способ химико-термической обработки изделий ионно- плазменным методом в среде реакционного газа

Формула изобретения

СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫМ МЕТОДОМ В СРЕДЕ РЕАКЦИОННОГО ГАЗА, включающий погружение изделий в газовую плазму, инициируемую электрическим разрядом, очистку, нагрев и выдержку изделий в заданном температурном режиме, отличающийся тем, что в процессе выдержки изделия дополнительно обрабатывают пучком ускоренных частиц, генерируемых автономным ионным источником.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к вакуумно-плазменной обработке изделий и может быть использовано для упрочняющей поверхностной обработки инструмента и деталей машин.

Известен способ вакуумно-плазменной обработки изделий направленным пучком ускоренных частей (ионов), генерируемых ионным источником (Ивановский Г. Ф. и Петров В. И. Ионно-плазменная обработка материалов. М. Радио и связь 1986, с. 207, рис. 5. 4). Данный способ не обеспечивает повышения износостойкости изделий, поскольку не образует эффективных износостойких структур.

Известен способ химико-термической обработки (ХТО) изделий ионно-плазменным методом в среде реакционного газа, включающий погружение изделий в газовую плазму, инициируемую электрическим разрядом, с последующими очисткой, нагревом и выдержкой в заданном температурном режиме (Лахтин Ю.М. и др. Химико-термическая обработка материалов. М. Металлургия, 1985, с. 177-181).

Недостатком этого способа является недостаточно высокая износостойкость поверхности из-за образования хрупких фаз на поверхности изделия. При этом снижается не только износостойкость, но и происходит существенное снижение скорости насыщения поверхности, так как хрупкие фазы препятствуют эффективной диффузии в глубь поверхности. Кроме того, в случае последующего нанесения покрытия на диффузионный слой происходит его отслоение.

Целью изобретения является повышение износостойкости изделий.

Для этого в способе химико-термической обработки изделий ионно-плазменным методом в среде реакционного газа, включающем погружение изделий в газовую плазму, инициируемую электрическим разрядом, с последующими очисткой, нагревом и выдержкой в заданном температурном режиме, согласно изобретению выдержку в заданном температурном режиме осуществляют при одновременном воздействии на изделие направленного пучка ускоренных частиц, генерируемых автономным ионным источником.

Сравнительный анализ показал, что предложенное техническое решение по сравнению с известными соответствует критериям охраноспособности, поскольку совокупность предложенных признаков, отраженная в формуле изобретения, не была обнаружена в данной и смежной областях техники для решения поставленной задачи.

Достигаемый результат может быть реализован лишь всей совокупностью существенных признаков, так как он не является простым суммированием свойств отдельных признаков, поскольку не проявляется при использовании любого из них в отдельности в известных решениях.

Способ осуществляется следующим образом.

При обработке изделий в технологической вакуумной камере последние погружают в газовую плазму, инициируемую электрическим разрядом, после чего осуществляют ионную очистку, нагрев и выдержку в заданном температурном режиме при воздействии на изделие заряженных частиц газовой плазмы, причем в процессе выдержки изделия в заданном температурном режиме на него одновременно воздействуют направленным пучком ускоренных частиц, генерируемых автономным ионным источником.

Одновременное воздействие на изделие частиц газовой плазмы и направленного пучка ускоренных частиц в процессе выдержки изделия в заданном температурном режиме обеспечивает существенное повышение скорости диффузии в глубь упрочняемого изделия за счет отсутствия образования хрупких пассивирующих фаз на поверхности в процессе обработки. При этом упрочняемое изделие после завершения обработки также не содержит хрупких фаз на поверхности, что существенно повышает износостойкость изделий, а также благоприятно воздействует на образование адгезионной связи с покрытием, которое может наноситься после ХТО.

Предлагаемый способ целесообразно применять для обработки изделий из стали и сплавов, работающих при высоких контактных нагрузках и/или температурах.

Проводилось три варианта химико-термической обработки (азотирования) режущих пластин из стали Р6М5 на модернизированной установке "БУЛАТ-6" в газовой ступени плазмы азота двухступенчатого вакуумно-дугового разряда (ДВДР).

В первом варианте изделия устанавливались на держателе, расположенном на столе вращения установки "Булат-6". Очистка поверхности изделия производилась ионами плазмы азота. Нагрев производился электронами плазмы ДВДР при токе ДВДР 100 А и напряжении 80 В. Температура прогрева пластин составляла 510^оС. Время изотермической выдержки 20 мин, толщина азотированного слоя 10 мкм.

Второй вариант ХТО проводили с одновременным воздействием на пластины в процессе изотермической выдержки пучком ускоренных нейтральных частиц за счет использования источника "Метель", размещенного на боковом фланце камеры. Воздействие пучком осуществлялось в одном случае в течение 10 мин, во втором в течение 20 мин.

Третий вариант отличался от второго тем, что в качестве источника ускоренных частиц использовался источник "Радикал", а после изотермической выдержки осуществляли нанесение слоя металлического покрытия электродуговым испарением материала катода. При этом покрытие наносилось при отключенном источнике ускоренных частиц.

Все изделия после обработки были испытаны на износостойкость при точении стали 40Х.

Анализ полученных результатов показал, что износостойкость инструмента из стали Р6М5 во втором варианте в первом случае повысилась в 1,3, а во втором в 1,5 раза по сравнению с первым вариантом. В первом варианте был образован слой голубиной 10 мкм и микротвердостью 1250 кгс/мм², а во втором варианте азотированный слой составил 15 мкм и твердость 1200 кгс/мм².

В третьем варианте (азотирование плюс покрытие) износостойкость инструмента из стали Р6М5 повысилась в 2-2,5 раза по сравнению с вторым вариантом азотирования в одинаковых условиях.