RU2240375C1 - Способ плазменного азотирования деталей - Google Patents
Способ плазменного азотирования деталей Download PDFInfo
- Publication number
- RU2240375C1 RU2240375C1 RU2003122774/02A RU2003122774A RU2240375C1 RU 2240375 C1 RU2240375 C1 RU 2240375C1 RU 2003122774/02 A RU2003122774/02 A RU 2003122774/02A RU 2003122774 A RU2003122774 A RU 2003122774A RU 2240375 C1 RU2240375 C1 RU 2240375C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- parts
- nitrogen
- nitriding
- air
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области поверхностного упрочнения путем азотирования деталей и может быть использовано при изготовлении широкой номенклатуры деталей и инструмента. Предложенный способ включает перемещение упрочняемой детали в зоне плазменной дуги относительно плазмотрона и использование в качестве плазмообразующего газа сжатого воздуха, при этом в качестве насыщающей среды используют азот плазмообразующего воздуха, а упрочняемую деталь перемещают относительно плазмотрона со скоростью, достаточной для оплавления поверхностного слоя, способного сохраниться без растекания за счет сил поверхностного натяжения. Техническим результатом изобретения является упрочнение азотируемой поверхности детали. 3 ил.
Description
Изобретение относится к области поверхностного упрочнения путем азотирования деталей и может быть использовано при изготовлении широкой номенклатуры деталей и инструмента, к которым предъявляются требования повышенного сопротивления схватыванию и адгезии в парах трения и коррозионной стойкости в условиях влажного воздуха. Из машиностроительной отрасли в таких условиях работает большинство деталей почвообрабатывающей, землеройной, кормоуборочной техники, а также пары трения ходовой части автотранспорта.
Известны способы азотирования деталей, в которых используются приемы ускорения этого процесса за счет применения плазменного нагрева детали.
Известен способ плазменного азотирования (см. РЖ “Металловедение и термическая обработка”, №3И1214. Обзор. Применение технологии плазменного азотирования. Application technology of plasma nitriding. Kanetake Norio. “Int. Semin. Plasma Heat Treat. Sel. and Technol. Senlis, 21-23 Sept., 1987”. Paris, 1987, 145-153) [1], преимуществами которого являются его универсальность, возможность регулирования состава упрочняющей фазы, экономичность и производительность, высокий комплекс трибологических и коррозионных свойств готовой продукции, отсутствие загрязнения окружающей среды. Состав упрочняющей фазы регулируется соотношением количеств H2/N2 в газовой фазе - при содержании N2≤ 50% в стали формируется γ ’-фаза, при содержании >50% - ε -фаза. Приведены также данные о режимах плазменного азотирования изделий из конструкционных, инструментальных и нержавеющих сталей.
В известном способе плазменного азотирования сталей [1] деталь помещается в газовую среду с определенным соотношением газовых компонентов. Такая обработка интенсифицирует насыщение поверхности детали азотом, но сопряжена с необходимостью применения насыщающей среды и смешивающего устройства, обеспечивающего ее состав в строгой пропорции газов H2/N2, что увеличивает эксплуатационные издержки.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ поверхностного упрочнения изделий “Плазма-хим” (см. RU №2003731, МПК 5 С 23 С 8/00, 10/00; С 21 D 1/09, опубл. 30.11.93 г., бюл. №43-44) [2], принимаемый за прототип, в котором используется тепло плазменной дуги прямого действия для нагрева под закалку поверхности детали и химико-термическую обработку под слоем водорастворимого химического соединения, содержащего легирующий элемент (элементы внедрения В, N, С), или введением этого раствора в плазменную дугу. Упрочняемую деталь перемещают относительно плазмотрона, использующего в качестве плазмообразующего газа сжатый воздух. Попадая в зону действия плазменной дуги, имеющей температуру (13-15)· 103 К, вода испаряется, химическое соединение диссоциирует, а легирующие элементы переходят в атомарное состояние, обеспечивающее интенсивную диффузию в поверхность детали.
Недостатком способа-прототипа является необходимость использования водорастворимых химических соединений и организация рабочего места для их приготовления в заданной концентрации компонентов, что повышает эксплуатационные издержки технологического процесса.
Изобретение направлено на устранение указанных недостатков.
Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение эксплуатационных издержек технологического процесса упрочнения за счет исключения использования специального химического соединения, содержащего азот, и исключения участка для приготовления его водного раствора требуемой концентрации.
Технический результат достигается тем, что способ плазменного азотирования деталей, при котором упрочняемую деталь перемещают в зоне плазменной дуги относительно плазмотрона и используют в качестве плазмообразующего газа сжатый воздух, согласно изобретению в качестве насыщающей среды используют азот плазмообразующего воздуха и упрочняемую деталь перемещают относительно плазмотрона со скоростью, достаточной для оплавления поверхностного слоя, способного сохраняться без растекания за счет сил поверхностного натяжения.
Новое, обнаруженное авторами свойство состоит в том, что при оплавлении поверхности упрочняемой детали в атмосфере продуктов диссоциации воздуха происходит активное диффузионное насыщение расплава азотом воздуха (в воздухе содержится около 76% азота), что приводит к такому же уровню насыщения азотом поверхностного слоя детали, как и при использовании специальных азотсодержащих химических соединений.
На фиг.1 изображена схема экспериментальной установки для реализации предлагаемого способа. На фиг.2 приведена фотография поперечного микрошлифа образца технического железа (армко-железа) после диффузионного насыщения азотом из столба воздушно-плазменной дуги (× 140× 1,5). На фиг.3 - расчетные зависимости глубины оплавления среднеуглеродистой стали от скорости перемещения плазмотрона для трех значений удельной мощности нагрева.
Способ плазменного азотирования поверхностей деталей осуществляется следующим образом (фиг.1). Обрабатываемая деталь 1 перемещается относительно плазмотрона 2 транспортным устройством (не показано), обеспечивающим плавную регулировку скорости их взаимного перемещения в направлении стрелки. Плазмотрон 2 снабжен электромагнитным сканирующим устройством (сканером) 3, предназначенным для уменьшения удельной мощности нагрева и регулирования ширины упрочняемой зоны за один проход. В плазмотрон 2 подается плазмообразующий газ - сжатый воздух - от компрессора. Электропитание электромагнитного сканера 3, блока поджига и горения плазменной дуги осуществляется от источника питания 4. Деталь передвигают в направлении стрелки со скоростью, при которой происходит регламентированное оплавление ее поверхности с сохранением (без растекания) расплавленного слоя за счет сил поверхностного натяжения. Таким образом, процесс поверхностного азотирования выполняют непрерывно-последовательным методом.
В примере конкретного выполнения способ плазменного азотирования был реализован на образцах технического железа (армко-железа), как материале, не содержащем элементов внедрения (углерод, азот), для наглядной демонстрации процесса диффузионного насыщения из столба воздушно-плазменной дуги. Азотированию из столба дуги подвергался образец из технического железа со следующими режимами обработки: ширина сканирования 30 мм; ток дуги 190-200 А; удельная мощность дуги 1,22· 108 Вт/м2; скорость взаимного перемещения плазмотрон - образец 7,2 см/с; расход плазмообразующего газа (воздуха) 1,3 м3/с. При обработке на этих режимах армко-железо оплавляется на глубину 0,15 мм. Из образца вырезали поперечный микрошлиф (по отношению к зоне обработки), который после травления наблюдали в оптическом металлографическом микроскопе при увеличении × 140.
Как показано на фиг.2, микроструктура имеет двухлинейную морфологию. Слой 1, в котором наблюдается игольчатая структура азотистого мартенсита, образовался в результате насыщения азотом, скоростной кристаллизации и последующего охлаждения. В поверхности, где не наблюдается явной игольчатости, структура состоит преимущественно из зерен азотистого аустенита в связи с повышенным содержанием азота поверхностного слоя. Слой 2 - исходная структура технического железа, представляющая собой полиэдрические зерна феррита.
Микротвердость легированного слоя измерялась на микротвердомере ПМТ-3 и нарастает от поверхности (аустенитная зона) - 7,8 ГПа к зоне игольчатого строения - до 12,9 ГПа.
Достигаемый результат азотирования поясняется теоретическими и экспериментальными исследованиями авторов. Интенсивность нагрева поверхностного слоя детали зависит от теплофизических констант материала, удельной мощности плазменной дуги, скорости взаимного перемещения плазмотрона и обрабатываемой детали. Экспериментально установлено, что интенсивное диффузионное насыщение элементами внедрения (в частности, азотом) протекает в пределах оплавленного поверхностного слоя нагреваемого материала. При этом для технического железа и углеродистых сталей глубина оплавленного слоя, который удается сохранить при нагреве без растекания за счет поверхностного натяжения, составляет примерно 0,15 мм, следовательно, на такую глубину может быть достигнуто эффективное упрочнение за счет азотирования из столба воздушно-плазменной дуги.
При заданных теплофизических константах нагреваемого материала и удельной мощности плазменной дуги единственным параметром, с помощью которого можно регулировать проплавление на регламентированную глубину, является скорость относительного перемещения плазмотрона и детали. Эта скорость рассчитывается на базе известного решения дифференциального уравнения теплопроводности [3], выполненного для случая нагрева полубесконечного тела быстродвижущимся полосовым тепловым источником с нулевыми начальными условиями и граничными условиями 2-го рода (ГУ2). Для этого случая представлена зависимость (1) глубины проплавления у от скорости V взаимного перемещения плазмотрон - обрабатываемая деталь и удельной мощности нагрева - q2.
где Тпл - температура плавления материала;
λ - коэффициент теплопроводности материала;
ω - коэффициент температуропроводности материала;
l - длина плазменной дуги в направлении движения источника тепла.
При расчете по формуле (1) для среднеуглеродистой стали приняты следующие исходные данные: Тпл - 1500° С; для трех значений удельной мощности дуги: кривая 1 (фиг.3) - q2=0,81· 108 Вт/м2, кривая 2 (фиг.3) - q2=1,22· 108 Вт/м2, кривая 3 (фиг.3) - q2=1,92· 108 Вт/м2; длина плазменной дуги в направлении движения l=4· 10-3 м; ω =0,08· 10-4 м2/с; λ =40 Вт/м· град.
Используя выражение (1) можно рассчитать V (скорость любых быстродвижущихся тепловых источников), обеспечивающую заданную глубину проплавления у для других материалов и параметров дуги (Тпл, ω , λ , l, q2).
Заявляемый способ позволяет исключить использование химических соединений, устройств для их смешивания и приготовления растворов заданных концентраций, в частности водных растворов солей, содержащих азот, например карбамид CO(NH2)2, красная кровяная соль К3Fе(СN)6, калиевая KNO3 или натриевая NaNO3 селитры, при плазменном азотировании деталей, и тем самым снизить эксплуатационные издержки технологического процесса.
Источники информации
1. РЖ “Металловедение и термическая обработка”. №3И1214. Обзор. Применение технологии плазменного азотирования. Application technology of plasma nitriding. Kanetake Norio. “Int. Semin. Plasma Heat Treat. Sel. and Technol. Senlis, 21-23 Sept., 1987”. Paris, 1987, 145-153.
2. RU №2003731, МПК 5 С 23 С 8/00, 10/00; С 21 D 1/09, опубл. 30.11.93 г., бюл. №43-44 - прототип.
3. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах. - М.: Машиностроение, 1990. - С.65-73.
Claims (1)
- Способ плазменного азотирования деталей, при котором упрочняемую деталь перемещают в зоне плазменной дуги относительно плазмотрона и используют в качестве плазмообразующего газа сжатый воздух, отличающийся тем, что в качестве насыщающей среды используют азот плазмообразующего воздуха, и упрочняемую деталь перемещают относительно плазмотрона со скоростью, достаточной для оплавления поверхностного слоя, способного сохраниться без растекания за счет сил поверхностного натяжения.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003122774/02A RU2240375C1 (ru) | 2003-07-21 | 2003-07-21 | Способ плазменного азотирования деталей |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003122774/02A RU2240375C1 (ru) | 2003-07-21 | 2003-07-21 | Способ плазменного азотирования деталей |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2240375C1 true RU2240375C1 (ru) | 2004-11-20 |
RU2003122774A RU2003122774A (ru) | 2005-01-20 |
Family
ID=34311120
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003122774/02A RU2240375C1 (ru) | 2003-07-21 | 2003-07-21 | Способ плазменного азотирования деталей |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2240375C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2530192C1 (ru) * | 2013-03-28 | 2014-10-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина" (ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П. Бардина) | Способ плазменного азотирования деталей |
RU2775988C1 (ru) * | 2021-07-16 | 2022-07-12 | Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук" | Способ азотирования покрытий из оксида титана на твердой подложке |
-
2003
- 2003-07-21 RU RU2003122774/02A patent/RU2240375C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2530192C1 (ru) * | 2013-03-28 | 2014-10-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина" (ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П. Бардина) | Способ плазменного азотирования деталей |
RU2775988C1 (ru) * | 2021-07-16 | 2022-07-12 | Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук" | Способ азотирования покрытий из оксида титана на твердой подложке |
RU2785576C1 (ru) * | 2022-05-17 | 2022-12-08 | Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук" | Способ азотирования покрытий из оксида титана на твердой подложке |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2003122774A (ru) | 2005-01-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Bataev et al. | Surface hardening of steels with carbon by non-vacuum electron-beam processing | |
US9260775B2 (en) | Low alloy steel carburization and surface microalloying process | |
Belkin et al. | Anodic plasma electrolytic saturation of steels by carbon and nitrogen | |
Balanovsky et al. | Plasma-arc surface modification of metals in a liquid medium | |
Bartkowska et al. | Microstructure, microhardness, phase analysis and chemical composition of laser remelted FeB-Fe2B surface layers produced on Vanadis-6 steel | |
Bartkowska et al. | Effect of laser modification of B–Ni complex layer on wear resistance and microhardness | |
Maldzinski et al. | ZeroFlow gas nitriding of steels | |
RU2240375C1 (ru) | Способ плазменного азотирования деталей | |
Vu et al. | Surface saturation with carbon using plasma arc and graphite coating | |
Pantsar | Relationship between processing parameters, alloy atom diffusion distance and surface hardness in laser hardening of tool steel | |
Bonow et al. | Nitriding in non-toxic salts bath: An approach to implement cleaner production in the metallurgic industry | |
DE19736514C1 (de) | Verfahren zum gemeinsamen Oxidieren und Wärmebehandeln von Teilen | |
Han et al. | A Research on Selective Carburization Process of Low Carbon Steel | |
Belashova et al. | Controlled thermogasocyclic nitriding processes | |
JP5798463B2 (ja) | 浸炭処理方法及び浸炭処理装置 | |
Romanenko et al. | Increasing of fatigue limit and efficiency of constructional steels through additional chemical and thermal treating using nitrogenous carbonaceous carburizers | |
Miokovic et al. | Influence of heating rate, cooling rate and numbers of pulses on the microstructure of AISI 4140 after short-time-hardening | |
Van Huy et al. | Developing installation to increase cylindrical part surface hardness | |
RU2530192C1 (ru) | Способ плазменного азотирования деталей | |
BRANZEI et al. | Obtaining the Controlled Sulphonitrocarburized Layer Phase Compositions, by the Variation of the Solid Powdery Medium Components | |
EP0059803B1 (en) | A process for case hardening steel | |
Hernández et al. | Numerical and semi-analytical solutions of the compound layer growth kinetics in cylindrical surfaces during plasma nitriding of pure iron | |
SU1715883A1 (ru) | Способ цементации изделий из низкоуглеродистых быстрорежущих сталей | |
JP2018204085A (ja) | 鋼製部品の浸炭方法、及び鋼製部品、並びに浸炭剤 | |
Paczkowska | The possibility of selected surface layer modification of nodular iron engine parts by laser boronizing |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050722 |