способ химико-термической обработки изделий из стали и сплавов

Формула изобретения

Способ химико-термической обработки изделий из стали и сплавов в плазме тлеющего разряда, включающий очистку изделий в режиме катодного распыления, нагрев в тлеющем разряде до температуры насыщения и выдержку при этой температуре в рабочей среде, отличающийся тем, что на стадии очистки изделий в режиме катодного распыления длительность импульса отрицательного напряжения, прикладываемого к обрабатываемым изделиям, дискретно и последовательно увеличивают в две стадии при неизменной частоте следования импульсов, причем на первой стадии длительность импульса составляет 18-20 мкс до достижения температуры обрабатываемых изделий 45-50°С, на второй стадии - 38-40 мкс до достижения температуры обрабатываемых изделий 140-150°С, а в процессе нагрева в тлеющем разряде до температуры насыщения длительность импульса составляет 75-80 мкс, которую поддерживают на этом уровне в течение всего процесса насыщения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке металлов и сплавов, в частности к ионному азотированию в плазме тлеющего разряда, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей сложной конфигурации, режущего инструмента и штамповой оснастки.

Широко известны процессы упрочняющей обработки методом ионного азотирования в плазме тлеющего разряда постоянного или пульсирующего тока, которые включают в себя две стадии - очистку поверхности катодным распылением и собственно насыщение поверхности металла азотом (см. Теория и технология азотирования /Лохтин Ю.М, Коган Л.Д. и др. // М., Металлургия, 1990, С.89.). Причем стадию очистки катодным распылением рекомендуется проводить в течение 5-60 минут при давлении 25-50 Па и напряжении 1100-1400 В, затем давление в камере следует снижать до рабочего - 798-1064 Па и, соответственно, снижать напряжение до рабочего - 600-900 В. Однако при упрочняющей обработке ионным азотированием деталей сложной геометрической формы процесс очистки катодным распылением является достаточно затрудненным из-за наличия в изделиях глухих и сквозных полостей, острых кромок, поднутрений, что приводит к интенсивному дугообразованию, особенно в первые моменты существования разряда, когда детали еще не прогреты и на их поверхности присутствуют остатки смазочно-охлаждающей жидкости, промывочной среды или другие остаточные загрязнения.

Известен способ азотирования изделий, когда перед азотированием осуществляют предварительный разогрев обрабатываемой поверхности до температуры 670-680°С катодным распылением в азотной плазме несамостоятельного тлеющего разряда в течение 4-6 минут с последующим охлаждением до температуры азотирования (А.с. СССР 1574679, МПК С 23 С 8/36, опубл. 30.06.90). Недостатком способа является невысокое качество обрабатываемых изделий, так как быстрый разогрев последних предполагает использование высоких напряжений катодного распыления, следствием чего является интенсивное дугообразование. Кроме того, указанный способ неприемлем при обработке массивных деталей, у которых скорость объемного разогрева лимитирована теплопроводностью с поверхности, куда поступает поток тепла от ионов плазмы.

Известен также способ химико-термической обработки металлов и сплавов, при котором на стадии очистки изделий катодным распылением аномальный тлеющий разряд повышением напряжения на электродах периодически переводят в импульсную автоэлектронную электрическую дугу низкого давления с холодным катодом и продолжительностью импульса, обеспечивающей обработку изделия без эрозии его поверхности. Это позволяет интенсифицировать процесс за счет быстрого разогрева обрабатываемой поверхности в первые минуты до более высоких температур, чем температура процесса азотирования (А.с. СССР 1534092, МПК С 23 С 8/36, опубл. 07.01.90). Однако перевод аномального тлеющего разряда в импульсную электрическую дугу низкого давления сопровождается возникновением на катоде ярких светящихся пятен с плотностью тока свыше 10 ⁵А/см², что при наличии на изделиях острых кромок или загрязнений приводит к локальному дугообразованию и микроразрушению катода-изделия.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ химико-термической обработки изделий, в частности зубчатых колес, в тлеющем разряде (А.С. НРБ 43787, МПК С 23 С 8/36, опубл. 15.08.88). В указанном способе очистку изделий в режиме катодного распыления проводят при подаче на изделие импульсного отрицательного напряжения 850-1100 В, причем длительность импульса не превышает 40-50 мкс. Это обеспечивает улучшение качества обрабатываемых изделий за счет повышения их класса чистоты. Однако постоянная длительность импульса в процессе очистки обрабатываемого изделия приводит к дугообразованию на начальной стадии очистки. При этом продолжительность катодного распыления составляет 2-5 часов.

Задачей предлагаемого изобретения является интенсификация процесса очистки и повышение качества обрабатываемых изделий, особенно изделий сложной геометрической формы, за счет минимального дугообразования на начальной стадии очистки в режиме катодного распыления.

Это достигается тем, что в известном способе упрочняющей обработки путем ионного азотирования обрабатываемых изделий в плазме тлеющего разряда, включающем их очистку в режиме катодного распыления при остаточном давлении 3-10 Па, нагрев в тлеющем разряде до температуры насыщения и выдержку при этой температуре в рабочей среде, согласно изобретению предлагается на стадии очистки обрабатываемых изделий в режиме катодного распыления длительность импульса отрицательного напряжения, прикладываемого к изделию, дискретно и последовательно увеличивать в две стадии при неизменной частоте следования импульсов, причем на первой стадии длительность импульса составляет 18-20 мкс до достижения температуры изделий 45-50°С, на второй стадии 38-40 мкс до достижения температуры изделий 140-150°С, а далее в процессе нагрева в тлеющем разряде до температуры насыщения длительность импульса составляет 75-80 мкс, которую поддерживают на этом уровне в течение всего процесса насыщения.

Такое выполнение способа путем изменения длительности импульса напряжения на стадии очистки в режиме катодного распыления позволяет свести к минимуму интенсивность дугообразования и, следовательно, предотвращает разрушение острых кромок изделий из-за возникновения локальных дуг. Кроме того, процесс очистки интенсифицируется благодаря более быстрому разогреву поверхности обрабатываемых изделий, подготовленных к стадии насыщения.

Задание длительности импульса на первой стадии очистки меньше чем 18-20 мкс приводит к заметному снижению скорости разогрева изделий, так как эффективная мощность, вкладываемая в разряд, при этом уменьшается. Если длительность импульса увеличивать свыше 20 мкс, то это приводит к росту интенсивности дугообразования в разряде, что вызывает разрушение острых кромок обрабатываемых изделий из-за появления локальных дуг. На второй стадии очистки при увеличении длительности импульса свыше 40 мкс существенно увеличивается интенсивность дугообразования, что приводит к необходимости уменьшения величины рабочего напряжения либо длительности импульса, следовательно, к замедлению разогрева поверхности обрабатываемых изделий. Увеличение длительности импульса на стадии насыщения свыше 80 мкс может приводить к возникновению мощных дуговых пробоев, способных вызвать значительные разрушения на острых кромках обрабатываемых изделий вплоть до их оплавления.

Осуществление способа поясняется примером.

Согласно предлагаемому способу обрабатывались червячные фрезы диаметром 110 мм и высотой 120 мм из стали марки Р6М5.Обработка проводилась на установке ионного азотирования АР-63, имеющей следующие характеристики: диаметр катода 950 мм, высота загрузки обрабатываемых изделий 1200 мм, мощность разряда до 60 кВт. В качестве рабочей газовой смеси использовалась смесь H₂+N₂+Аr.

Подготовленные к упрочняющей обработке фрезы загружались в реакционную камеру и устанавливались на катоде. Далее производилось вакуумирование камеры до остаточного давления 3-10 Па. После этого устанавливалась длительность импульса напряжения, подаваемого на катод на уровне 18-20 мкс при частоте следования импульсов 10 кГц, и на катод подавалось напряжение величиной 800 В. При подаче на обрабатываемые изделия импульса напряжением 18-20 мкс зажигался аномальный тлеющий разряд и происходила очистка изделий в режиме катодного распыления и их нагрев. При этом образовывались нестационарные мигрирующие микродуги, которые обеспечивали эффективную очистку изделий от остаточных загрязнений. Скорость нагрева составляла 2,5-3 град/мин. При достижении изделиями температуры 45-50°С интенсивность образования микродуг становилась минимальной и для проведения дальнейшей очистки необходимо было повышать давление в реакционной камере и увеличивать длительность импульса напряжения. Для этого в камеру подавалась рабочая газовая смесь с суммарным расходом 3-5 л/час, а длительность импульса устанавливалась 38-40 мкс, что обеспечивало дальнейший эффективный разогрев обрабатываемых изделий. При достижении ими температуры 140-150°С цикл очистки изделий завершался, поскольку с поверхности удалялась основная масса загрязнений в виде летучих фракций. Далее длительность импульса снова увеличивалась, чтобы обеспечить максимальную скорость разогрева обрабатываемых изделий, и составляла 75-80 мкс. Как показали эксперименты, эта величина импульса является оптимальной для обеспечения заданной скорости разогрева. Таким образом, на стадии очистки обрабатываемых изделий управление мощностью разряда осуществляется путем изменения длительности импульса при неизменном напряжении на изделиях, которое определяется давлением в реакционной камере и количеством одновременно обрабатываемых изделий.

Для обеспечения дальнейшего роста температуры изделий до 500°С, при котором происходит стадия азотного насыщения, повышалось давление в камере и мощность разряда путем увеличения расхода газовой рабочей смеси до 100 л/час и повышения напряжения и тока, но уже при неизменной длительности импульса, составляющей 75-80 мкс. Время выдержки при температуре азотирования 500°С составило 30-35 минут. За это время формировался азотированный слой глубиной 30-40 мкм с поверхностной твердостью 1100-1200 нV.

При обработке изделий по известному способу (прототип) после вакуумирования реакционной камеры до остаточного давления 3-10 Па на обрабатываемые изделия подавалось напряжение 800 В с постоянной длительностью импульса 40-50 мкс. Однако из-за большой интенсивности дугообразования при сохранении указанной длительности импульсов возникает необходимость снизить напряжение. Это приводит к уменьшению скорости разогрева и, соответственно, к удлинению цикла очистки обрабатываемых изделий и ухудшению качества обработки.

Сравнительные характеристики этих процессов и преимущества предлагаемого способа представлены в таблице.

Таблица
Способ	Стадия очистки катодным распылением	Длитель ность импульса, мкс	Напря жение, В	Давле ние, Па	Скорость разогрева изделий, град/сек	Дугообразование на острых кромках изделий
Предла гаемый	I	10-15	850-900	3-10	0,02-0,03	Не наблюдается
		18-20	800-900	3-10	0,04-0,05	Не наблюдается
		35-40	800-900	3-10	0,025-0,03	Наблюдается
	II	38-40	750-800	25-40	0,05-0,056	Не наблюдается
		50-60	750-800	25-40	0,02-0,03	Наблюдается
Извест ный	I	40-50	800-900	3-10	0,02-0,03	Наблюдается