Способ азотирования детали из алюминиевого сплава Российский патент 2023 года по МПК C23C8/36 C23C8/02 C23F1/36 C23F4/00 

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из алюминиевых сплавов, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин.

Алюминиевые сплавы используются в различных областях машиностроения благодаря ряду положительных характеристик, таких как незначительный вес, дешевизна, и др. В то же время, детали, изготовленные из алюминиевых сплавов, обладают низкой износостойкостью, что требует упрочнения их поверхностей.

Широко известны процессы упрочнения поверхности деталей методами химико-термической обработки (ХТО). Известен, например, способ ХТО деталей, включающий диффузионное насыщение элементами внедрения и замещения и последующий нагрев поверхности изделия (А.С. СССР №1515772, МПК С23С 8/00. Способ химико-термической обработки стальных изделий. Бюл. №36, 2013 г.).

Для повышения стойкости поверхностного слоя материала деталей в качестве ХТО используют способы азотирования.

Известен способ ХТО деталей, заключающийся в высокотемпературном азотировании, закалке с последующим отпуском [Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали. М.: Машиностроение, 1976, с. 99-102]. В результате обработки получают высокоазотистый слой небольшой толщины. Такой слой хорошо противостоит коррозии в атмосфере, но плохо работает при высоких изгибных, контактных напряжениях и в условиях повышенного износа.

Известны также методы азотирования в плазме тлеющего разряда постоянного или пульсирующего тока, которые включают в себя две стадии - очистку поверхности катодным распылением и собственно насыщение поверхности металла азотом [Теория и технология азотирования / Лохтин Ю.М., Коган Л.Д. и др. // М., Металлургия, 1990, с. 89].

Известен также способ азотирования металлов и сплавов, при котором на стадии очистки изделий тлеющий разряд периодически переводят в импульсную электрическую дугу. Это позволяет интенсифицировать процесс за счет быстрого разогрева обрабатываемой поверхности в первые минуты до более высоких температур, чем температура процесса азотирования (А.С. СССР 1534092, МПК С23С 8/36, опубл. 07.01.90; BG 43787. МПК С23С 8/36. Method for chemico-thermic treatment in glowing discharge of gear transmissions. 1988).

Однако наличие на поверхности детали из алюминиевого сплава окисной пленки препятствует насыщению его поверхностного слоя азотом. Это обстоятельство требует изыскания методов устранения оксидной пленки с обрабатываемой поверхности детали.

Известен способ азотирования деталей из алюминиевых сплавов, предусматривающий формирование азотированного слоя на поверхности деталей из алюминиевых сплавов путем ионной имплантации азота (патент РФ № 2372418. МПК C23C14/48. Устройство азотирования детали из алюминиевого сплава путем ионной имплантации и способ, в котором используется такое устройство. Опублик. 10.11.2009. Бюл №31).

Однако известный способ не предусматривает удаление оксидной пленки с азотируемой поверхности детали и, кроме того, формируется тонкий азотированный слой, который не может обеспечить высокую износостойкость азотированных деталей.

Известен также способ азотирования деталей из алюминиевых сплавов (US Patent №4522660. Process for ion nitriding of aluminium or an aluminium alloy and apparatus therefor. 1985.) В данном способе для удаления оксидной пленки с поверхности деталей из алюминиевых сплавов в процессе ионного азотирования используются металлы, поглотители кислорода.

Однако известный способ не обеспечивает надежное удаление оксидной пленки с поверхности деталей из алюминиевых сплавов в процессе ионного азотирования и, кроме того, наличие активного чужеродного металла приводит к загрязнению им азотированного слоя.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ ионного азотирования детали из алюминиевых сплавов, включающий предварительную очистку поверхности изделия, размещение детали в рабочей камере, активацию поверхности детали перед азотированием, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температуры азотирования и выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины азотированного слоя (US Patent № 4597808. Process for ion nitriding aluminium alloys. 1986).

В способе-прототипе перед ионным азотированием детали из алюминиевого сплава слой оксида алюминия удаляют частично или полностью путем ионной бомбардировки активирующего газа. В качестве активирующего газа используют газы гелия (He), неона (Ne), аргона (Ar), криптона (Kr), ксенона (Xe) или радона (Rn). При этом может использоваться тлеющий разряд постоянного тока или переменного тока, такой как высокочастотный разряд, но может применяться ионно-лучевое распыление. В качестве газа для ионного азотирования может быть использован либо азот (N₂) либо газ на основе азота, например, аммиак (NH₃) или смесь азота (N₂) и водорода (H₂).

Однако указанный способ не обеспечивает формирование равномерного азотированного слоя.

Недостатками известных способов и прототипа являются невысокая износостойкость поверхности из-за неоднородности диффузионного слоя в связи с неполным удалением оксидной пленки. Использование только ионной очистки (травления) для удаления оксидной пленки с поверхности деталей из алюминиевых сплавов затруднительно, поскольку оксидная пленка является электроизолятором, препятствующим воздействию бомбардируемых поверхность детали ионов. При этом, при устранении оксидной пленки на локальных участках поверхности детали, на этих участках из-за отсутствия электоизолирующей пленки начинается более интенсивное травление материала детали. В результате кроме повышения шероховатости поверхности возникает значительная вероятность неполного удаления оксидной пленки на части обработанной поверхности.

Азотирование с использованием известных способов приводит к следующим негативным явлениям: существует высокая вероятность образования неравномерного слоя с уменьшенной концентрацией насыщаемого вещества, неоднородной и пониженной твердостью материала поверхностного слоя, возникновением дефектных участков, возникающих из-за неполного удаления оксидов с азотируемой поверхности детали.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа, повышающего качество азотирования деталей из алюминиевых сплавов за счет обеспечения устранения оксидной пленки.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение износостойкости азотированного слоя деталей из алюминиевых сплавов.

Технический результат достигается тем, что в способе азотирования детали из алюминиевого сплава, включающем предварительную подготовку поверхности детали, размещение детали в рабочей камере ионно-плазменной установки, подачу в упомянутую камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температуры азотирования и выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины азотированного слоя, в отличие от прототипа, подготовку поверхности детали осуществляют цинкатной обработкой с последующим ионным травлением в среде аргона при давлении в диапазоне от 1,0⋅10^-1 Па до 3,0⋅10^-1 Па, при отрицательном напряжении смещения на изделии в диапазоне от 400 В до 600 В до полного удаления пленки, образованной при цинкатной обработке.

Кроме того, возможны следующие дополнительные приемы способа: цинкатную обработку проводят в водном растворе концентрацией 50 г/л ZnO и 262,5 г/л NaOH при 60-70°C в течение времени от 1,5 мин до 3 мин; цинкатную обработку проводят при 70-80°C в течение времени от 1,5 мин до 3 мин в щелочном растворе, содержащем, г/л:

тринатрийфосфат – 30-70;

кальцинированная сода – 10-20.

Поскольку наличие оксидной пленки приводит к неравномерному ее удалению с поверхности из-за её электроизоляционного эффекта, то замена диэлектрической пленки на металлическую обеспечивает равномерное травление поверхности. Это может быть достигнуто, например, использованием способов, основанных на цинкатном методе. В растворе цинката натрия на деталях из алюминия или алюминиевых сплавов происходит растворение окисной пленки. При этом на поверхности формируется тонкая, равномерная пленка цинка, которая легко удаляется ионным травлением.

Для оценки эксплуатационных свойств деталей из алюминиевых сплавов, обработанных по предлагаемому способу, были проведены следующие испытания. Образцы из алюминиевых сплавов АА2139 (сплав системы Al-Cu-Mg-Mn-Ag) и Д16 были подвергнуты обработке как по способу-прототипу (US Patent № 4597808), согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам обработки, так и по вариантам предлагаемого способа.

Ниже приведены режимы обработки образцов по предлагаемому способу. Удовлетворительным результатом (У.Р.) для предлагаемого способа считался результат, превышающий износостойкость азотированного слоя, полученного по способу-прототипу, не менее чем в 1,2 раза, в противном случае результат признавался неудовлетворительным (Н.Р.).

Удаление оксидной пленки - цинкатная обработка:

- первый вариант: водный раствор концентрацией 50 г/л ZnO и 262,5 г/л NaOH: 50°C – (Н.Р.), 60°C – (У.Р.), 70°C – (У.Р.), 80°C – (Н.Р.). Время обработки 1,0 мин (Н.Р.), 1,5 мин (У.Р.), 2,0 мин (У.Р.), 3,0 мин (У.Р.), 4,0 мин (Н.Р.);

- второй вариант: щелочной раствор, содержащий, г/л: тринатрийфосфат - 20 г/л (Н.Р.), 30 г/л (У.Р.), 50 г/л (У.Р.), 70 г/л (У.Р.), 80 г/л (Н.Р.); кальцинированная сода - 5 г/л (Н.Р.), 10 г/л (У.Р.), 20 г/л (У.Р.), 30 г/л (Н.Р.).

Время обработки 1,0 мин (Н.Р.), 1,5 мин (У.Р.), 2,0 мин (У.Р.), 3,0 мин (У.Р.), 4,0 мин (Н.Р.).

Ионное травление в среде аргона.

В вакуумной камере установки для ионного азотирования вначале создавался вакуум (1,0⋅10^-3 Па), затем в камеру производился напуска аргона (до давления в диапазоне от 1,0⋅10^-1 Па до 3,0⋅10^-1Па), подавалось отрицательное напряжение смещения на деталь: 300 В (Н.Р.), 400 В (У.Р.), 500 В (У.Р.), 600 В (У.Р.), 700 В (Н.Р.); время обработки деталей соответственно приведенным выше значениям напряжений смещения составляло: 12 минут, 10 минут, 8 минут. При всех вариантах наблюдалось удаление цинковой пленки.

Ионное азотирование. Рабочий газ в виде смеси азота, аргона и ацетилена (Ar – 70%, N₂ – 25%, С₂Н₂ – 5%), давление в камере – Р=50 Па, время азотирования – 8 часов.

Отличие предлагаемого способа от способа-прототипа состояло в предварительном удалении перед ионным азотированием оксидной пленки с последующей обработкой поверхности детали ионной имплантацией ионами азота.

Испытания показали повышение износостойкости образцов по сравнению с прототипом приблизительно в 2,8-3,2 раза (таблица).

Таблица - Износостойкость образцов из алюминиевых сплавов после азотирования

№ Материал образца Вид обработки Толщина азотированного слоя, мкм Потеря массы, Δm⋅10^-4 г Коэффициент трения (без смазки) 1 сплав АА2139 Исходное состояние - 246 0,5- 0,7 2 Прототип 45 73 0,2- 0,4 3 Предлагаемое техническое решение 57 26 0,1- 0,3 4 Д16 Исходное состояние - 313 0,5- 0,7 5 Прототип 41 91 0,2- 0,4 6 Предлагаемое техническое решение 54 28 0,2- 0,3

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что предлагаемый способ азотирования детали из легированной стали позволяет обеспечить заявленный технический результат изобретения - повышение износостойкости азотированного слоя деталей из алюминиевых сплавов.

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из алюминиевых сплавов, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин. Способ включает предварительную подготовку поверхности детали, размещение детали в рабочей камере ионно-плазменной установки, подачу в упомянутую камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температуры азотирования и выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины азотированного слоя, при этом подготовку поверхности детали осуществляют цинкатной обработкой с последующим ионным травлением в среде аргона при давлении в диапазоне от 1,0⋅10^-1 до 3,0⋅10^-1 Па, при отрицательном напряжении смещения на изделии в диапазоне от 400 до 600 В до полного удаления пленки, образованной при цинкатной обработке. Технический результат - повышение износостойкости азотированного слоя деталей из алюминиевых сплавов. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ азотирования детали из алюминиевого сплава, включающий предварительную подготовку поверхности детали, размещение детали в рабочей камере ионно-плазменной установки, подачу в упомянутую камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температуры азотирования и выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины азотированного слоя, отличающийся тем, что подготовку поверхности детали осуществляют цинкатной обработкой с последующим ионным травлением в среде аргона при давлении в диапазоне от 1,0⋅10^-1 до 3,0⋅10^-1 Па, при отрицательном напряжении смещения на изделии в диапазоне от 400 до 600 В до полного удаления пленки, образованной при цинкатной обработке.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что цинкатную обработку проводят в водном растворе концентрацией 50 г/л ZnO и 262,5 г/л NaOH при 60-70°C в течение времени от 1,5 до 3 мин.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что цинкатную обработку проводят при 70-80°C в течение времени от 1,5 до 3 мин в щелочном растворе, содержащем, г/л:

тринатрийфосфат – 30-70;

кальцинированная сода – 10-20.