быть использовано в машиностроении, двигателестроении, металлургии и изготовлении инструментов. Способ ионного упрочнения стального изделия включает диффузионное внедрение ионов Н+ по всему объему изделия при его нагреве до температуры 300°C. Внедрение ионов Н+ осуществляют из ионно-плазменного потока аргона и паров воды. Обеспечивается упрочнение изделий и повышение их износостойкости.

Наверх