RU2409699C1 - Способ создания неоднородной структуры материала при азотировании в тлеющем разряде - Google Patents

Способ создания неоднородной структуры материала при азотировании в тлеющем разряде Download PDF

Info

Publication number
RU2409699C1
RU2409699C1 RU2009124869/02A RU2009124869A RU2409699C1 RU 2409699 C1 RU2409699 C1 RU 2409699C1 RU 2009124869/02 A RU2009124869/02 A RU 2009124869/02A RU 2009124869 A RU2009124869 A RU 2009124869A RU 2409699 C1 RU2409699 C1 RU 2409699C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
glow discharge
plasma
screen
nitriding
inhomogeneous
Prior art date
Application number
RU2009124869/02A
Other languages
English (en)
Inventor
Камиль Нурулаевич Рамазанов (RU)
Камиль Нурулаевич Рамазанов
Динар Зуфарович Ишмухаметов (RU)
Динар Зуфарович Ишмухаметов
Наталья Сергеевна Садкова (RU)
Наталья Сергеевна Садкова
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет"
Priority to RU2009124869/02A priority Critical patent/RU2409699C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2409699C1 publication Critical patent/RU2409699C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области химико-термической обработки и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности для поверхностного упрочнения материалов. Для повышения контактной долговечности и износостойкости упрочненного слоя, а также расширения функциональных возможностей изделия из стали и сплава подвергают катодному распылению, вакуумному нагреву в плазме тлеющего разряда повышенной плотности, состоящей из смеси азотсодержащего и инертного газов, формируемой между изделием и экраном, при этом с помощью экрана с ячейками формируют неоднородную плазму тлеющего разряда и создают дифференцированную структуру в материале путем получения в нем разнородных структур, при этом переходной участок между участками с различной структурой имеет микронеоднородную структуру с постепенным изменением от одного вида в другой. 6 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к области термической 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.
- нет возможности создания неоднородной структуры.
Известен способ (патент РФ № 1506916, кл. C22F 1/18, 1995.03.27) термической обработки α-титановых сплавов, который позволяет создать гетерогенную структуру и повысить прочность при сохранении пластичности сплавов и тем самым снизить вес конструкции, включающий наводороживание сплава, нагрев до температур на 20-50°С ниже температуры конца (α+β)/β, выдержку 1 ч, охлаждении со скоростью 0,03-10°С/с до температуры на 200-400°С выше конца обратного эвтектоидного превращения, и последующее старение при этой температуре в течение 1-10 ч, и окончательный вакуумный обжиг при 600-650°С выдержкой, необходимой для полной дегазации изделия.
Недостатком аналога является:
- вероятность охрупчивания водором за счет неполной дегазации из изделия;
- нет возможности создания неоднородной структуры.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является способ (патент РФ № 2276201, кл. С23С 8/36, C21D 9/30, 09.11.2004) обработки стальных изделий, включающий азотирование в тлеющем разряде, для осуществления которого проводят катодное распыление, вакуумный нагрев изделий в плазме азота повышенной плотности, формируемой между деталью и экраном за счет создания эффекта полого катода.
Недостатком ближайшего аналога является:
- большая вероятность обезуглероживания поверхности, которая может привести к резкому увеличению хрупкости азотированного слоя и его шелушению из-за отсутствия углеродсодержащих газов в насыщающей среде; низкая скорость охлаждения потоком аргона вследствие низкой теплоемкости данного газа, которая может привести к неполной закалке или образованию феррито-цементитной смеси; отсутствие отпуска как обязательной операции для стальных изделий, закаленных на мартенсит, для полного снятия напряжений;
- нет возможности создания неоднородной структуры.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение контактной долговечности и износостойкости упрочненного слоя за счет создания регулярной неоднородной структуры материала, а также расширение функциональных возможностей данного метода за счет неоднородной плазмы тлеющего разряда.
Задача решается за счет использования способа обработки изделий из стали и сплава, включающего катодное распыление, вакуумный нагрев изделий в плазме тлеющего разряда повышенной плотности, состоящей из смеси азотосодержащего и инертного газов, формируемой между деталью и экраном, в котором в отличие от прототипа 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.
Дифференцированная обработка, сочетающая общие (объемные) и локальные (местные) воздействия на материал, позволяет получить регулярную неоднородную структуру как на поверхности, так и в объеме сплавов. 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.
Эффект полого катода проявляется в значительном повышении плотности тока, это приводит к значительному возрастанию средней энергии ионов без повышения нагревательной способности плазмы.
Для создания регулярной неоднородной структуры использовали экран. Между обрабатываемой поверхностью и экраном формируется неоднородная плазма с повышенной концентрацией заряженных частиц. Поверхность детали непосредственно становится поверхностью полого катода, что приводит к образованию вблизи обрабатываемой поверхности структуры из неоднородной плазмы и слоя пространственного заряда между обрабатываемой поверхностью и границей неоднородной плазмы.
Неоднородность плазмы обеспечивается за счет ЭПК.
Существо изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображены виды дифференцированной структуры: 1 - линейчатая, 2 - точечная, 3 - сетчатая, 4 - слоистая. На фиг.2 изображено распределение микротвердости по поверхности упрочненного слоя в тлеющем разряде с ЭПК, где a, b - параметры экрана (размер ячейки), с - расстояния между элементами экрана, 5 - зона нормального тлеющего разряда, 6 - зона повышенной концентрации частиц (ЭПК). На фиг.3 изображена модель составного экрана, где а - размер ячейки, b - расстояние между ячейками, с - расстояние между элементами экрана. На фиг.4 изображена схема реализации способа интенсифицированного эффекта полого катода для получения неоднородной структуры. Схема содержит источник питания 7, анод 8, экран 9, установленный на определенном расстоянии от катод-детали 10. На фиг.5 изображена схема формирования неоднородной структуры на поверхности стали 13Х11Н2 В2МФ-Ш в тлеющем разряде с полым катодом. На фиг.6 изображена микроструктура конструкционной стали 13Х11Н2 В2МФ-Ш, подвергнутой азотированию в тлеющем разряде с полым катодом: I - слой нитридов, II - диффузионный слой, III - перлитная основа.
Пример конкретной реализации способа
Пример 1.
Способ осуществляется следующим образом: в вакуумной камере на расстоянии 3-5 мм от обрабатываемой поверхности устанавливается экран. Обрабатываемая деталь и экран находятся под отрицательным потенциалом и образуют полость. Камеру герметизируют и откачивают воздух до давления 100 Па. 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 1000-1400 В на этой стадии осуществляют катодное распыление. После 5-15-минутной обработки по режиму катодного распыления напряжение понижают до рабочего, а давление повышают до 100 Па. Затем в камере создают рабочее давление, равное 100 Па, необходимое для зажигания тлеющего разряда. В камеру подают смесь газов азота - аргона при следующем соотношении компонентов, мас.%:
N2 10
Аr 90
Экран имеет ячейки цилиндрической формы с диаметром 5 мм и расстоянием между ячейками 5 мм. С помощью эффекта полого катода, возникающего в полости между экраном и деталью, происходит нагрев и азотирование детали в неоднородной плазме повышенной плотности, обеспечивающей создание неоднородной структуры материала (фиг.5). Все процессы проходят за один технологический цикл, в одной камере и в одной атмосфере. После обработки изделие охлаждается вместе с вакуумной камерой под вакуумом.
Исследование поверхности образцов после азотирования в тлеющем разряде с полым катодом показали наличие регулярной неоднородной структуры в виде чередующихся зон с различной морфологией и механическими свойствами (оцениваемыми по результатам замера микротвердости (таблица)).
Микротвердость с поверхности азотированных образцов
Материал Исходная микротвердсть Hν, МПа Зоны упрочнения Время насыщения τ, ч Давление τ, Па Т, °С
1, Hν, МПа 2, Hν, МПа 3, Hν, МПа
13Х11Н2 В2 МФ-Ш 4730 5860 16700 11500 4 300 550
ВТ6 5476 12005 14320 12005 750
На фиг.6 показана микроструктура конструкционной стали 13Х11Н2 В2МФ-Ш, подвергнутой азотированию в тлеющем разряде с полым катодом. Анализ микроструктуры конструкционной стали 13Х11Н2 В2МФ-Ш после азотирования показывает наличие неоднородной по толщине нитридной и диффузионной зоны вследствие применения экрана и создания условий для возникновения неоднородной плазмы тлеющего разряда. Прослеживается отчетливое разделение по зонам. При этом переход от азотированного слоя к нижележащим слоям плавный. Поскольку исследуемая сталь содержит в небольших количествах различные нитридообразующие элементы (Мo, V, Ni, Сr и др.), можно предположить, что нитридная фаза имеет сложный состав. Нитридные частицы образуют скопления в виде объемных и округлых выделений размером от 2 до 4 мкм. Наряду с хаотически распределенными частицами, имеются направленные цепочки нитридов вытянутой формы, размер которых изменяется в диапазоне от 50 до 230 мкм.
В результате получили неоднородную структуру материала, тем самым обеспечили повышение контактной долговечности и износостойкости упрочненного слоя материала.
Пример 2.
В камеру подают смесь газов азота - неона при следующем соотношении компонентов, мас.%:
N2 50
Ne 50.
При азотировании в азот - неонных смесях микротвердость на поверхности материала увеличивается, что связано с более высоким сечением ионно-молекулярной реакции.
Пример 3, в частности, для титановых сплавов.
Азотирование производят при температуре ниже α→β перехода, в процессе которого в сплавах формируется двухфазная (α+β)-структура, при этом азот оказывает значительное влияние на фазовое равновесие, даже очень невысокая концентрация азота резко повышает температуру перехода в β-область.
Наличие азота различной концентрации при одной и той же температуре приводит к тому, что равновесие между α- и β-фазами достигается при их различном количественном соотношении, при этом количество равновесной α-фазы возрастает, что более благоприятно, так как азот растворяется в основном в α-фазе.
Упрочнение поверхности происходит за счет образования нитрида титана TiN, количество которого возрастает в основном с увеличением длительности азотирования.
Создание неоднородной структуры в изделиях приводит к повышению свойств контактной долговечности и износостойкости упрочненного слоя как на поверхности материала, так и в объеме.

Claims (1)

  1. Способ обработки изделий из стали и сплава, включающий катодное распыление, вакуумный нагрев изделий в плазме тлеющего разряда повышенной плотности, состоящей из смеси азотсодержащего и инертного газов, формируемой между изделием и экраном, отличающийся тем, что с помощью экрана с ячейками формируют неоднородную плазму тлеющего разряда и создают дифференцированную структуру в материале путем получения в нем разнородных структур, при этом переходной участок между участками с различной структурой имеет микронеоднородную структуру с постепенным изменением от одного вида в другой.
RU2009124869/02A 2009-06-29 2009-06-29 Способ создания неоднородной структуры материала при азотировании в тлеющем разряде RU2409699C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009124869/02A RU2409699C1 (ru) 2009-06-29 2009-06-29 Способ создания неоднородной структуры материала при азотировании в тлеющем разряде

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009124869/02A RU2409699C1 (ru) 2009-06-29 2009-06-29 Способ создания неоднородной структуры материала при азотировании в тлеющем разряде

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2409699C1 true RU2409699C1 (ru) 2011-01-20

Family

ID=46307687

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009124869/02A RU2409699C1 (ru) 2009-06-29 2009-06-29 Способ создания неоднородной структуры материала при азотировании в тлеющем разряде

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2409699C1 (ru)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2534697C1 (ru) * 2013-04-09 2014-12-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ локальной обработки материала с эффектом полого катода при ионном азотировании
RU2534907C1 (ru) * 2013-04-08 2014-12-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ локальной обработки материала при азотировании в тлеющем разряде
RU2534906C1 (ru) * 2013-04-17 2014-12-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ локальной обработки материала с эффектом полого катода при ионном азотировании
RU2562187C1 (ru) * 2014-05-21 2015-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ модификации поверхности изделий из титановых сплавов в тлеющем разряде
RU2777796C1 (ru) * 2021-11-29 2022-08-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") Устройство для азотирования в разряде

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2534907C1 (ru) * 2013-04-08 2014-12-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ локальной обработки материала при азотировании в тлеющем разряде
RU2534697C1 (ru) * 2013-04-09 2014-12-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ локальной обработки материала с эффектом полого катода при ионном азотировании
RU2534906C1 (ru) * 2013-04-17 2014-12-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ локальной обработки материала с эффектом полого катода при ионном азотировании
RU2562187C1 (ru) * 2014-05-21 2015-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ модификации поверхности изделий из титановых сплавов в тлеющем разряде
RU2777796C1 (ru) * 2021-11-29 2022-08-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") Устройство для азотирования в разряде

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2418096C2 (ru) Способ создания макронеоднородной структуры материала при азотировании
Bell et al. Environmental and technical aspects of plasma nitrocarburising
Mohammadzadeh et al. Microstructure and wear properties of AISI M2 tool steel on RF plasma nitriding at different N2–H2 gas compositions
RU2409699C1 (ru) Способ создания неоднородной структуры материала при азотировании в тлеющем разряде
CN113718192B (zh) 一种小模数齿轮全齿廓一致性离子渗氮方法
Edenhofer et al. Plasma-carburising—a surface heat treatment process for the new century
Shetty et al. Effect of ion nitriding on the microstructure and properties of Maraging steel (250 Grade)
Liu et al. Low-pressure hollow cathode plasma source carburizing technique at low temperature
Wu et al. Research on new rapid and deep plasma nitriding techniques of AISI 420 martensitic stainless steel
Mirjani et al. Plasma and gaseous nitrocarburizing of C60W steel for tribological applications
RU2562185C1 (ru) Способ модификации поверхности изделий из титановых сплавов в вакууме
RU2291227C1 (ru) Способ упрочнения поверхностного слоя деталей из конструкционных сталей
Jacobs et al. Plasma Carburiiing: Theory; Industrial Benefits and Practices
RU2534907C1 (ru) Способ локальной обработки материала при азотировании в тлеющем разряде
Lebrun Plasma-assisted processes for surface hardening of stainless steel
RU2633867C1 (ru) Способ низкотемпературного ионного азотирования титановых сплавов
RU2625864C1 (ru) Способ низкотемпературного ионного азотирования стальных изделий в магнитном поле
RU2558320C1 (ru) Способ упрочнения поверхности титановых сплавов в вакууме
RU2276201C1 (ru) Способ азотирования изделий в тлеющем разряде с эффектом полого катода
US11155912B2 (en) Method and arrangement for processing articles
Xu et al. Plasma surface alloying
Capa et al. Life enhancement of hot-forging dies by plasma-nitriding
RU2662518C2 (ru) Способ создания макронеоднородной структуры на поверхности материалов
RU2324001C1 (ru) Способ термической и химико-термической обработки стальных изделий в вакууме
RU2562187C1 (ru) Способ модификации поверхности изделий из титановых сплавов в тлеющем разряде

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20110630

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20120827

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140630