RU2402632C2

RU2402632C2 - Procedure for metal part local nitriding in plasma of glow discharge

Info

Publication number: RU2402632C2
Application number: RU2008152370/02A
Authority: RU
Inventors: Жесфина Михайловна Бледнова (RU); Жесфина Михайловна Бледнова; Михаил Иосифович Чаевский (RU); Михаил Иосифович Чаевский; Александр Владимирович Сафронов (RU); Александр Владимирович Сафронов; Вадим Юрьевич Ковалев (RU); Вадим Юрьевич Ковалев
Priority date: 2008-12-29
Filing date: 2008-12-29
Publication date: 2010-10-27
Also published as: RU2008152370A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: procedure consists in positioning part in vacuum chamber, in connecting part to high voltage power source, in vacuum chamber sealing, in generating high vacuum in it, in successive changing it with atmosphere of pure nitrogen, and in generating stable plasma of glow discharge in atmosphere of pure nitrogen by means of high voltage power source and electron flow from tungsten filament arranged parallel to axis of vacuum chamber. Filament heated to temperature 2000-2500°C generates flow of electrons. Also flow of electrons is compressed with electromagnetic field, thus, there is produced plasma of glow discharge in form of disk of volume

where D is internal diametre of the vacuum chamber, t is length of the tungsten filament.

EFFECT: increased wear resistance and fatigue durability of parts of machines owing to ion nitriding.

1 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к химико-термической обработке металлов, в частности к повышению износоустойчивости и усталостной прочности деталей машин в результате азотирования.The invention relates to chemical-thermal treatment of metals, in particular to increasing the wear resistance and fatigue strength of machine parts as a result of nitriding.

Известен способ покрытия деталей титаном и его соединениями с помощью плазмы низкого давления в атмосфере азота или смеси газов для повышения износостойкости самих деталей, при котором одновременно осуществляется необходимый температурный контроль плазмы (патент US №4460415 (А1); С23С 8/36, С23С 14/48, С23С 28/00) (аналог).There is a method of coating parts with titanium and its compounds using low-pressure plasma in a nitrogen atmosphere or a mixture of gases to increase the wear resistance of the parts themselves, at the same time the necessary temperature control of the plasma is carried out (US patent No. 4460415 (A1); C23C 8/36, C23C 14 / 48, C23C 28/00) (analog).

Недостатком аналога является азотирование всей детали в течение продолжительного времени (например, до 100 часов) из-за низкой температуры рабочей зоны (например, температуры 400…600°С). Для того чтобы азотировать какую-либо часть детали, необходимы разнообразные изолирующие материалы, что одновременно повышает трудоемкость и снижает экономическую эффективность.The disadvantage of the analogue is the nitriding of the entire part for a long time (for example, up to 100 hours) due to the low temperature of the working area (for example, temperature 400 ... 600 ° C). In order to nitrate any part of the part, a variety of insulating materials are required, which at the same time increases the complexity and reduces economic efficiency.

Известен способ азотирования деталей в плазме низкого давления при помощи титана или его сплавов в относительно низкой температуре (480°С) и низком давлении в самой плазме для повышения усталостной прочности этих деталей (патент US №5443663 (А1); С23С 8/36, С23С 28/00), который может быть принят за прототип.A known method of nitriding parts in low-pressure plasma using titanium or its alloys at a relatively low temperature (480 ° C) and low pressure in the plasma itself to increase the fatigue strength of these parts (US patent No. 54443663 (A1); C23C 8/36, C23C 28/00), which can be taken as a prototype.

Недостатком прототипа является продолжительное азотирование всей детали из-за низкой температуры рабочей зоны, использование различного рода заслонок, жаростойкого клея или иных способов изоляции необрабатываемой части детали, а также ограниченного круга материалов (титан или его сплавы), что снижает экономическую эффективность способа.The disadvantage of the prototype is the long nitriding of the entire part due to the low temperature of the working area, the use of various types of dampers, heat-resistant glue or other methods of insulation of the untreated part of the part, as well as a limited range of materials (titanium or its alloys), which reduces the economic efficiency of the method.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение износостойкости и усталостной прочности за счет проведения локального азотирования деталей, исключающего перегрев самой детали, применения заслонок или иных способов изоляции мест, не подлежащих азотированию, и увеличение тем самым экономической эффективности.The objective of the proposed technical solution is to increase the wear resistance and fatigue strength due to local nitriding of the parts, eliminating overheating of the part itself, the use of dampers or other methods of isolation of places not subject to nitriding, and thereby increase economic efficiency.

Поставленная задача решается с помощью азотирования детали в вакуумной камере с присоединением этой детали к высоковольтному источнику питания, герметизацией вакуумной камеры и созданием в ней высокого вакуума с последующей заменой вакуума на атмосферу чистого азота, получением стабильной плазмы тлеющего разряда в атмосфере чистого азота с помощью высоковольтного источника питания и потока электронов от вольфрамовой нити накала, устанавливаемой параллельно оси вакуумной камеры, который создают с помощью нагрева этой нити до температуры 2000-2500°С, при этом полученный поток электронов сжимается электромагнитным полем до образования плазмы тлеющего разряда в виде диска объемом

, где D - внутренний диаметр вакуумной камеры, t - длина вольфрамовой нити накала.The problem is solved by nitriding a part in a vacuum chamber with connecting this part to a high-voltage power source, sealing the vacuum chamber and creating a high vacuum in it, followed by replacing the vacuum with an atmosphere of pure nitrogen, obtaining a stable glow discharge plasma in an atmosphere of pure nitrogen using a high-voltage source power and electron flow from a tungsten filament, installed parallel to the axis of the vacuum chamber, which is created by heating this filament to a temperature tours 2000-2500 ° C, the resultant electron stream is compressed electromagnetic field to form a glow discharge plasma in the form of a disk volume

where D is the inner diameter of the vacuum chamber, t is the length of the tungsten filament.

Предложенный способ позволяет выполнять азотирование любой части детали вне зависимости от ее формы, не опасаясь ее перегрева, за счет ограниченного объема плазмы, внутри которой находится обрабатываемая зона, и исключить использование различного рода заслонок, жаростойкого клея или иных способов изоляции необрабатываемой части детали.The proposed method allows nitriding of any part of the part, regardless of its shape, without fear of overheating, due to the limited plasma volume inside which the treated zone is located, and to exclude the use of various types of dampers, heat-resistant glue or other methods of insulation of the untreated part of the part.

Предложенный способ поясняется чертежом, где представлена схема технического решения для проведения локального азотирования, которая состоит из высоковольтного ввода 1, соединенного с обрабатываемой деталью; уплотнительного устройства 2; обрабатываемой детали 3; трубки для подачи азота 4; вакуумной камеры 5; вольфрамовой нити накала 6; отверстия для подсоединения форвакуумного и диффузионного насосов 7; высоковольтного источника питания 8; охлаждаемых электровводов для питания вольфрамовой нити накала 9; индукционной катушки с током 10; области плазмы тлеющего разряда 11; низковольтного источника питания 12.The proposed method is illustrated in the drawing, which shows a diagram of a technical solution for conducting local nitriding, which consists of a high-voltage input 1 connected to the workpiece; sealing device 2; workpiece 3; tubes for supplying nitrogen 4; vacuum chamber 5; tungsten filament 6; holes for connecting the forevacuum and diffusion pumps 7; high voltage power supply 8; cooled electric inputs for powering the tungsten filament 9; induction coil with a current of 10; glow plasma region 11; low voltage power supply 12.

Способ осуществляется следующим образом. Обрабатываемая деталь 3 помещается в вакуумную камеру 5 и присоединяется к высоковольтному источнику питания 8 через высоковольтный ввод 1. Уплотнительное устройство 2 является изолятором между высоковольтным вводом и вакуумной камерой, которая имеет отверстие 7 для подсоединения форвакуумного и диффузионного насосов. После размещения обрабатываемой детали вакуумная камера герметизируется и в ней создается вакуум с последующей заменой на атмосферу чистого азота, подаваемого через трубу 4. При этом в вакуумной камере создается остаточное давление азота (1,3 - 0,13)·10^-3 Па.The method is as follows. The workpiece 3 is placed in the vacuum chamber 5 and connected to the high-voltage power supply 8 through the high-voltage input 1. The sealing device 2 is an insulator between the high-voltage input and the vacuum chamber, which has an opening 7 for connecting the fore-vacuum and diffusion pumps. After placing the workpiece, the vacuum chamber is sealed and a vacuum is created in it, followed by replacing the atmosphere with pure nitrogen supplied through pipe 4. In this case, a residual nitrogen pressure (1.3 - 0.13) · 10 ^-3 Pa is created in the vacuum chamber.

Возникновение и стабильное существование плазмы тлеющего разряда в атмосфере чистого азота осуществляется с помощью высоковольтного источника питания и потока электронов от вольфрамовой нити накала 6, которая переменным током от низковольтного источника питания 12 через электровводы 9 нагревается до температуры 2000-2500°С. Этих условий достаточно для создания объема плазмы тлеющего разряда 11.The emergence and stable existence of a glow discharge plasma in an atmosphere of pure nitrogen is carried out using a high-voltage power source and an electron stream from a tungsten filament 6, which is heated by an alternating current from a low-voltage power source 12 through electric inputs 9 to a temperature of 2000-2500 ° C. These conditions are sufficient to create a plasma volume of a glow discharge 11.

Применение индукционной катушки с током 10 позволяет создать электромагнитное поле, сжимающее поток электронов от вольфрамовой нити, и образовать ограниченный объем плазмы тлеющего разряда в виде диска, с помощью которого выполняется локальное азотирование требуемой части любой металлической детали, габариты которой укладываются в размерах диска плазмы тлеющего разряда.The use of an induction coil with a current of 10 allows you to create an electromagnetic field that compresses the electron flow from a tungsten filament, and to form a limited volume of a glow discharge plasma in the form of a disk, with the help of which local nitriding of the required part of any metal part is carried out, the dimensions of which fit into the dimensions of a glow discharge plasma disk .

Предложенный способ поясняется на следующих примерах.The proposed method is illustrated by the following examples.

Пример 1. Азотирование участка детали длиной l=15 см, выполненное при температуре нити накала 2460°С и остаточном давлении азота 1,1·10^-3 Па в вакуумной камере диаметром D=50 см, проводилось при длине нити накала t=3 см в диске плазмы объемом:Example 1. Nitriding of a part section with a length l = 15 cm, performed at a filament temperature of 2460 ° C and a residual nitrogen pressure of 1.1 · 10 ^-3 Pa in a vacuum chamber with a diameter of D = 50 cm, was carried out at a filament length of t = 3 cm in a plasma disk volume:

V=π·D²·t/4=3,14·50²·3/4=5890 cм³.V = π · D ² · t / 4 = 3.14 · 50 ² · 3/4 = 5890 cm ³ .

При этом весь обрабатываемый участок был разделен на секции, количество которых пропорционально длине нити накала:In this case, the entire processed area was divided into sections, the number of which is proportional to the length of the filament:

n=l/t=15/3=5 секций.n = l / t = 15/3 = 5 sections.

Обработка этих секций велась при движении детали сквозь неподвижный диск плазмы.The processing of these sections was carried out with the movement of the part through a stationary plasma disk.

Пример 2. Азотирование участка детали длиной l=5 см выполнялось при температуре нити накала 2300°С и остаточном давлении азота 0,9·10^-3 Па в вакуумной камере диаметром D=50 см при длине нити накала t=5 см в диске плазмы объемом:Example 2. Nitriding of a part section with a length of l = 5 cm was carried out at a filament temperature of 2300 ° C and a residual nitrogen pressure of 0.9 · 10 ^-3 Pa in a vacuum chamber with a diameter of D = 50 cm with a filament length of t = 5 cm in the plasma disk volume:

V=π·D²·t/4=3,14·50²·5/4=9817 cм³.V = π · D ² · t / 4 = 3.14 · 50 ² · 5/4 = 9817 cm ³ .

Разделение обрабатываемого участка на секции не производилось, так как длина нити накала равна длине обрабатываемого участка. Обработка участка велась при неподвижной детали и диске плазмы.The separation of the treated section into sections was not performed, since the length of the filament is equal to the length of the processed section. The treatment of the site was carried out with a stationary part and a plasma disk.

Claims

A method for local nitriding of parts in a glow discharge plasma, including placing the part in a vacuum chamber and attaching the part to a high-voltage power source, sealing the vacuum chamber and creating a high vacuum in it, followed by replacing it with a pure nitrogen atmosphere, obtaining a stable glow discharge plasma in a pure nitrogen atmosphere with using a high-voltage power source and electron flow from a tungsten filament mounted parallel to the axis of the vacuum chamber, which is created by heating the filament to a temperature of 2000-2500 ° C, while the electron flow is compressed by an electromagnetic field with the formation of a glow discharge plasma in the form of a disk with a volume