способ локальной обработки материала с эффектом полого катода при ионном азотировании

Формула изобретения

Способ азотирования стальной детали в плазме тлеющего разряда, включающий размещение стальной детали и перфорированного экрана в вакуумной камере, осуществление катодного распыления, вакуумный нагрев детали в плазме тлеющего разряда, состоящей из смеси азотсодержащего и инертного газов, с формированием участков с разнородной структурой стали, при этом переходный участок между участками с разнородной структурой имеет микронеоднородную структуру с постепенным изменением одного вида в другой, отличающийся тем, что разнородную структуру стали формируют в виде макронеоднородной структуры посредством перфорированного экрана, выполненного с отверстиями диаметром d, причем 2·l<d<4·l, где l - толщина катодного слоя, и плотно прилегающего к обрабатываемой детали, для обеспечения возможности получения на поверхности чередующихся азотированных в тлеющем разряде с эффектом полого катода участков с неазотированными участками.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ (патент РФ № 2127330, кл. С23С 8/26, 10.03.99) термической обработки для образования высокопрочного аустенитного поверхностного слоя в нержавеющих сталях, включающий азотирование в содержащей азот газовой атмосфере при 1000-1200°С и последующее охлаждение со скоростью, позволяющей избежать выделения нитрида.

Недостатком аналога является:

- сложность оборудования и технологии, а также необходимость проектирования специального оборудования;

- отсутствие возможности создания неоднородной структуры.

Известен способ (патент РФ № 2362831, кл. С23С 8/38, 27.07.2009) азотирования стальных изделий, включающий помещение изделия в емкость, заполненную азотосодержащей средой, подачу на изделие, являющееся катодом, и анод постоянного напряжения для создания между изделием и анодом электрического поля и осуществление процесса насыщения поверхности изделия азотом. В качестве анода и азотосодержащей среды используют раствор электролита из следующего ряда веществ: раствор нашатыря, раствор аммиака, а перед процессом насыщения поверхности изделия азотом осуществляют плавное изменение напряжения в интервале 15-150 В, насыщение проводят при повышении напряжения в интервале 150-315 В, при этом азотирование проводят при атмосферном давлении.

Недостатком аналога является отсутствие возможности создания неоднородной структуры.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ создания неоднородной структуры материала при азотировании в тлеющем разряде (патент РФ № 2409699, кл. С23С 8/36, С23С 8/24, 20.01.2011), включающий катодное распыление, вакуумный нагрев изделий в плазме тлеющего разряда повышенной плотности, состоящей из смеси азотосодержащего и инертного газов, формируемой между деталью и экраном. С помощью экрана с ячейками формируют неоднородную плазму тлеющего разряда и создают дифференцированную структуру в материале путем получения в нем разнородных структур, при этом переходный участок между участками с различной структурой имеет микронеоднородную структуру с постепенным изменением от одного вида в другой.

Недостатком ближайшего аналога является:

- сложность конструкции по сравнению с предлагаемым;

- сложность отладки технологического процесса;

- сложность создания и контроля неоднородной плазмы;

- отсутствие возможности сохранения на поверхности сплошной матрицы микротвердости исходного материала.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение прочностных и трибологических характеристик материала.

Технический результат - повышение контактной долговечности и износостойкости упрочненного слоя за счет локальной обработки и создания макронеоднородной структуры материала.

Задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе азотирования стальной детали в плазме тлеющего разряда, включающем размещение стальной детали и перфорированного экрана в вакуумной камере, осуществление катодного распыления, вакуумный нагрев детали в плазме тлеющего разряда, состоящей из смеси азотсодержащего и инертного газов, с формированием участков с разнородной структурой стали, при этом переходный участок между участками с разнородной структурой имеет микронеоднородную структуру с постепенным изменением одного вида в другой, согласно изобретению разнородную структуру стали формируют в виде макронеоднородной структуры посредством перфорированного экрана, выполненного с отверстиями диаметром d, величина которого определяется выражением 2·l<d<4·l, где l - толщина катодного слоя, и плотно прилегающего к обрабатываемой детали, с возможностью получения на поверхности чередующихся, азотированных в тлеющем разряде с эффектом полого катода участков с неазотированными участками.

Дифференцированная обработка, сочетающая общие (объемные) и локальные (местные) воздействия на материал, позволяет получить регулярную неоднородную структуру как на поверхности, так и в объеме сплавов. В ряде случаев исходное горячекатаное или литое состояние можно рассматривать как результат общей обработки, обеспечивающей требуемые свойства исходному материалу. Дифференцированная структура создается в мономатериале путем получения в нем разнородных структур. Между участками с различной структурой существует переходный участок с микронеоднородной структурой, в которой структура постепенно изменяется от одного вида в другой, что обеспечивает хорошую совместимость между участками с различными свойствами. Тем самым возможно получение участков с чередованием прочностных и пластических свойств как на поверхности, так и в объеме материала, то есть макронеоднородных структур [Л.С.Малинов, В.Л.Малинов. Ресурсосберегающие экономнолегированные сплавы и упрочняющие технологии, обеспечивающие эффект самозакалки. - Мариуполь: ПГТУ, 2009, с.230-231]. Присутствие участков повышенной пластичности подавляет развитие микротрещин, возникших при нагружении в участках высокой твердости, и повышает конструктивную прочность [Лазерная обработка железомарганцовистых сталей / Л.С.Малинов, Е.Я.Харланова, С.В.Данно и др. // Физика и химия обработки материалов. - 1987. - № 2. - С.47-49]. Участки высокой твердости способствуют повышению износостойкости. Таким образом, наличие на поверхности материала макронеоднородных структур позволяет сочетать высокие физико-механические и триботехнические свойства поверхностного слоя деталей машин.

Обрабатываемая деталь и перфорированный экран находятся под отрицательным потенциалом. Геометрические размеры ячейки экрана выбираются таким образом, чтобы в ней сформировалась плазма с повышенной концентрацией частиц (возник эффект полого катода). В условиях проявления эффекта полого катода скорость насыщения поверхности ионами азота существенно выше несмотря на более низкое напряжение горения разряда [Будилов В.В., Рамазанов К.Н. Технология ионного азотирования деталей ГТД в тлеющем разряде с полым катодом // Вестник УГАТУ. 2008. № 1(26). С.82-86].

Суммарная упрочненная зона может достигать от 25% до 60% [Андрияхин В.М., Васильев В.А., Седунов В.К., Чеканова Н.Т. Влияние схемы упрочнения гильз цилиндров лазерным излучением на износостойкость. Металловедение и термическая обработка металлов, 1982, № 9, с.41-43, Любченко А.Л., Липовецкий Л.С, Глушкова Д.Б. Повышение износостойкости стальных поверхностей путем лазерной обработки. Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. 2006. № 33. С.35-37]. Зазор между перфорированным экраном и поверхностью материала должен быть менее 1 мм, т.к. тлеющий разряд при таких зазорах не образуется и не доступен для осаждения продуктов реакций [Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали. М.: Машиностроение, 1976, с.162-163].

Существо изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена схема азотирования деталей на модернизированной установке ЭЛУ-5, где 1 - источник питания, 2 - анод, 3 - деталь (катод), 4 - перфорированный экран, 5 - вакуумная камера. На фиг.2 изображены схема обработки и распределение микротвердости по поверхности упрочненного слоя в тлеющем разряде с эффектом полого катода, где 3 - деталь (катод), 4 - перфорированный экран, 6 - плазма повышенной плотности, 7 - кривая изменения твердости, d - диаметр отверстия экрана, а - шаг перфораций, h - толщина перфорированного экрана (h 5 мм). На фиг.3 изображен перфорированный экран, где d - диаметр отверстий экрана (2·1<d<4·1,1 - толщина катодного слоя), a, b - шаги перфораций. На фиг.4 и на фиг.5 изображены примеры реализации способа в виде трехмерных моделей, где 3 - деталь (катод), 4 - перфорированный экран.

Пример конкретной реализации способа

Способ осуществляется следующим образом. В вакуумной камере 5 модернизированной установки ЭЛУ-5 (фиг.1) устанавливают обрабатываемую деталь 3 из стали 40ХН и перфорированный экран 4 (фиг.2, 3). Далее подключают их к отрицательному электроду, герметизируют камеру и откачивают воздух до давления 10 Па. Затем, после эвакуации воздуха камеру продувают рабочим газом 5-15 минут при давлении 1000-1330 Па, затем откачивают камеру до давления 50 Па, подают на электроды напряжение и возбуждают тлеющий разряд. При напряжении 800-1000 В осуществляют катодное распыление. После 10-15-минутной обработки по режиму катодного распыления напряжение понижают до рабочего, а давление повышают до 120 Па, необходимого для зажигания тлеющего разряда. В качестве рабочего газа использовали аргон и смесь азота, аргона и ацетилена (N₂ 25%+Аr 70%+С₂ Н₂5%). Азотирование в тлеющем разряде производят при =110-130 Па, j-1-2 мА/см², U=600-650 В. Температура поверхности обрабатываемой детали не превышала 530°С. Все процессы проходят за один технологический цикл, в одной камере и в одной атмосфере. После обработки изделие охлаждается вместе с вакуумной камерой под вакуумом. В результате обработки твердость азотированных участков составила H_v=6100 МПа, неазотированных, как и у исходного материала, - Hv=2650 МПа. Толщина диффузионного слоя - 0,25 мм. Характер распределения микротвердости по поверхности упрочненного слоя изображен на фиг.2. Данный способ позволяет создавать макронеоднородную структуру как на плоских (фиг.4), так и на цилиндрических наружных (фиг.5) и внутренних поверхностях. Созданная макронеоднородная структура повышает контактную долговечность и износостойкость, вследствие чего повышаются прочностные и трибологические характеристики материала.