RU2656191C1 - Устройство для обработки изделия из стали в плазме тлеющего разряда - Google Patents
Устройство для обработки изделия из стали в плазме тлеющего разряда Download PDFInfo
- Publication number
- RU2656191C1 RU2656191C1 RU2017122908A RU2017122908A RU2656191C1 RU 2656191 C1 RU2656191 C1 RU 2656191C1 RU 2017122908 A RU2017122908 A RU 2017122908A RU 2017122908 A RU2017122908 A RU 2017122908A RU 2656191 C1 RU2656191 C1 RU 2656191C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- screen
- cathode
- power source
- glow discharge
- cathode part
- Prior art date
Links
Images
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
- 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
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Abstract
Изобретение относится к химико-термической обработке металлов в плазме тлеющего разряда и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин и режущего инструмента. Устройство для азотирования стальной детали в плазме тлеющего разряда содержит вакуумную камеру, источник питания, обрабатываемую деталь в виде катод-детали, экран в виде сетки, установленный на расстоянии от катод-детали и устройство для подачи газа. Источник питания выполнен регулируемым, катод-деталь подключена к отрицательному полюсу регулируемого источника питания, а экран подключен к катод-детали и выполнен в виде сетки с цилиндрическими ячейками. Длина L упомянутой цилиндрической ячейки экрана, расстояние X от экрана до катод-детали и диаметр d упомянутой цилиндрической ячейки экрана имеют следующее соотношение (L+X)/d=2,5. Обеспечивается повышение микротвердости азотированного покрытия и его равномерности. 1 ил., 1 пр.
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке металлов в плазме тлеющего разряда, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин и режущего инструмента.
Известно устройство для обработки в разряде (Арзамасов Б.М., Химико-термическая обработка металлов в активизированных газовых средах. - М.,1979, с. 118-120), включающее вакуумную камеру, подложку с отрицательным потенциалом и закрепленной на ней оснасткой для загрузки деталей.
Недостатками прототипа являются небольшая толщина получаемых диффузионных покрытий и их твердость, неравномерность азотированного покрытия на деталях сложной формы.
Известно устройство, описанное в патенте RU №2095462, кл. С23С 8/36, 17.10.1994, для азотирования изделий в тлеющем разряде, включающее вакуумную камеру, специальный источник, анод, катод-деталь, экран, установленный на определенном расстоянии от катод-детали.
Недостатками прототипа являются небольшая толщина получаемых диффузионных покрытий и их твердость, неравномерность азотированного покрытия на деталях сложной формы.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является устройство, описанное в патенте RU №2276201, кл. С23С 8/36, С23С 8/80, 09.11.2004, для азотирования в тлеющем разряде с эффектом полого катода, включающее вакуумную камеру, источник питания, катод-деталь, экран в виде сетки, установленный на определенном расстоянии от катод-детали, устройство подачи газа.
Недостатками прототипа являются небольшая толщина получаемых диффузионных покрытий и их твердость, неравномерность азотированного покрытия на деталях сложной формы.
Задачей настоящего изобретения является повышение толщины получаемых диффузионных покрытий, их твердости и равномерности азотированного покрытия на деталях сложной формы.
Техническим результатом является повышение микротвердости азотированного покрытия и его равномерности.
Технический результат достигается тем, что устройство для азотирования стальной детали в плазме тлеющего разряда, содержащее вакуумную камеру, источник питания, обрабатываемую деталь в виде катод-детали, экран в виде сетки, установленный на расстоянии от катод-детали и устройство для подачи газа, источник питания выполнен регулируемым, катод-деталь подключена к отрицательному полюсу регулируемого источника питания, а экран подключен к катод-детали и выполнен в виде сетки с цилиндрическими ячейками, при этом длина L упомянутой цилиндрической ячейки экрана, расстояние X от экрана до катод-детали и диаметр d упомянутой цилиндрической ячейки экрана имеют следующее соотношение (L+X)/d=2,5.
Эффектом полого катода является большая величина тока, протекающего через разряд, по сравнению с системой с плоскими электродами, имеющей геометрические размеры того же порядка. Это обусловлено тем, что в полом катоде электроны под действием электрического поля начинают осциллировать около центральной части катода вследствие наличия внутри катода потенциальной ямы. Часть этих электронов вылетает из полости катода через отверстие, ионизируя и возбуждая молекулы газа в промежутке между анодом и катодом. При изменении геометрии катода мы меняем форму потенциальной ямы внутри него. При увеличении длины катода условия возникновения разряда изменяются все слабее, и в пределе при достаточно большой глубине будут оставаться постоянными. Когда длина катода настолько мала, что электроны не успевают совершить колебания внутри полости и уходят на анод, эффект полого катода практически исчезает и разряд протекает как в случае системы с плоскими электродами. Сила тока разряда в системе с полым катодом зависит не только от длины катода, но и от его диаметра. При напряжении между электродами ≈520 В и давлении 8⋅10-5 мм рт.ст. зависимость тока разряда имеет максимум в диапазоне отношений длины полого катода (суммарной длины цилиндра экрана и расстояния от экрана до обрабатываемого изделия (подвижного коллектора)) к диаметру цилиндра экрана в диапазоне 2÷3. [Электронный журнал НГУ, "Физика и студенты", http://psj.ru/. Алексей Петренко. "Влияние длины полого катода на вольтамперную характеристику газового разряда", с. 6]. Таким образом, в нашем случае, полый катод образуется цилиндром экрана и катод-деталью, а сетка экрана представляет собой совокупность полых катодов.
Осциляция электронов в полом катоде увеличивает их путь в разряде, число соударений с нейтральными атомами азота и количество положительно ионизованного атомарного азота. Увеличение числа положительных ионов атомарного азота приводит к возрастанию азотного потенциала насыщающей атмосферы и, как следствие, к интенсификации процесса азотирования и увеличению толщины азотированного слоя (Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов в активированных газовых средах. - М.: Машиностроение, 1979, с. 115). Азотированный слой состоит из поверхностной нитридной зоны и подслоя твердого раствора называемого зоной внутреннего азотирования. Нитридная зона представляет собой зону соединений азота с различными элементами (железом, хромом, титаном и т.д.) и обладает более высокой твердостью и износостойкостью по сравнению с зоной внутреннего азотирования. Общее увеличение толщины азотированного слоя, приводит к увеличению и нитридной зоны, вследствие чего увеличивается микротвердость и износостойкость азотированного слоя (Химико-термическая обработка металлов. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н.: Металлургия, 1985. с. 145, 154, 158, 161).
Увеличение длины полого катода (суммарной длины цилиндра экрана и расстояния от экрана до катод-детали) более некоторой оптимальной величины приводит к не столь быстрому уменьшению плотности тока разряда, как при ее уменьшении [Электронный журнал НГУ "Физика и студенты" http://psj.ru/. Алексей Петренко. "Влияние длины полого катода на вольтамперную характеристику газового разряда", с. 5]. А потому можно говорить о более равномерном азотированном покрытии поверхности изделий сложной формы при выполнении экрана в виде сетки, ячейки которой представляют собой цилиндры (полые катоды, торцом (подвижным коллектором) которых является катод-деталь) с оптимальным отношением суммарной длины цилиндра экрана и расстояния от экрана до катод-детали к диаметру цилиндра экрана в диапазоне 2÷3 [Электронный журнал НГУ "Физика и Студенты" http://psj.ru/. Алексей Петренко. "Влияние длины полого катода на вольтамперную характеристику газового разряда", с. 3].
Поскольку поверхность катод-детали может быть рельефной, то необходимо брать в качестве оптимального отношения суммарной длины цилиндра экрана и расстояния от экрана до катод-детали к диаметру цилиндра экрана, равного 2,5.
На фиг. 1 изображена схема устройство для обработки изделия из стали в плазме тлеющего разряда. Схема содержит вакуумную камеру 1, катод-деталь 2, анод 3, экран 4, устройство для подачи газа 5, регулируемый источник питания 6.
Пример конкретной реализации устройства
В вакуумной камере устанавливают обрабатываемое изделие (катод-деталь) 2, например, из нержавеющей стали 08Х18Н10Т, и присоединяют к экрану 4, выполненному в виде сетки, ячейки которой представляют собой цилиндры с отношением суммарной длины цилиндра экрана и расстояния от экрана до катод-детали к диаметру цилиндра экрана равным 2,5. При этом каждый из цилиндров сетки экрана 4 вместе с обрабатываемым изделием 2 образует отдельный полый катод, где обрабатываемое изделие можно рассматривать как торец полого катода. После размещения обрабатываемого изделия (катод-детали) 2 вакуумная камера 1 герметизируется и в ней создается высокий вакуум примерно 1.3⋅10-2 Па. Затем в вакуумную камеру 1 напускают чистый азот и создают давление 100 Па, необходимое для зажигания тлеющего разряда. Включают регулируемый источник питания 6 и подают на обрабатываемое изделие (катод-деталь) 2 высокое отрицательное напряжение (400-1000 В), постепенно увеличивая которое добиваются зажигания тлеющего разряда. Далее понижают давление азота до 10 Па. В возникшем стабильном тлеющем разряде высокой плотности, вследствие эффекта полого катода, обрабатываемое изделие (катод-деталь) 2 разогревают до температуры азотирования (570°C для стали 08Х18Н10Т). Затем изменяют напряжение на обрабатываемом изделии 2 до величины, обеспечивающей поддержание оптимальной температуры азотирования (570°C для стали 08Х18Н10Т). При плотности тока порядка 2,25⋅10-2 А/см2 длительность процесса азотирования составляет 2-3 часа.
Конкретные геометрические размеры цилиндров экрана и его расстояние до катод-детали подбираются экспериментально, исходя из формы катод-детали и соотношения 
. Например, выбираем расстояние от экрана до катод-детали Х=0.01 м, выбираем длину цилиндра экрана (толщину металлического экрана) L=0.01 м, тогда из соотношения 
находим диаметр цилиндров экрана (отверстий в экране) d=0.008 м.
Предлагаемое устройство для азотирования позволяет:
- увеличить толщину азотированного покрытия за счет повышения азотного потенциала насыщающей атмосферы,
- повысить микротвердость и износостойкость азотированного покрытия, за счет увеличения толщины покрытия,
- повысить равномерность азотированного покрытия.
Claims (1)
- Устройство для азотирования стальной детали в плазме тлеющего разряда, содержащее вакуумную камеру, источник питания, обрабатываемую деталь в виде катод-детали, экран в виде сетки, установленный на расстоянии от катод-детали и устройство для подачи газа, отличающееся тем, что источник питания выполнен регулируемым, катод-деталь подключена к отрицательному полюсу регулируемого источника питания, а экран подключен к катод-детали и выполнен в виде сетки с цилиндрическими ячейками, при этом длина L упомянутой цилиндрической ячейки экрана, расстояние X от экрана до катод-детали и диаметр d упомянутой цилиндрической ячейки экрана имеют следующее соотношение (L+X)/d=2,5.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017122908A RU2656191C1 (ru) | 2017-06-27 | 2017-06-27 | Устройство для обработки изделия из стали в плазме тлеющего разряда |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017122908A RU2656191C1 (ru) | 2017-06-27 | 2017-06-27 | Устройство для обработки изделия из стали в плазме тлеющего разряда |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2656191C1 true RU2656191C1 (ru) | 2018-05-31 |
Family
ID=62560613
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017122908A RU2656191C1 (ru) | 2017-06-27 | 2017-06-27 | Устройство для обработки изделия из стали в плазме тлеющего разряда |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2656191C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3761370A (en) * | 1970-09-21 | 1973-09-25 | K Keller | Method of hardening the surface of workpieces made of iron and steel |
| RU2276201C1 (ru) * | 2004-11-09 | 2006-05-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Способ азотирования изделий в тлеющем разряде с эффектом полого катода |
| 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 |
| CN105839046A (zh) * | 2016-05-06 | 2016-08-10 | 华南理工大学 | 一种钢铁工件表面低温高效快速离子渗氮的方法 |
| CN106399930A (zh) * | 2016-09-28 | 2017-02-15 | 华南理工大学 | 一种合金钢表面渗氮后原位pvd镀膜的一体化复合处理方法 |
-
2017
- 2017-06-27 RU RU2017122908A patent/RU2656191C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3761370A (en) * | 1970-09-21 | 1973-09-25 | K Keller | Method of hardening the surface of workpieces made of iron and steel |
| RU2276201C1 (ru) * | 2004-11-09 | 2006-05-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Способ азотирования изделий в тлеющем разряде с эффектом полого катода |
| 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 |
| CN105839046A (zh) * | 2016-05-06 | 2016-08-10 | 华南理工大学 | 一种钢铁工件表面低温高效快速离子渗氮的方法 |
| CN106399930A (zh) * | 2016-09-28 | 2017-02-15 | 华南理工大学 | 一种合金钢表面渗氮后原位pvd镀膜的一体化复合处理方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
|---|---|---|
| US2946708A (en) | Nitriding with electric glow discharge | |
| Koval et al. | Generation of low-temperature gas discharge plasma in large vacuum volumes for plasma chemical processes | |
| Yushkov et al. | Deposition of boron-containing coatings by electron-beam evaporation of boron-containing targets | |
| Beloplotov et al. | Blue and green jets in laboratory discharges initiated by runaway electrons | |
| RU2413033C2 (ru) | Способ плазменного азотирования изделия из стали или из цветного сплава | |
| Denisov et al. | Ion current density distribution in a pulsed non-self-sustained glow discharge with a large hollow cathode | |
| US20110308461A1 (en) | Electron Beam Enhanced Nitriding System (EBENS) | |
| RU2656191C1 (ru) | Устройство для обработки изделия из стали в плазме тлеющего разряда | |
| KR101258308B1 (ko) | 플라즈마 처리 장치용 플라즈마 증폭기 | |
| Budilov et al. | Ion nitriding in glow discharge with hollow cathode effect | |
| RU2590439C1 (ru) | Способ азотирования изделия из стали в плазме тлеющего разряда | |
| RU2777796C1 (ru) | Устройство для азотирования в разряде | |
| RU2686505C1 (ru) | Способ плазменной обработки металлических изделий | |
| RU2686975C1 (ru) | Способ ионно-плазменного азотирования изделий из титана или титанового сплава | |
| Denisov et al. | Low-temperature plasma source based on a cold hollow-cathode arc with increased service life | |
| Roliński et al. | Controlling plasma nitriding of ferrous alloys | |
| RU87065U1 (ru) | Устройство для создания однородной газоразрядной плазмы в технологических вакуумных камерах больших объемов | |
| US3616383A (en) | Method of ionitriding objects made of high-alloyed particularly stainless iron and steel | |
| Bolotov et al. | Diagnosis of plasma glow discharge energy parameters in the processes of treatment small diameter long tubes | |
| RU2632927C2 (ru) | Способ генерации плотной объемной импульсной плазмы | |
| Lopatin et al. | A plasma generator based on nonself-sustained low-pressure glow discharge with a large-volume hollow cathode | |
| RU2611003C1 (ru) | Способ ионного азотирования титановых сплавов | |
| Ichiki et al. | Improvement of compact electron-beam-excited plasma source for increased producible plasma density | |
| Akhmadeev et al. | Plasma sources based on a low-pressure arc discharge | |
| JP2004001086A (ja) | 電子ビーム照射による金型の表面処理方法と処理された金型 |