Спосіб локальної обробки матеріалу з ефектом порожнистого катода при іонному азотуванні

 

Винахід відноситься до області хіміко-термічної обробки і може бути використане в машинобудуванні та інших галузях промисловості, для поверхневого зміцнення матеріалів.

Відомий спосіб (патент РФ №2127330, кл. C23C 8/26, 10.03.99) термічної обробки для освіти високоміцного аустенітного поверхневого шару в нержавіючих сталях, що включає азотування містить азот газовій атмосфері при 1000-1200°C і подальше охолодження зі швидкістю, що дозволяє уникнути виділення нітриду.

Недоліком аналога є:

- складність технології та обладнання, а також необхідність проектування спеціального обладнання,

- відсутність можливості створення неоднорідної структури.

Відомий спосіб (патент РФ №2362831, кл. C23C 8/38, 27.07.2009) азотування сталевих виробів, що включає приміщення вироби в ємність, заповнену азотсодержащей середовищем, подачу на виріб, що є катодом, і анод постійної напруги для створення між виробом і анодом електричного поля та здійснення процесу насичення поверхні виробу азотом. В якості анода і азотсодержащей середовища використовують розчин електроліту з наступного ряду речовин: розчин нашатирю, розчин аміаку, а � 15-150, насичення проводять при підвищенні напруги в інтервалі 150-315, при цьому азотування проводять при атмосферному тиску.

Недоліком аналога є відсутність можливості створення неоднорідної структури.

Найбільш близьким по технічній сутності і досягається результату до заявляється, є спосіб утворення неоднорідної структури матеріалу при азотуванні в тліючому розряді (патент РФ №2409699, кл. C23C 8/36, C23C 8/24, 20.01.2011), що включає катодне розпилення, вакуумний нагрівання виробів в плазмі тліючого розряду підвищеної щільності, що складається з суміші азотсодержащего і інертного газів, що формується між деталлю і екраном. За допомогою екрана із гніздами формують неоднорідну плазму тліючого розряду і створюють диференційовану структуру в матеріалі шляхом одержання в ньому різнорідних структур, при цьому перехідна ділянка між ділянками з різною структурою має микронеоднородную структуру з поступовою зміною від одного виду в інший.

Недоліком найближчого аналога є:

- складність конструкції, порівняно з пропонованим;

- складність налагодження технологічного процесу;

- складність створення і контролю неоднорідної плазми;

- відсутність возможноѺоторой спрямовано пропоноване винахід, є підвищення міцнісних і трібологічних характеристик матеріалу.

Технічний результат - підвищення контактної довговічності і зносостійкості зміцненого шару за рахунок локальної обробки і створення макронеоднородной структури матеріалу.

Завдання вирішується, а технічний результат досягається тим, що в способі азотування сталевої деталі в плазмі тліючого розряду, що включає катодне розпилення, вакуумний нагрівання деталі в плазмі тліючого розряду, що складається з суміші азотсодержащего і інертного газів, з формуванням ділянок з різнорідною структурою сталі, при цьому перехідна ділянка між ділянками з різнорідною структурою має микронеоднородную структуру з поступовою зміною одного виду в інший, згідно винаходу різнорідну структуру формують у вигляді макронеоднородной структури сталі за допомогою перфорованого екрану, виконаного з отворами діаметром d, який визначають за виразом d>4·l, де l - товщина катодного шару, та щільно прилягає до оброблюваної деталі, і екрану для створення ефекту порожнистого катода, щільно прилягає до перфорированному екрану, з можливістю отримання на поверхні ділянок, азотованих в тліючому тка, поєднує загальні (об'ємні) і локальні (місцеві) впливу на матеріал, дозволяє отримати регулярну неоднорідну структуру як на поверхні, так і в обсязі сплавів. У ряді випадків вихідне горячекатаное або лите стан можна розглядати як результат спільної обробки, що забезпечує необхідні властивості вихідного матеріалу. Диференційована структура створюється в мономатериале шляхом одержання в ньому різнорідних структур. Між ділянками з різною структурою існує перехідна ділянка з микронеоднородной структурою, в якій структура поступово змінюється від одного виду в інший, що забезпечує гарну сумісність між ділянками з різними властивостями. Тим самим можливе отримання ділянок з чергуванням міцнісних і пластичних властивостей як на поверхні, так і в обсязі матеріалу, тобто макронеоднородних структур [Л. С. Малинов, Ст. Л. Малинов. Ресурсозберігаючі экономнолегированние сплави і зміцнюючі технології, що забезпечують ефект самозакалки. - Маріуполь: ПДТУ, 2009, С. 230-231]. Присутність ділянок підвищеної пластичності пригнічує розвиток мікротріщин, що виникли при навантаженні в ділянках високої твердості, і підвищує конструктивну прочностьбработки матеріалів. - 1987. - №2. - С. 47-49]. Ділянки високої твердості сприяють підвищенню зносостійкості. Таким чином, наявність на поверхні матеріалу макронеоднородних структур дозволяє поєднувати високі фізико-механічні і триботехнічні властивості поверхневого шару деталей машин.

Для створення ефекту порожнистого катода на перфорований екран прилягає екран у вигляді сітки (екран для створення ефекту порожнистого катода). Відстань між екраном для створення ефекту порожнистого катода і поверхнею деталі близько 5 мм. Оброблювана деталь з перфорованим екраном і екран для створення ефекту порожнистого катода перебувають під негативним потенціалом і утворюють порожнину, в якій формується плазма з підвищеною концентрацією заряджених частинок. В умовах прояву ефекту порожнистого катода швидкість насичення поверхні іонами азоту істотно вище, незважаючи на більш низьку напругу горіння розряду [Будилів Ст. Ст., Рамазанов К. Н. Технологія іонного азотування деталей ГТД в тліючому розряді з порожнистим катодом // Вісник УГАТУ. 2008. №1(26). С. 82-86].

Сумарна зміцнена зона може сягати від 25% до 60% [Андрияхин В. М., Васильєв Ст. А., Седунов В. К., Чеканова Н.Т. Вплив схеми зміцнення гільз циліндрів лазерним з�вецкий Л. З, Глушкова Д. Б. Підвищення зносостійкості сталевих поверхонь шляхом лазерної обробки. Вісник Харківського національного автомобільно-дорожнього університету. 2006. №33. С. 35-37]. Зазор між перфорованим екраном і поверхнею матеріалу повинен бути менше 1 мм, т. к. тліючий розряд при таких зазорах не утворюється і не доступний для осадження продуктів реакцій [Лахтін Ю. М., Коган Я. Д. Азотування сталі. М: Машинобудування, 1976, С. 162-163].

Істота винаходу пояснюється кресленнями.

На фіг.1 зображено схема обробки і розподіл мікротвердості по поверхні зміцненого шару в тліючому розряді з ефектом порожнистого катода, де 1 - деталь; 2 - перфорований екран; 3 - екран для створення ефекту порожнистого катода; 4 - крива зміни твердості; 5 - плазма підвищеної щільності, d - діаметр отвору екрану, a - крок перфорацій, h - товщина перфорованого екрану (h≈5 мм). На фіг.2 зображений перфорований екран, де d - діаметр отворів екрану (d>4·l, l - товщина катодного шару), a, b - кроки перфорацій. На фіг.3 зображено екран для створення ефекту порожнистого катода, де c - розмір комірки, e - відстань між двома сусідніми комірками. На фіг.4 зображено приклад реалізації способу у вигляді тривимірної моделі, де 1 - дета�соба.

Спосіб здійснюється наступним чином: у вакуумній камері встановлюють оброблювану деталь із сталі 38Х2МЮА, перфорований екран та екран для створення ефекту порожнистого катода (фіг.1). Перфорований екран зображений на фіг.2, а екран для створення ефекту порожнистого катода - на фіг.3. Далі, підключають їх до негативного електроду, герметизують камеру і відкачують повітря до тиску 10 Па. Потім, після евакуації повітря камеру продувають робочим газом 5-15 хвилин при тиску 1000-1330 Па, потім відкачують камеру до тиску 50 Па, на електроди подають напругу і збуджують тліючий розряд. При напрузі 800-1000 здійснюють катодне розпилення. Після 10-15-хвилинної обробки за режимом катодного розпилення напругу знижують до робочого, а тиск підвищують до 120 Па, необхідне для запалення тліючого розряду. В якості робочого газу використовували аргон і суміш азоту, аргону і ацетилену (N225%+Ar 70%+C2H25%). Азотування в тліючому розряді виробляють при p=110-130 Па, j=1-2 мА/см2, U=600-650 Ст. Обробка проводилася протягом 8 годин. Температура поверхні оброблюваної деталі не перевищувала 550°C. Всі процеси проходять за один технологічний цикл, в одній камері і в одній атмосфері. Пос�зотированних ділянок склала Hν=9800 МПа, неазотированних, як і y вихідного матеріалу Hν=2850 МПа. Товщина дифузійного шару - 0,3 мм. Характер розподілу мікротвердості по поверхні зміцненого шару зображений на фіг.1. Даний спосіб дозволяє створювати макронеоднородную структуру як на плоских (фіг.4), так і на циліндричних зовнішніх і внутрішніх поверхнях. Створена макронеоднородная структура підвищує контактну довговічність і зносостійкість, внаслідок чого підвищуються міцнісні та трибологічні характеристики матеріалу.

Спосіб азотування сталевої деталі в плазмі тліючого розряду, що включає катодне розпилення, вакуумний нагрівання деталі в плазмі тліючого розряду, що складається з суміші азотсодержащего і інертного газів, з формуванням ділянок з різнорідною структурою сталі, при цьому перехідна ділянка між ділянками з різнорідною структурою має микронеоднородную структуру з поступовою зміною одного виду в інший, що відрізняється тим, що різнорідну структуру формують у вигляді макронеоднородной структури сталі за допомогою перфорованого екрану, виконаного з отворами діаметром d, причому d>4·l, де l - товщина катодного шару, і щільно прилягає до обрабативаемоспечения можливості отримання на поверхні ділянок, азотованих в тліючому розряді з ефектом порожнистого катода, що чергуються з неазотированними ділянками.



 

Схожі патенти:

Спосіб і пристрій для прискореного азотування деталей машин з використанням імпульсів електромагнітного поля

Винахід відноситься до машинобудування, зокрема до способу ионоазотирования деталей машин з використанням імпульсів електромагнітного поля. Забезпечують подачу в камеру для азотування реакційного газу, його нагрів з одночасним генеруванням у камері змінного електромагнітного поля за допомогою соленоїда. Всередині соленоїда розташовують оброблювану деталь з напрямом вектора магнітної індукції перпендикулярно до оброблюваної поверхні деталі і зміною в процесі азотування його величини з формуванням прямокутних імпульсів, тривалість і періодичність яких забезпечує прискорення руху та впровадження іонів азоту в оброблювану поверхню за рахунок вертикального фронту наростання напруженості магнітного поля. Пристрій для здійснення зазначеного способу містить камеру для азотування деталі, пристрій для подачі реакційного газу в згадану камеру на оброблювану деталь, нагрівальний пристрій і пристрій для генерування електромагнітного поля. Пристрій для генерування електромагнітного поля виконано у вигляді розташованого навколо згаданої камери соленоїда, що забезпечує генерування імпульсного елек�брабативаемой поверхні, що знаходиться всередині нього деталі. Забезпечується одночасне прискорення процесу азотування і підвищення механічних властивостей приповерхневих шарів матеріалу, що формуються в результаті одночасного азотування і впливу як на іони азоту, так і на матеріал оброблюваної деталі імпульсами порівняно малопотужного магнітного поля. 2 н. і 2 з.п. ф-ли, 3 іл.
Винахід відноситься до способу іонно-плазмового азотування довгомірної сталевої деталі. Спосіб включає нагрівання деталі, ізотермічну витримку, попереднє азотування, остаточне азотування та охолодження. Починають охолодження до температури 530°C до 370-390°C протягом 100-140 хвилин в плазмі тліючого розряду. Потім проводять охолодження до 240-260°C протягом 100-140 хвилин. Остаточне охолодження до 140-160°C протягом 100-140 хвилин проводять у печі без впливу плазми. Подачу іонізуючих газів здійснюють циклічно. При нагріванні до температури 200-220°C ведуть подачу газової суміші водень, азот, метан протягом 15-20 хвилин, далі до температури нагріву 400-440°C протягом 100-140 хвилин і при ізотермічній витримці протягом 20-40 хвилин здійснюють подачу водню, а при подальшому нагріванні до 480°C подають водень протягом 20-30 хвилин. Попереднє азотування ведуть з участю водню і азоту протягом 100-140 хвилин, а остаточне азотування ведуть з участю азоту, водню і метану протягом 14-16 годин. Охолодження до температури 530°C - 370-390°C ведуть в середовищі азоту і водню протягом 120 хвилин і подальше охолодження до 150-170°C протягом 240 хвилин ведуть з участю лише азоту. В результаті досягається сохраЀаботки і збереження поверхні металу від утворення окисної плівки.

Спосіб виготовлення деталей машин з отриманням субмікро - та наноструктурованого стану дифузійного приповерхневого шару при азотуванні

Винахід відноситься до машинобудування, зокрема до способів підвищення механічних властивостей приповерхневих шарів деталей машин із сплавів на основі заліза з отриманням субмікро - або наноструктурованого стану дифузійних шарів. Спосіб включає збирання пакета з поперемінно чергуються сталевих листів, що мають різний хімічний склад, вакуумування і нагрівання пакету, гарячу деформацію пакета по висоті при температурі, що знаходить між значеннями температур поліморфних перетворень обох сплавів, при цьому після гарячої деформації з пакету вирізають заготовки деталей таким чином, щоб при подальшому азотування напрямок міжшарових меж у заготівлі деталі збігалося з напрямком дифузійного потоку азоту, після чого проводять азотування з отриманням субмікро - та наноструктурованого стану дифузійного приповерхневого шару на поверхні деталі. Спосіб дозволяє підвищити механічні властивості приповерхневих шарів матеріалу, що формуються в результаті азотування, і, відповідно, збільшити довговічність деталей. 9 іл., 1 пр.

Спосіб формування микроструктурированного шару нітриду титану

Винахід відноситься до способу формування микроструктурированного шару нітриду титану. Формування микроструктурированного шару нітриду титану здійснюють шляхом впливу на титанову основу фемтосекундним лазерним випромінюванням з енергією в імпульсі близько 100 мкДж і з щільністю потужності в імпульсі порядку 1013 Вт/см2 в середовищі рідкого азоту. Забезпечуються зносостійкі і корозійно-стійкі покриття на виробах з титану і його сплавів, а також поліпшуються антифрикційні властивості їх поверхонь. 2 іл.

Спосіб азотування деталей машин з отриманням наноструктурованого приповерхневого шару і шару склад

Винахід відноситься до машинобудування, зокрема до способу азотування деталей вузлів тертя ковзання з отриманням наноструктурованого приповерхневого шару. Проводять попередню термообробку деталей шляхом гартування при температурі 920-940°C, подальшого високого відпустки з нагріванням до 600-650°C протягом 2-10 годин і видалення зневуглецьованого шару. Потім здійснюють іонно-плазмене азотування в діапазоні температур 500-570°C при напрузі на катоді 300-320 B, щільності струму 0,20-0,23 мА/см2, при використанні в якості газового середовища аміаку зі ступенем дисоціації від нуля до 80%, витрати аміаку до 20 дм3/год, тиск у камері при катодному розпиленні 1,3-1,35 Па, при насиченні 5-8 ГПа. Зазначене азотування проводять в режимі циклічної зміни температури і ступеня дисоціації аміаку, при цьому в першій половині циклу температура становить 570°C при максимальному азотному потенціалі, а у другій половині циклу температуру знижують до 500°C, при цьому азотний знижують потенціал за рахунок збільшення ступеня дисоціації аміаку до 40-80%, при цьому кількість згаданих циклів повинно бути не менше 10. Азотированная деталь має приповерхневих шар, що містить дифузійний шар з α-фазою з наноразм� з твердими включеннями, представляють собою наночастинки нітридів заліза ε-фази, сформовані шляхом фазової локальної перекристалізації решіток нітридів заліза, яка забезпечується циклічним зміною температури азотування і ступеня дисоціації аміаку. Забезпечується підвищення зносостійкості приповерхневих шарів матеріалу і збільшується довговічність вузлів тертя ковзання з матеріалу з таким складом приповерхневого шару. 2 н.п. ф-ли, 1 табл., 2 іл.
Винахід відноситься до способів підвищення стійкості металу до корозії і може бути використане в підземному трубопровідний транспорт
Винахід відноситься до області обробки поверхні довгомірних прецизійних циліндрів свердловинних насосів, що працюють в умовах абразивного зносу

Установка для вакуумної іонно-плазмової обробки довгомірних виробів

Винахід відноситься до вакуумної іонно-плазмової технології, а саме до пристроїв для обробки довгомірних виробів

Спосіб отримання виробів

Винахід відноситься до способу отримання виробів з матеріалу на основі титану з покриттям, що представляють собою напівсферичну головку медичної напівсферичної фрези
Винахід відноситься до області хіміко-термічної обробки сталей іонно-вакуумним азотування і може бути використане для зміцнення деталей з різьбовою поверхнею
Up!