PL167632B1 - Sposób wytwarzania warstw wierzchnich o wysokiej twardości na elementach stalowych - Google Patents

Abstract

1. Sposób wytwarzania warstw wierzchnich o wysokiej twardości na elementach stalowych, znamienny tym, że na elementy ze stali o zawartości węgla nie mniejszej niż 0,3% nanosi się metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej, cienką warstwę metalu węglikotwórczego takiego, jak cyrkon, hafn, molibden, niob, tantal, tytan, wanad, wolfram, po czym elementy z naniesioną warstwą metalu węglikotwórczego wygrzewa się w temperaturze nie niższej niż 1200K i nie wyższej od temperatury sublimacji lub topnienia warstwy metalu węglikotwórczego pod ciśnieniem nie wyzszym niż 10’3 Pa w czasie nie krótszym niż 0,1 godziny, a następnie schładza się do temperatury otoczenia. 2. Sposób wytwarzania warstw wierzchnich o wysokiej twardości na elementach stalowych, znamienny tym, że na elementy ze stali o zawartości węgla nie mniejszej niż 0,3% nanosi się metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej, warstwę metalu węglikotwórczego takiego, jak cyrkon, hafn, molibden, niob, tantal, tytan, wanad, wolfram, po czym elementy z naniesioną warstwą metalu węglikotwórczego wygrzewa się w temperaturze nie niższej niż 1200K i nie wyższej od temperatury sublimacji lub topnienia warstwy metalu węglikotwórczego pod dowolnym ciśnieniem w atmosferze gazu obojętnego, zwłaszcza azotu lub gazu węglonośnego, bądź w stałym ośrodku nawęglającym, w czasie nie krótszym niż 0,1 godziny, a następnie schładza się do temperatury otoczenia.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania warstw wierzchnich o wysokiej twardości na elementach stalowych pracujących w wysokich temperaturach, w środowiskach agresywnych chemicznie bądź w warunkach wymagających podwyższonej odporności na ścieranie.

Znane są sposoby bezpośrednie, jednostopniowe wytwarzania warstw wierzchnich na elementach stalowych, polegające na naniesieniu na te elementy cienkiej warstwy węglików lub węglikoazotków metali węglikotwórczych takich, jak chrom, hafn, molibden, niob, tantal, wanad, wolfram, cyrkon. Węgliki lub węglikoazotki powstają w atmosferze reaktywnej, w której umieszcza się pokrywane detale i którą stanowią strumień atomów i/lub jonów metalu węglikotwórczego, strumień atomów i/lub jonów i/lub kompleksów atomów węgla bądź cząstek par i gazów takich, jak wodór, azot, argon, TiCU, metan lub inne węglowodory, i są osadzane z fazy gazowej metodami chemicznymi lub fizycznymi. Warstwy uzyskane metodami bezpośrednimi, jednostopniowymi są chropowate bądź niejednorodne pod względem składu, cechuje je często niedostateczna twardość oraz niedostateczna adhezja do stalowego podłoża. W sposobach tych niezbędna jest jednoczesna kontrola i regulacja co najmniej dwóch strumieni cząstek oraz utrzymanie właściwego stopnia jonizacji i energii cząstek atmosfery reaktywnej, a więc jest konieczne stosowanie skomplikowanej i kosztownej aparatury, wyposażonej między innymi w czujniki ciśnienia, strumienia przepływu gazów, sterowniki, regulatory, mikroprocesory. Wadą tych sposobów jest toksyczność, wybuchowość, łatwopalność stosowanych atmosfer reaktywnych, a także niebezpieczeństwo kontaminacji wytworzonych warstw cząstkami pochodzącymi z rozkładu atmosfer reaktywnych.

Jedna ze znanych metod fizycznych osadzania warstw z fazy gazowej na stalowych podłożach, na drodze naparowywania próżniowego, polega na tym, że detal przeznaczony do pokrycia umieszcza się w komorze próżniowej wyposażonej w działo elektronowe i tygiel chłodzony wodą, zawierający materiał pokrywający. Po wytworzeniu w komorze próżni uruchamia się działo elektronowe skierowując wiązkę elektronów na materiał umieszczony w tyglu.

167 632

Wiązka elektronów powoduje stopnienie oraz parowanie materiału pokrywającego, który osadza się na pokrywanym detalu.

Inna znana metoda fizyczna osadzania warstw z fazy gazowej na stalowych podłożach, na drodze platerowania jonowego polega na tym, że detal przeznaczony do pokrycia umieszcza się w komorze próżniowej wyposażonej w działo elektronowe oraz tygiel chłodzony wodą, zawierający metal pokrywający. Po wytworzeniu w komorze próżni oraz wprowadzeniu do niej gazu obojętnego, wzbudza się wyładowania jarzeniowe wokół pokrywanego detalu i jednocześnie uruchamia działo elektronowe skierowując wiązkę elektronów na metal umieszczony w tyglu. Wiązka elektronów powoduje stopienie i parowanie metalu w tyglu, który osadza się na pokrywanym detalu.

Jeszcze inna znana metoda fizyczna osadzania warstw z fazy gazowej na stalowych podłożach, na drodze rozpylania magnetronowego, polega na tym, że detal przeznaczony do pokrycia umieszcza się w komorze próżniowej zaopatrzonej w wyrzutnię magnetronową. Po wytworzeniu w komorze próżni i wprowadzeniu do niej gazu obojętnego pod obniżonym ciśnieniem, wzbudza się wyładowanie magnetronowe przykładając ujemny potencjał do tarczy z materiału pokrywającego i jednocześnie włączając prąd zasilania cewek magnesujących powodując intensywne rozpylanie materiału tarczy i tym samym pokrycie detalu cienką warstwą materiału rozpylanego.

Warstwy metaliczne, wytworzone przy pomocy wyżej wymienionych, a także innych metod fizycznego osadzania z fazy gazowej są miękkie o twardości 60 - 300 HV 0,05, nie są zatem odporne na ścieranie (zużycie) i na ogół mają niską odporność na środowiska agresywne chemicznie, zwłaszcza w podwyższonych temperaturach.

Sposób wytwarzania warstw wierzchnich o wysokiej twardości na elementach stalowych, według wynalazku polega na tym, że na elementy ze stali o zawartości węgla nie mniejszej niż 0,3% wagowych nanosi się metodą fizyczną z fazy gazowej, cienką warstwę metalu węglikotwórczego takiego, jak cyrkon, hafn, molibden, niob, tantal, tytan, wanad, wolfram. Następnie elementy z naniesioną warstwą metalu węglikotwórczego wygrzewa się w temperaturze nie niższej niż 1200K i nie wyższej od temperatury sublimacji lub topnienia warstwy metalu węglikotwórczego pod ciśnieniem nie wyższym niż 10'³ Pa względnie pod dowolnym ciśnieniem ale w atmosferze gazu obojętnego, zwłaszcza azotu lub gazu węglonośnego lub w stałym ośrodku nawęglającym w czasie nie krótszym niż 0,1 godziny, po czym schładza się do temperatury otoczenia.

Warstwy wytworzone sposobem według wynalazku charakteryzują się jednorodnością składu, gładkością powierzchni i wysoką oraz jednorodną adhezją do powierzchni elementów stalowych. Warstwy te nie ulegają odpadaniu, łuszczeniu, pękaniu oraz zdzieraniu, a ponadto następuje zmiana ich własności z metalicznych na niemetaliczne. Grubość warstw wytworzonych sposobem według wynalazku jest nie większe niż 10 gm, zaś twardość wyższa niż 2500 HV 0,05. Sposób według wynalazku jest prosty w realizacji. Wyeliminowano w nim zarówno stosowanie skomplikowanej aparatury jak i toksycznej, wybuchowej i łatwopalnej atmosfery reaktywnej oraz niebezpieczeństwo kontaminacji wytworzonych warstw. Sposób według wynalazku umożliwia również przeprowadzenie obróbki plastycznej elementów miedzy operacjami nanoszenia warstwy metalicznej a jej wygrzewaniem. Jest to szczególnie ważne w przypadku wyrobów o skomplikowanej powierzchni lub kształcie.

Sposób według według wynalazku ilustrują bliżej podane niżej przykłady.

Przykład I. Drut ze stali DS 88 o grubości 2,5 mm w kształcie solenoidu o długości 300 mm, średnicy 70 mm i skoku 20 mm pokryto cienką warstwą metalicznego hafnu metodą platerowania jonowego w taki sposób, że solenoid ten umieszczono w komorze próżniowej wyposażonej w integralne działo elektronowe o mocy 3 kW z tyglem miedzianym chłodzonym wodą zawierającym 200g czystego hafnu w postaci litego krążka, przy czym oś symetrii solenoidu przebiegała poziomo w odległości 150 mm od powierzchni krążka z hafnu, po czym komorę odpompowano uzyskując próżnię resztkową 10'⁴ Pa, a następnie wprowadzono do niej czysty argon pod ciśnieniem 1 Pa i wzbudzono wyładowanie jarzeniowe wokół solenoidu przykładając do niego ujemny potencjał o wartości -2000V przez okres 10 minut, po czym uruchomiono działo elektronowe kierując wiązkę elektronów o mocy 3 kW na krążek z hafnu

167 632 przez okres 20 minut powodując jego częściowe stopienie i parowanie utrzymując jednocześnie wcześniej przyłożony ujemny potencjał polaryzacji solenoidu w celu podtrzymania wyładowania jarzeniowego, a sam solenoid wprawiono w ruch obrotowy wokół osi poziomej z prędkością kątową 0,02 rad x s'¹, następnie wyłączono działo elektronowe oraz polaryzację solenoidu i jego ruch obrotowy, po czym odcięto dopływ argonu i po upływie 10 minut na schłodzenie, solenoid wyjęto z komory. Drut solenoidu pokryty równomiernie ze wszystkich stron cienką warstwą metalicznego hafnu o grubości 7 gm pocięto następnie na odcinki o długości około 110 mm, którym nadano kształt wymagany dla prowadników włókien w skręcarkach i przewijarkach. Otrzymane prowadniki wygrzewano następnie w czasie 0,5 godziny w temperaturze 1350K, w atmosferze czystego argonu pod ciśnieniem 0,2 MPa, Po zakończeniu wygrzewania prowadniki ochłodzono do temperatury otoczenia z szybkością około 0,5 K/s. Otrzymane prowadniki, pokryte warstwą węglika hafnu o grubości 7 gm i wysokiej adhezji do stalowego podłoża, charakteryzowały się twardością około 3500 HV 0,05 i dużą odpornością na ścierne działanie włókien.

Przykładu. Taśmę ze stali węglowej 45 o długości 200 mm, szerokości 40 mm i grubości 0,3 mm po wygrzaniu normalizującym pokryto jednostronnie cienką warstwą metalicznego tytanu metodą naparowania w próżni w taki sposób, że umieszczono ją poziomo w komorze próżniowej wyposażonej w działo elektronowe z tyglem miedzianym ochładzanym wodą bieżącą, zawierającym 100g czystego tytanu w postaci grubego granulatu, przy czym środkowa część taśmy znajdowała się nad środkiem tygla w odległości 200 mm od wierzchniej warstwy tytanowego granulatu, po czym komorę odpompowano uzyskując próżnię resztkową 10³ Pa, a następnie wprowadzono do niej czysty argon pod ciśnieniem 5 Pa i wzbudzono wyładowanie jarzeniowe w celu oczyszczenia powierzchni taśmy przykładając do taśmy potencjał ujemny -1000V przez około 15 minut, po czym wyłączono polaryzację taśmy, odcięto dopływ argonu, ponownie odpompowano komorę i włączono działo elektronowe kierując wiązkę elektronów o mocy 2 kW na granulat przez około 15 minut powodując jego częściowe stopienie i parowanie, a następnie wyłączono działo elektronowe i po upływie 5 minut wyjęto taśmę z komory. Taśmę tę pokrytą jednostronnie (od strony zwróconej do działa elektronowego) cienką warstwą metalicznego tytanu o grubości 3 gm pocięto na prostokąty o wymiarach 40 x 13 mm, w środku których wytłoczono wgłębienia o promieniu krzywizny 10 mm i głębokości 3 mm, po czym prostokąty te poddano wygrzewaniu w czasie 0,5 godziny, w temperaturze 1400K pod ciśnieniem 10'³ Pa i następnie ochłodzono do temperatury otoczenia z szybkością 2 K/s.

Otrzymane kształtki, pokryte warstwą węglika tytanu o grubości 3 gm, charakteryzowały się twardością 3000 HV 0,05, wykazywały wysoką odporność na udary termiczne oraz na działanie ciekłego aluminium, co pozwoliło na wykorzystanie ich jako wypamików aluminium w urządzeniach z grzaniem oporowym.

Przykład III. Taśmą ze stali N10E o grubości 0,4 mm i szerokości 2 mm po normalizacji pocięto na 100 odcinków o długości 200 mm każdy i pokryto obustronnie metodą naparowywania w próżni cienką warstwą metalicznego cyrkonu w taki sposób, że najpierw paski te ułożono obok siebie w postaci prostokątnej tacy o wymiarach 200 x 200 mm i umocowano poziomo w komorze próżniowej wyposażonej w działo elektronowe z tyglem miedzianym chłodzonym wodą, zawierającym 300g czystego cyrkonu w postaci krążka o grubości 15 mm, przy czym środek tacy znajdował się nad środkiem tygla w odległości 200 mm od powierzchni krążka z cyrkonu, po czym komorę odpompowano uzyskując próżnię 2 x 10⁴ Pa, a następnie wprowadzono do niej czysty argon pod ciśnieniem 3 Pa i wzbudzono wyładowanie jarzeniowe w celu oczyszczenia powierzchni taśmy przykładając do taśmy potencjał ujemny -1500V przez około 10 minut, następnie wyłączono potencjał polaryzacji taśmy, odcięto dopływ argonu i włączono działo elektronowe kierując wiązkę elektronów o mocy 2,5 kW na środek krążka z cyrkonu powodując jego częściowe stopienie i parowanie przez okres 25 minut, po czym tacę złożoną z pasków taśmy obrócono o kąt 180° wokół jednej z poziomych osi symetrii tacy i utrzymywano w tym położeniu przez dalszych 25 minut nie przerywając naparowywania parami cyrkonu, następnie wyłączono działo elektronowe i po upływie 10 minut wyjęto tacę z komory. Paski taśmy pokryte obustronnie warstwą metalicznego cyrkonu o grubości 6 gm pocięto następnie na odcinki o długości 13,5 mm, z których uformowano detale w kształcie litery C, o maksymal167 632 nym wymiarze 6 mm, stosowane jako biegacze typu C do przędzarek i skręcarek włókien. Uformowane biegacze poddano następnie wygrzewaniu w piecu bębnowym w czasie 1 godziny w temperaturze 1350K w atmosferze czystego argonu pod ciśnieniem 0,15 MPa, ochłodzono do temperatury 970K z szybkością około 3 K/s, w której to temperaturze wygrzewano wsad pieca w czasie, 0,5 godziny, następnie wsad podgrzano do temperatury 1040K i wygrzano w tej temperaturze w czasie 1 godziny, w końcu hartowano w oleju i po usunięciu resztek oleju wsad poddano odpuszczeniu w czasie 1 godziny w temperaturze 450K. Otrzymano biegacze typu C do przędzarek i skręcarek włókien, pokryte warstwą węglika cyrkonu o grubości 6 gm, o twardości około 2800 HV 0,05, o bardzo dużej odporności na ścierne działanie włókien przy równoczesnym zachowaniu cech mechanicznych wymaganych od stalowego podłoża.

Przykład IV. 60 sztuk szlifowanych tłoczników ze stali szybkotnącej SW7M do wyciskania gniazd sześciokątnych o wymiarze S 10 w łbach śrub ze stali 45 pokryto na części roboczej cienką warstwą metalicznego tytanu metodą rozpylania magnetronowego w taki sposób, że tłoczniki te z odsłoniętą częścią roboczą i owinięte folią aluminiową na części chwytowej umocowano pionowo, równomiernie w odstępach 30 mm od siebie, na płaskim poziomym obrotowym uchwycie w górnej części komory próżniowej wyposażonej w dwa magnetrony tarczowe kołowe o średnicy tarcz 150 mm umieszczone naprzeciwko siebie w odległości 500 mm na płycie podstawy komory symetrycznie względem pionowej osi komory, przy czym środki tarcz obu magnetronów znajdują się w odległości 250 mm od środka uchwytu obrotowego z zamocowanymi tłocznikami, a tarcze magnetronów są nachylone tak, że ich osie symetrii przechodzą przez środek uchwytu obrotowego, następnie komorę odpompowano uzyskując próżnię resztkową 10⁵ Pa, po czym wprowadzono do niej czysty argon pod ciśnieniem 6 Pa i wzbudzono wyładowanie jarzeniowe wokół uchwytu z tłocznikami, w celu oczyszczenia ich powierzchni, przykładając do uchwytu ujemny potencjał -1200V przez okres 25 minut, następnie włączono ruch obrotowy uchwytu z prędkością 0,05 rad x s'¹, podwyższono napięcie polaryzacji do -100V, a ciśnienie argonu obniżono do 0,4 Pa i uruchomiono obydwa magnetrony na okres 2 godzin przykładając do tarcz tytanowych ujemny potencjał -500V i włączając prąd zasilania cewek magnesujących tak, aby prąd wyładowania magnetronowego w każdym z magnetronów wynosił 6A, po czym wyłączono oba magnetrony i napięcie polaryzacji uchwytu, odcięto dopływ argonu i po upływie 20 minut na schłodzenie, wyjęto wsad z komory próżniowej. Z tłoczników pokrytych równomiernie na części roboczej cienką warstwą metalicznego tytanu o grubości 5 gm usunięto folię aluminiową, po czym umieszczono w piecu i wygrzewano przez 45 minut przy temperaturze 141 OK w atmosferze czystego azotu pod ciśnieniem 10 Pa, następnie podwyższono temperaturę pieca do 1470K i po 6 minutach wytrzymania przy tej temperaturze tłoczniki zostały zahartowane w oleju o temperaturze 293K. Bezpośrednio po zahartowaniu tłoczniki odtłuszczono w kąpieli wodnej o temperaturze 320K z dodatkiem detergentów, po czym opłukano w czystej wodzie o temperaturze 300K, a następnie w alkoholu etylowym i po wysuszeniu umieszczono w piecu o temperaturze 823K na czas 1 godziny. Po wyjęciu tłoczników z pieca i schłodzeniu na powietrzu, umieszczono je ponownie w piecu o temperaturze 833K na okres 1 godziny i po wygrzaniu schłodzono w swobodnym powietrzu. W wyniku tak przeprowadzonej obróbki części robocze tłoczników zostały pokryte jednolitą, gładką powłoką węglikoazotka tytanu o bardzo wysokiej twardości 3000 HV 0,05 i bardzo dużej adhezji do stalowego podłoża, zaś samo podłoże posiadało twardość 65 HRC oraz udarność 6 daJ/cm² ( wartości typowe dla tego gatunku stali po zabiegach hartowania i odpuszczania).

167 632

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1,50 zł

Claims (2)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania warstw wierzchnich o wysokiej twardości na elementach stalowych, znamienny tym, że na elementy ze stali o zawartości węgla nie mniejszej niż 0,3% nanosi się metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej, cienką warstwę metalu węglikotwórczego takiego, jak cyrkon, hafn, molibden, niob, tantal, tytan, wanad, wolfram, po czym elementy z naniesioną warstwą metalu węglikotwórczego wygrzewa się w temperaturze nie niższej niż 1200K i nie wyższej od temperatury sublimacji lub topnienia warstwy metalu węglikotwórczego pod ciśnieniem nie wyższym niż 10'³ Pa w czasie nie krótszym niż 0,1 godziny, a następnie schładza się do temperatury otoczenia.

2. Sposób wytwarzania warstw wierzchnich o wysokiej twardości na elementach stalowych, znamienny tym, że na elementy ze stali o zawartości węgla nie mniejszej niż 0,3% nanosi się metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej, warstwę metalu węglikotwórczego takiego, jak cyrkon, hafn, molibden, niob, tantal, tytan, wanad, wolfram, po czym elementy z naniesioną warstwą metalu węglikotwórczego wygrzewa się w temperaturze nie niższej niż 1200K i nie wyższej od temperatury sublimacji lub topnienia warstwy metalu węglikotwórczego pod dowolnym ciśnieniem w atmosferze gazu obojętnego, zwłaszcza azotu lub gazu węglonośnego, bądź w stałym ośrodku nawęglającym, w czasie nie krótszym niż 0,1 godziny, a następnie schładza się do temperatury otoczenia.