RU2637453C1 - Способ упрочнения стальных изделий - Google Patents
Способ упрочнения стальных изделий Download PDFInfo
- Publication number
- RU2637453C1 RU2637453C1 RU2016143224A RU2016143224A RU2637453C1 RU 2637453 C1 RU2637453 C1 RU 2637453C1 RU 2016143224 A RU2016143224 A RU 2016143224A RU 2016143224 A RU2016143224 A RU 2016143224A RU 2637453 C1 RU2637453 C1 RU 2637453C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ions
- products
- hardening
- ion
- steel products
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/48—Ion implantation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
- C23C8/36—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases using ionised gases, e.g. ionitriding
- C23C8/38—Treatment of ferrous surfaces
Landscapes
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Abstract
Изобретение относится к ионной химико-термической обработке и может быть использовано в машиностроении, двигателестроении, металлургии и изготовлении инструментов. Способ ионного упрочнения стального изделия включает диффузионное внедрение ионов Н+ по всему объему изделия при его нагреве до температуры 300°C. Внедрение ионов Н+ осуществляют из ионно-плазменного потока аргона и паров воды. Обеспечивается упрочнение изделий и повышение их износостойкости.
Description
Изобретение относится к ионной химико-термической обработке, а именно к упрочнению стальных изделий путем диффузионного внедрения ионов (H+) водорода по всему объему стальных изделий.
Известен способ плазменно-термической обработки изделий, при котором на поверхности изделия формируется азотированный слой со стабильно равновесной микроструктурой без хрупкой поверхностной структуры и, как следствие, увеличивается твердость, прочность, отсутствует коробление изделий, обеспечивается сохранение исходных геометрических размеров. (см. Патент № RU 2555692, C23C 14/48).
Известен способ модификации поверхности металлов и сплавов, при котором в обрабатываемую поверхность поочередно имплантируют ионы азота и ионы инертного газа. (см. Патент 2509174 от 10.03.14).
Наиболее близким способом к предложенному является способ комбинированной ионно-плазменной обработки изделий из сталей и твердых сплавов, который относится к области машиностроения, в частности к технологии упрочнения и повышения износостойкости инструментов и деталей, включающий комбинированную ионно-плазменную обработку изделий из стали и твердых сплавов в газоразрядной плазме, содержащей ионы аргона. Затем осуществляют диффузионное насыщение изделий, при котором в газоразрядную плазму магнетронным распылением мишени-катода вводят ионы компонентов твердого вещества, входящих в состав наносимого покрытия. В частных случаях осуществления изобретения газоразрядная плазма, в которой проводят диффузионное насыщение или нанесение покрытия, содержит ионы аргона и азота и формируется газовым плазмогенератором. (см. RU 2370570, C23C 26/00, C23C 14/06, 20.10.2009).
К недостаткам известного способа можно отнести то, что упрочнение изделий происходит только за счет упрочнения их поверхностных слоев, глубинные области изделий остаются без изменений. Например, при штамповке в таких изделиях разрушение наступает с внутренних областей и, развиваясь, выходит на поверхность, что приводит к полному их разрушению.
Задачей изобретения является упрочнение стальных изделий по всему объему тела.
Поставленная задача достигается тем, что упрочнение стального изделия проводят диффузионным внедрением ионов Н+ по всему объему изделия при его нагреве до температуры 300°C, при этом внедрение ионов Н+ осуществляют из ионно-плазменного потока аргона и паров воды.
Осуществление способа поясняется следующим.
Структура стальных изделий состоит из зерен, поверхность которых не обладает строгой периодичностью в расположении атомов, поэтому связь между зернами не является идеальной и прочной. Кроме того, в структуре металла имеются дефекты кристаллического строения, которые образуются при литье: точечные и линейные дефекты, усадочные раковины. Для получения изделий с повышенными прочностными характеристиками проводят отжиг и нормализацию, основная цель которых является перекристаллизация, ликвидация дефектов, устранение внутренних напряжений.
Отжиг, без сомнения, приносит положительные результаты, но не позволяет в разы повысить эксплуатационные свойства изделий. Повысить эксплуатационные характеристики стальных изделий позволяет созданный нами метод диффузионного внедрения ионов (Н+) в тело стальных изделий по всему объему.
Суть метода
Металлическая связь между атомами металла в зерне обеспечивается переходом валентных электронов одного атома на свободные и близкие по энергии орбитали соседних атомов, в результате образуются ионы в узлах кристаллической решетки. Электроны обладают высокой подвижностью, и металлическая связь формируется между свободными электронами и ионами атомов в узлах кристаллической решетки путем их взаимного притяжения.
На поверхности зерен картина другая. Согласно принципу Паули в атоме не может быть больше 2-х электронов, у которых все четыре квантовых числа одинаковые. Поэтому у поверхностного атома железа, который может выделить 3 электрона на образование связей, один электрон задействован в образовании кристаллического строения зерна, один осуществляет связь между зернами путем спаривания с электроном атома соседнего зерна, а один находится в относительно свободном состоянии.
Электроны, обладающие свободой перемещения, имеются на всех поверхностях зерен, они создают свои собственные электромагнитные поля отрицательного заряда и при сближении зерен возникают силы отталкивания между соседними зернами. Два одноименных заряда отталкиваются - Закон Кулона. Очевидно, чтобы исключить силы отталкивания, необходимо как исключить свободу перемещения свободных электронов, так и уменьшить напряженность электромагнитного поля отрицательного заряда и обеспечить дополнительную связь между зернами.
Для решения поставленной задачи создан метод диффузионного внедрения ионов (Н+) в тело стальных изделий по всему объему. Ионы образуются в низкотемпературной плазме аргона с парами воды.
Среднемассовая температура плазмы выше 1000°C и при такой температуре происходит диссоциация молекул воды по реакции: H2O=H+ + OH-. Ион (H+) адсорбируется поверхностью, имеет электрический заряд +1, отношение размера элементарной ячейки железа к размеру иона равно, примерно, 10*5, поэтому ион легко проникает внутрь изделий по всему объему.
Свободный ион стабилен, является мощным акцептором электронов и, как следствие, осуществляет донорно-акцепторное взаимодействие. Накачка ионов внутрь стальных изделий приводит к тому, что между свободными электронами поверхностных атомов соседних зерен и ионами возникнет электростатическое притяжение. Поверхностные электроны зерен уже не являются свободными, а через ион связаны между собой. Сила связи между зернами увеличивается, что приводит к увеличению прочностных характеристик изделий.
Пример осуществления способа
Штампы для вырубки гаечных ключей, упрочненные по новому способу, выдержали 120000 циклов и не разрушились, а заводские - 10000 циклов и разрушились.
Предлагаемый способ позволит упрочнять: ударные инструменты - штампы, пуансоны, кузнечный молот; валки прокатных станов; зубья шестерен и экскаваторов; гусеницы танков и тракторов; бронежилеты и другое, что необходимо для промышленности.
Claims (1)
- Способ ионного упрочнения стального изделия, включающий нагрев стального изделия, отличающийся тем, что упрочнение проводят диффузионным внедрением ионов Н+ по всему объему изделия при его нагреве до температуры 300°C, при этом внедрение ионов Н+ осуществляют из ионно-плазменного потока аргона и паров воды.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016143224A RU2637453C1 (ru) | 2016-11-02 | 2016-11-02 | Способ упрочнения стальных изделий |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016143224A RU2637453C1 (ru) | 2016-11-02 | 2016-11-02 | Способ упрочнения стальных изделий |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2637453C1 true RU2637453C1 (ru) | 2017-12-04 |
Family
ID=60581281
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016143224A RU2637453C1 (ru) | 2016-11-02 | 2016-11-02 | Способ упрочнения стальных изделий |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2637453C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1990003455A1 (en) * | 1988-09-19 | 1990-04-05 | The Gillette Company | Method and apparatus for forming or modifying cutting edges |
US5062900A (en) * | 1988-04-18 | 1991-11-05 | Institut De Recherches De La Siderurgie Francaise | Process for the improvement of the corrosion resistance of metallic materials |
RU2231573C2 (ru) * | 2002-07-19 | 2004-06-27 | Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева | Способ химико-термической обработки изделий из твердого сплава и стали |
RU2370570C1 (ru) * | 2008-01-09 | 2009-10-20 | Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования "Томский государственный университет" | Способ комбинированной ионно-плазменной обработки изделий из сталей и твердых сплавов |
-
2016
- 2016-11-02 RU RU2016143224A patent/RU2637453C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5062900A (en) * | 1988-04-18 | 1991-11-05 | Institut De Recherches De La Siderurgie Francaise | Process for the improvement of the corrosion resistance of metallic materials |
WO1990003455A1 (en) * | 1988-09-19 | 1990-04-05 | The Gillette Company | Method and apparatus for forming or modifying cutting edges |
RU2231573C2 (ru) * | 2002-07-19 | 2004-06-27 | Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева | Способ химико-термической обработки изделий из твердого сплава и стали |
RU2370570C1 (ru) * | 2008-01-09 | 2009-10-20 | Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования "Томский государственный университет" | Способ комбинированной ионно-плазменной обработки изделий из сталей и твердых сплавов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Balusamy et al. | Plasma nitriding of AISI 304 stainless steel: Role of surface mechanical attrition treatment | |
Naeem et al. | Enhanced surface properties of plain carbon steel using plasma nitriding with austenitic steel cathodic cage | |
Roliński | Plasma-assisted nitriding and nitrocarburizing of steel and other ferrous alloys | |
Cho et al. | Enhanced surface hardening of AISI D2 steel by atomic attrition during ion nitriding | |
Li et al. | Low temperature anodic nitriding of AISI 304 austenitic stainless steel | |
US20080277030A1 (en) | Composition and Process for Enhanced Properties of Ferrous Components | |
Shen et al. | Influence of temperature and duration on the nitriding behavior of 40Cr low alloy steel in mixture of NH3 and N2 | |
Sato et al. | Surface-nitriding treatment of steels using microwave-induced nitrogen plasma at atmospheric pressure | |
JP4644236B2 (ja) | 低電流高密度によるプラズマ窒化方法及び低電流高密度によるプラズマ窒化装置 | |
Dong et al. | Surface hardening of laser melting deposited 12CrNi2 alloy steel by enhanced plasma carburizing via hollow cathode discharge | |
RU2637453C1 (ru) | Способ упрочнения стальных изделий | |
Rahman et al. | Low temperature plasma nitriding of 316 stainless steel by a saddle field fast atom beam source | |
GB2261227A (en) | Surface treatment of metals at low pressure | |
RU2654161C1 (ru) | Способ локального ионного азотирования стальных изделий в тлеющем разряде с магнитным полем | |
RU2625864C1 (ru) | Способ низкотемпературного ионного азотирования стальных изделий в магнитном поле | |
Lee et al. | Microstructures and mechanical properties of surface-hardened layer produced on SKD 61 steel by plasma radical nitriding | |
US20220128135A1 (en) | Ball screw, method for manufacturing ball screw, power steering device, and method for manufacturing power steering device | |
RU2640703C2 (ru) | Способ локальной обработки стального изделия при ионном азотировании в магнитном поле | |
Dong et al. | Effect of auxiliary cathode on plasma nitriding behavior of Cr12MoV alloy steel | |
Drobyaz et al. | Electron-beam surfacing wear-resistant coatings, reinforced refractory metal’s borides | |
Kim et al. | The role of activated nitrogen species on double-folded screen nitriding process | |
RU2664106C2 (ru) | Способ низкотемпературного ионного азотирования стальных деталей | |
RU2611003C1 (ru) | Способ ионного азотирования титановых сплавов | |
WO2014178367A1 (ja) | 高い圧縮残留応力を得るショットピーニング方法 | |
Loh | Plasma nitriding |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181103 |