Способ низкотемпературного ионного азотирования стальных деталей

Авторы патента:

Вафин Руслан Каримович (RU)

Асылбаев Александр Владиславович (RU)

Мамонтов Даниил Валерьевич (RU)

Склизков Иван Дмитриевич (RU)

C23C8/38 - обработка стальных поверхностей

Владельцы патента RU 2755911:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" (RU)

Изобретение относится к способу низкотемпературного ионного азотирования стального изделия в плазме тлеющего разряда. Способ включает катодное распыление, вакуумный нагрев изделия в плазме тлеющего разряда, состоящей из смеси азотосодержащего и инертного газов. Нагрев изделия в плазме тлеющего разряда проводят при температуре, равной 450 °С, причем одновременно на стальное изделие осуществляют воздействие ультразвуковыми волнами. Технический результат заключается в увеличении скорости диффузии поверхности стальных деталей при низкотемпературном ионно-плазменном азотировании, повышении прочностных, трибологических характеристик поверхности, контактной долговечности и износостойкости стальных изделий. 1 ил.

Изобретение относится к обработке металлов посредством ультразвука и вакуумного ионно-плазменного азотирования и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности для обработки широкого ассортимента деталей машин и инструмента, изготовленных из стали.

Известен способ (патент РФ №2633867, кл. С23С 8/36, 18.10.2017) азотирования стальных изделий в тлеющем разряде, включающий проведение вакуумного нагрева изделий в плазме азота при температурах равных 450°С.

Недостатком аналога является низкая скорость протекания диффузии, обусловленная низкой температурой нагрева детали.

Известен способ (патент РФ №2415964, кл. С23С 8/36, 26.10.2009) азотирования стальных изделий в тлеющем разряде, заключающееся в предварительном поверхностном локальном легировании нитридообразующими элементами при лазерном нагреве детали с нанесенной на их поверхность обмазкой и последующем низкотемпературном азотировании.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ (патент РФ №2664106, кл. С23С 8/38, 10.07.2018) азотирования стальных изделий, включающий катодное распыление, вакуумный нагрев изделия в плазме тлеющего разряда, состоящей из смеси азотосодержащего и инертного газа. Причем сначала осуществляется поверхностная интенсивная пластическая деформация посредством ультразвуковой обработки поверхности стального изделия.

Недостатком ближайшего аналога является необходимость проводить две последовательные операции, что увеличивает общее время обработки. Помимо этого, недостатком ближайшего аналога является низкая скорость протекания диффузии, обусловленная низкой температурой нагрева детали.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение производительности ионно-плазменного азотирования, а также уменьшение энергозатрат и времени на обработку.

Технический результат - повышение производительности азотирования и уменьшение времени на обработку поверхности стальных деталей при низкотемпературном ионно-плазменном азотировании, за счет наложения ультразвуковых волн.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе низкотемпературного ионного азотирования стального изделия в плазме тлеющего разряда, включающем катодное распыление, вакуумный нагрев изделия в плазме тлеющего разряда, состоящей из смеси азотосодержащего и инертного газов, согласно изобретению, нагрев изделия в плазме тлеющего разряда проводят при температуре, равной 450°С, причем одновременно на стальное изделие осуществляют воздействие ультразвуковыми волнами.

В отличие от ближайшего аналога, стальное изделие одновременно подвергают воздействию ультразвуковых (УЗ) волн, за счет того, что атомы под воздействием УЗ волн начинают колебаться, увеличивая среднее расстояние между атомами металла, за счет чего увеличивается скорость диффузии поверхности стальных деталей азотом.

Эффективность процесса ионного азотирования зависит от температуры, а именно, чем она выше, тем меньше длительность процесса азотирования при прочих равных условиях. Однако, при высокотемпературной обработке деталей со сложной конфигурацией возникает коробление деталей, снижается качество поверхности из-за интенсивного ее распыления ионами насыщающей среды. Уменьшение температурного воздействия приводит к возрастанию длительности процесса, а в некоторых случаях диффузионное насыщение может вовсе остановиться.

Существо изобретения поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема азотирования стальной детали при воздействии на нее ультразвуковых волн, которая содержит вакуумную камеру 1, электрод-анод 2, подложку 3, источник питания 4, ультразвуковой генератор 5.

Пример конкретной реализации способа.

Стальное изделие 6помещают в вакуумную камеру 1 и подключают к отрицательному электроду, герметизируют вакуумную камеру и откачивают воздух. После эвакуации воздуха вакуумную камеру продувают рабочим газом, состоящим из 35%N2+15%Ar+50%Ar, затем рабочий газ откачивают до необходимого давления в 200 Па. При напряжении 800-1000 В осуществляют катодное распыление. После этого напряжение понижают до рабочего 400-500 В и включают ультразвуковой генератор 5. Азотирование производится при воздействии ультразвуковых волн, генерируемых ультразвуковым преобразователем при температуре 450°С. После обработки стальное изделие вместе с вакуумной камерой охлаждают под вакуумом до нужной температуры. По окончании охлаждения в вакуумную камеру напускают атмосферный газ и извлекают обработанное стальное изделие.

Заявленный способ имеет следующее преимущество: увеличение скорости диффузии поверхности стальных деталей при низкотемпературном ионно-плазменном азотировании, за счет наложения ультразвуковых волн.

Способ низкотемпературного ионного азотирования стального изделия в плазме тлеющего разряда, включающий катодное распыление, вакуумный нагрев изделия в плазме тлеющего разряда, состоящей из смеси азотосодержащего и инертного газов, отличающийся тем, что нагрев изделия в плазме тлеющего разряда проводят при температуре, равной 450 °С, причем одновременно на стальное изделие осуществляют воздействие ультразвуковыми волнами.

Изобретение относится к способам импульсно-лазерной модификации и ионно-плазменного упрочнения поверхности и может быть использовано, например, в энергетическом машиностроении для защиты рабочих лопаток влажнопаровых ступеней турбин от износа, вызванного каплеударной эрозией. Способ нанесения покрытия на поверхность стального изделия включает ионную очистку поверхности изделий и вакуумной камеры в среде инертного газа, ионное травление и ионно-плазменное азотирование поверхности изделия, причем до ионной очистки изделия текстурируют рельеф поверхности изделия импульсно-лазерной модификацией поверхности с использованием инфракрасного иттербиевого волоконного лазера с длиной волны 1064 нм и средней мощностью лазерного излучения не более 22,4 Вт с заданными глубиной впадин и высотой выступов 10÷30 мкм, шириной выступов и шириной впадин 40÷60 мкм, формируют бороздки с продольным направлением и параллельным отношением бороздок друг к другу, а глубину ионно-плазменного азотирования-упрочнения поверхности выбирают равной 30÷100 мкм.

Способ поверхностного легирования деталей из стали 40х // 2716177

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к комбинированным способам упрочнения металлов, и может быть использовано при изготовлении деталей, работающих в условиях изнашивания и знакопеременных нагрузок. Способ поверхностного легирования деталей из стали 40Х включает нанесение на поверхность деталей состава, содержащего легирующие элементы, предварительное поверхностное легирование и термодиффузионное насыщение поверхности деталей легирующими элементами путем нагрева при температуре 650-750°С с выдержкой в течение 3-4 часов и с последующим охлаждением.

Способ упрочнения поверхностей термообработанных стальных деталей // 2688787

Изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим способам обработки деталей, в частности к электроэрозионному легированию графитовым электродом и азотированию поверхностей стальных деталей. Способ упрочнения поверхностей термообработанных стальных деталей включает электроэрозионное легирование графитовым электродом по крайней мере в два этапа со снижением энергии разряда на каждом последующем этапе и ионное азотирование в течение времени, достаточного для насыщения металла азотом на глубину зоны термического влияния.

Способ упрочнения стального изделия ионно-плазменной карбонитрацией // 2682986

Изобретение относится к области металлургии, в частности к созданию защитных и упрочняющих покрытий методами химико-термической обработки изделий из конструкционных и специальных сталей, и может быть использовано в промышленном производстве при серийном изготовлении изделий на предприятиях автомобильной, авиационной, кораблестроительной и станкостроительной отраслей, при производстве сельскохозяйственных инструментов и агрегатов, а также для проведения комплексных лабораторных исследований.

Способ низкотемпературного ионного азотирования стальных деталей // 2664106

Изобретение относится к обработке металлов поверхностной пластической деформацией и вакуумному ионно-плазменному азотированию и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности для обработки широкого ассортимента деталей машин и инструмента, изготовленных из сталей. Способ низкотемпературного ионного азотирования стального изделия в плазме тлеющего разряда включает катодное распыление, вакуумный нагрев изделия в плазме тлеющего разряда, состоящей из смеси азотосодержащего и инертного газов.

Способ получения износостойкого градиентного покрытия системы ti-al на стальной детали в вакууме // 2662516

Изобретение относится к области получения износостойких покрытий и может быть использовано для расширения ассортимента деталей машин и инструмента. Способ получения износостойкого градиентного покрытия системы Ti-Al на стальной детали в вакууме включает осаждение интерметаллидного покрытия системы Ti-Al из плазмы вакуумно-дугового разряда в течение 180 мин при давлении 1,5*10-1 Па в среде инертного газа в виде аргона и токах дуговых испарителей в диапазоне 60-120 А и последующее азотирование в дуговом разряде посредством плазменного источника с накальным катодом в течение 60 мин при давлении 2*10-1 Па в среде реакционного газа в виде азота, токе накального катода 100А и токе дугового разряда плазменного источника 50А и температуре детали 550°С.

Устройство для обработки изделия из стали в плазме тлеющего разряда // 2656191

Изобретение относится к химико-термической обработке металлов в плазме тлеющего разряда и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин и режущего инструмента. Устройство для азотирования стальной детали в плазме тлеющего разряда содержит вакуумную камеру, источник питания, обрабатываемую деталь в виде катод-детали, экран в виде сетки, установленный на расстоянии от катод-детали и устройство для подачи газа.

Способ локального ионного азотирования стальных изделий в тлеющем разряде с магнитным полем // 2654161

Изобретение относится к области химико-термической обработки, а именно вакуумному ионно-плазменному азотированию, и может быть использовано в машиностроении. Способ локального азотирования стального изделия в тлеющем разряде в магнитном поле включает проведение вакуумного нагрева участка стального изделия, подверженного интенсивному износу в плазме азота повышенной плотности, при этом упомянутый участок стального изделия помещают в центр кольцевой магнитной системы, установленной на катоде, в которой формируют плазму азота повышенной плотности, и осуществляют вакуумный нагрев с формированием на нем нитридного слоя, состоящего из нитрида железа Fe4N и нитрида хрома Cr4N.

Способ упрочнения стальных изделий // 2637453

Изобретение относится к ионной химико-термической обработке и может быть использовано в машиностроении, двигателестроении, металлургии и изготовлении инструментов. Способ ионного упрочнения стального изделия включает диффузионное внедрение ионов Н+ по всему объему изделия при его нагреве до температуры 300°C.

Способ ионного азотирования режущего инструмента из легированной стали // 2634400

Изобретение относится к металлургии, а именно к способам химико-термической обработки деталей из легированных инструментальных сталей, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения режущего инструмента. Способ ионного азотирования режущего инструмента из легированной стали включает размещение режущего инструмента в рабочей камере, активирование его поверхности перед ионным азотированием, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев режущего инструмента до температуры азотирования и его выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины диффузионного слоя.

Способ нанесения композиционного покрытия на деталь из инструментальной стали // 2756960

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к получению износостойких покрытий, и может быть использовано для повышения надежности и долговечности широкого ассортимента деталей. Способ нанесения композиционного покрытия на деталь из инструментальной стали включает ионную очистку детали в среде инертного газа и формирование адгезионного, переходного и функционального слоев. Обрабатываемую деталь из инструментальной стали с предварительно обезжиренной поверхностью помещают в вакуумную камеру, нагревают, создают в вакуумной камере давление 1⋅10-3-1⋅10-2 Па, проводят ионную очистку в среде инертного газа с подачей на упомянутую деталь напряжения 800 В. Затем на поверхности детали формируют диффузионный слой в азотосодержащем газе при напряжении 500-700 В. В среде инертного газа осаждают адгезионный слой из титана, переходный слой из TiAl и функциональный слой системы Ti-Al, состоящий из комбинации трех слоев TiAlC, TiAlO и TiAlN. Обеспечивается повышение физико-механических свойств детали, улучшение качества поверхности и повышение ресурса работы детали. 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 6 пр.