Способ азотирования металлических изделий

 

Ь СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ с помощью объемного электрического разряда в газе между поверхностью изделия и сопрягаемым с ней электродом, включающий заполнение пространства между изделием и электродом азотом или аммиаком и азотоводородной смесью и подачу на электрод и изделие разности электриче ских потенциалов, о т л ичающийся тем, что, с целью повышения скорости насыщения металла азотом, в пространство между поверхностью изделий и электродом вводят пучок ионизирующего излучения, инициирующий зажигание между поверхностью изделия и электродом несамостоятельного объемного разряда в газе. 2.Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что величину разности потенциалов, подаваемых на электрод и изделие, берут меньшей напряжения самостоятельного разряда в газе. 3.Способ по п. 1, отлича ющ и и с я тем, что для инициирования разряда используют импульсы ионизирующего излучения, повторяющиеся во времени. (Л 4.Способ по п. 1, отлича ющ и и с я тем что в качестве ионизирующего излучения используют пучок релятивистских электронов. 5. Способ по п. 1, отлича ющ и и с я тем, что насыщение поверхности изделия азотом ведут при повышенном давленш газа. 6. Способ по п. 5, отличаю- ;о ел щ и и с я тем, что насыщение ведут при давлении газа от 1 до 3 ата. Од 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

4(51.C 23 С 8

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 2964869/22-02 (22) 25.07.80 (46) 30.01.85. Бюл. Ф 4 (72) Л.П. Фоминский (71) Научно-производственное объединение "Тулачермет" (53) 621.785.539(088.8) (56) 1. Лахтин Ю.M., Коган Я.Д. Азотирование стали. И., "Иашиностроение", 1976.

2. Лахтин Ю.M. Коган Я.Д. Азотирование в тлеющем разряде. НИИИнформтяжмаш, Ф 8, M., 1974.

3. Авторское свидетельство СССР

В 356824, кл. H 05 Н 1/00, 1972. (54)(57) 1. СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ с помощью объемного электрического разряда в газе между поверхностью изделия и сопрягаемым с ней электродом, включающий заполнение пространства между изделием и электродом азотом или аммиаком и азотоводородной смесью и подачу на электрод и изделие разности электрических потенциалов, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения скорости насьпцения металла..SU„„3 0956?3 A азотом, в пространство между поверхностью изделий и электродом вводят пучок ионизирующего излучения, инициирующий зажигание между поверхностью изделия и электродом несамостоятельного объемного разряда в газе.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю" шийся тем, что величину разности потенциалов, подаваемых на электрод и изделие, берут меньшей напряжения самостоятельного разряд= в газе.

3. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что для инициирования разряда используют импульсы ионизирующего излучения, повторяющиеся . I во времени.

4. Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и и с.я тем, что в качестве ионизирующего излучения используют пучок релятивистских электронов.

5. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что насьпцение поверхности изделия азотом ведут при пы повышенном давлении газа. Ю

6. Способ по п. 5, о т л и ч а ю"

:шийся тем, что насьпцение ведут при давлении газа от 1 до 3 ата.

2 катодом (изделием) и анодом возникает аномальный тлеющий разряд. В аномальном тлеющем разряде при таком давлении газа плотность тока разряда может достигать 0,1 А/см, а энергия ионов, бомбардирующих катод — до

1 кэВ. Под действием интенсивной бомбардировки поверхности катода столь высокоэнергетичными ионами

1р происходит распыление окисных пленок и загрязнений на поверхности катода.

Этим осуществляется быстрая (за 560 мин) очистка (активация) поверхности изделия. После активации поверхности приступают к собственно азотированию. Для этого напряжение на электродах понижают до 600-900 В, давление газа в контейнере повьппают до 6-8 тор, а температуру повышают до 470-580 С. При этом плотность тока разряда снижается до 0,5-20 мА/см и уменьшается энергия ионов, бомбардирующих катод. Но в результате rioвьппения давления газа увеличивается скорость насыщения поверхности изделия азотом. В этом режиме и осуществляют аэотирование в течение нескольких часов. При этом скорость азотирования, например стали 30XMIOA, достигает 500 мкм за 14 ч при удельной мощности разряда 10 Вт/см и удельных энергозатратах разряда íà asoтирование слоя толщиной 500 мкм до

5 -10п Дж/см " 0,14 кВт-ч/см . После насьпцения поверхности изделия азотом отключают напряжение, извлекают контейнер из печи, охлаждают его и повышают давление в нем до.атмосферного. Затем извлекают изделие из контейнера. Азотирование в тлеющем разряде, помимо ускорения процесса, позволяет вести процесс не только в аммиаке, но и в чистом азоте беэ водорода. Это дает воэможность предотвратить водородное охрупчивание металла.

Недостатком азотнрования в тлеющем разряде является низкая скорость процесса насыщения поверхностных слоев металла азотом, она составляет всего 500 мкм за 14 ч. Низкая ско-! рость азотирования в тлеющем разряде обусловлена низким рабочим давлением газа. Действительно, как растворимость газов в металле, так и скорость диффузии газа в металле, так и скорость хемосорбции газа растут с ростом давления газа. Поэтому применение в известном способе низкого

1 1095673

Изобретение относится к химикотермической обработке, в частности к азотированию металлических изде лий.

Известны способы азотирования поверхностей металлов в тлеющем раз ряде. Сущность этих способов, например j1) заключается в том, что в тлеющем разряде ионы газа, ускоряясь в электрическом поле като ного слоя тлеющего разряда и бомбардируя поверхность катода, вызывают катодное распыление металла (т.е. испарение отдельных атомов металла с твердой поверхности катода). Свободные атомы железа, вырванные из стального катода взаимодействуют с активными (возбужденными или ионизированными) молекула ми аммиака или азота, находящимися у поверхности, с образованием нитридов железа. Часть нитридов конденсируется на поверхности катода, образуя поверхностный нитридный слой толщиной до 8 мкм. Затем под действием бомбардировки ионами газа часть нит.рицов железа в нитридном слое распадается с выделением атомов азота, которые диффундируют в глубь металла.

Таким образом, при азотировании в тлеющем разряде к потоку атомов азота, обусловленному термической хемосорбцией, добавляется поток атомов азота из нитридного слоя. Напряжен; ность электрического поля в катодном слое тлеющего разряда составляет

10 — 10 В/см. Это электрическое поле способствует переходу электронов из металла к молекулам газа у поверхности, т.е. повышает скорость хемосорбции.

Наиболее близким к изобретению по техническому решению (прототипом) является способ азотирования стали в тлеющем разряде (2). По этому способу азотирование осуществляют следующим образом. Подлежащее аз отированию изделие помещают в герметич,ный контейнер и присоединяют к отрицательной клемме источника постоянного напряжения. Над поверхностью .издвлия устанавливают изолированный от него анод. Из контейнера откачивают воздух до разрежения 0,01 тор и одновременно нагревают контейнер до 250оС. Затем заполняют контейнер азотом или аммиаком и смесью азота с водородом до давления 0,1-0,2 тор и подают на электроды напряжение

1100-1400 В. При этом в газе между

73 4 ный разряд может гореть практически при любых давлениях газа (от долей тор до десятков атмосфер). Катодная область в электроионизационном разряде вырождена в тонкий ((10 см) катодный слой с высокой напряженностью электрического поля (до 10" В/см), которая растет с ростом 3> . Положительные ионы, как и в тлеющем разряде, ускоряются в электрическом поле катодного слоя и бомбардируют поверхность катода. При этом плотность потока ионов 3, определяется плотностью

1 тока разряда (3. =3 /e) и достигает

"10 1/см -с; что в 10 раз больше, чем максимально возможная плотность потока ионов в тлеющем разряде. Электроионизационный разряд, по сравнению с тлеющим, позволяет достичь большего давления газа P (до 10 тор), большей плотности тока разряда 3< (до 10 А/см ), большей напряженности электрического поля у поверхности катода Е (до 10 В/см). При, азотировании в электроионизационном разряде при столь больших Е„ резко ! возрастает по сравнению с азотироУ ванием в тлеющем разряде, количество электронов, преодолевающих поверхностный потенциальный барьер и переходящих от металла к молекулам газа, находящимся у поверхности. При высоких Е и при высоких давлениях газа

Р скорость рождения отрицательных ионов аммиака (ИН ) у поверхности металла в электроионизационном разряI де может быть много больше, чем в тлеющем разряде. В результате увеличивается скорость хемосорбции аммиака, первой стадией которой является рождение отрицательных ионов у поверхности металла. Увеличение скорости хемосорбции ведет к увеличению скорости аэотирования. При аэотировании в электроионизационном разряде, инициируемом пучком релятивисткихэлектронов, электроны пучка, проходя .через газ разрядного промежутка, попадают на поверхность катода. При этом электроны с энергией 1 МэВ проникают в сталь на глубину до 700 мкм, В то же время электроны такой энергии способны рождать дислокации в кристаллической. решетке металла. С повышением плотности дислокаций до глубины 700 мкм повышается и скорость диффузии атомов азота в металле до этой глубины. А это также ведет к увеличению скорости азотирования.

Несамостоятельный сильноточный 40 разряд, называемый в некоторых работах электроиониэационным разрядом (33, является разновидностью объемного разряда в газе и по некоторым параметрам похож на тлеющий разряд. В 4> электроионизационном разряде ток между электродами возникает в резуль тате ионизации газа внешним источником ионизирующего излучения (пучком релятивистских электронов, ультрафиолетовым излучением и др.). При этом плотность тока разряда l может быть черезвычайно высока и ограничивается только мощностью источника излучения. В реальных установках, широ.. ко используемых для возбуждения газа электроионизационных лазеров, 3 достигает 10 А/см . Электроионйзацион3 1095б давления (6-8 тор) крайне отрицатель-, но сказывается на скорости азотирования. Но в известном способе давление газа не может быть поднято выше, потому что тлеющий разряд может существовать только при низких давлениях газа.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение скорости насыщения металла азотом. 10

Поставленная. цель достигается тем, что в способе азотирования металлических изделий с помощью объемного электрического разряда в газе, где пространство между поверхностью изделия и сопрягаемым с ней электродом заполняют азотом или аммиаком и азотоводородной смесью, а

1на электрод и изделие подают разность электрических потенциалов, сог- >0 ласно изобретению в пространство между поверхностью изделия и электро дом вводят пучок ионизирующего излучения, инициирующий зажигание между поверхностью изделия и электродом неса- мостоятельного объемного разряда в газе. При этом величину разности потенциалов, подаваемых на электрод и изделие, берут меньшей напряжения зажигания самостоятельного разряда в газе. Кроме того, для инициирования разряда используют импульсное иониэирующее излучение, повторяющееся во времени. В качестве ионизирующего излучения используют пучок релятивистских электронов. Насыщение поверхности изделия азотом ведут при повышенном давлении газа, которое изменяют от 1 до 3 ата..

1095673

С целью ьбеспечения больших 3р и

E при небольшой средней во времени мощности разряда рекомендуется в данном изобретении использовать для азотирования импульсные электроионизационные разряды с большой частотой повторения импульсов. Это дает ряд преимуществ. Во-первых, при малой средней (потребляемой от электросети) мощности установки достигаются пов- 10 торяющиеся с большой частотой импульсы разряда с предельно большими Зр и

Е . А так как плотность потока электронов с катода растет с ростом

Е„ быстрее, чем по экспоненциальному 15 закону, то скорость хемосорбции во время такого импульса повышается во много раз. В результате усредненная во времени скорость хемосорбции также оказывается большой. Во-вторых, при 20 больших 3 в импульсе, в катодном слое активируются практически все молекулы газа, т.е. практически все молекулы становятся способными вступать в химическую связь с желе- 25 зом. Это обеспечивает максимальную скорость хемосорбции молекул газа.

В-третьих, в интервалах между импульсами, когда скорость хемосорбции уменьшается, происходит рассасывание Зп азота из поверхностного слоя в глубь металла, и к следующему импульсу плотность азота в поверхностном слое оказывается меньше плотности насыщения, что дает возможность следующей порции азота хемосорбироваться на освободившееся место.

Берут образцы из стали 38ХЫА (ГОСТ 4543-48), железа "Армко", чу- 40 гуна ВЧ 45-5 (ГОСТ 7293-54) и титанового сплава ВТЗ-1 (ОСТ 1900 13-71).

Образцы берут в виде шлифованных пластин 50х50х5 мм. Пластины обезжнривают бензином и ацетоном. Затем помещают пластину в контейнер объемом

5 л на подставку из плоской медной плиты на керамическом изоляторе. Иедная плита присоединена к отрицательной клемме источника высокого напряжения. Устанавливают над подлежащей азотированию поверхностью пластины плоский анод в виде алюминиевой фольги толщиной 50 мкм, натянутой на рам- ку из стальной проволоки и присоединенной к металлическому корпусу контейнера. Расстояние от поверхности пластины до фольги 3 мм. Напротив анода на расстоянии 20 мм от него в верхней крышке контейнера имеется окно Ф 60 мм, затянутое титановой фольгой толщиной 50 мкм и уплотненное на вакуум. Иеталлический корпус контейнера присоединен к положительной клемме источника высокого напряжения и заземлен. Откачивают кон.ейнер до разрежения 10 тор и одновременно нагревают до 500+50 С. (Корпус контейнера чагревается электроподогревателем). Затем заполняют контейнер азотом или частично диссоциированным аммиаком (степень диссоциации 30 ) до давления Р, указанного в таблице.

Подают на электроды контейнера напряжение 11, указанное в таблице. Через верхнее окно контейнера направляют в него пучок релятивистских электронов от ускорителя "ЭЛИТА-1,5". Энергия электронов пучка 1 ИэВ, длительность импульса пучка 3 мкс, частота повторения импульсов 100 Гц, плотность тока пучка на входе в контейнер

0,1 А/см в импульсе, средняя во времени мощность пучка 1 кВт. Электроны пучка проходят через титановую фольгу верхнего окна контейнера, затем пронизывают алюминиевую фольгу анода и ионизируют газ между анодом и поверхностью обрабатываемой пластины, играющей роль катода. Затем электроны пучка бомбардируют поверхность этой пластины.

Ионизирующая способность пучка электронов в газе (скорость ионизации газа) V зависит от давления rasa P и приведена в таблице, При ионизации газа между поверхностью пластины и анодом возникает импульсный электроионизационный разряд с длительностью импульса, равной длительности импульса пучка.

Амплитуда тока разряда 3 и плотP ность тока разряда (импульсная ð и средняя по времени 3 ) приведены в таблице, где также указана средняя во времени мощность разряда W, приходящаяся на 1 см катода. Под действием совместной бомбардировки поверхности пластины релятивистскими электронами пучка и ионами плазмы разря-. да поверхности пластины обезгаживается и активируется, Активация продолжается 2-3 мин при продувке газа через контейнер с расходом 5 л/мин.

Одновременно начинается азотирование поверхности пластины. Скорость насы109567

Материал образца

Параметр

Род газа

Чугун ВЧ45-5

Железо армко

Сталь 38ХМЮА

Сплав ВТЗ-1

:1

N2 3

2 2 3 3

2 3

2 3

Давление газа

Р, ата.

1 3 1 1

Напряжение 1j, кВ 4,5 13 5 1,5 4,5:4,5 . 1,5. 4,5 1,5 4,5 1,5

Скорость иониза ции 10 1ппар ионов/см . с 3 9

3 9 3 3 3

3 3 3

Амплитуда тока разряда 1, кА

0,35 0,6 0,3 0,5 0,35 0,3 0,35 0,3 0,35 0,3

Импульсная плотность тока разряра 3р, А/см

14 24 12 20: 14 12 14 12 14 .12 щения металла азотом увеличивается по мере активации поверхности. Азотирование в импульсных повторяющихся с частотой 100 Гц электроионизационных разрядах продолжают в течение времени, указанного в таблице, при продувке газа через контейнер. Затем выключают ускоритель и источник высокого напряжения, охлаждают контейнер и извлекают из него азотированную 10 пластину. Результаты сведены в таблицу.

Изобретение обладает следующими преимуществами перед известными способами: 15 — повышается рабочее давление газа до нормальных (атмосферных) и более высоких давлений, что создает удобство эксплуатации установок; — повышается скорость азотирова- 20 ния; — скорость насьпцения металла азотом остается высокой и при больших толщинах насьпцаемого азотом слоя металла; 25 — уменьшаются энергозатраты на азотирование.

Оценку экономического эффекта от использования изобретения проводят следующим образом. При .азотировании Зб в электроионизационном разряде со

3 8 средней мощностью разряда 1 9 Вт/см слой стали толщиной 500 мкм насьпцается азотом за 20 мин (см. таблицу).

Следовательно, удельные энергозатраты разряда на азотирование слоя стали такой толщины составляет

2,3 1О Дж/см . Кроме того, затрачивается энергия электронного пучка от ускорителя в количестве %+t y/9 =

= 0,28 10 Дж/см, где W = 1 кВт— мощность ускорителя, 5 = 25 см площадь поверхности обрабатываемого изделия, = 20 мин — время азотирования, 1 = 0,6 — КПД ускорителя.

Итак, полные удельные энергозатраты на создание разряда при азотировании слоя стали толщиной 500 мкм составляют 2 58 10 Дж/см = 0,072 кВт,ч/см .

В то же время как при азотировании в тлеющем разряде энергозатраты разряда на азотирование слоя стали толщиной 500 мкм составляют 5 .10 Дж/см =

= 0,14 кВт ч/см . Это создает эконо1мию электроэнергии 680 кВт ч/м, что при стоимости электроэнергии

2 коп за 1 кВт ч создает экономию

13,6 руб/м . Кроме того, в результате сокращения времени азотирования от 14 ч до 20 мин в 40 раз сокращается потребление энергии печами

,подогрева контейнеров.

1095673

Продолжение таблицы

Ю!

Иатериал образца

Параметр

Род газа железо армко Чугун ВЧ45 ав ВТ3-1

Сталь 38ХИЮА

2 3 Л 3

1) Средняя во времени плотность то:ка разряда

Зр.ср в А/см2 4,2 7,2 3,6

36 42 36 42 36

6 4,2

Средняя во времени удельная мОщнОсть разря да, а, Вт/см 19

5,4 19 5,4 19 5,4

97 5 4 27 19

1 мин 0,05 0,1

Ф

Глубина насыщения ме0,05 0,1 0,05 0,05 0,05

0 05

5 мин 0,2 О,б талла мин 0,4 0,8 мин 0,6 мин 0,7

Известный 14 ч

0 5

Редактор П. Горькова Техред Л. Коцюбняк Корректор М, Иаксимишинец

Тираж 900 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Б-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 158/4

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 азотом 10 (диффу.зионный 30 слой),мм при вре- 60 мени азотирования

0,2 0,35 0,1I5 0,1 0,1 0,1 О, 0,05

0,3 0,55 0,25 0,2 0,3 0,25 0,2 0,15

0,5 0,8 0,4 0,4 0,5 0 45 0,4 0,3

О 6 - 0 6 0 5 О 65 0 6 0 5 0 45