СПОСОБ ИОННО-ВАКУУМНОГО АЗОТИРОВАНИЯ ДЛИННОМЕРНОЙ СТАЛЬНОЙ ДЕТАЛИ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ Российский патент 2011 года по МПК C23C8/36 

Изобретение относится к области обработки поверхности металлического материала путем взаимодействия поверхности с ионизированным газом и может быть использовано, например, для обработки длинномерных прецизионных цилиндров скважинных насосов, работающих в условиях абразивного износа.

Известен способ газового азотирования стальных изделий (авторское свидетельство SU 1502656, МПК⁴ C23C 8/26, опубл. 1989.08.23), включающий нагрев детали, предварительное азотирование при температуре 510±10°С, окончательное азотирование при температуре 530±5°С и последующее охлаждение.

Недостатками такого способа являются пониженная твердость и износостойкость обработанных поверхностей, недостаточная равномерность и однородность азотированного слоя, а также большие деформации при обработке длинномерных деталей. Для обеспечения точности геометрических параметров длинномерной детали требуется последующая механическая обработка - правка и хонингование. Такая обработка нарушает целостность, равномерность азотированного слоя, нарушает сплошность нитридной зоны и, как следствие, значительно ухудшает эксплуатационные свойства детали.

Известен способ изготовления деталей из конструкционных сталей (пат. RU 2250273, МПК⁷ C23C 8/26, опубл. 2002.12.20), включающий черновую механическую обработку, стабилизирующий отпуск, окончательную механическую обработку и двухступенчатое газовое азотирование с выдержкой в атмосфере аммиака сначала при температуре 510-515°С, затем при 540-545°С и последующее охлаждение. Окончательную механическую обработку проводят путем двухкратной чистовой механической обработки с промежуточным и окончательным отпуском в селитровой ванне при температуре 520-540°С в течение 0,25-0,5 ч, а двухступенчатое газовое азотирование деталей проводят в постоянном магнитном поле напряженностью 100-150 Э в течение 1-2 ч с последующим охлаждением со скоростью 20-30°С/мин.

Такой способ позволяет повысить твердость и износостойкость обработанных поверхностей, а также несколько снизить деформацию деталей при обработке. Однако такой способ сложен, что объясняется необходимостью проведения перед азотированием окончательной механической обработки путем двухкратной чистовой механической обработки с промежуточным и окончательным отпуском в селитровой ванне при температуре 520-540°С в течение 0,25-0,5 ч. Кроме того, при обработке таким способом происходят деформации длинномерной детали, требующие последующей механической обработки - правки и хонингования, что, как показано выше, значительно ухудшает качество азотированного слоя.

Наиболее близким к заявляемому и принятым в качестве прототипа является способ ионно-вакуумного азотирования длинномерной стальной детали в тлеющем разряде (RU 2044801 С1, МПК C23C 8/36, 27.09.1995 г.), включающий азотирование с комбинированным нагревом при давлении 2-3 мм рт.ст., температуре на рабочей кромке 430-480°С, плотности ионного тока 0,3 мА/см², продолжительности 24 ч и азотирование, после которого осуществляют дополнительный нагрев в вакууме или азотсодержащей атмосфере при температуре выше температуры азотирования, но не превышающей температуру разупрочнения материала.

При обработке таким способом происходят деформации длинномерной детали, требующие последующей механической обработки - правки и хонингования, что ухудшает качество азотированного слоя.

Задачей предлагаемого изобретения является изменение способа ионно-вакуумного азотирования длинномерных стальных деталей с целью обеспечения геометрической точности деталей без последующей механической обработки - правки и хонингования.

Поставленная задача решается усовершенствованием способа ионно-вакуумного азотирования длинномерной стальной детали в тлеющем разряде. При усовершенствованном способе сначала проводят нагрев детали при температуре 400-450°С, затем осуществляют изотермическую выдержку в течение 20-30 минут, предварительное азотирование при температуре 480-510°С в течение 60-120 минут, окончательное азотирование при температуре на 20-50°С выше температуры предварительного азотирования в течение 8-16 часов и охлаждение до 350-400°С в течение 40-60 минут.

Осуществление изотермической выдержки во время нагрева при температуре 400-450°С в течение 20-30 минут позволяет обеспечить равномерный нагрев всех деталей, размещенных в камере азотирования, что необходимо для получения равномерного азотированного слоя.

Осуществление предварительного азотирования при температуре 480-510°С в течение 60-120 минут обеспечивает равномерность азотирования при получении необходимой твердости слоя.

Охлаждение обрабатываемых деталей до 350-400°С в течение 40-60 минут в плазме тлеющего разряда позволяет выполнить процесс охлаждения в замедленном режиме, что необходимо для исключения деформации деталей.

Таким образом, в процессе нагрева, предварительного и окончательного азотирования обеспечивается возможность равномерной обработки длинномерной детали и замедленное охлаждение, что позволяет получить необходимую геометрическую точность без последующей механической обработки - правки и хонингования.

Способ осуществляется следующим образом.

Стальные длинномерные детали помещают в вакуумную камеру ионно-вакуумной химико-термической обработки и осуществляют их нагрев в тлеющем разряде, предварительное азотирование, окончательное и последующее охлаждение. Во время нагрева при температуре 400-450°С осуществляют изотермическую выдержку в течение 20-30 минут для обеспечения равномерного нагрева всех деталей, размещенных в камере азотирования и получения равномерного азотированного слоя на всей обрабатываемой поверхности. Предварительное азотирование осуществляют при температуре 480-510°С в течение 60-120 минут, обеспечивая равномерность азотирования при получении необходимой твердости слоев. После чего выполняют окончательное азотирование при температуре выше на 20-50°С температуры предварительного азотирования, например при 520-540°С, в течение 8-16 часов для получения требуемой толщины слоя и сохранения твердости, полученной на предварительном азотировании. Последующее охлаждение до 350-400°С производят в течение 40-60 минут в плазме тлеющего разряда для исключения деформации деталей при охлаждении.

Предлагаемым способом обработали цилиндры скважинных штанговых насосов из стали 38Х2МЮА длиной 4262^+l0 мм, внутренним диаметром 44,45^+0,05 мм, наружным диаметром 57,85_-0,3. Детали размещали в камере с использованием специальной оснастки по 18 штук. Азотосодержащий газ (смесь 1 части азота и 3 частей водорода) подавали в течение всего цикла азотирования с начала нагрева до охлаждения до 370°С. Во время нагрева при температуре 420°С осуществляли изотермическую выдержку в течение 25 минут. Предварительное азотирование выполняли при температуре 500°С в течение 90 минут, окончательное азотирование производили при 525°С в течение 12 часов, а охлаждение до 370°С производили в течение 50 минут в плазме тлеющего разряда.

В результате получили детали с равномерно развитым азотированным слоем толщиной 250-300 мкм и твердостью на поверхности 1100-1200 HV, на глубине 10 мкм - 1000-1100 HV, на глубине 20 мкм - 950-1000 HV, на глубине 50 мкм - 850-920 HV, на глубине 150 мкм - 600-650 HV, на глубине 250 мкм - 350-400 HV. Азотированный слой имел равномерную и умеренно развитую нитридную зону ε-фазы толщиной 5-8 мкм. При этом непрямолинейность цилиндра была в пределах 0,1 мм на 1000 мм, а увеличение внутреннего диаметра не превысило 0,01 мм и не вышло за поле допуска. Дополнительной механической обработки - правки и хонингования - не потребовалось.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет упростить способ азотирования длинномерной стальной детали и обеспечить требуемые геометрические характеристики обработанной детали за счет равномерной обработки детали при нагреве и азотировании и замедленного охлаждения.

Изобретение относится к области обработки поверхности металлического материала и может быть использовано для обработки длинноменых прецизионных цилиндров скважинных насосов, работающих в условиях абразивного износа. Способ ионно-вакуумного азотирования длинномерной стальной детали в тлеющем разряде включает нагрев детали при температуре 400-450°С, изотермическую выдержку в течение 20-30 минут, предварительное азотирование при температуре 480-510°С в течение 60-120 минут, окончательное азотирование при температуре на 20-50°С выше температуры предварительного азотирования в течение 8-16 часов и охлаждение до 350-400°С в течение 40-60 минут. Получаются детали с равномерным азотированным слоем и твердостью поверхности.

Способ ионно-вакуумного азотирования длинномерной стальной детали в тлеющем разряде, отличающийся тем, что сначала проводят нагрев детали при температуре 400-450°С, затем осуществляют изотермическую выдержку в течение 20-30 мин, предварительное азотирование при температуре 480-510°С в течение 60-120 мин, окончательное азотирование при температуре на 20-50°С выше температуры предварительного азотирования в течение 8-16 ч и охлаждение до 350-400°С в течение 40-60 мин.