Способ создания неоднородной структуры материала при азотировании в тлеющем разряде

Изобретение относится к области химико-термической обработки и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности для поверхностного упрочнения материалов. Для повышения контактной долговечности и износостойкости упрочненного слоя, а также расширения функциональных возможностей изделия из стали и сплава подвергают катодному распылению, вакуумному нагреву в плазме тлеющего разряда повышенной плотности, состоящей из смеси азотсодержащего и инертного газов, формируемой между изделием и экраном, при этом с помощью экрана с ячейками формируют неоднородную плазму тлеющего разряда и создают дифференцированную структуру в материале путем получения в нем разнородных структур, при этом переходной участок между участками с различной структурой имеет микронеоднородную структуру с постепенным изменением от одного вида в другой. 6 ил., 1 табл.

 

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

Известен способ (Патент РФ № 2127330, кл. С23С 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°С и последующее охлаждение со скоростью, позволяющей избежать выделения нитрида.

Недостатком аналога является:

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

- нет возможности создания неоднородной структуры.

Известен способ (патент РФ № 1506916, кл. C22F 1/18, 1995.03.27) термической обработки α-титановых сплавов, который позволяет создать гетерогенную структуру и повысить прочность при сохранении пластичности сплавов и тем самым снизить вес конструкции, включающий наводороживание сплава, нагрев до температур на 20-50°С ниже температуры конца (α+β)/β, выдержку 1 ч, охлаждении со скоростью 0,03-10°С/с до температуры на 200-400°С выше конца обратного эвтектоидного превращения, и последующее старение при этой температуре в течение 1-10 ч, и окончательный вакуумный обжиг при 600-650°С выдержкой, необходимой для полной дегазации изделия.

Недостатком аналога является:

- вероятность охрупчивания водором за счет неполной дегазации из изделия;

- нет возможности создания неоднородной структуры.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является способ (патент РФ № 2276201, кл. С23С 8/36, C21D 9/30, 09.11.2004) обработки стальных изделий, включающий азотирование в тлеющем разряде, для осуществления которого проводят катодное распыление, вакуумный нагрев изделий в плазме азота повышенной плотности, формируемой между деталью и экраном за счет создания эффекта полого катода.

Недостатком ближайшего аналога является:

- большая вероятность обезуглероживания поверхности, которая может привести к резкому увеличению хрупкости азотированного слоя и его шелушению из-за отсутствия углеродсодержащих газов в насыщающей среде; низкая скорость охлаждения потоком аргона вследствие низкой теплоемкости данного газа, которая может привести к неполной закалке или образованию феррито-цементитной смеси; отсутствие отпуска как обязательной операции для стальных изделий, закаленных на мартенсит, для полного снятия напряжений;

- нет возможности создания неоднородной структуры.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение контактной долговечности и износостойкости упрочненного слоя за счет создания регулярной неоднородной структуры материала, а также расширение функциональных возможностей данного метода за счет неоднородной плазмы тлеющего разряда.

Задача решается за счет использования способа обработки изделий из стали и сплава, включающего катодное распыление, вакуумный нагрев изделий в плазме тлеющего разряда повышенной плотности, состоящей из смеси азотосодержащего и инертного газов, формируемой между деталью и экраном, в котором в отличие от прототипа 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.

Дифференцированная обработка, сочетающая общие (объемные) и локальные (местные) воздействия на материал, позволяет получить регулярную неоднородную структуру как на поверхности, так и в объеме сплавов. 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.

Эффект полого катода проявляется в значительном повышении плотности тока, это приводит к значительному возрастанию средней энергии ионов без повышения нагревательной способности плазмы.

Для создания регулярной неоднородной структуры использовали экран. Между обрабатываемой поверхностью и экраном формируется неоднородная плазма с повышенной концентрацией заряженных частиц. Поверхность детали непосредственно становится поверхностью полого катода, что приводит к образованию вблизи обрабатываемой поверхности структуры из неоднородной плазмы и слоя пространственного заряда между обрабатываемой поверхностью и границей неоднородной плазмы.

Неоднородность плазмы обеспечивается за счет ЭПК.

Существо изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображены виды дифференцированной структуры: 1 - линейчатая, 2 - точечная, 3 - сетчатая, 4 - слоистая. На фиг.2 изображено распределение микротвердости по поверхности упрочненного слоя в тлеющем разряде с ЭПК, где a, b - параметры экрана (размер ячейки), с - расстояния между элементами экрана, 5 - зона нормального тлеющего разряда, 6 - зона повышенной концентрации частиц (ЭПК). На фиг.3 изображена модель составного экрана, где а - размер ячейки, b - расстояние между ячейками, с - расстояние между элементами экрана. На фиг.4 изображена схема реализации способа интенсифицированного эффекта полого катода для получения неоднородной структуры. Схема содержит источник питания 7, анод 8, экран 9, установленный на определенном расстоянии от катод-детали 10. На фиг.5 изображена схема формирования неоднородной структуры на поверхности стали 13Х11Н2 В2МФ-Ш в тлеющем разряде с полым катодом. На фиг.6 изображена микроструктура конструкционной стали 13Х11Н2 В2МФ-Ш, подвергнутой азотированию в тлеющем разряде с полым катодом: I - слой нитридов, II - диффузионный слой, III - перлитная основа.

Пример конкретной реализации способа

Пример 1.

Способ осуществляется следующим образом: в вакуумной камере на расстоянии 3-5 мм от обрабатываемой поверхности устанавливается экран. Обрабатываемая деталь и экран находятся под отрицательным потенциалом и образуют полость. Камеру герметизируют и откачивают воздух до давления 100 Па. 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 1000-1400 В на этой стадии осуществляют катодное распыление. После 5-15-минутной обработки по режиму катодного распыления напряжение понижают до рабочего, а давление повышают до 100 Па. Затем в камере создают рабочее давление, равное 100 Па, необходимое для зажигания тлеющего разряда. В камеру подают смесь газов азота - аргона при следующем соотношении компонентов, мас.%:

N₂ 10

Аr 90

Экран имеет ячейки цилиндрической формы с диаметром 5 мм и расстоянием между ячейками 5 мм. С помощью эффекта полого катода, возникающего в полости между экраном и деталью, происходит нагрев и азотирование детали в неоднородной плазме повышенной плотности, обеспечивающей создание неоднородной структуры материала (фиг.5). Все процессы проходят за один технологический цикл, в одной камере и в одной атмосфере. После обработки изделие охлаждается вместе с вакуумной камерой под вакуумом.

Исследование поверхности образцов после азотирования в тлеющем разряде с полым катодом показали наличие регулярной неоднородной структуры в виде чередующихся зон с различной морфологией и механическими свойствами (оцениваемыми по результатам замера микротвердости (таблица)).

Микротвердость с поверхности азотированных образцов
Материал	Исходная микротвердсть Hν, МПа	Зоны упрочнения	Время насыщения τ, ч	Давление τ, Па	Т, °С
1, Hν, МПа	2, Hν, МПа	3, Hν, МПа
13Х11Н2 В2 МФ-Ш	4730	5860	16700	11500	4	300	550
ВТ6	5476	12005	14320	12005	750

На фиг.6 показана микроструктура конструкционной стали 13Х11Н2 В2МФ-Ш, подвергнутой азотированию в тлеющем разряде с полым катодом. Анализ микроструктуры конструкционной стали 13Х11Н2 В2МФ-Ш после азотирования показывает наличие неоднородной по толщине нитридной и диффузионной зоны вследствие применения экрана и создания условий для возникновения неоднородной плазмы тлеющего разряда. Прослеживается отчетливое разделение по зонам. При этом переход от азотированного слоя к нижележащим слоям плавный. Поскольку исследуемая сталь содержит в небольших количествах различные нитридообразующие элементы (Мo, V, Ni, Сr и др.), можно предположить, что нитридная фаза имеет сложный состав. Нитридные частицы образуют скопления в виде объемных и округлых выделений размером от 2 до 4 мкм. Наряду с хаотически распределенными частицами, имеются направленные цепочки нитридов вытянутой формы, размер которых изменяется в диапазоне от 50 до 230 мкм.

В результате получили неоднородную структуру материала, тем самым обеспечили повышение контактной долговечности и износостойкости упрочненного слоя материала.

Пример 2.

В камеру подают смесь газов азота - неона при следующем соотношении компонентов, мас.%:

N₂ 50

Ne 50.

При азотировании в азот - неонных смесях микротвердость на поверхности материала увеличивается, что связано с более высоким сечением ионно-молекулярной реакции.

Пример 3, в частности, для титановых сплавов.

Азотирование производят при температуре ниже α→β перехода, в процессе которого в сплавах формируется двухфазная (α+β)-структура, при этом азот оказывает значительное влияние на фазовое равновесие, даже очень невысокая концентрация азота резко повышает температуру перехода в β-область.

Наличие азота различной концентрации при одной и той же температуре приводит к тому, что равновесие между α- и β-фазами достигается при их различном количественном соотношении, при этом количество равновесной α-фазы возрастает, что более благоприятно, так как азот растворяется в основном в α-фазе.

Упрочнение поверхности происходит за счет образования нитрида титана TiN, количество которого возрастает в основном с увеличением длительности азотирования.

Создание неоднородной структуры в изделиях приводит к повышению свойств контактной долговечности и износостойкости упрочненного слоя как на поверхности материала, так и в объеме.

Способ обработки изделий из стали и сплава, включающий катодное распыление, вакуумный нагрев изделий в плазме тлеющего разряда повышенной плотности, состоящей из смеси азотсодержащего и инертного газов, формируемой между изделием и экраном, отличающийся тем, что с помощью экрана с ячейками формируют неоднородную плазму тлеющего разряда и создают дифференцированную структуру в материале путем получения в нем разнородных структур, при этом переходной участок между участками с различной структурой имеет микронеоднородную структуру с постепенным изменением от одного вида в другой.