RU2766388C1 - Method for surface treatment on steel parts - Google Patents
Method for surface treatment on steel parts Download PDFInfo
- Publication number
- RU2766388C1 RU2766388C1 RU2021109118A RU2021109118A RU2766388C1 RU 2766388 C1 RU2766388 C1 RU 2766388C1 RU 2021109118 A RU2021109118 A RU 2021109118A RU 2021109118 A RU2021109118 A RU 2021109118A RU 2766388 C1 RU2766388 C1 RU 2766388C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- steel part
- local
- worn
- ion nitriding
- temperature
- 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
- C23C8/04—Treatment of selected surface areas, e.g. using masks
-
- 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
Description
Изобретение относится к металлургической промышленности, а именно к комбинированной упрочняющей химико-термической обработке поверхности стальных изделий и инструмента, работающих в условиях локального изнашивания.The invention relates to the metallurgical industry, and in particular to a combined hardening chemical-thermal treatment of the surface of steel products and tools operating under conditions of local wear.
Одной из основных причин выхода из строя машин и механизмов является изнашивание на деталях рабочих поверхностей. Причем разрушение происходит не по всей поверхности изделия, а на участках, которые находятся под действием сложного комплекса нагрузок: трение, удар и знакопеременные нагрузки. Эксплуатационные свойства отдельных областей поверхности деталей можно повысить за счет изменения и модификации структуры материала. Металлический материал с крупным зерном имеет более низкую твердость, чем материал с мелкозернистой структурой. Измельчение структуры металла происходит наиболее эффективно при помощи поверхностной деформационной обработки. Данный метод позволяет создать поверхностный слой с мелкозернистой структурой на отдельных участках детали. Изделие с наружным слоем, имеющим мелкозернистую структуру, при мягкой и пластичной сердцевине, лучше сопротивляется удару и динамической нагрузке [С.А. Фирстов Поверхностное упрочнение изделий сложной формы с использованием комплексных схем деформирования // Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины, Киев. 2013. Вып. 19. С. 7-14]. Однако, материал после деформационной обработки не имеет достаточной износостойкости для большинства условий эксплуатации деталей машин и механизмов.One of the main reasons for the failure of machines and mechanisms is the wear on the details of the working surfaces. Moreover, the destruction does not occur over the entire surface of the product, but in areas that are under the action of a complex set of loads: friction, impact and alternating loads. The operational properties of individual areas of the surface of parts can be improved by changing and modifying the structure of the material. Coarse grain metal material has a lower hardness than fine grain material. The refinement of the metal structure occurs most efficiently with the help of surface deformation processing. This method allows you to create a surface layer with a fine-grained structure in certain parts of the part. A product with an outer layer having a fine-grained structure, with a soft and ductile core, better resists impact and dynamic load [S.A. Firstov, Surface hardening of products of complex shape using complex deformation schemes. I.N. Frantsevich NAS of Ukraine, Kyiv. 2013. Issue. 19. S. 7-14]. However, the material after deformation processing does not have sufficient wear resistance for most operating conditions of machine parts and mechanisms.
Известен способ обработки поверхностей деталей газопламенным напылением (патент РФ 2155119, С23С 4/12, 27.08.2000), при котором напыляемый металл подают на определенную область в порошковом виде через направляющую втулку распылительной головки струей сжатого воздуха. Подачу смеси осуществляют через штуцер, установленный на направляющей втулке.There is a known method of surface treatment of parts by flame spraying (RF patent 2155119, S23S 4/12, 08/27/2000), in which the sprayed metal is fed to a certain area in powder form through the guide bushing of the spray head with a jet of compressed air. The mixture is supplied through a fitting mounted on the guide bushing.
Недостатками данного способа являются:The disadvantages of this method are:
- недостаточная в некоторых случаях прочность сцепления покрытий с основой при испытании на нормальный отрыв;- Insufficient in some cases, the adhesion strength of the coatings with the base when tested for normal separation;
- наличие пористости и других видов несплошностей;- the presence of porosity and other types of discontinuities;
- сложность регулирования толщины непрерывного покрытия.- the difficulty of regulating the thickness of the continuous coating.
Также известен способ нанесения покрытий детонационным способом для упрочнения деталей, работающих в условиях повышенного коррозионного, эрозионного и абразивного воздействия в различных отраслях машиностроения (патент РФ 2106915, B05D 1/00, 20.03.1998), который производят дискретно-локальными участками поверхности детали с использованием передвижной защитной камеры. Операции предварительной подготовки поверхности, напыления и последующей механической обработки производят за одну установку обрабатываемой детали.Also known is a method of applying coatings by the detonation method for hardening parts operating under conditions of increased corrosive, erosive and abrasive effects in various branches of engineering (RF patent 2106915, B05D 1/00, 03/20/1998), which is produced by discrete local areas of the surface of the part using mobile security camera. The operations of preliminary surface preparation, spraying and subsequent machining are carried out in one installation of the workpiece.
Недостатками данного способа являются:The disadvantages of this method are:
- после останова процесса происходит релаксация внутренних напряжений в поверхности и покрытии и создание условий для последующего отслоения следующих порций покрытий;- after the process is stopped, internal stresses in the surface and coating are relaxed and conditions are created for the subsequent delamination of the next portions of the coatings;
- возможность разрушения сцепления поверхностей из-за неоднородности;- the possibility of destruction of the adhesion of surfaces due to heterogeneity;
- сложность равномерного распределения покрытия и регулирования его толщины.- the complexity of the uniform distribution of the coating and the regulation of its thickness.
Наиболее близким по достигаемому эффекту к заявленному является способ локальной обработки стального изделия при ионном азотировании в магнитном поле (патент РФ 2640703, С23С 8/36, 11.01.2018), который заключается в следующем: стальное изделие подвергают вакуумному нагреву в плазме азота повышенной плотности, которую создают в тороидальной области осциллирующих электронов, движущихся по циклоидальным замкнутым траекториям, образованной в скрещенных электрических и магнитных полях, при этом изделие располагают так, чтобы участок, подлежащий обработке, находился в зоне плазмы азота повышенной плотности, с возможностью интенсификации процесса диффузионного насыщения этого участка, причем плавный переход от азотированного слоя в магнитном поле к азотированному слою вне магнитного поля осуществляют по мере отдаления от магнитной системы.The closest in terms of the achieved effect to the claimed one is the method of local processing of a steel product during ion nitriding in a magnetic field (RF patent 2640703, C23C 8/36, 01/11/2018), which consists in the following: the steel product is subjected to vacuum heating in a high-density nitrogen plasma, which is created in the toroidal region of oscillating electrons moving along cycloidal closed trajectories, formed in crossed electric and magnetic fields, while the product is positioned so that the area to be processed is in the zone of high-density nitrogen plasma, with the possibility of intensifying the process of diffusion saturation of this area , and a smooth transition from the nitrided layer in the magnetic field to the nitrided layer outside the magnetic field is carried out as you move away from the magnetic system.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности формировать на обрабатываемом изделии локальные участки упрочненного слоя с плавным градиентом прочностных свойств.The disadvantage of the prototype is the inability to form on the workpiece local areas of the hardened layer with a smooth gradient of strength properties.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение прочностных и трибологических характеристик поверхности стальных изделий и инструмента.The objective of the invention is to improve the strength and tribological characteristics of the surface of steel products and tools.
Техническим результатом является повышение износостойкости поверхности за счет формирования на изделии локальных участков упрочненного слоя, имеющих плавный градиент механических свойств от поверхности в сторону сердцевины изделия.The technical result is to increase the wear resistance of the surface due to the formation of local areas of the hardened layer on the product, having a smooth gradient of mechanical properties from the surface towards the core of the product.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе обработки изношенных локальных участков поверхности стальной детали, включающим деформационную обработку изношенных локальных участков поверхности стальной детали и последующее низкотемпературное ионное азотирование стальной детали, в отличие от прототипа, при деформационной обработке осуществляют локальное упрочнение изношенных локальных участков поверхности стальной детали путем дробеструйной обработки с возможностью интенсификации диффузионного насыщения азотом указанных участков при последующем низкотемпературном ионном азотировании, при этом ионное азотирование проводят при температуре 400-450 °С.The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in the method of processing worn local areas of the surface of a steel part, including deformation processing of worn local areas of the surface of the steel part and subsequent low-temperature ion nitriding of the steel part, in contrast to the prototype, during deformation processing, local hardening of worn local sections of the surface of a steel part by shot blasting with the possibility of intensifying diffusion saturation with nitrogen of these sections during subsequent low-temperature ion nitriding, while ion nitriding is carried out at a temperature of 400-450 °C.
Обеспечить требуемую износостойкость поверхности изделий позволяет ионное азотирование. В процессе данной обработки ноны азота ускоряются электрическим полем, бомбардируют поверхность детали и, таким образом, создают условия для активной диффузии атомарного азота в кристаллическую решетку металла и формирования азотированного слоя с повышенной твердостью. После азотирования наблюдается значительное увеличение поверхностной микротвердости (до 5-7 раз), которое связано с образованием на поверхности образцов нитридного слоя и наличием диффузионной зоны [Агзамов Р.Д., Тагиров А.Ф., Николаев А.А. Исследование влияния режимов низкотемпературного ионного азотирования на структуру и свойства титанового сплава ВТ6// ФГБОУ ВО УГАТУ. 2017. Т.21, №4(78). С. 11-17].To provide the required wear resistance of the surface of products allows ion nitriding. During this treatment, nitrogen nonons are accelerated by an electric field, bombard the surface of the part and, thus, create conditions for active diffusion of atomic nitrogen into the metal crystal lattice and the formation of a nitrided layer with increased hardness. After nitriding, there is a significant increase in surface microhardness (up to 5-7 times), which is associated with the formation of a nitride layer on the surface of the samples and the presence of a diffusion zone [Agzamov R.D., Tagirov A.F., Nikolaev A.A. Investigation of the influence of low-temperature ion nitriding modes on the structure and properties of titanium alloy VT6//FGBOU VO UGATU. 2017. V.21, No. 4(78). S. 11-17].
При комбинации методов поверхностной деформационной обработки и последующего низкотемпературного ионного азотирования при температуре 400-450 °С возможно получение упрочненного поверхностного слоя на отдельных участках изделия с требуемыми показателями стойкости к удару и сопротивляемости к износу.With a combination of methods of surface deformation treatment and subsequent low-temperature ion nitriding at a temperature of 400-450 ° C, it is possible to obtain a hardened surface layer in certain parts of the product with the required impact resistance and wear resistance.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на фиг. 1 представлена схема создания на изделии локальных участков с мелкозернистой структурой, где участок №1 соответствует обработке по режиму 1, а участок №2 - по режиму 2. На фиг. 2 схематично показаны получаемые в результате деформационной обработки различные по толщине поверхностные слои с мелкозернистой структурой.The essence of the invention is illustrated by drawings, in Fig. 1 shows a diagram of creating local areas with a fine-grained structure on the product, where area No. 1 corresponds to processing according to mode 1, and area No. 2 - according to mode 2. In Fig. 2 schematically shows surface layers of various thicknesses obtained as a result of deformation processing with a fine-grained structure.
Пример конкретной реализации способа.An example of a specific implementation of the method.
Реализация способа показана на примере обработки детали - пуансона. Изнашивание данного изделия происходит не по всей поверхности, а в локальной зоне. Причем участок №1 находится в условиях высоких ударных нагрузок и незначительному трению, а участок №2 подвергается преимущественно трению. На первом этапе локальную зону подвергают виброударной обработке при различных режимах. При режиме 1 обрабатывают участок №1, зона наибольших ударных нагрузок.The implementation of the method is shown on the example of processing a part - a punch. The wear of this product does not occur over the entire surface, but in a local area. Moreover, section No. 1 is under conditions of high shock loads and low friction, and section No. 2 is mainly subjected to friction. At the first stage, the local zone is subjected to vibro-impact treatment under various modes. In mode 1, section No. 1 is processed, the zone of the greatest shock loads.
Далее при режиме 2 обрабатывают участок №2. зона высокого трения. В результате такого деформационного воздействия на локальной области изделия образуются поверхностные слои различной толщины h1>h2 и свойствами. Распределение микротвердости В поперечном сечении детали после данной обработки имеет вид, показанный на фиг. 2. Затем осуществляют низкотемпературное ионное азотирование в следующем порядке. Деталь 4 подключают к отрицательному электроду, герметизируют камеру и откачивают воздух до давления 10 Па. После эвакуации воздуха камеру продувают рабочим газом 5-10 минут при давлении 1000-1330 Па, затем откачивают рабочий газ до давления 20-30 Па, подают на электроды напряжение и возбуждают тлеющий разряд. При напряжении 800-1000 В осуществляют катодное распыление. После 5-10-минутной обработки по режиму катодного распыления напряжение понижают до рабочего, а давление повышают до 300 Па, необходимое для эффективной обработки. В качестве рабочего газа используется газовая смесь азота, аргона и водорода (N2 30% + Аr 65% + Н2 5%). Азотирование в тлеющем разряде производят при давлении газа р=3500 Па и напряжении между электродами U=460 В в течение 8 ч и температуре 430°С. Все процессы проходят за один технологический цикл, в одной камере и в одной атмосфере. После обработки деталь вместе с вакуумной камерой охлаждают под вакуумом до комнатной температуры. По окончании охлаждения в вакуумную камеру напускают атмосферный газ и извлекают обработанную деталь. Распределение микротвердости в поперечном сечении детали после низкотемпературного ионного азотирования имеет вид кривой.Further, in mode 2, section No. 2 is processed. high friction zone. As a result of such a deformation effect on the local area of the product, surface layers of various thicknesses h 1 >h 2 and properties are formed. Distribution of microhardness In the cross section of the part after this treatment, it has the form shown in Fig. 2. Then carry out low-temperature ion nitriding in the following order. Item 4 is connected to the negative electrode, the chamber is sealed and air is pumped out to a pressure of 10 Pa. After air is evacuated, the chamber is purged with a working gas for 5-10 minutes at a pressure of 1000-1330 Pa, then the working gas is pumped out to a pressure of 20-30 Pa, voltage is applied to the electrodes and a glow discharge is initiated. At a voltage of 800-1000 V, cathode sputtering is carried out. After 5-10 minutes of treatment in the mode of cathode sputtering, the voltage is reduced to the working one, and the pressure is increased to 300 Pa, which is necessary for effective treatment. As a working gas, a gas mixture of nitrogen, argon and hydrogen (N2 30% + Ar 65% + H2 5%) is used. Nitriding in a glow discharge is carried out at a gas pressure p=3500 Pa and a voltage between the electrodes U=460 V for 8 hours and a temperature of 430°C. All processes take place in one technological cycle, in one chamber and in one atmosphere. After processing, the part, together with the vacuum chamber, is cooled under vacuum to room temperature. At the end of cooling, atmospheric gas is let into the vacuum chamber and the machined part is removed. The distribution of microhardness in the cross section of the part after low-temperature ion nitriding has the form of a curve.
Заявляемый способ позволяет расширить функциональные возможности ионного азотирования и повысить прочностные, трибологические характеристики поверхности, контактную долговечность и износостойкость стальных деталей при низкотемпературной обработке в тлеющем разряде за счет формирования поверхностного слоя с ультрамелкозернистой структурой материала детали путем дробеструйной обработки.The claimed method allows expanding the functionality of ion nitriding and increasing the strength, tribological characteristics of the surface, contact durability and wear resistance of steel parts during low-temperature processing in a glow discharge due to the formation of a surface layer with an ultrafine-grained structure of the part material by shot blasting.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021109118A RU2766388C1 (en) | 2021-04-02 | 2021-04-02 | Method for surface treatment on steel parts |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021109118A RU2766388C1 (en) | 2021-04-02 | 2021-04-02 | Method for surface treatment on steel parts |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2766388C1 true RU2766388C1 (en) | 2022-03-15 |
Family
ID=80736633
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021109118A RU2766388C1 (en) | 2021-04-02 | 2021-04-02 | Method for surface treatment on steel parts |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2766388C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2806001C1 (en) * | 2023-06-30 | 2023-10-24 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский университет науки и технологий" | Method for selecting dose of microballs for shot blasting to provide surface plastic deformation of alloy steel part to activate surface before nitriding |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1497269A1 (en) * | 1987-08-31 | 1989-07-30 | Куйбышевский политехнический институт им.В.В.Куйбышева | Method of burnishing the surface of parts |
RU2198954C2 (en) * | 2001-03-26 | 2003-02-20 | Самарский государственный технический университет | Method of hardening parts surfaces |
WO2012172270A1 (en) * | 2011-06-17 | 2012-12-20 | Winoa | Surface treatment of a metal part |
RU2640703C2 (en) * | 2016-03-21 | 2018-01-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of local processing steel articles under ionic nitrogen in magnetic field |
-
2021
- 2021-04-02 RU RU2021109118A patent/RU2766388C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1497269A1 (en) * | 1987-08-31 | 1989-07-30 | Куйбышевский политехнический институт им.В.В.Куйбышева | Method of burnishing the surface of parts |
RU2198954C2 (en) * | 2001-03-26 | 2003-02-20 | Самарский государственный технический университет | Method of hardening parts surfaces |
WO2012172270A1 (en) * | 2011-06-17 | 2012-12-20 | Winoa | Surface treatment of a metal part |
RU2640703C2 (en) * | 2016-03-21 | 2018-01-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of local processing steel articles under ionic nitrogen in magnetic field |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2806001C1 (en) * | 2023-06-30 | 2023-10-24 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский университет науки и технологий" | Method for selecting dose of microballs for shot blasting to provide surface plastic deformation of alloy steel part to activate surface before nitriding |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8479396B2 (en) | Method for hardening running surfaces of roller bearing components | |
Sharipov et al. | Increasing the resistance of the cutting tool during heat treatment and coating | |
CN110724923A (en) | Preparation method of ion-impregnated tungsten carbide layer with surface gradient nanostructure | |
WO2004005572A1 (en) | Surface modified stainless steel | |
RU2766388C1 (en) | Method for surface treatment on steel parts | |
US4704168A (en) | Ion-beam nitriding of steels | |
KR101719452B1 (en) | Surface treatment method of hot forging mold and the hot forging mold | |
Denisova et al. | Influence of nitrogen content in the working gas mixture on the structure and properties of the nitrided surface of die steel | |
RU2654161C1 (en) | Method or local ionic nitriding of steel articles in glow discharge with magnetic field | |
RU2640703C2 (en) | Method of local processing steel articles under ionic nitrogen in magnetic field | |
RU2664106C2 (en) | Method of low-temperature ionic nitration of steel parts | |
JP2001192861A (en) | Surface treating method and surface treating device | |
Shulov et al. | Application of high-current pulsed electron beams for the restoration of operational properties of the blades of gas-turbine engines | |
RU2625864C1 (en) | Method of low-temperature ion nitriding steel products in magnetic field | |
RU2611003C1 (en) | Method of ion nitration of titanium alloys | |
US7049539B2 (en) | Method for surface treating a die by electron beam irradiation and a die treated thereby | |
US5217748A (en) | Method of hardening metal surfaces | |
RU2662518C2 (en) | Macro-nonuniform structure creation method on the materials surface | |
KR100594998B1 (en) | Method for nitriding of Ti and Ti alloy | |
JPS63166957A (en) | Surface coated steel product | |
RU2241782C1 (en) | Method for ionic-plasma treatment of cutting tool steel surface | |
JP3572240B2 (en) | Method and apparatus for physically modifying a conductive member | |
RU2777090C1 (en) | Method for obtaining an anti-fretting coating | |
CN110714188A (en) | Surface nanocrystallization high-energy ion injection and permeation composite treatment method | |
CN117051355B (en) | Low-temperature ion nitriding technology and application thereof |