Способ низкотемпературного ионного азотирования стальных деталей

Изобретение относится к обработке металлов поверхностной пластической деформацией и вакуумному ионно-плазменному азотированию и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности для обработки широкого ассортимента деталей машин и инструмента, изготовленных из сталей. Способ низкотемпературного ионного азотирования стального изделия в плазме тлеющего разряда включает катодное распыление, вакуумный нагрев изделия в плазме тлеющего разряда, состоящей из смеси азотосодержащего и инертного газов. Указанный нагрев изделия в плазме тлеющего разряда проводят при температуре 430оС, причем сначала осуществляют поверхностную интенсивную пластическую деформацию посредством ультразвуковой обработки поверхности стального изделия с подачей инструмента S=2 м/мин, рабочей частотой f=22 кГц и частотой вращения детали N=30 об/мин. Обеспечивается осуществление низкотемпературной обработки в тлеющем разряде и повышение прочностных, трибологических характеристик поверхности, контактной долговечности и износостойкости стальных деталей. 4 ил., 1пр.

 

Способ относится к области обработки металлов поверхностной пластической деформацией и вакуумному ионно-плазменному азотированию и может быть использован в машиностроении и других областях промышленности для обработки широкого ассортимента деталей машин и инструмента, изготовленных из стали.

Известен способ (патент РФ №2362831, кл. С23С 8/38 27.07.2009) азотирования стальных изделий, заключающийся в том, что изделие в качестве катода помещают в емкость с анодом, заполненную азотосодержащей средой, затем на катод и анод подают постоянное напряжение, создавая между изделием и анодом электрическое поле, и осуществляют затем процесс насыщения поверхности изделия азотом, в качестве азотосодержащей среды и одновременно анода используют раствор электролита, при этом процесс азотирования ведут при атмосферном давлении, а к катоду и аноду подводят напряжение в интервале 15-315 В, причем процесс азотирования ведут в два этапа - подготовительный и собственно азотирование, при этом подготовительный этап проводят при плавно изменяемом напряжении в интервале 15-150 В, а процесс собственно азотирования ведут после образования газовой рубашки между изделием и электролитом при напряжении в интервале 150-315 В.

Недостатком аналога являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствием низкотемпературной обработки материала детали.

Известен способ (патент РФ №2418095, кл. С23С 8/36, 29.06.2009) азотирования стальных изделий в тлеющем разряде, включающий проведение вакуумного нагрева изделий в плазме азота повышенной плотности, по которому плазму азота повышенной плотности создают в тороидальной области движения электронов, образованной скрещенными электрическими и магнитными полями, причем под действием магнитного поля, создаваемого двумя цилиндрическими магнитами, один из которых полый, электроны движутся по циклоидальным замкнутым траекториям.

Недостатком аналога являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствием низкотемпературной обработки материала детали.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ (патент РФ №2413784, кл. С23С 8/36, 08.04.2013) азотирования стальных изделий в тлеющем разряде, включающий вакуумный нагрев изделий, являющихся катодом, в плазме азота повышенной плотности, которую формируют в прикатодной области пучком сгенерированных и ускоренных вспомогательным анодом электронов, при этом электроны, вылетающие из электронной пушки, направляют к аноду и к вспомогательному аноду, создавая электронный газовый поток, обеспечивающий столкновение электронов с нейтральными частицами и поддерживание существования плазмы, при этом скоростью движения электронов управляют посредством вспомогательного анода, подключенного к собственному источнику питания.

Недостатком аналога является высокая температура обработки (500-540°С) и взрывоопасность, обусловленная использованием в газовой смеси ацетилена.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение функциональных возможностей, обусловленных повышением прочностных, трибологических характеристик поверхности, контактной долговечности и износостойкости стальных деталей.

Технический результат - осуществление низкотемпературной обработки в тлеющем разряде и повышение прочностных, трибологических характеристик поверхности, контактной долговечности и износостойкости стальных деталей.

Задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе низкотемпературного ионного азотирования стального изделия в плазме тлеющего разряда, включающем катодное распыление, вакуумный нагрев изделия в плазме тлеющего разряда, состоящей из смеси азотсодержащего и инертного газов, указанный нагрев изделия в плазме тлеющего разряда проводят при температуре 430°С, причем сначала осуществляют поверхностную интенсивную пластическую деформацию посредством ультразвуковой обработки поверхности стального изделия с подачей инструмента S=2 м/мин, рабочей частотой f=22 кГц и частотой вращения детали N=30 об/мин.

Эффективность процесса ионного азотирования зависит от температуры, а именно, чем она выше, тем меньше длительность процесса азотирования при прочих равных условиях. Однако, при высокотемпературной обработке деталей со сложной конфигурацией возникает коробление детали, снижается качество поверхности из-за интенсивного ее распыления ионами насыщающей среды. Уменьшение температурного воздействия приводит к возрастанию длительности процесса, а в некоторых случаях диффузионное насыщение может вовсе остановиться.

Кроме температуры обработки на процесс диффузионного насыщения существенное влияние оказывает структура материала детали, например размер зерен и плотность дефектов на границах, которые оказывают стимулирующее воздействие на продвижение атомов азота вглубь материала при азотировании. Диффузионное насыщение удается повысить благодаря измельчению структуры материала детали и повышению плотности дефектов.

Измельчение структуры материала детали во всем ее объеме является трудоемким процессом. В этом случае рационально измельчать структуру в поверхностном слое. Для получения ультрамелкозернистого слоя часто используется способ поверхностной пластической деформации.

При поверхностной пластической деформационной обработке создание поверхностного слоя с ультрамелкозернистой структурой осуществляется в результате воздействия внешних сил на поверхность детали, реализуется пластическая деформация зерен. Во время обработки активизируется множество систем скольжения и создается большое количество различно ориентированных дислокаций. Под действием напряжений дислокации движутся и встречаются с перпендикулярно направленными дислокациями, где происходит их закрепление. Так в поверхностном слое формируются равноосные структуры в виде блоков (зерен), которые в зависимости от режимов обработки и применяемого способа поверхностной пластической деформации имеют средний размер D=100 нм…2 мкм. В результате поверхностной пластической деформационной обработки во время низкотемпературного ионного азотирования преимущественно происходит зернограничная диффузия, интенсифицируется процесс диффузионного насыщения.

Толщина измененного слоя Н в зависимости от режимов обработки и используемого метода поверхностной пластической деформации может достигать 0,05…2 мм. При этом измененный поверхностный слой имеет переходную зону между ультрамелкозернистой и крупнозернистой структурами толщиной h, в которой структура материала изменяется плавно от одного вида к другому. Этим обеспечивается хорошая совместимость свойств слоев друг с другом.

Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена принципиальная схема ультразвуковой обработки поверхности вала, здесь S - подача инструмента, м/мин, N - обороты изделия, об/мин, ƒ - частота ультразвуковых колебаний инструмента. На фиг. 2 изображена схема низкотемпературного ионного азотирования вала в тлеющем разряде, здесь 1 - источник питания, 2 - электрод-анод, 3 - подложка, 4 - обрабатываемая деталь, 5 - вакуумная камера. На фиг. 3 изображены кривые распределения микротвердости по глубине поверхностного слоя в поперечном сечении, здесь 6 - после дробеструйной обработки, 7 - после низкотемпературного ионного азотирования.

Пример конкретной реализации способа.

Реализация способа показана на примере обработки детали-вала, изготовленного из стали 30Х3ВА (ТУ 14-1-950-74). Данная деталь работает в условиях высоких температур (до 450°С) и знакопеременных нагрузок, что предопределяет проведение низкотемпературной поверхностной упрочняющей обработки. Перед операцией поверхностной пластической деформации заготовка проходила предварительную термическую обработку - закалку и отпуск по ТУ-14-1-950-74. Создание поверхностного слоя с ультрамелкозернистой структурой материала заключается в следующих действиях: поверхность детали обрабатывают путем ультразвуковой обработки с подачей инструмента S=2 м/мин, рабочей частотой ƒ=22 кГц и частотой вращения детали N=30 об/мин. В результате ультразвуковой обработки формируется ультрамелкозернистый слой материала детали толщиной Н. Распределение микротвердости в поперечном сечении детали после ультразвуковой обработки имеет вид кривой 6. Затем осуществляют низкотемпературное ионное азотирование в следующем порядке. Деталь 4 подключают к отрицательному электроду, герметизируют камеру и откачивают воздух до давления 10 Па. После эвакуации воздуха камеру продувают рабочим газом 5-10 минут при давлении 1000-1330 Па, затем откачивают рабочий газ до давления 20-30 Па, подают на электроды напряжение и возбуждают тлеющий разряд. При напряжении 800-1000 В осуществляют катодное распыление. После 5-10-минутной обработки по режиму катодного распыления напряжение понижают до рабочего, а давление повышают до 150 Па, необходимое для эффективной обработки. В качестве рабочего газа используется газовая смесь азота, аргона и водорода (N2 35% + Аr 35% + Н2 30%). Азотирование в тлеющем разряде производят при давлении газа p=150 Па, токе I=1,2 А и напряжении U=460 В в течение 10 ч и температуре 430°С. Каждые 15 минут осуществляют смену газовой смеси в камере, которая заключается в откачке рабочего газа до давления 75 Па и последующего его повышения до рабочего давления 150 Па. Все процессы проходят за один технологический цикл, в одной камере и в одной атмосфере. После обработки деталь вместе с вакуумной камерой охлаждают под вакуумом до комнатной температуры. По окончании охлаждения в вакуумную камеру напускают атмосферный газ и извлекают обработанную деталь. Распределение микротвердости в поперечном сечении детали после низкотемпературного ионного азотирования имеет вид кривой 7 (фиг. 4).

Заявляемый способ позволяет расширить функциональные возможности ионного азотирования и повысить прочностные, трибологические характеристики поверхности, контактную долговечность и износостойкость стальных деталей при низкотемпературной обработке в тлеющем разряде за счет формирования поверхностного слоя с ультрамелкозернистой структурой материала детали путем дробеструйной обработки.

Способ низкотемпературного ионного азотирования стального изделия в плазме тлеющего разряда, включающий катодное распыление, вакуумный нагрев изделия в плазме тлеющего разряда, состоящей из смеси азотосодержащего и инертного газов, отличающийся тем, что указанный нагрев изделия в плазме тлеющего разряда проводят при температуре 430°С, причем сначала осуществляют поверхностную интенсивную пластическую деформацию посредством ультразвуковой обработки поверхности стального изделия с подачей инструмента S=2 м/мин, рабочей частотой f=22 кГц и частотой вращения детали N=30 об/мин.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области получения износостойких покрытий и может быть использовано для расширения ассортимента деталей машин и инструмента. Способ получения износостойкого градиентного покрытия системы Ti-Al на стальной детали в вакууме включает осаждение интерметаллидного покрытия системы Ti-Al из плазмы вакуумно-дугового разряда в течение 180 мин при давлении 1,5*10-1 Па в среде инертного газа в виде аргона и токах дуговых испарителей в диапазоне 60-120 А и последующее азотирование в дуговом разряде посредством плазменного источника с накальным катодом в течение 60 мин при давлении 2*10-1 Па в среде реакционного газа в виде азота, токе накального катода 100А и токе дугового разряда плазменного источника 50А и температуре детали 550°С.

Изобретение относится к химико-термической обработке металлов в плазме тлеющего разряда и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин и режущего инструмента.

Изобретение относится к области химико-термической обработки, а именно вакуумному ионно-плазменному азотированию, и может быть использовано в машиностроении. Способ локального азотирования стального изделия в тлеющем разряде в магнитном поле включает проведение вакуумного нагрева участка стального изделия, подверженного интенсивному износу в плазме азота повышенной плотности, при этом упомянутый участок стального изделия помещают в центр кольцевой магнитной системы, установленной на катоде, в которой формируют плазму азота повышенной плотности, и осуществляют вакуумный нагрев с формированием на нем нитридного слоя, состоящего из нитрида железа Fe4N и нитрида хрома Cr4N.
Изобретение относится к ионной химико-термической обработке и может быть использовано в машиностроении, двигателестроении, металлургии и изготовлении инструментов.
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 может быть использовано в биомедицине. Способ получения кластеров из наночастиц магнетита включает нагревание раствора соединения железа в высококипящем органическом растворителе в атмосфере инертного газа в присутствии 1,2-гексадекандиола и органической кислоты и последующее отделение полученных кластеров.

Изобретение может быть использовано для получения наноструктурированных порошков феррита висмута BiFeO3, применяемых в микроэлектронике, спинтронике, устройствах для магнитной записи информации, в производстве фотокатализаторов, материалов для фотовольтаики.

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии и может быть использовано при исследовании микрорельефа отражающих поверхностей, например, в кристаллографии, метрологии, при изучении высокомолекулярных соединений и т.д.
Изобретение может быть использовано при изготовлении наноструктурированных композиционных материалов. Одностенные, двустенные или многостенные углеродные нанотрубки смешивают с органическим растворителем в высокооборотной мешалке при скорости 1000-4000 об/мин и постоянном охлаждении.

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении углепластиков для космического и авиационного аппаратостроения, а также для строительных конструкций.

Изобретение относится к области нанокомпозитных материалов на основе электроактивных полимеров с системой сопряжения и магнитных наночастиц Fe3O4, закрепленных на углеродных нанотрубках.

Изобретение относится к способам получения эпитаксиальных тонкопленочных материалов, а именно EuSi2 кристаллической модификации hP3 (пространственная группа N164, ) со структурой интеркалированных европием слоев силицена, которые могут быть использованы для проведения экспериментов по исследованию силиценовой решетки.

Изобретение относится к электротехнике, химической промышленности, нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении сенсорных и жидкокристаллических экранов, солнечных преобразователей энергии, светодиодов.

Изобретение относится к химической, электротехнической промышленности, охране окружающей среды и нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении упругих и гибких проводников, электропроводящих полимерных композиционных материалов, сорбентов, вибродемпфирующих материалов, аккумуляторов и сверхъемких конденсаторов.

Изобретение относится к средствам вычислительной техники. Оптический нанорегистр состоит из источника постоянного оптического сигнала, двух N-выходных нановолоконных оптических разветвителей, N телескопических нанотрубок, N нановолоконных оптических Y-разветвителей, N нановолоконных оптических объединителей.

Изобретение предназначено для медицины и может быть использовано в ЯМР-томографии, лекарственных средствах для лечения нейродегенеративных заболеваний, а также для магнитоуправляемой доставки лекарственных препаратов к больному органу. Проводят электродуговое испарение в среде гелия графитовых электродов, содержащих добавку пиролизата фталоцианина 3d-металла, в результате чего образуется фуллереносодержащая сажа, содержащая пустые фуллерены и эндофуллерены 3d-металлов. Затем из сажи в две стадии выделяют пустые фуллерены и эндофуллерены 3d-металлов. Сначала отделяют пустые фуллерены экстракцией о-ксилолом. Затем экстракцией выделяют эндофуллерены 3d-металлов в виде комплекса с растворителем, в качестве которого используют N,N-диметилформамид с добавкой гидразин-гидрата. Повышается выход эндофуллеренов 3-d металлов. 5 ил., 5 пр.

Изобретение относится к обработке металлов поверхностной пластической деформацией и вакуумному ионно-плазменному азотированию и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности для обработки широкого ассортимента деталей машин и инструмента, изготовленных из сталей. Способ низкотемпературного ионного азотирования стального изделия в плазме тлеющего разряда включает катодное распыление, вакуумный нагрев изделия в плазме тлеющего разряда, состоящей из смеси азотосодержащего и инертного газов. Указанный нагрев изделия в плазме тлеющего разряда проводят при температуре 430оС, причем сначала осуществляют поверхностную интенсивную пластическую деформацию посредством ультразвуковой обработки поверхности стального изделия с подачей инструмента S2 ммин, рабочей частотой f22 кГц и частотой вращения детали N30 обмин. Обеспечивается осуществление низкотемпературной обработки в тлеющем разряде и повышение прочностных, трибологических характеристик поверхности, контактной долговечности и износостойкости стальных деталей. 4 ил., 1пр.

Наверх