Способ ионного азотирования детали из алюминиевого сплава Российский патент 2024 года по МПК C23C8/36 C23C14/48 

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 и 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 поверхностностей.

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 ионного 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 (патент РФ № 2372418) 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 ионного 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 (US Patent №4522660) 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.

Недостатками известных способов являются невысокая износостойкость поверхности из-за неоднородности диффузионного слоя и образования в диффузионном слое хрупких фаз, а также формирования нитридной сетки, приводящей к выкрашиванию азотированных зерен в процессе эксплуатации деталей.

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, особенно при образовании развитой нитридной сетки.

Причиной образования нитридной сетки в азотированном слое является различие в интенсивности диффузии азота в зернах металла и по его границам (поскольку интенсивность диффузии по границам зерен намного выше в объемах зерен, то это приводит к перенасыщению границ зерен азотом), что в значительной степени снижает износостойкость азотированного слоя.

Использование процесса ионной имплантации позволяет производить насыщение поверхностного слоя деталей практически любыми легирующими элементами, а детали, упрочненные методом ионной имплантации, имеют гораздо более высокие эксплуатационные свойства, чем детали, подвергнутые обычной или ионной химико-термической обработке [Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / Под ред. Д.М. Поута, Г. Фоти, Д.К. Джекобсона. М.: Мир, 1987, 424 с.; Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками. / под ред. Дж. М. Поута. М.: Машиностроение, 1987. - 424 с.]. При этом основными недостатками ионно-имплантационной обработки являются дороговизна метода и незначительная глубина проникновения легированных элементов в поверхностный слой материала.

В то же время также известно [Гегузин Я.Е. Диффузионная зона. - М.: Наука, 1979. - 343 с.], что наличие плотных объемов дефектов кристаллической структуры приводит к интенсификации диффузионных процессов. При этом возможно создание высокой плотности дефектов кристаллической структуры методами высокоэнергетической ионной имплантации [Риссел Х. Ионная имплантация. М.: Наука, 1983. 358 с.]. В то же время использование одних только методов ионной имплантации не позволяет получить достаточную толщину азотированного слоя.

В процессе высокоэнергетической ионной имплантации (порядка 20 кэВ и более), в ПС происходит формирование высокой плоти дефектов кристаллической структуры на глубине порядка от 200 до 300 мкм [Риссел Х. Ионная имплантация. М.: Наука, 1983. 358 с.]. Кроме того, на границах зерен возникают зоны, блокирующие диффузионные процессы, приводящие, например, к резкому повышению коррозионной стойкости ПС [Повышение сопротивления высокотемпературной газовой коррозии лопаток компрессора путем комбинированного модифицирования их поверхности. Смыслов А.М. и др. Сб. докладов VI Всероссийской конференции по испытаниям исследованиям свойств материалов "ТестМат". ФГУП ВИАМ. 2015. С. 24.]

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.

Задачей предлагаемого изобретения является интенсификация процесса и повышение качества азотирования деталей из алюминиевых сплавов за счет активации поверхностного слоя и формирования в нем высокой плотности дефектов кристаллической структуры, обеспечивающих равновеликие диффузионные процессы внутри зерен металла и по их границам, и тем самым подавляющих образование нитридной сетки.

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

Технический результат достигается тем, что в способе ионного азотирования детали из алюминиевых сплавов, включающем предварительную очистку поверхности детали, размещение детали в рабочей камере, активацию поверхности детали перед ионным азотированием, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температуры азотирования и выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины азотированного слоя, в отличие от прототипа, активацию поверхности детали перед азотированием проводят в два этапа, на первом этапе осуществляют обработку детали в плазме индукционного высокочастотного разряда в среде аргона при отрицательном напряжении смещения на изделии в диапазоне от 400 В до 600 В, а затем на втором этапе активации проводят ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота при энергии ионов от 20 кэВ до 30 кэВ и дозе облучения от 1,2⋅10¹⁶ см^-2 до 4,0⋅10¹⁶ см^-2.

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.

Режимы обработки образцов по предлагаемому способу.

Первый этап активации (удаление оксидной пленки).

В вакуумной камере установки для ионного азотирования вначале создавался вакуум (1,0⋅10^-3 Па), затем в камеру производился напуск аргона (до давления 1,0⋅10^-1 Па), производилась генерация индукционного высокочастотного (ВЧ) разряда (мощность 800 Вт.); отрицательное напряжение смещения на деталь: 400 В, 500 В, 600 В; время обработки деталей в ВЧ плазме, соответственно приведенным выше значениям напряжений смещения: 12 минут, 10 минут, 8 минут. При всех вариантах наблюдалось удаление оксидной пленки.

Второй этап активации (высокоэнергетическая ионная имплантация).

Ионная имплантация деталей из алюминиевых сплавов перед ионным азотированием проводилась по следующим режимам:

- имплантируемые ионы - ионы азота;

- доза облучения - 1,0⋅10¹⁶см^-2 - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 1,2⋅10¹⁶см^-2 - удовлетворительный результат (У.Р.); 2,2⋅10¹⁶см^-2(У.Р.); 4,0⋅10¹⁶см^-2(У.Р.); 4,5⋅10¹⁶см^-2 (Н.Р.) 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.);

- энергия ионов: 18 кэВ (Н.Р.); 20 кэВ (У.Р.); 25 кэВ (У.Р.); 30 кэВ (У.Р.); 33 кэВ (Н.Р.).

- давление в камере: 3⋅10^-2 Па (Н.Р.); 8⋅10^-2 Па (У.Р.); 12⋅10^-2 Па (У.Р.); 20⋅10^-2 Па (У.Р.); 25⋅10^-2 Па (Н.Р.).

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 на повышение износостойкости образцов по сравнению с прототипом приблизительно в 5,1-5,5 раз и повышение производительности азотирования приблизительно в 1,5 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 - 234 0,5- 0,7 2 Прототип 42 72 0,2- 0,4 3 Предлагаемое техническое решение 64 - 72 14 0,1- 0,3 4 Д16 Исходное состояние - 305 0,5- 0,7 5 Прототип 39 88 0,2- 0,4 6 Предлагаемое техническое решение 61 - 67 16 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 производительности процесса азотирования, а также 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 ионного азотирования детали из алюминиевого сплава включает предварительную очистку поверхности детали, размещение детали в рабочей камере, активацию поверхности детали перед ионным азотированием, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температуры азотирования и выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины азотированного слоя, при этом активацию поверхности детали перед азотированием проводят в два этапа, на первом этапе осуществляют обработку детали в плазме индукционного высокочастотного разряда в среде аргона при отрицательном напряжении смещения на изделии в диапазоне от 400 В до 600 В, а затем на втором этапе активации проводят ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота при энергии ионов от 20 кэВ до 30 кэВ и дозе облучения от 1,2⋅10¹⁶ см^-2 до 4,0⋅10¹⁶ см^-2. Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение износостойкости азотированного слоя деталей из алюминиевых сплавов. 1 табл.

Способ ионного азотирования детали из алюминиевого сплава, включающий предварительную очистку поверхности детали, размещение детали в рабочей камере, активацию поверхности детали перед ионным азотированием, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температуры азотирования и выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины азотированного слоя, отличающийся тем, что активацию поверхности детали перед азотированием проводят в два этапа, на первом этапе осуществляют обработку детали в плазме индукционного высокочастотного разряда в среде аргона при отрицательном напряжении смещения на изделии в диапазоне от 400 В до 600 В, а затем на втором этапе активации проводят ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота при энергии ионов от 20 кэВ до 30 кэВ и дозе облучения от 1,2·10¹⁶ см^-2 до 4,0·10¹⁶ см^-2.