SU1095673A1 - Method of nitriding metal articles - Google Patents

Method of nitriding metal articles Download PDF

Info

Publication number
SU1095673A1
SU1095673A1 SU802964869A SU2964869A SU1095673A1 SU 1095673 A1 SU1095673 A1 SU 1095673A1 SU 802964869 A SU802964869 A SU 802964869A SU 2964869 A SU2964869 A SU 2964869A SU 1095673 A1 SU1095673 A1 SU 1095673A1
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
discharge
gas
product
electrode
nitrogen
Prior art date
Application number
SU802964869A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Л.П. Фоминский
Original Assignee
Научно-производственное объединение "Тулачермет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Научно-производственное объединение "Тулачермет" filed Critical Научно-производственное объединение "Тулачермет"
Priority to SU802964869A priority Critical patent/SU1095673A1/en
Application granted granted Critical
Publication of SU1095673A1 publication Critical patent/SU1095673A1/en

Links

Landscapes

  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

Abstract

Ь СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ с помощью объемного электрического разр да в газе между поверхностью издели  и сопр гаемым с ней электродом, включающий заполнение пространства между изделием и электродом азотом или аммиаком и азотоводородной смесью и подачу на электрод и изделие разности электриче ских потенциалов, о т л ичающийс  тем, что, с целью повышени  скорости насыщени  металла азотом, в пространство между поверхностью изделий и электродом ввод т пучок ионизирующего излучени , инициирующий зажигание между поверхностью издели  и электродом несамосто тельного объемного разр да в газе. 2.Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и и с   тем, что величину разности потенциалов, подаваемых на электрод и изделие, берут меньшей напр жени  самосто тельного разр да в газе. 3.Способ по п. 1, отлича ющ и и с   тем, что дл  инициировани  разр да используют импульсы ионизирующего излучени , повтор ющиес  во времени. (Л 4.Способ по п. 1, отлича ющ и и с   тем что в качестве ионизирующего излучени  используют пучок рел тивистских электронов. 5. Способ по п. 1, отлича ющ и и с   тем, что насыщение поверхности издели  азотом ведут при повышенном давленш газа. 6. Способ по п. 5, отличаю- ;о ел щ и и с   тем, что насыщение ведут при давлении газа от 1 до 3 ата. Од 00Ь METHOD OF NITROGENING METAL PRODUCTS by using a volumetric electric discharge in gas between the surface of the product and the electrode connected with it, including filling the space between the product and the electrode with nitrogen or ammonia and the nitric mixture and supplying the difference of electric potentials to the electrode and product In order to increase the rate of metal saturation with nitrogen, a beam of ionizing radiation is introduced into the space between the surface of the products and the electrode, which initiates ignition between surface of the article and the electrode non-self Tel'nykh volumetric discharge in the gas. 2. The method according to claim 1, in connection with the fact that the magnitude of the potential difference applied to the electrode and the product takes a lower voltage of self-sustained discharge in the gas. 3. The method according to claim 1, which is also distinguished by the fact that pulses of ionizing radiation, which repeat in time, are used to initiate the discharge. (L 4. Method according to claim 1, which is distinguished by the use of a beam of reactive electrons as ionizing radiation. 5. The method according to claim 1, which is also distinguished by the fact that saturation of the surface of the product with nitrogen is increased gas pressure. 6. The method according to claim 5, characterized by the fact that saturation is carried out at a gas pressure of 1 to 3 at. 00 00

Description

Изобретение относитс  к химикотермической обработке, в частности к азотированию металлических изделий . известны способы азотировани  поверхностей металлов в тлеющем разр де . Сущность этих способов, напри мер Cl3j заключаетс  в том, что в тлеющем разр де ионы газа,ускор  сь в электрическом поле катодного сло  тлеющего разр да и бомбардиру  поверхность катода, вызывают катодное распыление металла (т.е. испарение отдельных атомов металла с твердой поверхности катода). Свободные атомы железа, вырванные из стального катод взаимодействуют с активными (возбужденными или ионизированными-) молекул ми аммиака или азота, наход щимис  у поверхности, с образованием нитридов железа. Часть нитридов конденсируетс  на поверхности катода, образу  поверхностный нитридный слой тол щиной до 8 мкм. Затем под действием бомбардировки ионами газа часть кит .ридов железа в нитридном слое распадаетс  с вьщелением атомов азота, которые диффундируют в глубь металла Таким образом, при азотировании в тлеющем разр де к потоку атомов азота , обусловленному термической хемосорбцией , добавл етс  поток атомов азота из нитридного сло . Напр женность электрического пол  в катодном слое тлекнцего разр да составл ет /vIO - 10 В/см. Это электрическое поле способствует переходу электронов- из металла к молекулам газа у поверхности, т.е. повышает скорость хемосорбции. Наиболее близким к изобретению по техническому решению (прототипом)  вл етс  способ азотировани  стали в тлеющем разр де 2. По этому способу азотирование осуществл ют следующим образом. Подлежащее азотированию изделие помещают в герметич:ный контейнер и присоедин ют к отрицательной клемме источника посто нного напр жени . Над поверхностью издели  устанавливают изолированный от него анод. Из контейнера откачивают воздух до разрежени  0,01 тор и одновременно нагревают контейнер до 250°С. Затем заполн ют контейнер азотом или аммиаком и смесью азота с водородом до давлени  0,1-0,2 тор и подают на электроды напр жение 1100-1400 В. При этом в газе между катодом (изделием) и анодом возникает аномальный тлеющий разр д. В аномальном тлеющем разр де при таком давлении газа плотность тока разр да может достигать 0,1 А/см, а энерги  ионов, бомбардирующих катод - до 1 кэВ. Под действием интенсивной бомбардировки поверхности катода столь высокоэнергетичными ионами происходит распыление окисных пленок и загр знений на поверхности катода. Этим осуществл етс  быстра  (за 560 мин) очистка (активаци ) поверхности издели . После активации поверхности приступают к собственно азотированию. Дл  этого напр жение на электродах понижают до 600-900 В, давление газа в контейнере повьшают до 6-8 тор, а температуру повышают до 470-580с. При этом платность тока разр да снижаетс  до 0,5-20 мА/см и уменьшаетс  энерги  ионов, бомбардирующих катод. Но в результате повьш1ени  давлени  газа увеличиваетс  скорость нась цени  поверхности издели  азотом. В этом режиме и осуществл ют азотирование в течение нескольких часов. При этом скорость азотировани , например стали ЗОХМЮА, достигает 500 мкм за 14 ч при удельной мощности разр да 10 Вт/см и удельных энергозатратах разр да на азОтирование сло  толщиной 500 мкм до -5-105 Дж/см2/-0,14 кВт-ч/см. После насьш1ени  поверхности изделш  азотом отключают напр жение, извлекают контейнер из печи, охлаждают его и повышают давление в нем до атмосферного . Затем извлекают изделие из контейнера. Азотирование в тлеющем разр де, помимо ускорени  процесса, позвол ет вести процесс не только в аммиаке, но и в чистом азоте без водорода. Это дает возможность предотвратить водородное охрупчивание металла. Недостатком азотировани  в тлеющем разр де  вл етс  низка  скорость процесса насыщени  поверхностных слоев металла азотом, она составл ет всего 500 мкм за 14 ч. Низка  скорость азотировани  в тлеющем разр де обусловлена низким рабочим давлением газа. Действительно, как растворимость газов в металле, так и скорость диффузии газа в металле, так и скорость хемосорбции газа растут с ростом давлени  газа. Поэтому применение в известном способе низкого 31 давлени  .(6-8 тор) крайне отрицатель но сказываетс  на скорости азотировани . Но в известном способе давление газа не может быть подн то выше , потому что тлеющий разр д может существовать только при низких давлени х газа. Целью предлагаемого изобретени   вл етс  увеличение скорости насыщени  металла азотом. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе азотировани  металлических изделий с помощью объ емного электрического разр да в газе , где пространство между поверхностью издели  и сопр гаемым с ней электродом заполн ют азотом или аммиаком и азотоводородной смесью, а |на злектрод и изделие подают разность электрических потенциалов, сог ласно изобретению в пространство между поверхностью издели  и электро дом ввод т пучок ионизирующего излучени  , инициирующий зажигание между п верхностью издели  и электродом Heca мосто тельного объемного разр да в газе. При этом величину разности потенциалов , подаваемых на электрод и изделие, берут меньшей напр жени  за жигани  самосто тельного разр да в газе. Кроме того, дл  инициировани  разр да используют импульсное ионизи рующее излучение, повтор ющеес  во времени. В качестве ионизирующего из лучени  используют пучок рел тивистс ких электронов. Насьщение поверхности издели  азотом ведут при повышенном давлении газа, которое измен ют от 1 до 3 ата.. Несамосто тельный сильноточный разр д, называемый в некоторых работах электроионизационным разр дом СзJ  вл етс  разновидностью объемного разр да в газе и по некоторым параметрам похож на тлеюш 1й разр д. В электроионизационном разр де ток между электродами возникает в резуль тате ионизации газа внешним источником ионизирующего излучени  (пучком рел тивистских электронов, ультрафиолетовым излучением и др.). При этом плотность тока разр да Эр может быть чрезвычайно высока и ограничиваетс  только мощностью источника из . В реальных установках, широ ко используемых дл  возбуждени  газа электроионизационных лазеров, 3 достигает А/см . Электроионизацион734 ный разр д может гореть практически при любых давлени х газа (от долей тор до дес тков атмосфер). Катодна  область в электроионизационном разр де вьфождена в тонкий (Ю см) катодный слой с высокой напр женностью электрического пол  (до 10 В/см), котора  растет с ростом Лр . Положительные ионы, как и в тлеющем разр де , ускор ютс  в электрическом поле катодного сло  и бомбардируют поверхность катода;. При этом плотность потока ионов 3j определ етс  плотностью тока разр да (3- Jp/O и достигает что раз больше, чем максимально возможна  плотность потока ионов в тлеющем разр де. Электроионизационный разр д, по сравнению с тлеющим, позвол ет достичь больше1 ° давлени  газа Р (до 10 тор), большей плотности тока разр да Зр (до 10 А/см), большей напр женности электрического пол  у поверхности катода Е (до л/Ю В/см). При, электроионизационном азотировании в разр де при столь больших Е резко возрастает, по сравнению с азотированием в тлеющем разр де, количество электронов, преодолевающих поверхностный потенциальный барьер и переход щих от металла к молекулам газа, наход щимс  у поверхности. При высоких Ё, и при высоких давлени х газа Р скорость рождени  отрицательных ионов аммиака (Щр у поверхности металла в электроионизационном разр де может быть много больше, чем в тлеющем разр де. В результате увеличиваетс  скорость хемосорбции аммиака , первой стадией которой  вл етс  рождение отрицательных ионов у поверхности металла. Увеличение скорости хемосорбции ведет к увеличению скорости азотировани . При азотировании в электроионизационном разр де, инициируемом пучком рел тивистких электронов, электроны пучка, проход  через газ разр дного промежутка, попадают на поверхность катода. При этом электроны с энергией /1 МэВ проникают в сталь на глубину до 700 мкм. В то же врем  электроны такой энергии способны рождать дислокации в кристаллической решетке металла. С повышением плотности дислокаций до глубины « 700 мкм повьшхаетс  и скорость диффузии атомов азота в металле до этой глубины. А это также ведет к увеличению скорости азотировани . S10 С целью обеспечени  больших Ир и Е, при небольшой средней во времени мощности разр да рекомендуетс  в данном изобретении использовать дл  азотировани  импульсные электроионизационные разр ды с большой частотой повторени  импульсов. Это дает р д преимуществ. Во-первых, при малой средней (потребл емой от электросети мощности установки достигаютс  повтор ющиес  с большой частотой импуль сы разр да с предельно большими Jp и Ej . А так как плотность потока электронов с катода растет с ростом Е| быстрее, чем по экспоненциальному закону, то скорость хемосорбции во врем  такого импульса повышаетс  во много раз. В результате усредненна  во времени скорость хемосорбдии такж оказываетс  большой. Во-вторых, при больших Dp в импульсе, в катодном слое активируютс  практически все молекулы газа, т.е. практически все молекулы станов тс  способными вступать в химическую св зь с железом . Это обеспечивает максимальную скорость хемосорбции молекул газа. В-третьих, в интервалах между импульсами , когда скорость хемосорбции уменьшаетс , происходит рассасывание азота из поверхностного сло  в глубь металла, и к следующему импульсу плотность азота в поверхностном слое оказываетс  меньше плотности насыщени , что дает возможность следующей порции азота хемосорбироватьс  1на освободившеес  место. Берут образцы из стали 38Х1ЦОА (ГОСТ 4543-48), железа Армко, чугуна ВЧ 45-5 (ГОСТ 7293-54) и титанового сплава ВТЗ-1 (ОСТ 1900 13-71 Образцы берут в виде шлифованных пластин 50x50x5 мм. Пластины обезжиривают бензином и ацетоном. Затем помещают пластину в контейнер объемо 5 л на подставку из плоской медной плиты на керамическом изол торе. Мед на  плита присоединена к отрицательной клемме источника высокого напр жени . Устанавливают над подлежащей азотированию поверхностью пластины плоский анод в виде алюминиевой фоль ги толщиной 50 мкм, нат нутой на рам ку из стальной проволоки и присоединенной к металлическому корпусу контейнера . Рассто ние от поверхности пластины до фольги 3 мм. Напротив анода на рассто нии 20 мм от него в верхней крьшже контейнера имеетс  окно 0 60 мм, зат нутое титановой фольгой толщиной 50 мкм и уплотненное на вакуум. Металлический корпус контейнера присоединен к положительной клемме источника высокого напр жени  и заземлен. Откачивают контейнер доразрежени  тор и одновременно нагревают до 500+50С. (Корпус контейнера нагреваетс  электроподогревателем ) . Затем заполн ют контейнер азотом или частично диссоциированным аммиаком (степень диссоциации 30%) до давлени  Р, указанного в таблице. Подают на электроды контейнера напр жение и , указанное в таблице. Через верхнее окно контейнера направл ют в него пучок рел тивистских электронов от ускорител  ЭЛИТА-1,5. Энерги  электронов пучка 1 МэВ, Длительность импульса пучка 3 мкс, частота повторени  импульсов 100 Гц, плотность тока пучка на входе в контейнер 0,1 А/см в импульсе, средн   во времени мощность пучка 1 кВт. Электроны пучка проход т через титановую фольгу верхнего окна контейнера, затем пронизывают алюминиевую фольгу анода и ионизируют газ между анодом и поверхностью обрабатываемой пластины , играющей роль катода. Затем электроны пучка бомбардируют поверхность этой пластины. Ионизирующа  способность пучка электронов в газе (скорость ионизации газа) V зависит от давлени  газа Р и приведена в таблице. При ионизации газа между поверхностью пластины и анодом возникает импульсный электроионизационньй разр д с длительностью импульса, равной длительности импульса пучка. Амплитуда тока разр да Эр и плотность тока разр да (импульсна  3, средн   по времени оср ) приведены в таблице, где также указана средн   во времени мощность разр да W , приход ща с  на 1 см катода. Под действием совместной бомбардировки поверхности пластины рел тивистскими электонами пучка и ионами плазмы разр а поверхности пластины обезгаживаетс  и активируетс . Активаци  продолаетс  2-3 мин при продувке газа чеез контейнер с расходом 5 л/мин. дновременно начинаетс  азотирование оверхности пластины. Скорость насыщени  металла азотом увеличиваетс  по мере активации поверхности. Азотирование в импульсных повтор ющихс  с частотой 100 Гц электроионизационных разр дах продолжают в течение времени, указанного в таблице, при продувке газа через контейнер. Затем выключают ускоритель и источник высокого напр жени , охлаждают контейнер и извлекают из него азотированную пластину. Результаты сведены в таблицу .This invention relates to chemical heat treatment, in particular to the nitriding of metal products. Known methods for nitriding metal surfaces in a glow discharge are known. The essence of these methods, for example, Cl3j is that in a glowing discharge of gas ions, the cathode surface of the glowing discharge and the cathode surface in the electric field cause the cathode sputtering of the metal (i.e. the evaporation of individual metal atoms from the solid surface cathode). Free iron atoms pulled out of a steel cathode interact with active (excited or ionized) ammonia or nitrogen molecules located at the surface to form iron nitrides. A portion of the nitrides condenses on the surface of the cathode, forming a surface nitride layer with a thickness of up to 8 microns. Then, under the action of gas ion bombardment, part of the iron nitrides in the nitride layer decomposes with the release of nitrogen atoms, which diffuse into the metal. Thus, when nitriding in glowing discharge, a stream of nitrogen atoms from nitride is added to the nitrogen atom flux caused by thermal chemisorption. lay The intensity of the electric field in the cathode layer of the discharge is / VIO - 10 V / cm. This electric field facilitates the transition of electrons from a metal to gas molecules at the surface, i.e. increases the rate of chemisorption. The closest to the invention according to the technical solution (prototype) is the method of nitriding steel in glow discharge 2. According to this method, nitriding is carried out as follows. The product to be nitrided is placed in a hermetic container and connected to the negative terminal of a constant voltage source. Over the surface of the product set isolated from the anode. Air is pumped out of the container to a vacuum of 0.01 Torr and at the same time the container is heated to 250 ° C. Then the container is filled with nitrogen or ammonia and a mixture of nitrogen and hydrogen to a pressure of 0.1-0.2 torr and a voltage of 1100-1400 V is applied to the electrodes. In this case, an anomalous glow discharge occurs in the gas between the cathode (product) and the anode. In an anomalous glow discharge with such a gas pressure, the discharge current density can reach 0.1 A / cm, and the energy of the ions bombarding the cathode can be up to 1 keV. Under the action of intense bombardment of the cathode surface by such high-energy ions, sputtering of oxide films and soils on the cathode surface occurs. This is a quick (560 min) cleaning (activation) of the product surface. After activation of the surface proceed to the actual nitriding. For this, the voltage on the electrodes is reduced to 600-900 V, the gas pressure in the container is increased to 6-8 Torr, and the temperature is increased to 470-580s. At the same time, the charge current of the discharge decreases to 0.5–20 mA / cm and the energy of the ions bombarding the cathode decreases. But as the pressure of the gas increases, the speed of the gas being assessed with nitrogen is increased. In this mode, nitriding is carried out for several hours. At the same time, the rate of nitriding, for example, of the ZOCHMUA steel, reaches 500 microns in 14 hours at a specific discharge power of 10 W / cm and specific power consumption of discharge for azoTation of a layer 500 microns thick to -5-105 J / cm2 / -0.14 kW- h / cm After the surface is treated with nitrogen, the voltage is disconnected, the container is removed from the furnace, it is cooled and the pressure in it is increased to atmospheric. Then remove the product from the container. Nitriding in the glow discharge, in addition to speeding up the process, allows the process to be conducted not only in ammonia, but also in pure nitrogen without hydrogen. This makes it possible to prevent hydrogen embrittlement of the metal. The glowing discharge nitride is low in the rate of saturation of the surface layers of the metal with nitrogen; it is only 500 µm in 14 hours. The low rate of nitriding in glow discharge is due to the low operating pressure of the gas. Indeed, both the solubility of gases in a metal, and the rate of diffusion of gas in a metal, and the rate of gas chemisorption increase with increasing gas pressure. Therefore, the application in the known method of low pressure (6-8 torr) extremely negatively affects the rate of nitriding. But in a known method, the gas pressure cannot be raised higher, because the glow discharge can exist only at low gas pressures. The aim of the invention is to increase the rate of saturation of the metal with nitrogen. This goal is achieved by the fact that in the method of nitriding metal products using a volume electric discharge in a gas, where the space between the surface of the product and the associated electrode is filled with nitrogen or ammonia and a nitrogen-hydrogen mixture, the electric difference is applied to the electrode and the product according to the invention, a beam of ionizing radiation is introduced into the space between the surface of the product and the electrode, which initiates the ignition between the surface of the product and the Heca electrode Low in gas. In this case, the magnitude of the potential difference applied to the electrode and the product takes a lower voltage to burn the self-sustained discharge in the gas. In addition, pulsed ionizing radiation, repeated in time, is used to initiate the discharge. A beam of relativistic electrons is used as ionizing radiation. The product surface is filled with nitrogen at an elevated gas pressure, which varies from 1 to 3 atmospheres. The non-self-sustaining high-current discharge, called in some works by the electron-ionization discharge CsJ, is a type of volumetric discharge in gas and, in some respects, is similar to tleyush 1st discharge. In the electron-discharge discharge, the current between the electrodes arises as a result of the ionization of the gas by an external source of ionizing radiation (a beam of reactivistic electrons, ultraviolet radiation, etc.). At the same time, the current density of the discharge Er can be extremely high and is limited only by the power source from. In real installations, which are widely used to excite gas from ionization lasers, 3 reaches A / cm. The electro-ionization734 discharge can burn at virtually any gas pressure (from fractions of a torus to ten atmospheres). The cathode region in an electron-ionization discharge is generated in a thin (10 cm) cathode layer with a high electric field strength (up to 10 V / cm), which increases with increasing Lp. Positive ions, as in a glow discharge, are accelerated in the electric field of the cathode layer and bombard the surface of the cathode ;. At the same time, the ion flux density 3j is determined by the discharge current density (3-Jp / O and achieves what is more than the maximum possible ion flux density in a glow discharge. The electro-ionization discharge, in comparison with the glow, allows to achieve more than 1 ° pressure gas P (up to 10 torr), greater current density of discharge Zp (up to 10 A / cm), greater intensity of the electric field at the cathode surface E (up to l / S V / cm). When electrization nitriding in the discharge at such large E increases dramatically compared to nitriding in glow discharges, The number of electrons that overcome the surface potential barrier and transfer from the metal to the gas molecules located at the surface. At high E, and at high gas pressures P, the rate of production of negative ammonia ions (Schr at the surface of the metal in the ionization gap can be much higher than in the glow discharge. As a result, the rate of ammonia chemisorption increases, the first stage of which is the production of negative ions at the metal surface. An increase in the rate of chemisorption leads to an increase in the rate of nitriding. When nitriding in an electron-ionized discharge initiated by a beam of reactive electrons, the electrons of the beam, passing through the gas of the discharge gap, fall on the cathode surface. In this case, electrons with energy / 1 MeV penetrate into the steel to a depth of 700 μm. At the same time, electrons of such energy are capable of generating dislocations in the crystal lattice of a metal. With an increase in the density of dislocations to a depth of 700 microns, the rate of diffusion of nitrogen atoms in the metal to this depth also increases. This also leads to an increase in the rate of nitriding. S10 With the purpose of providing large Ir and E, with a small average time of discharge power, it is recommended in this invention to use pulsed electron-ionization discharges with a high pulse repetition rate for nitriding. This gives a number of benefits. First, at a small average power (the power of the installation consumed from the power supply network is achieved, repetitive discharge pulses with a high frequency with extremely large Jp and Ej are reached. And since the electron flux density from the cathode grows with increasing Е | faster than the exponential law then the rate of chemisorption increases many times during such a pulse. As a result, the time-averaged rate of chemisorption is also large. Secondly, for large Dp in a pulse, almost all gas molecules are activated in the cathode layer, i.e. and all molecules become capable of entering into chemical bonds with iron. This ensures the maximum rate of chemisorption of gas molecules. Thirdly, in the intervals between pulses, when the rate of chemisorption decreases, nitrogen is resorbed from the surface layer into the metal, and the next pulse The density of nitrogen in the surface layer is less than the density of saturation, which makes it possible for the next portion of nitrogen to chemisorb 1 to the free space. Samples are taken from steel 38Kh1TSOA (GOST 4543-48), Armko iron, HF 45-5 cast iron (GOST 7293-54) and VTZ-1 titanium alloy (OST 1900 13-71. Samples are taken in the form of ground plates 50x50x5 mm. The plates are degreased with gasoline and acetone. Then place the plate in a 5 l container on a flat copper plate stand on a ceramic insulator. Honey on the plate is attached to the negative terminal of a high voltage source. A flat anode in the form of aluminum foil 50 µm thick is installed over the surface of the plate to be nitrided. pulled on a frame with The distance from the surface of the plate to the foil is 3 mm. Opposite the anode at a distance of 20 mm from it in the upper edge of the container there is a window 0 60 mm thicked with titanium foil 50 µm thick and sealed on the vacuum. The metal case of the container is connected to the positive terminal of the high voltage source and grounded. The container is evacuated from the container and simultaneously heated to 500 + 50 ° C. (The container body is heated by an electric heater). Then the container is filled with nitrogen or partially dissociated ammonia (the degree of dissociation is 30%) to the pressure P indicated in the table. A voltage is applied to the electrodes of the container and indicated in the table. A beam of relativistic electrons from the ELITE-1.5 accelerator is directed into it through the upper window of the container. The electron energy of the beam is 1 MeV, the pulse duration of the beam is 3 μs, the pulse repetition frequency is 100 Hz, the current density of the beam at the entrance to the container is 0.1 A / cm per pulse, the average time beam power is 1 kW. The beam electrons pass through the titanium foil of the upper window of the container, then penetrate the aluminum foil of the anode and ionize the gas between the anode and the surface of the processed plate, which acts as a cathode. Then the beam electrons bombard the surface of this plate. The ionizing capacity of an electron beam in a gas (gas ionization rate) V depends on the gas pressure P and is given in the table. When a gas is ionized between the surface of the plate and the anode, a pulsed electroionization discharge arises with a pulse duration equal to the duration of the beam pulse. The amplitude of the discharge current Er and the discharge current density (pulsed 3, time average apt) are given in the table, which also shows the time average power of the discharge W per second 1 cm cathode. Under the action of joint bombardment of the plate surface with relativistic electrons of the beam and plasma ions, the discharge of the plate surface is degassed and activated. The activation continues for 2-3 minutes while purging the gas through the container at a flow rate of 5 l / min. at the same time, nitriding of the surface of the plate begins. The rate of saturation of the metal with nitrogen increases as the surface is activated. Nitriding in pulsed electron-discharge discharges with a frequency of 100 Hz is continued for the time indicated in the table when gas is blown through the container. Then, the accelerator and the high voltage source are turned off, the container is cooled and the nitrated plate is removed from it. The results are tabulated.

Изобретение обладает следующими преимуществами перед известными способами:The invention has the following advantages over known methods:

-повышаетс  рабочее давление газа до нормальных (атмосферных) и бол высоких давлений, что создает удобство эксплуатации установок;- the working pressure of the gas increases to normal (atmospheric) and high pressure pressures, which creates ease of operation of the installations;

-повышаетс  скорость азотировани ;- the rate of nitriding increases;

-скорость насыщени  металла азотом остаетс  высокой и при больших толщинах насыщаемого азотом сло  металла;- the rate of saturation of the metal with nitrogen remains high even with large thicknesses of the metal layer saturated with nitrogen;

-уменьшаютс  энергозатраты на азотирование.- The energy consumption for nitriding is reduced.

Оценку экономического эффекта от использовани  изобретени  провод т следуювщм образом. При азотировании в электроионизационном разр де соEvaluation of the economic effect of the use of the invention is carried out as follows. When nitriding in electroionization discharge de co

средней мощностью разр да 19 Вт/см слой толщиной 500 мкм насьпдаетс  азотом за 20 мин (см. таблицу). Следовательно, удельные энергозатраты разр да на азотирование сло  стали такой толщины составл ет 2,3-10 Дж/см . Кроме того, затрачиваетс  энерги  электронного пучка от ускорител  S количестве W,-t it/S 0,28 -10 .Тж/см , где VI 1 кВт мощность ускорител , 5 25 см площадь поверхности обрабатываемого издели , t 20 мин - врем  азотировани , .4 0,6 - КПД ускорител . Итак, полные удельные энергозатраты на создание разр да при азотировании сло  стали толщиной 500 мкм составл ют 2,58-10 Дж/см 0,072 кВт.ч/с В то же врем  как при азотировании в тлеющем разр де энергозатраты разр да на азотирование сло  стали толщиной 500 мкм составл ют. 5-10 Дж/см 0,14 кВт-ч/см. Это создает эконо1мию электроэнергии 680 , что при стоимости электроэнергии 2 коп за 1 кВт - ч создает экономию 13,6 руб/м . Кроме того, в результате сокращени  времени азотировани With an average discharge power of 19 W / cm, a layer with a thickness of 500 µm is filled with nitrogen in 20 minutes (see table). Consequently, the specific energy consumption of the discharge for nitriding of a layer of steel of such thickness is 2.3-10 J / cm. In addition, the electron beam energy from the accelerator S is consumed in an amount of W, -t it / S 0.28-10. Tzh / cm, where VI is 1 kW of accelerator power, 5 25 cm surface area of the workpiece, t 20 min is the nitriding time, .4 0.6 - Accelerator efficiency. So, the total specific energy consumption for creating a discharge when nitriding a layer of steel with a thickness of 500 µm is 2.58-10 J / cm 0.072 kWh / s. At the same time, during nitriding in a glow discharge, the energy consumption of a discharge for nitriding a steel layer 500 microns thick make up. 5-10 J / cm 0.14 kWh / cm. This creates an energy saving of 680, which means that when the cost of electricity is 2 kopeks per 1 kWh, it saves 13.6 rubles / m. In addition, as a result of shortening the nitriding time

ОТ-14 ч до 20 мин в 40 раз сокращаетс  потребление энергии печами14 hours to 20 minutes reduces energy consumption of furnaces by 40 times.

:подогрева контейнеров.: heated containers.

Давление газа Р, ата - 13 Напр жение и, кВ4,5 13,5 1,5 4, Скорость ионизации V 10 пар ионов/см, с 39 Амплитуда тока разр да 1, кА 0,35 0,6 0,3 0, Импульсна  плотность тока разр да 1р, А/см 14 24 1 11 11 1 4,5 1,5. 4,5 1,5 4,5 1,5 0,35 0,3 0,35 0,3 0,35 0,3 14 12 14 12 14 12Gas pressure P, ata - 13 Voltage and, kV4.5 13.5 1.5 4, Ionization rate V 10 ion pairs / cm, s 39 Amplitude of discharge current 1, kA 0.35 0.6 0.3 0 , Impulse current density of discharge 1p, A / cm 14 24 1 11 11 1 4.5 1.5. 4.5 1.5 4.5 1.5 0.35 0.3 0.35 0.3 0.35 0.3 14 12 14 12 14 12

Материал образцаSample material

Параметр Род газа Сталь 38XMICA NHj NHj N,JN, Средн   во времени плотность тока разр да; )р.ср,тА/см2 4,2 7,2 3,6 6 4,2 Средн   во времени удельна  мощность разр да , W.BT/CM 19 97 5,4 27 19 Чугун ВЧ45-5 Сплав втз-1 Железо армко N2 Щ N NHj . 3,6 4,2 3,б 4,2 3,6 5,4 19 5,4 19 5,4Parameter Gas type Steel 38XMICA NHj NHj N, JN, Time average discharge current density; ) R.Sr, mA / cm2 4.2 7.2 3.6 6 4.2 Average time specific power of discharge, W.BT/CM 19 97 5.4 27 19 Cast iron HF45-5 Alloy vtz-1 Iron Armco N2 W N NHj. 3,6 4,2 3, b 4,2 3,6 5,4 19 5,4 19 5,4

Claims (6)

1. СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ с помощью объемного электрического разряда в газе между поверхностью изделия и сопрягаемым с ней электродом, включающий заполнение пространства между изделием и электродом азотом или аммиаком и азотоводородной смесью и подачу на электрод и изделие разности электрических потенциалов, отличающийся тем, что, с целью повышения скорости насыщения металла азотом, в пространство между поверхностью изделий и электродом вводят пучок ионизирующего излучения, инициирующий зажигание между поверхностью изделия и электродом несамостоятельного объемного разряда в газе.1. METHOD OF NITROGENING METAL PRODUCTS using a volume electric discharge in gas between the surface of the product and the electrode mating with it, including filling the space between the product and the electrode with nitrogen or ammonia and a hydrogen-hydrogen mixture and supplying to the electrode and the product a difference in electric potentials, characterized in that, in order to increase the rate of metal saturation with nitrogen, a beam of ionizing radiation is introduced into the space between the surface of the product and the electrode, initiating ignition between the surface Tew products and electrode non-self-contained volume discharge in the gas. 2. Способ по π. 1, о т л и чающий с я тем, что величину разнос ти потенциалов, подаваемых на электрод и изделие, берут меньшей напряжения самостоятельного разряда в газе.2. The method according to π. 1, with the fact that the magnitude of the difference in potentials supplied to the electrode and the product is taken to be lower than the voltage of the self-discharge in the gas. 3. Способ поп. 1,отличающ и й с я тем, что для инициирования разряда используют импульсы ионизирующего излучения, повторяющиеся во времени.3. The method of pop. 1, characterized in that in order to initiate a discharge, pulses of ionizing radiation are used that are repeated in time. 4. Способ поп. 1, о т л и чающий с. я TeMj что в качестве ионизирующего излучения используют пучок релятивистских электронов.4. The way to pop. 1, about l and ch. I TeMj that a beam of relativistic electrons is used as ionizing radiation. 5. Способ поп. 1,отличающ и й с я тем, что насыщение по верхности изделия азотом ведут при повышенном давлении газа.5. The method of pop. 1, characterized in that the saturation of the surface of the product with nitrogen is carried out at elevated gas pressure. 6. Способ по п. 5, отличаю-* щ и й с я тем, что насыщение ведут при давлении газа от 1 до 3 ата.6. The method according to claim 5, characterized in that the saturation is carried out at a gas pressure of from 1 to 3 atmospheres. СО СП Од м 00SO SP Od m 00 1095673 . 21095673. 2
SU802964869A 1980-07-25 1980-07-25 Method of nitriding metal articles SU1095673A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU802964869A SU1095673A1 (en) 1980-07-25 1980-07-25 Method of nitriding metal articles

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU802964869A SU1095673A1 (en) 1980-07-25 1980-07-25 Method of nitriding metal articles

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU1095673A1 true SU1095673A1 (en) 1985-01-30

Family

ID=20911415

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU802964869A SU1095673A1 (en) 1980-07-25 1980-07-25 Method of nitriding metal articles

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU1095673A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2693238C1 (en) * 2018-10-18 2019-07-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Оренбургский государственный университет" Hard alloys hardening method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали, М., Машиностроение, 1976. 2.Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование в тлеющем разр де. НИИИнформт жмаш, № 8, М., 1974. 3.Авторское свидетельство СССР № 356824, кл. Н 05 Н 1/00, 1972. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2693238C1 (en) * 2018-10-18 2019-07-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Оренбургский государственный университет" Hard alloys hardening method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5015493A (en) Process and apparatus for coating conducting pieces using a pulsed glow discharge
Gavrilov et al. New broad beam gas ion source for industrial application
US20100139691A1 (en) Method for the plasma cleaning of the surface of a material coated with an organic substance and the installation for carrying out said method
US4500564A (en) Method for surface treatment by ion bombardment
CN109797363B (en) Arc light electron source assisted ion nitriding process
US20110011737A1 (en) High-power pulse magnetron sputtering apparatus and surface treatment apparatus using the same
JP2792558B2 (en) Surface treatment device and surface treatment method
US5818040A (en) Neutral particle beam irradiation apparatus
USH566H (en) Apparatus and process for deposition of hard carbon films
JPH02281734A (en) Treating method of surface by plasma
Wagner et al. Negative oxygen ions in a pulsed RF-discharge with inductive coupling in mixtures of noble gases and oxygen
RU2413033C2 (en) Procedure for plasma nitriding item out of steel or non-ferrous alloy
SU1095673A1 (en) Method of nitriding metal articles
RU2686975C1 (en) Method of ion-plasma nitriding of articles from titanium or titanium alloy
JP2002194527A (en) Nitriding equipment with electron beam excitation plasma
Janosi et al. Controlled hollow cathode effect: new possibilities for heating low-pressure furnaces
JP2002212740A (en) Hybrid pulse plasma vapor deposition apparatus
JP2009191344A (en) Method for forming film containing cubic boron nitride
JP2781944B2 (en) Method and apparatus for ion nitriding aluminum material
Yu et al. A review of microelectronic film deposition using direct and remote electron-beam-generated plasmas
Bach et al. Production of aluminum clusters by direct laser vaporization of aluminum nitride
RU2312932C2 (en) Device for vacuum plasma treatment of articles
JP2594961B2 (en) Gas ion source device
RU2607288C2 (en) Method for gas-discharge sputtering of films
Khoo et al. Improvement of the surface layer of steel using microwave plasma nitriding