СПОСОБ ЛОКАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА С ЭФФЕКТОМ ПОЛОГО КАТОДА ПРИ ИОННОМ АЗОТИРОВАНИИ Российский патент 2014 года по МПК C23C8/36 

Изобретение относится к области химико-термической обработки и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности, для поверхностного упрочнения материалов.

Известен способ (патент РФ №2127330, кл. C23C 8/26, 10.03.99) термической обработки для образования высокопрочного аустенитного поверхностного слоя в нержавеющих сталях, включающий азотирование в содержащей азот газовой атмосфере при 1000-1200°C и последующее охлаждение со скоростью, позволяющей избежать выделения нитрида.

Недостатком аналога является:

- сложность оборудования и технологии, а также необходимость проектирования специального оборудования,

- отсутствие возможности создания неоднородной структуры.

Известен способ (патент РФ №2362831, кл. C23C 8/38, 27.07.2009) азотирования стальных изделий, включающий помещение изделия в емкость, заполненную азотсодержащей средой, подачу на изделие, являющееся катодом, и анод постоянного напряжения для создания между изделием и анодом электрического поля и осуществление процесса насыщения поверхности изделия азотом. В качестве анода и азотсодержащей среды используют раствор электролита из следующего ряда веществ: раствор нашатыря, раствор аммиака, а перед процессом насыщения поверхности изделия азотом осуществляют плавное изменение напряжения в интервале 15-150 В, насыщение проводят при повышении напряжения в интервале 150-315 В, при этом азотирование проводят при атмосферном давлении.

Недостатком аналога является отсутствие возможности создания неоднородной структуры.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ создания неоднородной структуры материала при азотировании в тлеющем разряде (патент РФ №2409699, кл. C23C 8/36, C23C 8/24, 20.01.2011), включающий катодное распыление, вакуумный нагрев изделий в плазме тлеющего разряда повышенной плотности, состоящей из смеси азотсодержащего и инертного газов, формируемой между деталью и экраном. С помощью экрана с ячейками формируют неоднородную плазму тлеющего разряда и создают дифференцированную структуру в материале путем получения в нем разнородных структур, при этом переходный участок между участками с различной структурой имеет микронеоднородную структуру с постепенным изменением от одного вида в другой.

Недостатком ближайшего аналога является:

- сложность конструкции, по сравнению с предлагаемым;

- сложность отладки технологического процесса;

- сложность создания и контроля неоднородной плазмы;

- отсутствие возможности сохранения на поверхности сплошной матрицы микротвердости исходного материала.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение прочностных и трибологических характеристик материала.

Технический результат - повышение контактной долговечности и износостойкости упрочненного слоя за счет локальной обработки и создания макронеоднородной структуры материала.

Задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе азотирования стальной детали в плазме тлеющего разряда, включающем катодное распыление, вакуумный нагрев детали в плазме тлеющего разряда, состоящей из смеси азотсодержащего и инертного газов, с формированием участков с разнородной структурой стали, при этом переходный участок между участками с разнородной структурой имеет микронеоднородную структуру с постепенным изменением одного вида в другой, согласно изобретению разнородную структуру формируют в виде макронеоднородной структуры стали посредством перфорированного экрана, выполненного с отверстиями диаметром d, который определяют по выражению d>4·l, где l - толщина катодного слоя, и плотно прилегающего к обрабатываемой детали, и экрана для создания эффекта полого катода, плотно прилегающего к перфорированному экрану, с возможностью получения на поверхности участков, азотированных в тлеющем разряде с эффектом полого катода, чередующихся с неазотированными участками.

Дифференцированная обработка, сочетающая общие (объемные) и локальные (местные) воздействия на материал, позволяет получить регулярную неоднородную структуру как на поверхности, так и в объеме сплавов. В ряде случаев исходное горячекатаное или литое состояние можно рассматривать как результат общей обработки, обеспечивающей требуемые свойства исходному материалу. Дифференцированная структура создается в мономатериале путем получения в нем разнородных структур. Между участками с различной структурой существует переходный участок с микронеоднородной структурой, в которой структура постепенно изменяется от одного вида в другой, что обеспечивает хорошую совместимость между участками с различными свойствами. Тем самым возможно получение участков с чередованием прочностных и пластических свойств как на поверхности, так и в объеме материала, то есть макронеоднородных структур [Л.С.Малинов, В.Л.Малинов. Ресурсосберегающие экономнолегированные сплавы и упрочняющие технологии, обеспечивающие эффект самозакалки. - Мариуполь: ПГТУ, 2009, С.230-231]. Присутствие участков повышенной пластичности подавляет развитие микротрещин, возникших при нагружении в участках высокой твердости, и повышает конструктивную прочность [Лазерная обработка железомарганцовистых сталей / Л.С.Малинов, Е.Я.Харланова, С.В.Данно и др. // Физика и химия обработки материалов. - 1987. - №2. - С.47-49]. Участки высокой твердости способствуют повышению износостойкости. Таким образом, наличие на поверхности материала макронеоднородных структур позволяет сочетать высокие физико-механические и триботехнические свойства поверхностного слоя деталей машин.

Для создания эффекта полого катода на перфорированный экран прилегает экран в виде сетки (экран для создания эффекта полого катода). Расстояние между экраном для создания эффекта полого катода и поверхностью детали около 5 мм. Обрабатываемая деталь с перфорированным экраном и экран для создания эффекта полого катода находятся под отрицательным потенциалом и образуют полость, в которой формируется плазма с повышенной концентрацией заряженных частиц. В условиях проявления эффекта полого катода скорость насыщения поверхности ионами азота существенно выше, несмотря на более низкое напряжение горения разряда [Будилов В.В., Рамазанов К.Н. Технология ионного азотирования деталей ГТД в тлеющем разряде с полым катодом // Вестник УГАТУ. 2008. №1(26). С.82-86].

Суммарная упрочненная зона может достигать от 25% до 60% [Андрияхин В.М., Васильев В.А., Седунов В.К., Чеканова Н.Т. Влияние схемы упрочнения гильз цилиндров лазерным излучением на износостойкость. Металловедение и термическая обработка металлов, 1982, №9, с 41-43, Любченко А.Л., Липовецкий Л.С, Глушкова Д.Б. Повышение износостойкости стальных поверхностей путем лазерной обработки. Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. 2006. №33. С.35-37]. Зазор между перфорированным экраном и поверхностью материала должен быть менее 1 мм, т.к. тлеющий разряд при таких зазорах не образуется и не доступен для осаждения продуктов реакций [Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали. М.: Машиностроение, 1976, С.162-163].

Существо изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображены схема обработки и распределение микротвердости по поверхности упрочненного слоя в тлеющем разряде с эффектом полого катода, где 1 - деталь; 2 - перфорированный экран; 3 - экран для создания эффекта полого катода; 4 - кривая изменения твердости; 5 - плазма повышенной плотности, d - диаметр отверстия экрана, a - шаг перфораций, h - толщина перфорированного экрана (h≈5 мм). На фиг.2 изображен перфорированный экран, где d - диаметр отверстий экрана (d>4·l, l - толщина катодного слоя), a, b - шаги перфораций. На фиг.3 изображен экран для создания эффекта полого катода, где c - размер ячейки, e - расстояние между двумя соседними ячейками. На фиг.4 изображен пример реализации способа в виде трехмерной модели, где 1 - деталь; 2 - перфорированный экран; 3 - экран для создания эффекта полого катода.

Пример конкретной реализации способа.

Способ осуществляется следующим образом: в вакуумной камере устанавливают обрабатываемую деталь из стали 38Х2МЮА, перфорированный экран и экран для создания эффекта полого катода (фиг.1). Перфорированный экран изображен на фиг.2, а экран для создания эффекта полого катода - на фиг.3. Далее, подключают их к отрицательному электроду, герметизируют камеру и откачивают воздух до давления 10 Па. Затем, после эвакуации воздуха камеру продувают рабочим газом 5-15 минут при давлении 1000-1330 Па, затем откачивают камеру до давления 50 Па, подают на электроды напряжение и возбуждают тлеющий разряд. При напряжении 800-1000 В осуществляют катодное распыление. После 10-15-минутной обработки по режиму катодного распыления напряжение понижают до рабочего, а давление повышают до 120 Па, необходимое для зажигания тлеющего разряда. В качестве рабочего газа использовали аргон и смесь азота, аргона и ацетилена (N₂ 25%+Ar 70%+C₂H₂ 5%). Азотирование в тлеющем разряде производят при p=110-130 Па, j=1-2 мА/см², U=600-650 В. Обработка проводилась в течение 8 часов. Температура поверхности обрабатываемой детали не превышала 550°C. Все процессы проходят за один технологический цикл, в одной камере и в одной атмосфере. После обработки изделие охлаждается вместе с вакуумной камерой под вакуумом. В результате обработки твердость азотированных участков составила H_ν=9800 МПа, неазотированных, как и y исходного материала H_ν=2850 МПа. Толщина диффузионного слоя - 0,3 мм. Характер распределения микротвердости по поверхности упрочненного слоя изображен на фиг.1. Данный способ позволяет создавать макронеоднородную структуру как на плоских (фиг.4), так и на цилиндрических наружных и внутренних поверхностях. Созданная макронеоднородная структура повышает контактную долговечность и износостойкость, вследствие чего повышаются прочностные и трибологические характеристики материала.

Изобретение относится к области термической и химико-термической обработки и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности, для поверхностного упрочнения материалов. Способ азотирования стальной детали в плазме тлеющего разряда включает катодное распыление, вакуумный нагрев детали в плазме тлеющего разряда, состоящей из смеси азотсодержащего и инертного газов, с формированием участков с разнородной структурой стали, при этом переходный участок между участками с разнородной структурой имеет микронеоднородную структуру с постепенным изменением одного вида в другой. Разнородную структуру формируют в виде макронеоднородной структуры стали посредством перфорированного экрана, выполненного с отверстиями диаметром d, причем d>4·l, где l - толщина катодного слоя, и плотно прилегающего к обрабатываемой детали, и экрана для создания эффекта полого катода, плотно прилегающего к перфорированному экрану, для обеспечения возможности получения на поверхности участков, азотированных в тлеющем разряде с эффектом полого катода, чередующихся с неазотированными участками. Обеспечивается повышение контактной долговечности и износостойкости упрочненного слоя за счет локальной обработки и создания макронеоднородной структуры материала. 4 ил., 1 пр.

Способ азотирования стальной детали в плазме тлеющего разряда, включающий катодное распыление, вакуумный нагрев детали в плазме тлеющего разряда, состоящей из смеси азотсодержащего и инертного газов, с формированием участков с разнородной структурой стали, при этом переходный участок между участками с разнородной структурой имеет микронеоднородную структуру с постепенным изменением одного вида в другой, отличающийся тем, что разнородную структуру формируют в виде макронеоднородной структуры стали посредством перфорированного экрана, выполненного с отверстиями диаметром d, причем d>4·l, где l - толщина катодного слоя, и плотно прилегающего к обрабатываемой детали, и экрана для создания эффекта полого катода, плотно прилегающего к перфорированному экрану, для обеспечения возможности получения на поверхности участков, азотированных в тлеющем разряде с эффектом полого катода, чередующихся с неазотированными участками.