Способ ионно-вакуумного азотирования длинномерной стальной детали в тлеющем разряде

Авторы патента:

C23C8/36 - с использованием ионизированных газов, например ионоазотирование (разрядные трубки с устройствами для ввода объектов или материалов, подлежащих воздействию разряда H01J 37/00)

Владельцы патента RU 2419676:

Закрытое акционерное общество "Торговый дом ПКНМ" (RU)

Изобретение относится к области обработки поверхности металлического материала и может быть использовано для обработки длинноменых прецизионных цилиндров скважинных насосов, работающих в условиях абразивного износа. Способ ионно-вакуумного азотирования длинномерной стальной детали в тлеющем разряде включает нагрев детали при температуре 400-450°С, изотермическую выдержку в течение 20-30 минут, предварительное азотирование при температуре 480-510°С в течение 60-120 минут, окончательное азотирование при температуре на 20-50°С выше температуры предварительного азотирования в течение 8-16 часов и охлаждение до 350-400°С в течение 40-60 минут. Получаются детали с равномерным азотированным слоем и твердостью поверхности.

Изобретение относится к области обработки поверхности металлического материала путем взаимодействия поверхности с ионизированным газом и может быть использовано, например, для обработки длинномерных прецизионных цилиндров скважинных насосов, работающих в условиях абразивного износа.

Известен способ газового азотирования стальных изделий (авторское свидетельство SU 1502656, МПК⁴ C23C 8/26, опубл. 1989.08.23), включающий нагрев детали, предварительное азотирование при температуре 510±10°С, окончательное азотирование при температуре 530±5°С и последующее охлаждение.

Недостатками такого способа являются пониженная твердость и износостойкость обработанных поверхностей, недостаточная равномерность и однородность азотированного слоя, а также большие деформации при обработке длинномерных деталей. Для обеспечения точности геометрических параметров длинномерной детали требуется последующая механическая обработка - правка и хонингование. Такая обработка нарушает целостность, равномерность азотированного слоя, нарушает сплошность нитридной зоны и, как следствие, значительно ухудшает эксплуатационные свойства детали.

Известен способ изготовления деталей из конструкционных сталей (пат. RU 2250273, МПК⁷ C23C 8/26, опубл. 2002.12.20), включающий черновую механическую обработку, стабилизирующий отпуск, окончательную механическую обработку и двухступенчатое газовое азотирование с выдержкой в атмосфере аммиака сначала при температуре 510-515°С, затем при 540-545°С и последующее охлаждение. Окончательную механическую обработку проводят путем двухкратной чистовой механической обработки с промежуточным и окончательным отпуском в селитровой ванне при температуре 520-540°С в течение 0,25-0,5 ч, а двухступенчатое газовое азотирование деталей проводят в постоянном магнитном поле напряженностью 100-150 Э в течение 1-2 ч с последующим охлаждением со скоростью 20-30°С/мин.

Такой способ позволяет повысить твердость и износостойкость обработанных поверхностей, а также несколько снизить деформацию деталей при обработке. Однако такой способ сложен, что объясняется необходимостью проведения перед азотированием окончательной механической обработки путем двухкратной чистовой механической обработки с промежуточным и окончательным отпуском в селитровой ванне при температуре 520-540°С в течение 0,25-0,5 ч. Кроме того, при обработке таким способом происходят деформации длинномерной детали, требующие последующей механической обработки - правки и хонингования, что, как показано выше, значительно ухудшает качество азотированного слоя.

Наиболее близким к заявляемому и принятым в качестве прототипа является способ ионно-вакуумного азотирования длинномерной стальной детали в тлеющем разряде (RU 2044801 С1, МПК C23C 8/36, 27.09.1995 г.), включающий азотирование с комбинированным нагревом при давлении 2-3 мм рт.ст., температуре на рабочей кромке 430-480°С, плотности ионного тока 0,3 мА/см², продолжительности 24 ч и азотирование, после которого осуществляют дополнительный нагрев в вакууме или азотсодержащей атмосфере при температуре выше температуры азотирования, но не превышающей температуру разупрочнения материала.

При обработке таким способом происходят деформации длинномерной детали, требующие последующей механической обработки - правки и хонингования, что ухудшает качество азотированного слоя.

Задачей предлагаемого изобретения является изменение способа ионно-вакуумного азотирования длинномерных стальных деталей с целью обеспечения геометрической точности деталей без последующей механической обработки - правки и хонингования.

Поставленная задача решается усовершенствованием способа ионно-вакуумного азотирования длинномерной стальной детали в тлеющем разряде. При усовершенствованном способе сначала проводят нагрев детали при температуре 400-450°С, затем осуществляют изотермическую выдержку в течение 20-30 минут, предварительное азотирование при температуре 480-510°С в течение 60-120 минут, окончательное азотирование при температуре на 20-50°С выше температуры предварительного азотирования в течение 8-16 часов и охлаждение до 350-400°С в течение 40-60 минут.

Осуществление изотермической выдержки во время нагрева при температуре 400-450°С в течение 20-30 минут позволяет обеспечить равномерный нагрев всех деталей, размещенных в камере азотирования, что необходимо для получения равномерного азотированного слоя.

Осуществление предварительного азотирования при температуре 480-510°С в течение 60-120 минут обеспечивает равномерность азотирования при получении необходимой твердости слоя.

Охлаждение обрабатываемых деталей до 350-400°С в течение 40-60 минут в плазме тлеющего разряда позволяет выполнить процесс охлаждения в замедленном режиме, что необходимо для исключения деформации деталей.

Таким образом, в процессе нагрева, предварительного и окончательного азотирования обеспечивается возможность равномерной обработки длинномерной детали и замедленное охлаждение, что позволяет получить необходимую геометрическую точность без последующей механической обработки - правки и хонингования.

Способ осуществляется следующим образом.

Стальные длинномерные детали помещают в вакуумную камеру ионно-вакуумной химико-термической обработки и осуществляют их нагрев в тлеющем разряде, предварительное азотирование, окончательное и последующее охлаждение. Во время нагрева при температуре 400-450°С осуществляют изотермическую выдержку в течение 20-30 минут для обеспечения равномерного нагрева всех деталей, размещенных в камере азотирования и получения равномерного азотированного слоя на всей обрабатываемой поверхности. Предварительное азотирование осуществляют при температуре 480-510°С в течение 60-120 минут, обеспечивая равномерность азотирования при получении необходимой твердости слоев. После чего выполняют окончательное азотирование при температуре выше на 20-50°С температуры предварительного азотирования, например при 520-540°С, в течение 8-16 часов для получения требуемой толщины слоя и сохранения твердости, полученной на предварительном азотировании. Последующее охлаждение до 350-400°С производят в течение 40-60 минут в плазме тлеющего разряда для исключения деформации деталей при охлаждении.

Предлагаемым способом обработали цилиндры скважинных штанговых насосов из стали 38Х2МЮА длиной 4262^+l0 мм, внутренним диаметром 44,45^+0,05 мм, наружным диаметром 57,85_-0,3. Детали размещали в камере с использованием специальной оснастки по 18 штук. Азотосодержащий газ (смесь 1 части азота и 3 частей водорода) подавали в течение всего цикла азотирования с начала нагрева до охлаждения до 370°С. Во время нагрева при температуре 420°С осуществляли изотермическую выдержку в течение 25 минут. Предварительное азотирование выполняли при температуре 500°С в течение 90 минут, окончательное азотирование производили при 525°С в течение 12 часов, а охлаждение до 370°С производили в течение 50 минут в плазме тлеющего разряда.

В результате получили детали с равномерно развитым азотированным слоем толщиной 250-300 мкм и твердостью на поверхности 1100-1200 HV, на глубине 10 мкм - 1000-1100 HV, на глубине 20 мкм - 950-1000 HV, на глубине 50 мкм - 850-920 HV, на глубине 150 мкм - 600-650 HV, на глубине 250 мкм - 350-400 HV. Азотированный слой имел равномерную и умеренно развитую нитридную зону ε-фазы толщиной 5-8 мкм. При этом непрямолинейность цилиндра была в пределах 0,1 мм на 1000 мм, а увеличение внутреннего диаметра не превысило 0,01 мм и не вышло за поле допуска. Дополнительной механической обработки - правки и хонингования - не потребовалось.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет упростить способ азотирования длинномерной стальной детали и обеспечить требуемые геометрические характеристики обработанной детали за счет равномерной обработки детали при нагреве и азотировании и замедленного охлаждения.

Способ ионно-вакуумного азотирования длинномерной стальной детали в тлеющем разряде, отличающийся тем, что сначала проводят нагрев детали при температуре 400-450°С, затем осуществляют изотермическую выдержку в течение 20-30 мин, предварительное азотирование при температуре 480-510°С в течение 60-120 мин, окончательное азотирование при температуре на 20-50°С выше температуры предварительного азотирования в течение 8-16 ч и охлаждение до 350-400°С в течение 40-60 мин.

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

Способ вакуумного ионно-плазменного азотирования изделий из стали // 2418095

Изобретение относится к области химико-термической обработки, а именно вакуумному ионно-плазменному азотированию, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения для повышения надежности и долговечности широкого ассортимента деталей машин и инструмента, а также позволяет интенсифицировать процесс азотирования.

Способ плазменного борирования // 2415965

Изобретение относится к способу получения износоустойчивых металлических поверхностей. .

Способ ионного азотирования стали // 2413784

Способ плазменного азотирования изделия из стали или из цветного сплава // 2413033

Изобретение относится к способу упрочняющей обработки деталей механизмов и машин, штампового и режущего инструмента. .

Способ азотирования в плазме тлеющего разряда // 2409700

Изобретение относится к плазменной химико-термической обработке поверхности изделий и может быть использовано в машиностроении. .

Способ создания неоднородной структуры материала при азотировании в тлеющем разряде // 2409699

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

Способ локального азотирования металлической детали в плазме тлеющего разряда // 2402632

Изобретение относится к химико-термической обработке металлов, в частности к азотированию. .

Способ комбинированной ионно-плазменной обработки изделий из сталей и твердых сплавов // 2370570

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к технологии упрочнения и повышения износостойкости инструментов и деталей. .

Способ получения изделий из титановых сплавов и изделия, полученные этим способом (варианты) // 2338811

Изобретение относится к получению изделий из псевдо- или ( + ) титановых сплавов, предназначенных для длительной эксплуатации в парах трения с полимерными или металлическими материалами и биологическими тканями.

Способ упрочнения поверхности изделий из титановых сплавов // 2427666

Изобретение относится к области металлургии, а именно способам химико-термической поверхностной обработки титановых сплавов, и может быть использовано в машиностроении для повышения износостойкости и коррозионной стойкости деталей машин

Способ ионно-вакуумной химико-термической обработки стальной детали с резьбовой поверхностью // 2428504

Изобретение относится к области химико-термической обработки сталей ионно-вакуумным азотированием и может быть использовано для упрочнения деталей с резьбовой поверхностью

Способ получения изделий // 2440794

Изобретение относится к способу получения изделий из материала на основе титана с покрытием, представляющих собой полусферическую головку медицинской полусферической фрезы

Установка для вакуумной ионно-плазменной обработки длинномерных изделий // 2450083

Изобретение относится к вакуумной ионно-плазменной технологии, а именно к устройствам для обработки длинномерных изделий

Способ обработки длинномерной стальной детали // 2455386

Изобретение относится к области обработки поверхности длинномерных прецизионных цилиндров скважинных насосов, работающих в условиях абразивного износа

Способ повышения стойкости стальных трубопроводов к коррозии цементацией // 2488649

Изобретение относится к способам повышения стойкости металла к коррозии и может быть использовано в подземном трубопроводном транспорте

Способ азотирования деталей машин с получением наноструктурированного приповерхностного слоя и состав слоя // 2522872

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способу азотирования деталей узлов трения скольжения с получением наноструктурированного приповерхностного слоя. Проводят предварительную термообработку деталей путем закалки при температуре 920-940°C, последующего высокого отпуска с нагревом до 600-650°C в течение 2-10 часов и удаления обезуглероженного слоя. Затем осуществляют ионно-плазменное азотирование в диапазоне температур 500-570°C при напряжении на катоде 300-320 B, плотности тока 0,20-0,23 мА/см2, при использовании в качестве газовой среды аммиака со степенью диссоциации от нуля до 80%, расходе аммиака до 20 дм3/ч, давлении в камере при катодном распылении 1,3-1,35 Па, при насыщении 5-8 ГПа. Указанное азотирование проводят в режиме циклического изменения температуры и степени диссоциации аммиака, при этом в первой половине цикла температура составляет 570°C при максимальном азотном потенциале, а во второй половине цикла температуру снижают до 500°C, при этом азотный потенциал снижают за счет увеличения степени диссоциации аммиака до 40-80%, при этом число упомянутых циклов должно быть не менее 10. Азотированная деталь имеет приповерхностный слой, содержащий диффузионный слой с α-фазой с наноразмерными некогерентными нитридами легирующих элементов, которая образует мягкую матрицу, и поверхностный слой с твердыми включениями, представляющими собой наночастицы нитридов железа ε-фазы, сформированные путем фазовой локальной перекристаллизации решеток нитридов железа, которая обеспечивается циклическим изменением температуры азотирования и степени диссоциации аммиака. Обеспечивается повышение износостойкости приповерхностных слоев материала и увеличивается долговечность узлов трения скольжения из материала с таким составом приповерхностного слоя. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Способ формирования микроструктурированного слоя нитрида титана // 2522919

Изобретение относится к способу формирования микроструктурированного слоя нитрида титана. Формирование микроструктурированного слоя нитрида титана осуществляют путем воздействия на титановую подложку фемтосекундным лазерным излучением с энергией в импульсе порядка 100 мкДж и с плотностью мощности в импульсе порядка 1013 Вт/см2 в среде жидкого азота. Обеспечиваются износостойкие и коррозионно-стойкие покрытия на изделиях из титана и его сплавов, а также улучшаются антифрикционные свойства их поверхностей. 2 ил.

Способ изготовления деталей машин с получением субмикро- и наноструктурированного состояния диффузионного приповерхностного слоя при азотировании // 2524892

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам повышения механических свойств приповерхностных слоев деталей машин из сплавов на основе железа с получением субмикро- или наноструктурированного состояния диффузионных слоев. Способ включает сборку пакета из попеременно чередующихся стальных листов, имеющих различный химический состав, вакуумирование и нагрев пакета, горячую деформацию пакета по высоте при температуре, находящей между значениями температур полиморфных превращений обоих сплавов, при этом после горячей деформации из пакета вырезают заготовки деталей таким образом, чтобы при последующем азотировании направление межслойных границ в заготовке детали совпадало с направлением диффузионного потока азота, после чего проводят азотирование с получением субмикро- и наноструктурированного состояния диффузионного приповерхностного слоя на поверхности детали. Способ позволяет повысить механические свойства приповерхностных слоев материала, формирующихся в результате азотирования, и, соответственно, увеличить долговечность деталей. 9 ил., 1 пр.

Способ ионно-плазменного азотирования длинномерной стальной детали // 2528537

Изобретение относится к способу ионно-плазменного азотирования длинномерной стальной детали. Способ включает нагрев детали, изотермическую выдержку, предварительное азотирование, окончательное азотирование и охлаждение. Начинают охлаждение с температуры 530°C до 370-390°C в течение 100-140 минут в плазме тлеющего разряда. Затем проводят охлаждение до 240-260°C в течение 100-140 минут. Окончательное охлаждение до 140-160°C в течение 100-140 минут проводят в печи без воздействия плазмы. Подачу ионизирующих газов осуществляют циклически. При нагреве с температуры 200-220°C ведут подачу газовой смеси водород, азот, метан в течение 15-20 минут, далее до температуры нагрева 400-440°C в течение 100-140 минут и при изотермической выдержке в течение 20-40 минут осуществляют подачу водорода, а при дальнейшем нагреве до 480°C подают водород в течение 20-30 минут. Предварительное азотирование ведут с участием водорода и азота в течение 100-140 минут, а окончательное азотирование ведут с участием азота, водорода и метана в течение 14-16 часов. Охлаждение с температуры 530°C - 370-390°C ведут в среде азота и водорода в течение 120 минут и дальнейшее охлаждение до 150-170°C в течение 240 минут ведут с участием только азота. В результате достигается сохранение геометрических размеров длинномерных стальных деталей за счет отсутствия деформации деталей после обработки и сохранения поверхности металла от образования окисной пленки.