RU2534906C1 - Method of local material treatment with effect of hollow cathode during ionic nitriding - Google Patents
Method of local material treatment with effect of hollow cathode during ionic nitriding Download PDFInfo
- Publication number
- RU2534906C1 RU2534906C1 RU2013117842/02A RU2013117842A RU2534906C1 RU 2534906 C1 RU2534906 C1 RU 2534906C1 RU 2013117842/02 A RU2013117842/02 A RU 2013117842/02A RU 2013117842 A RU2013117842 A RU 2013117842A RU 2534906 C1 RU2534906 C1 RU 2534906C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- glow discharge
- steel
- areas
- heterogeneous
- perforated screen
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области химико-термической обработки и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности для поверхностного упрочнения материалов.The invention relates to the field of chemical-thermal treatment and can be used in mechanical engineering and other industries for surface hardening of materials.
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.A known method (RF patent No. 2137330, class C23C 8/26, 03/10/99) heat treatment for the formation of a high-strength austenitic surface layer in stainless steels, including nitriding in a nitrogen-containing gas atmosphere at 1000-1200 ° C and subsequent cooling at a speed avoiding the release of nitride.
Недостатком аналога является:The disadvantage of an analogue is:
- сложность оборудования и технологии, а также необходимость проектирования специального оборудования;- the complexity of equipment and technology, as well as the need to design special equipment;
- отсутствие возможности создания неоднородной структуры.- the lack of the ability to create a heterogeneous structure.
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.The known method (RF patent No. 2362831, class C23C 8/38, 07/27/2009) nitriding steel products, comprising placing the product in a container filled with a nitrogen-containing medium, feeding it to the product, which is the cathode, and a constant voltage anode to create between the product and the anode electric field and the implementation of the process of saturation of the surface of the product with nitrogen. As the anode and nitrogen-containing medium, an electrolyte solution of the following series of substances is used: ammonia solution, ammonia solution, and before the process of saturating the product’s surface with nitrogen, a smooth voltage change is performed in the range of 15-150 V, saturation is carried out with increasing voltage in the range of 150-315 V, while nitriding is carried out at atmospheric pressure.
Недостатком аналога является отсутствие возможности создания неоднородной структуры.The disadvantage of the analogue is the lack of the ability to create a heterogeneous structure.
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.The closest in technical essence and the achieved result to the claimed is a method of creating a heterogeneous material structure during nitriding in a glow discharge (RF patent No. 2409699, class C23C 8/36, C23C 8/24, 01.20.2011), including cathodic sputtering, vacuum heating products in a plasma of a glow discharge of high density, consisting of a mixture of nitrogen-containing and inert gases formed between the part and the screen. Using a screen with cells, an inhomogeneous glow discharge plasma is formed and a differentiated structure is created in the material by obtaining heterogeneous structures in it, while the transitional section between regions with different structures has a micro-inhomogeneous structure with a gradual change from one species to another.
Недостатком ближайшего аналога является:The disadvantage of the closest analogue is:
- сложность конструкции по сравнению с предлагаемым;- the complexity of the design compared to the proposed;
- сложность отладки технологического процесса;- the complexity of debugging the process;
- сложность создания и контроля неоднородной плазмы;- the complexity of creating and controlling inhomogeneous plasma;
- отсутствие возможности сохранения на поверхности сплошной матрицы микротвердости исходного материала.- the lack of the ability to save on the surface of a continuous matrix of microhardness of the source material.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение прочностных и трибологических характеристик материала.The problem to which the invention is directed, is to increase the strength and tribological characteristics of the material.
Технический результат - повышение контактной долговечности и износостойкости упрочненного слоя за счет локальной обработки и создания макронеоднородной структуры материала.The technical result is an increase in contact durability and wear resistance of the hardened layer due to local processing and the creation of macro-heterogeneous material structure.
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.The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in the method of nitriding a steel part in a glow discharge plasma, including placing a steel part and a perforated screen in a vacuum chamber, performing cathodic spraying, vacuum heating the part in a glow discharge plasma consisting of a mixture of nitrogen-containing and inert gases , with the formation of sections with a heterogeneous structure of steel, while the transitional section between sections with a heterogeneous structure has a micro-heterogeneous structure with a gradual change one type to another, according to the invention, a heterogeneous steel structure is formed as a macro-heterogeneous structure by means of a perforated screen made with holes of diameter d, the value of which is determined by the
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.Differentiated processing, combining general (volumetric) and local (local) effects on the material, allows you to get a regular heterogeneous structure both on the surface and in the volume of the alloys. In some cases, the initial hot-rolled or cast state can be considered as the result of a general treatment that provides the required properties for the starting material. A differentiated structure is created in a monomaterial by obtaining heterogeneous structures in it. Between sites with different structures, there is a transition section with a micro-inhomogeneous structure, in which the structure gradually changes from one species to another, which ensures good compatibility between sites with different properties. Thus, it is possible to obtain sections with alternating strength and plastic properties both on the surface and in the bulk of the material, that is, macro-heterogeneous structures [L.S. Malinov, V.L. Malinov. Resource-saving, economically alloyed alloys and hardening technologies that provide a self-hardening effect. - Mariupol: PSTU, 2009, p.230-231]. The presence of areas of increased ductility inhibits the development of microcracks that occurred during loading in areas of high hardness and increases structural strength [Laser processing of ferromanganese steels / L.S. Malinov, E.Ya. Kharlanova, S.V.Danno, etc. // Physics and chemistry of materials processing. - 1987. - No. 2. - S. 47-49]. High hardness areas contribute to increased wear resistance. Thus, the presence of macroinhomogeneous structures on the surface of the material makes it possible to combine the high physicomechanical and tribotechnical properties of the surface layer of machine parts.
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].The workpiece and the perforated screen are at negative potential. The geometric dimensions of the screen cell are selected so that a plasma with an increased concentration of particles is formed in it (the hollow cathode effect has arisen). Under the conditions of the manifestation of the hollow cathode effect, the rate of saturation of the surface with nitrogen ions is significantly higher despite the lower discharge burning voltage [V. Budilov, K. N. Ramazanov The technology of ion nitriding of gas turbine engine parts in a glow discharge with a hollow cathode // Vestnik of Ufa State Aviation Technical University. 2008. No1 (26). S.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].The total hardened zone can reach from 25% to 60% [Andriyakhin V.M., Vasiliev V.A., Sedunov V.K., Chekanova N.T. The effect of the laser cylinder hardening scheme on wear resistance. Metallurgy and heat treatment of metals, 1982, No. 9, p.41-43, Lyubchenko A.L., Lipovetsky L.S., Glushkova DB Improving the wear resistance of steel surfaces by laser treatment. Bulletin of the Kharkov National Automobile and Highway University. 2006. No. 33. S.35-37]. The gap between the perforated screen and the surface of the material should be less than 1 mm, because a glow discharge with such gaps is not formed and is not available for precipitation of reaction products [Lakhtin Yu.M., Kogan Ya.D. Nitriding steel. M .: Mechanical Engineering, 1976, p.162-163].
Существо изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
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.Figure 1 shows the scheme of nitriding of parts on a modernized installation ELU-5, where 1 is a power source, 2 is an anode, 3 is a part (cathode), 4 is a perforated screen, 5 is a vacuum chamber. Figure 2 shows the processing scheme and the distribution of microhardness over the surface of the hardened layer in a glow discharge with the effect of a hollow cathode, where 3 is a part (cathode), 4 is a perforated screen, 6 is a plasma of increased density, 7 is a curve of the change in hardness, d is the diameter screen openings, a is the perforation pitch, h is the thickness of the perforated screen (h ≈ 5 mm). Figure 3 shows the perforated screen, where d is the diameter of the holes of the screen (2 · 1 <d <4 · 1,1 is the thickness of the cathode layer), a, b are the steps of the perforations. Figure 4 and figure 5 shows examples of the method in the form of three-dimensional models, where 3 is a part (cathode), 4 is a perforated screen.
Пример конкретной реализации способаAn example of a specific implementation of the method
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%+С2Н25%). Азотирование в тлеющем разряде производят при ρ=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 Hv=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.The method is as follows. In the
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013117842/02A RU2534906C1 (en) | 2013-04-17 | 2013-04-17 | Method of local material treatment with effect of hollow cathode during ionic nitriding |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013117842/02A RU2534906C1 (en) | 2013-04-17 | 2013-04-17 | Method of local material treatment with effect of hollow cathode during ionic nitriding |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013117842A RU2013117842A (en) | 2014-10-27 |
RU2534906C1 true RU2534906C1 (en) | 2014-12-10 |
Family
ID=53285707
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013117842/02A RU2534906C1 (en) | 2013-04-17 | 2013-04-17 | Method of local material treatment with effect of hollow cathode during ionic nitriding |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2534906C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2611248C2 (en) * | 2015-06-25 | 2017-02-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of nitriding parts in glow discharge at different depth of nitrated layer |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2101383C1 (en) * | 1995-02-21 | 1998-01-10 | Уфимский государственный авиационный технический университет | Cathode spraying method |
US6117280A (en) * | 1994-07-19 | 2000-09-12 | Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. | Duplex coated steel composite products and method of manufacturing them |
US20040163763A1 (en) * | 1996-08-28 | 2004-08-26 | Martin Kevin P. | Method and apparatus for low energy electron enhanced etching of substrates in an AC or DC plasma environment |
RU2409699C1 (en) * | 2009-06-29 | 2011-01-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Procedure for forming non-uniform structure of material at nitriding in glow discharge |
RU2418096C2 (en) * | 2009-06-29 | 2011-05-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Procedure for creation of macro non-uniform structure of material at nitriding |
-
2013
- 2013-04-17 RU RU2013117842/02A patent/RU2534906C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6117280A (en) * | 1994-07-19 | 2000-09-12 | Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. | Duplex coated steel composite products and method of manufacturing them |
RU2101383C1 (en) * | 1995-02-21 | 1998-01-10 | Уфимский государственный авиационный технический университет | Cathode spraying method |
US20040163763A1 (en) * | 1996-08-28 | 2004-08-26 | Martin Kevin P. | Method and apparatus for low energy electron enhanced etching of substrates in an AC or DC plasma environment |
RU2409699C1 (en) * | 2009-06-29 | 2011-01-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Procedure for forming non-uniform structure of material at nitriding in glow discharge |
RU2418096C2 (en) * | 2009-06-29 | 2011-05-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Procedure for creation of macro non-uniform structure of material at nitriding |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2611248C2 (en) * | 2015-06-25 | 2017-02-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of nitriding parts in glow discharge at different depth of nitrated layer |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013117842A (en) | 2014-10-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Kulka et al. | An alternative method of gas boriding applied to the formation of borocarburized layer | |
US20070298189A1 (en) | Plasma process for surface treatment of workpieces | |
RU2418096C2 (en) | Procedure for creation of macro non-uniform structure of material at nitriding | |
RU2534907C1 (en) | Procedure for local treatment of material at nitriding in glow discharge | |
CN112746253A (en) | Steel-based surface composite modified layer and preparation method thereof | |
RU2534906C1 (en) | Method of local material treatment with effect of hollow cathode during ionic nitriding | |
RU2534697C1 (en) | Method of local material treatment with effect of hollow cathode during ionic nitriding | |
RU2409699C1 (en) | Procedure for forming non-uniform structure of material at nitriding in glow discharge | |
RU2562185C1 (en) | Modification method of surface of items from titanium alloys in vacuum | |
RU2409700C1 (en) | Procedure of nitriding in plasma of glow discharge | |
RU2367716C1 (en) | Processing method of steel products in gaseous medium | |
RU2625864C1 (en) | Method of low-temperature ion nitriding steel products in magnetic field | |
RU2662518C2 (en) | Macro-nonuniform structure creation method on the materials surface | |
RU2711064C1 (en) | Method of increasing wear resistance of a gear-type part | |
RU2558320C1 (en) | Surface hardening of titanium alloys in vacuum | |
RU2687616C1 (en) | Method for low-temerature ion nitriding of titanium alloys with constant pumping of a gas mixture | |
JP2016060939A (en) | Method for reinforcing die, and reinforced die | |
RU2664106C2 (en) | Method of low-temperature ionic nitration of steel parts | |
RU2611003C1 (en) | Method of ion nitration of titanium alloys | |
RU2562187C1 (en) | Method of modification of surface of products from titanic alloys in glow discharge | |
RU2806001C1 (en) | Method for selecting dose of microballs for shot blasting to provide surface plastic deformation of alloy steel part to activate surface before nitriding | |
RU2677908C1 (en) | Alloyed steel parts chemical-heat treatment method | |
RU2239001C1 (en) | Tool reinforcement method | |
RU2684033C1 (en) | Method and device for processing metal articles | |
RU2717124C1 (en) | Intensification method of low-temperature ion nitriding of items from titanium alloys |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190418 |