RU2795620C1 - Способ азотирования детали из легированной стали - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из легированных сталей, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей, работающих в парах трения, зубчатых колес и роторов винтовых насосов и двигателей. Способ включает размещение детали в рабочей камере, активацию поверхности детали перед азотированием, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температуры азотирования и выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины азотированного слоя. При этом активацию поверхности детали проводят в два этапа, вначале проводят высокоэнергетическую ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота при энергии ионов, формирующих в поверхностном слое детали на глубину азотирования радиационные дефекты кристаллической структуры, обеспечивающие равновеликий процесс диффузии азота как внутри зерен металла, так и по их границам, а затем проводят магнитно-импульсную обработку, обеспечивающую равномерное послойное перераспределение радиационных дефектов кристаллической структуры по глубине азотирования. Технический результат – повышение производительности и качества процесса азотирования, а также повышение износостойкости азотированного слоя. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из легированных сталей, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей, работающих в парах трения, зубчатых колес и роторов винтовых насосов и двигателей.

Одними из ответственных деталей нефтяного и нефтедобывающего машиностроения являются роторы винтовых насосов и двигателей. Указанные роторы обычно изготавливается из легированных сталей в виде стержня, на котором нарезаны наружные винтовые зубья. При работе роторы винтовых насосов и двигателей подвергается интенсивному изнашиванию. Например, ротор забойного двигателя подвергается воздействию жидкой среды, содержащей механические примеси. Твердые частицы бурового раствора изнашивают поверхность ротора, что приводит к разрушению уплотнения между ротором и статором и ухудшают работу двигателя, резко снижая сроки его эксплуатации.

Для повышения стойкости поверхностного слоя материала указанных деталей используют химико-термическую обработку (ХТО), в частности азотирование

Широко известны процессы упрочнения поверхности деталей методами ХТО. Известен, например способ химико-термической обработки стальных изделий, включающий диффузионное насыщение элементами внедрения и замещения и последующий нагрев поверхности изделия (А.С. СССР №1515772, МПК С23С 8/00. Способ химико-термической обработки стальных изделий. Бюл. №36, 2013 г.).

Известен способ ХТО деталей, заключающий в высокотемпературном азотировании, закалке с последующим отпуском [Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали. М.: Машиностроение, 1976, с. 99-102]. В результате обработки получают высокоазотистый слой небольшой толщины. Такой слой хорошо противостоит коррозии в атмосфере, но плохо работает при высоких изгибных, контактных напряжениях и в условиях повышенного износа.

Известны также методы ионного азотирования в плазме тлеющего разряда постоянного или пульсирующего тока, которые включают в себя две стадии - очистку поверхности катодным распылением и собственно насыщение поверхности металла азотом [Теория и технология азотирования / Лохтин Ю.М. и др. // М., Металлургия, 1990, с. 89].

Известен также способ азотирования металлов и сплавов, при котором на стадии очистки изделий тлеющий разряд периодически переводят в импульсную электрическую дугу. Это позволяет интенсифицировать процесс за счет быстрого разогрева обрабатываемой поверхности в первые минуты до более высоких температур, чем температура процесса азотирования (А.С. СССР 1534092, МПК С23С 8/36, опубл. 07.01.90; BG 43787. МПК С23С 8/36. Method for chemico-thermic treatment in glowing discharge of gear transmissions. 1988).

Известен также способ азотирования металлов и сплавов, при котором производится подготовка поверхностного слоя материала перед азотированием методами поверхностной пластической деформации высокоинтенсивной обработкой микрошариками до получения ультрамелкозернистой структуры (Мингажев А.Д., Яшина А.С.Азотирование деталей из легированных сталей с использованием эффекта поверхностного пластического деформирования. Фундаментальные и прикладные научные исследования: актуальные вопросы, достижения и инновации. Сб.статей XIII Междунар. Науч.-практ.Конф.: в 2 ч. Изд-во: Наука и Просвещение С. 118-121. 2018 г.)

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ азотирования детали из легированной стали, включающий размещение детали в рабочей камере установки, активацию поверхности детали перед азотированием, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температур азотирования и выдержку при этих температурах до формирования необходимой толщины азотированного слоя (А.С. СССР №1574679, МПК С23С 8/36, опубл. 30.06.90; патент РФ №2144095, МПК С23С 8/38, опубл. 10.01.2000).

Недостатками известных способов и прототипа являются невысокая износостойкость поверхности из-за неоднородности диффузионного слоя и образования в диффузионном слое хрупких фаз, а также формирования нитридной сетки, приводящей к выкрашиванию азотированных зерен в процессе эксплуатации деталей.

Азотирование с использованием известных способов приводит к следующим негативным явлениям: существует высокая вероятность образования неравномерного слоя с уменьшенной концентрацией насыщаемого вещества, неоднородной и пониженной твердостью материала поверхностного слоя, возникновением дефектных участков, особенно при образовании развитой нитридной сетки. Для удаления дефектных участков поверхностного слоя после азотирования проводится шлифование, однако, в основном из-за образования нитридной сетки происходит удаление наиболее насыщенного азотом слоя, который сохранялся бы при возможности подавления процессов образования нитридной сетки.

Причиной образования нитридной сетки в азотированном слое является различие в интенсивности диффузии азота в зернах металла и по его границам (поскольку интенсивность диффузии по границам зерен намного выше в объемах зерен, то это приводит к перенасыщению границ зерен азотом). Как известно [Иваненко А. О., Тулькова И. А., Уваров М. М. Технологические особенности азотирования резьбовых поверхностей ответственных деталей электромеханического привода. Изв. вузов. приборостроение. 2018. т. 61, №4. с. 360 - 367.], наличие нитридной сетки в значительной степени снижает износостойкость азотированного слоя.

В то же время также известно [Гегузин Я.Е. Диффузионная зона. - М.: Наука, 1979. - 343 с.], что наличие плотных объемов дефектов кристаллической структуры приводит к интенсификации диффузионных процессов. При этом, возможно создание высокой плотности дефектов кристаллической структуры методами интенсивной пластической деформации (ИПД) [Тиняев В.Г., Назаренко В.Д., Лахник А.М. Особенности формирования диффузионных слоев на сплавах железа после предварительной пластической деформации // Металлофизика и новейшие технологии. - 1996. Т. 18. №2. С. 45-51.] и методами высокоэнергетической ионной имплантации [Риссел Х. Ионная имплантация. М.: Наука, 1983. 358 с.]. В то же время, если использовать только методы ИПД, то образованный в этом случае поверхностный слой (ПС) материала будет иметь мелкокристаллическую структуру, которая, однако, при нагреве в процессе азотирования будет происходить процесс рекристаллизации с укрупнением зерен.

Известно также, что в процессе высокоэнергетической ионной имплантации (порядка 20 кЭВ и более), в ПС происходит формирование высокой плоти дефектов кристаллической структуры на глубине порядка от 200 до 300 мкм [Риссел Х. Ионная имплантация. М.: Наука, 1983. 358 с.]. Кроме того, на границах зерен возникают зоны, блокирующие диффузионные процессы, приводящие, например к резкому повышению коррозионной стойкости ПС [Повышение сопротивления высокотемпературной газовой коррозии лопаток компрессора путем комбинированного модифицирования их поверхности. Смыслов А.М.

Сб. докладов VI Всероссийской конференции по испытаниям исследованиям свойств материалов "ТестМат". ФГУП ВИАМ. 2015. С. 24.]

Задачей предлагаемого изобретения является интенсификация процесса и повышение качества азотирования деталей из легированных сталей за счет активации поверхностного слоя и формирования в нем высокой плотности дефектов кристаллической структуры, обеспечивающих равновеликие и равномерные диффузионные процессы внутри зерен металла и по их границам, и тем самым подавляющих образование нитридной сетки.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение производительности и качества процесса азотирования, а также повышение износостойкости азотированного слоя деталей из легированных сталей.

Технический результат достигается тем, что в способе азотирования детали из легированной стали, включающем размещение детали в рабочей камере, активацию поверхности детали перед азотированием, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температуры азотирования и выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины азотированного слоя, в отличие от прототипа, активацию поверхности детали перед азотированием проводят в два этапа: вначале проводят высокоэнергетическую ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота при энергии ионов, формирующих в поверхностном слое детали на глубину азотирования радиационные дефекты кристаллической структуры, обеспечивающие равновеликий процесс диффузии азота как внутри зерен металла, так и по их границам, а затем проводят магнитно-импульсную обработку, обеспечивающую равномерное послойное перераспределение упомянутых радиационных дефектов кристаллической структуры по упомянутой глубине азотирования.

Кроме того возможны следующие дополнительные приемы способа: высокоэнергетическую ионно-имплантационную обработку поверхности детали проводят при энергии ионов от 26 до 34 кэВ, дозе облучения от 1,2·10¹⁷ см^-2 до 1,3·10¹⁷ см^-2, скорости набора дозы облучения от 0,7·10¹⁵ с^-1 до 1,2·10¹⁵ с^-1, при теплоотводе от обрабатываемой поверхности, обеспечивающем температуру детали от 40 до 120 °С, а магнитно-импульсную обработку осуществляют при энергии импульса, выбираемый из диапазона от 3,0 до 5,0 кДж при количестве импульсов от 10 до 50; в качестве метода азотирования используют ионное азотирование.

Повышение требований к качеству обработки деталей машин послужило поводом для совершенствования методов насыщения поверхности легирующими элементами и привело к созданию ряда новых способов обработки, таких как ионное азотирование [Теория и технология азотирования / Лохтин Ю.М., Коган Л.Д. и др. // М., Металлургия, 1990, с. 89] и ионная имплантация [например, патент РФ №2496910. МПК С23С 14/02. Способ ионно-имплантационной обработки лопаток компрессора из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе. Бюл №30, 2013]. Ионная имплантация позволяет производить насыщение поверхностного слоя деталей практически любыми легирующим и элементами, а детали, упрочненные методом ионной имплантации, имеют гораздо более высокие эксплуатационные свойства, чем детали, подвергнутые обычной или ионной химико-термической обработке [Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / Под ред. Д.М. Поута, Г. Фоти, Д.К. Джекобсона. М.: Мир, 1987, 424 с.; Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками. / под ред. Дж. М. Поута. М.: Машиностроение, 1987. - 424 с.]. При этом основными недостатками ионно-имплантационной обработки являются дороговизна метода и незначительная глубина проникновения легированных элементов в поверхностный слой материала.

Магнитно-импульсная обработка позволяет осуществить упрочняющую обработку, в частности за счет обеспечения равномерности распределения дефектов кристаллической структуры металлов и сплавов [например, Магнитно-импульсная упрочняющая обработка изделий из конструкционныхи инструментальных сталей./ Алифанов А.В. и др.// литье и металлургия. №3 (66), 2012 г]

Для оценки эксплуатационных свойств деталей, обработанных по предлагаемому способу, были проведены следующие испытания. Образцы из легированных сталей 40Х, 40ХН были подвергнуты обработке как по способам-прототипам (патент РФ №2144095), согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам обработки, так и по вариантам предлагаемого способа.

Режимы обработки образцов по предлагаемому способу.

Активация ионной импланатцией при обработке деталей из легированных сталей перед азотированием проводилась по следующим режимам: имплантируемые ионы азота; доза - 1,0⋅10¹⁷ см^-2 - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 1,2⋅10¹⁷ см^-2 - удовлетворительный результат (У.Р.); 1,3⋅10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 1,5⋅10¹⁷ см^-2 (Н.Р.); скорость набора дозы облучения - 0,5⋅10¹⁵ с^-1 (Н.Р.); 0,7⋅10¹⁵ с^-1 (У.Р.); 1⋅10¹⁵ с^-1 (У.Р.); 1,3⋅10¹⁵ с^-1 (У.Р.); 1,5⋅10¹⁵ с^-1 (Н.Р.), энергия: 22 кэВ (Н.Р.); 26 кэВ (У.Р.); 32 кэВ (У.Р.); 34 кэВ (У.Р.); 38 кэВ (Н.Р.).

Режимы магнитно-импульсной обработки (Использовалась установка МИУ-3):

- энергия импульса: 2,0 кДж (Н.Р.); 3,0 кДж (У.Р.); 4,0 кДж (У.Р.); 5,0 кДж (У.Р.); 6,0 кДж (Н.Р.).

- при количестве импульсов от 10 до 50: 8 (Н.Р.); 10 (У.Р.); 20 (У.Р.); 40 (У.Р.); 50 (У.Р.); 60 (Н.Р.)

Проводилось газовое и ионное азотирование деталей методами (отличие предлагаемого способа от существующих состояло в предварительной активации поверхности высокоэнергетической ионной имплантацией ионами азота и последующей магнитно-импульсной обработкой).

Испытания показали на повышение износостойкости образцов по сравнению с прототипом от 4,45 до 5,2 раз (для вариантов: ВЭИИА +МИО+ГА от 4,45 до 4,8 раз, для ВЭИИА+МИО+ИА от 4,67 до 5,2 раза). (Таблица).

(Обозначения в таблице: ИС - исходное состояние, ВЭИИА - высокоэнергетическая ионная имплантация, ГА - газовое азотирование, ИА - ионное азотирование, МИО – магнитно-импульсная обработка).

Таблица Износостойкость образцов из легированных сталей после ХТО
№	Материал	Вид обработки	Потеря массы, Δm⋅10-4 г
0	40Х	ИС	308
1		ВЭИИА	96
2		ГА	49
3		ИА	42
4		ВЭИИА+МИО+ГА	10
5		ВЭИИА+МИО+ИА	8
0	40ХН	ИС	317
1		ВЭИИА	101
2		ГА	53
3		ИА	47
4		ВЭИИА+МИО+ГА	11
5		ВЭИИА+МИО+ИА	9

Скорость азотирования за счет увеличения скорости диффузии возросла приблизительно в 1,6…2,2 раза. Исследование образцов показало на повышение однородности структуры диффузионной зоны материалов и отсутствие нитридной сетки при азотировании по предложенному способу.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что предлагаемый способ азотирования детали из легированной стали, позволяет обеспечить заявленный технический результат изобретения - повышение производительности и качества процесса азотирования, а также повышение износостойкости азотированного слоя деталей из легированных сталей.

Claims (3)

1. Способ азотирования детали из легированной стали, включающий размещение детали в рабочей камере, активацию поверхности детали перед азотированием, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температуры азотирования и выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины азотированного слоя, отличающийся тем, что активацию поверхности детали перед азотированием проводят в два этапа: вначале проводят высокоэнергетическую ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота при энергии ионов, формирующих в поверхностном слое детали на глубину азотирования радиационные дефекты кристаллической структуры, обеспечивающие равновеликий процесс диффузии азота как внутри зерен металла, так и по их границам, а затем проводят магнитно-импульсную обработку, обеспечивающую равномерное послойное перераспределение упомянутых радиационных дефектов кристаллической структуры по упомянутой глубине азотирования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что высокоэнергетическую ионно-имплантационную обработку поверхности детали проводят при энергии ионов от 26 до 34 кэВ, дозе облучения от 1,2·10¹⁷ см^-2 до 1,3·10¹⁷ см^-2, скорости набора дозы облучения от 0,7·10¹⁵ с^-1 до 1,2·10¹⁵ с^-1, при теплоотводе от обрабатываемой поверхности, обеспечивающем температуру детали от 40 до 120 °С, а магнитно-импульсную обработку осуществляют при энергии импульса, выбираемой из диапазона от 3,0 до 5,0 кДж, при количестве импульсов от 10 до 50.

3. Способ по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что в качестве метода азотирования используют ионное азотирование.