Способ азотирования изделия из стали в плазме тлеющего разряда

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)

C23C14/06 - характеризуемые покрывающим материалом (C23C 14/04 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2590439:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке металлов в плазме тлеющего разряда, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин и режущего инструмента. Способ азотирования изделия из стали в плазме тлеющего разряда включает размещение изделия в вакуумной камере и присоединение изделия к высоковольтному источнику питания, герметизацию вакуумной камеры и создание в ней высокого вакуума с последующей заменой на атмосферу чистого азота, получение стабильной плазмы тлеющего разряда в атмосфере чистого азота с помощью высоковольтного источника питания и потока электронов от вольфрамовой нити накала, установленной параллельно оси вакуумной камеры, который создают нагревом нити накала до температуры 2000-2500°С. Получают плазму тлеющего разряда повышенной плотности в атмосфере чистого азота путем воздействия на поток электронов и ионов электромагнитным полем с использованием кольцевых электромагнитов, обеспечивающих электронам и ионам движение по винтовым траекториям переменного радиуса. Для осуществления нагрева изделий до температуры азотирования в упомянутой плазме тлеющего разряда повышенной плотности на подложку с изделиями подают напряжение 2000 В, затем уменьшают напряжение на подложке до 1800-1500 В для поддержания постоянной температуры азотирования, при этом обеспечивают плотность тока разряда равной 10⁴ А/м², при которой азотирование проводят в течение 2-3 часов. Обеспечивается повышение скорости азотирования, а также микротвердости и износостойкости азотированного покрытия. 1 ил., 1 пр.

Известен способ (Патент РФ №2418095, Кл. С23С 8/36. 10.11.2011) азотирования стальных изделий в тлеющем разряде, включающий проведение вакуумного нагрева изделий в плазме азота повышенной плотности, при этом плазму азота повышенной плотности создают тороидальной области движения электронов, образованной скрещенными электрическими и магнитными полями, причем под действием магнитного поля, создаваемого двумя цилиндрическими магнитами, один из которых полый, электроны движутся по циклоидным замкнутым траекториям.

Недостатком аналога является необходимость использования при азотировании смеси азота с другими газами, невысокая скорость диффузионного насыщения, невысокая микротвердость получаемого покрытия и невозможность азотирования отверстий, диаметр которых меньше двойной области катодного падения потенциала в самостоятельном тлеющем разряде.

Известен способ (Патент SU №1373326, Кл. С23С 8/36. 07.02.1988) азотирования стальных изделий в тлеющем разряде, включающий нагрев изделия-катода, помещенного в рабочую камеру-анод, в азотводородной плазме до 450-580°С и последующую выдержку при этой температуре, азотирование и повышение микротвердости диффузионного слоя, азотирование осуществляют при давлении 0,13-13,3 Па, при этом в процессе обработки производят дополнительную ионизацию плазмы тлеющего разряда путем нагрева спирали, присоединенной к отдельному отрицательному электроду с потенциалом, до 200 В относительно рабочей камеры (анода).

Недостатком аналога является невысокая скорость азотирования и относительно невысокая микротвердость получаемого покрытия.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является способ (Патент №2402632, Кл. С23С 8/36. 27.10.2010) локального азотирования деталей в плазме тлеющего разряда, включающий размещение детали в вакуумной камере и присоединение детали к высокочастотному источнику питания, герметизацию вакуумной камеры и создание в ней высокого вакуума с последующей заменой на атмосферу чистого азота, получение стабильной плазмы тлеющего разряда в атмосфере чистого азота с помощью высоковольтного источника питания и потока электронов от вольфрамовой нити канала, установленной параллельно оси вакуумной камеры, который создают нагревом нити канала до температуры 2000-2500°С, при этом поток электронов сжимают электромагнитным полем с образованием плазмы тлеющего разряда в виде диска.

Недостатком прототипа является относительно невысокая скорость азотирования и относительно невысокая микротвердость получаемого диффузионного покрытия.

Задачей настоящего изобретения является повышение износостойкости деталей в результате азотирования и снижение энергозатрат.

Техническим результатом является повышение микротвердости азотированного покрытия и повышение скорости азотирования.

Технический результат достигается тем, что способ азотирования изделий из стали в плазме тлеющего разряда, включающий размещение изделия в вакуумной камере и присоединение изделия к высоковольтному источнику питания, герметизацию вакуумной камеры и создание в ней высокого вакуума с последующей заменой на атмосферу чистого азота, получение стабильной плазмы тлеющего разряда в атмосфере чистого азота с помощью высоковольтного источника питания и потока электронов от вольфрамовой нити канала, установленной параллельно оси вакуумной камеры, который создают нагревом нити канала до температуры 2000-2500°С, при этом на подложке с изделием получают плазму тлеющего разряда повышенной плотности в атмосфере чистого азота путем воздействия на поток электронов и ионов электромагнитным полем с использованием кольцевых электромагнитов, обеспечивающих их движение по винтовым траекториям переменного радиуса, при этом для осуществления нагрева изделия до температуры азотирования 2000-2500°С в упомянутой плазме тлеющего разряда повышенной плотности на подложку с изделием подают напряжение 2000 В, затем уменьшают напряжение на подложке до 1800-1500 В для поддержания постоянной температуры азотирования, при этом обеспечивают плотность тока разряда равной 10⁴А/м², при которой азотирование проводят в течение 2-3 часов.

Наличие магнитного поля, созданного кольцевым магнитом на вблизи обрабатываемом изделии, заставляет электроны и ионы двигаться по винтовым траекториям переменного радиуса (Движение зараженных частиц в электрических и магнитных полях. Л.А. Арцимович, С.Ю. Лукьянов. Учебное пособие. Издательство «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, М., 1972, с. 55), что увеличивает их путь в разряде, число соударений с нейтральными атомами азота и количество положительно ионизированного атомарного азота. Увеличение числа положительных ионов атомарного азота приводит к возрастанию азотного потенциала насыщающей атмосферы и, как следствие, к интенсификации процесса азотирования и увеличению толщины азотированного слоя (Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов в активированных газовых средах. - М.: Машиностроение, 1979. С. 115).

Азотированный слой состоит из поверхностной нитридной зоны и подслоя твердого раствора, называемого зоной внутреннего азотирования. Нитридная зона представляет собой зону соединений азота с различными элементами (железом, хромом, титаном и т.д.) и обладает более высокой твердостью и износостойкостью по сравнению с зоной внутреннего азотирования. Общее увеличение толщины азотированного слоя приводит к увеличению и нитридной зоны, вследствие чего увеличивается микротвердость и износостойкость азотированного слоя (Химико-термическая обработка металлов. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. М.: Металлургия, 1985. 1.145, 154, 158, 161).

На фиг. 1 изображена схема реализации способа азотирования изделий из стали в плазме тлеющего разряда.

Схема содержит вакуумную камеру 1, нить канала 2, обрабатываемое изделие 3, подложку 4, кольцевые электромагниты 5 и 6, высоковольтный ввод 7, выпрямитель 8, низковольтный источник питания 9 нити канала 2, источники питания 10 и 11 электромагнитов 5 и 6, высоковольтный выпрямитель 12.

Пример конкретной реализации способа.

Обрабатываемое изделие 3 помещают в вакуумную камеру 1 и присоединяют к высоковольтному источнику питания 12 через высоковольтный ввод 7. После размещения обрабатываемого изделия вакуумная камера 1 герметизируется и в ней создается высокий вакуум (примерно 1,33·10^-2 Па). Затем в вакуумную камеру 1 напускают чистый азот, создавая рабочее давление 0,8 Па. Включают источники питания 10 и 11 кольцевых магнитов 5 и 6 (создав напряженность магнитного поля внутри которых 200-2400 А/м), выпрямитель 8, установив выходное напряжение 300 В, и низковольтный источник питания 9 нити канала 2, разогревают нить канала 2 до 2000-2500°С. Подают на подложку 4 с изделием 3 высокое напряжение 2000 В от высоковольтного выпрямителя 12. В возникшем стабильном тлеющем разряде нагревают обрабатываемое изделие 3 до температуры азотирования (570°С для стали 08Х18Н10Т). Уменьшают напряжение на подложке 4 до 1800-1500 В и изменяют напряжение выпрямителя 8 до величины, обеспечивающей поддержание постоянной температуры азотирования. При плотности тока разряда через обрабатываемое изделие 3, равной 10⁴А/м², время азотирования составляет 2-3 часа.

Предлагаемый способ азотирования позволяет:

- сэкономить электроэнергию за счет сокращения времени азотирования,

- увеличить толщину азотированного слоя за счет повышения азотного потенциала насыщающей атмосферы,

- повысить микротвердость и износостойкость азотированного слоя,

- азотировать в атмосфере чистого азота (отпадает необходимость в газосмесительных системах, улучшается экология процесса).

Способ азотирования изделия из стали в плазме тлеющего разряда, включающий размещение изделия в вакуумной камере и присоединение изделия к высоковольтному источнику питания, герметизацию вакуумной камеры и создание в ней высокого вакуума с последующей заменой на атмосферу чистого азота, получение стабильной плазмы тлеющего разряда в атмосфере чистого азота с помощью высоковольтного источника питания и потока электронов от вольфрамовой нити накала, установленной параллельно оси вакуумной камеры, который создают нагревом нити накала до температуры 2000-2500°С, отличающийся тем, что получают плазму тлеющего разряда повышенной плотности в атмосфере чистого азота путем воздействия на поток электронов и ионов электромагнитным полем с использованием кольцевых электромагнитов, обеспечивающих электронам и ионам движение по винтовым траекториям переменного радиуса, при этом для осуществления нагрева изделий до температуры азотирования в упомянутой плазме тлеющего разряда повышенной плотности на подложку с изделиями подают напряжение 2000 В, затем уменьшают напряжение на подложке до 1800-1500 В для поддержания постоянной температуры азотирования, при этом обеспечивают плотность тока разряда равной 10⁴ А/м², при которой азотирование проводят в течение 2-3 часов.

Изобретение относится к области упрочняющей обработки материалов, в частности к способам химико-термической обработки изделий путем нанесения металлосодержащих покрытий различного назначения.

Способ получения упрочненного сплава при помощи плазменного азотирования // 2569438

Изобретение относится к способу получения упрочненного сплава, имеющего металлическую основу, в объеме которой диспергированы наночастицы, из которых по меньшей мере 80% имеют средний размер от 0,5 нм до 50 нм.

Износостойкое антифрикционное покрытие // 2567125

Изобретение относится к прецизионным износостойким антифрикционным покрытиям, полученным путем вакуумно-дугового осаждения, и может быть использовано в машиностроении, авиастроении, при создании конструкций с повышенными антиэрозионными, антифрикционными и защитными свойствами.

Способ модификации поверхности изделий из титановых сплавов в тлеющем разряде // 2562187

Изобретение относится к металлургической промышленности, а именно к химико-термической обработке поверхности изделий из титановых сплавов, и может быть использовано при изготовлении деталей двигателей, работающих в условия износа.

Способ модификации поверхности изделий из титановых сплавов в вакууме // 2562185

Способ химико-термической обработки детали из легированной стали // 2559606

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки металлов и сплавов, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей, работающих в парах трения, а также режущего инструмента и штамповой оснастки.

Способ упрочнения поверхности титановых сплавов в вакууме // 2558320

Изобретение относится к области термической, химико-термической обработки и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности. Способ упрочнения поверхностей деталей из титановых сплавов включает азотирование с последующим отжигом.

Способ ионно-плазменного прецизионного азотирования поверхностей металлических изделий // 2555692

Изобретение относится к плазменной химико-термической обработке, а именно к способу ионно-плазменного прецизионного азотирования металлических поверхностей, и может быть использовано в машиностроении, двигателестроении, металлургии и других отраслях промышленности.

Способ формирования износостойкого покрытия на поверхности металлической детали // 2548835

Изобретение относится к области технологии машиностроения и может быть использовано в процессах упрочнения деталей машин и инструментов. Способ включает воздействие на поверхность детали ионизированным газом, полученным пропусканием его через электроразряд, при этом покрытие формируют, по меньшей мере, локальным с помощью сопла, расположенного на расстоянии 8-10 мм от поверхности детали под углом 70-80° к ней, при этом в качестве ионизированного газа используют озонированный воздух, который получают с помощью коронного электроразряда силой тока 400 мкА, создаваемого внутри упомянутого сопла, а воздействие озонированным воздухом на поверхность детали осуществляют с давлением 0,2 кгс/см2 при комнатной температуре.

Способ нанесения нанокомпозитного покрытия на поверхность изделия из жаропрочного никелевого сплава // 2547381

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к методу образования защитного нанокомпозитного покрытия на поверхности изделия из жаропрочного никелевого сплава, подверженного высоким температурам и механическим нагрузкам.

Режущий инструмент с износостойким покрытием // 2588946

Изобретение относится к режущему инструменту с износостойким покрытием, содержащему основу и слой покрытия, расположенный на поверхности основы, в котором слой покрытия содержит первую слоистую структуру и вторую слоистую структуру.

Элемент скольжения, в частности, поршневое кольцо с нанесенным покрытием // 2585603

Изобретение относится к элементу скольжения, используемому в двигателе внутреннего сгорания, имеющему по меньшей мере на одной поверхности износоустойчивое покрытие.

Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента // 2585565

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия.

Композиционное покрытие для алюминия или его сплавов // 2585112

Изобретение относится к области получения ионно-плазменных покрытий с износостойкими и антизадирными свойствами для работы в парах трения «алюминий-сталь», «алюминий-чугун».

Способ нанесения износостойкого покрытия // 2578872

Изобретение относится к области нанесения газотермических покрытий, а именно к способам нанесения плазменных покрытий на детали, работающие в экстремальных условиях.

Способ изготовления поршневых колец // 2577642

Изобретение относится к способу изготовления стального поршневого кольца (1′) с износоустойчивым покрытием (8, 9) для двигателя внутреннего сгорания, при котором формируют базовое тело (1), предназначенное для образования камеры (2) в двигателе внутреннего сгорания стороной рабочей поверхности (3).

Способ нанесения износостойкого покрытия на поверхность поршневого кольца // 2574563

Изобретение относится к способу покрытия, по меньшей мере, внутренней поверхности поршневого кольца, а также к поршневому кольцу. Способ нанесения износостойкого покрытия на поверхность поршневого кольца, которое выполнено из чугуна или стали, по меньшей мере, частично, по меньшей мере, на его внутреннюю поверхность, в котором наносят по меньшей мере один промежуточный слой а-С:Н:Х, где X - кремний, германий, фтор, бор, кислород и/или азот, и наносят слой осаждением из газовой фазы (PVD-слой), содержащий нитриды и/или карбиды хрома, титана, алюминия и/или вольфрама, осажденные по очереди или одновременно, и/или DLC-слой, состоящий из по меньшей мере одного или всех следующих слоев: адгезионного слоя из хрома и/или титана толщиной 1,0 мкм или меньше, по меньшей мере одного металлсодержащего промежуточного слоя а-С:Н:Ме, где Ме - вольфрам, титан и/или хром, или а-С:Н:Х, где X - кремний, германий, фтор, бор, кислород и/или азот, толщиной от 0,1 мкм до 5 мкм и не содержащего металлов верхнего слоя а-С:Н толщиной от 0,1 мкм до 5 мкм.

Сплав, защитное покрытие и конструкционная деталь // 2574559

Изобретение относится к области металлургии, а именно к защитным покрытиям конструкционных деталей. Сплав на основе никеля для защитного покрытия конструкционной детали, в частности детали газовой турбины, предназначенного для защиты от коррозии и/или окисления детали при высоких температурах, содержит следующие элементы, вес.%: от 22 до менее 24 кобальта, 15-16 хрома, 10,5-12 алюминия, 0,2-0,6, по меньшей мере одного элемента из группы, включающей скандий (Sc) и/или редкоземельные элементы, кроме иттрия, при необходимости, от 0,3 до 1,5 тантала (Та), никель (Ni) - остальное.

Способ изготовления защитного диэлектрического слоя // 2574554

Изобретение относится к способам получения тонкопленочных материалов, в частности тонких пленок на основе оксида европия(III), и может быть использовано для защиты функционального слоя EuO.

Способ получения упрочняющих многослойных покрытий // 2574542

Изобретение относится к способу получения покрытия на поверхности металлического изделия и может быть использовано для обработки поверхностей лопаток компрессора газотурбинных двигателей и установок.

Способ осаждения системы прозрачных барьерных слоев // 2590745

Изобретение относится к способу многослойного барьерного покрытия в виде системы прозрачных слоев. Проводят осаждение в вакуумной камере на прозрачной полимерной пленке по меньшей мере двух прозрачных барьерных слоев и одного расположенного между упомянутыми двумя барьерными слоями прозрачного промежуточного слоя. Осаждение барьерных слоев осуществляют испарением алюминия, причем одновременно в вакуумную камеру напускают по меньшей мере один первый реактивный газ. Осаждение промежуточного слоя осуществляют испарением алюминия, причем одновременно в вакуумную камеру напускают по меньшей мере один второй реактивный газ и один газообразный или парообразный органический компонент. Обеспечивается изготовление многослойного барьерного покрытия в виде системы прозрачных слоев покрытия, обладающего высоким запирающим действием по отношению к кислороду и водяному пару. 6 з.п. ф-лы, 1 пр.