СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ ДЕТАЛИ ИЗ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
METHOD FOR NITRIDING PARTS FROM ALLOYED STEEL

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., Коган Л.Д. 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).
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 (патент РФ № 2559606, МПК C23C 8/02,опубл. 10.08.2015).
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. и др.
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 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.
аз
деф
аз
Технический результат достигается тем, что в способе 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 (H), в отличие от прототипа активацию поверхности детали перед азотированием проводят в два этапа, на первом этапе осуществляют поверхностное пластическое  деформирование детали, обеспечивая от 1,1 до 1,2 раз превышение толщины измененного в результате поверхностного пластического  деформирования слоя  (H) над толщиной формируемого азотированного слоя  (H), а затем на втором этапе активации проводят     высокоэнергетическую ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота обеспечивающую формирование в поверхностном слое детали на глубину азотирования радиационных дефектов кристаллической структуры, обеспечивающих равновеликий процесс диффузии азота внутри зерен металла и по их границам.
m
17
-2
17
-2
15
-1
15
-1
Кроме того, возможно использование в способе следующих дополнительных приемов: высокоэнергетическую ионно-имплантационную обработку поверхности деталипроводят при энергии ионов от 20 до 24 кэВ, дозе облучения от 1,2⋅10 см до 1,3⋅10 см, скорости набора дозы облучения от 0,7⋅10 с до 1,2⋅10 с ; поверхностную пластическую  деформацию проводят  ультразвуковым инструментом при частоте f=17-20 кГц и амплитуде ξ=4-16 мкм акустических колебаний и усилием его прижима к детали 40-160 H; 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.
На фиг. представлены  микрофотографии азотированных слоев легированной стали. (Фигура содержит:  a – азотированный слой при традиционном ионном азотировании;   b – при  азотировании, с предварительной активацией пор схеме:  ППД  + высокоэнергетической ионной имплантацией. 1 – поверхность образца, 2 – область образования нитридной сетки, 3 – азотированный слой).
Для оценки эксплуатационных свойств деталей, обработанных по предлагаемому способу, были проведены следующие испытания. Образцы из высоколегированных сталей 20Х13,  40Х, 40ХН  были подвергнуты обработке как по способам-прототипам (А.С. СССР №1574679, патент РФ №2144095), согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам обработки, так и по вариантам предлагаемого способа.
Режимы обработки образцов по предлагаемому способу
17
-2
17
-2
17
-2
17
-2
15
-1
15
-1
15
-1
15
-1
15
-1
Ионная имплантация при обработке деталей из легированных сталей перед азотированием  проводилась по следующим режимам: имплантируемые ионы азота  N; доза - 1,0⋅10 см - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 1,2⋅10см - удовлетворительный результат (У.Р.); 1,3⋅10см(У.Р.); 1,5⋅10см (Н.Р.); скорость набора дозы облучения - 0,5⋅10 с(Н.Р.); 0,7⋅10 с (У.Р.); 1⋅10 с(У.Р.);  1,3⋅10 с(У.Р.); 1,5⋅10 с (Н.Р.), энергия: 18 кэВ (Н.Р.); 20 кэВ (У.Р.); 22 кэВ(У.Р.); 24 кэВ (У.Р.);  27 кэВ (Н.Р.).
деф
аз
аз
аз
аз
Глубина поверхностного пластического  деформирования (ППД) детали (H): 0,9 H-(Н.Р.);  1,1 H-(У.Р.);  1,2 H-(У.Р.);  1,4 H-(Н.Р.).
m)
Проведение ППД:  ультразвуковым инструмент;  частота, (f) : 15 кГц -(Н.Р.);  17 кГц -(У.Р.); 20кГц -(У.Р.); 23 кГц -(Н.Р.);  амплитуда акустических колебаний, (ξ:2 мкм -(Н.Р.);   4 мкм -(У.Р.);  8 мкм -(У.Р.); 12 мкм -(У.Р.);  16 мкм -(У.Р.);  18 мкм -(Н.Р.);  усилие прижима инструмента к детали:  30 H -(Н.Р.);  40 H -(У.Р.);  80 H -(У.Р.);  120 H -(У.Р.);     160 H -(У.Р.);  200 H -(Н.Р.).
Азотирование деталей проводили газовым и ионно-плазменным методами (отличие предлагаемого способа от существующих состояло в предварительной активации поверхности поверхностным пластическим деформированием и  ионно-имплантационной обработкой). В качестве одного из методов азотирования  применяли ионное  азотирование.
Испытания показали на повышение износостойкости образцов по сравнению с прототипом от  3,5 до 3,8 раз.  (Таблицы 1-3) (т.е. в результате использования активирования поверхности перед азотированием). Скорость азотирования за счет увеличения скорости диффузии возросла приблизительно в 1,3…1,6 раза. Исследование образцов показало на повышение однородности структуры диффузионной зоны материалов и отсутствие нитридной сетки при азотировании по предложенному способу.
m
17
-2
17
-2
15
-1
15
-1
Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе азотирования  детали из легированной стали следующих существенных признаков: размещение детали в рабочей камере; активация 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; проведение активации поверхности детали перед азотированием в два этапа, на первом этапе осуществляют поверхностное пластическое  деформирование детали, обеспечивая от 1,1 до 1,2 раз превышение толщины измененного в результате поверхностного пластического  деформирования слоя  над толщиной формируемого азотированного слоя , а затем на втором этапе активации   проводят     высокоэнергетическую ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота, обеспечивающую формирование в поверхностном слое детали на глубину азотирования радиационных дефектов кристаллической структуры, обеспечивающих равновеликий процесс диффузии азота внутри зерен металла и по их границам; проведение высокоэнергетической ионно-имплантационной обработки поверхности деталипри энергии ионов от 20 до 24 кэВ, дозе облучения от 1,2⋅10 см до 1,3⋅10 см, скорости набора дозы облучения от 0,7⋅10 с до 1,2⋅10 с;  проведение поверхностной пластической  деформации ультразвуковым инструментом при частоте f=17-20 кГц и амплитуде ξ=4-16 мкм акустических колебаний и усилием его прижима к детали 40-160 H; использование в качестве метода азотирования  ионного азотирования позволяет обеспечить заявленный технический результат предлагаемого изобретения - повышение производительности и качества процесса азотирования, а также повышение износостойкости азотированного слоя деталей из легированных сталей.
Таблица1
Износостойкость образцов из легированных сталей 20Х13 после ХТО
№ партииобразцов
Материал
Вид обработки
Потеря массы, ∆m⋅10<sup>-4</sup> г
Коэффициент трения (без смазки)
0
20Х13
ИС
368
0,19-  0,18
1
ВЭИИА
154
0,16-  0,15
2
ГА
78
0,17-  0,16
3
ИА
64
0,16-  0,15
4
ППД+ВЭИИА +ГА
22
0,16-  0,15
5
ППД+ВЭИИА + ГА
16
0,15-  0,16
Таблица 2
Износостойкость образцов из легированных сталей 40Х после ХТО
№ партииобразцов
Материал
Вид обработки
Потеря массы, ∆m⋅10<sup>-4</sup> г
Коэффициент трения (без смазки)
0
40Х
ИС
324
0,20-  0,19
1
ВЭИИА
108
0,17-  0,16
2
ГА
65
0,18-  0,17
3
ИА
53
0,17-  0,16
4
ППД+ ВЭИИА +ГА
19
0,17-  0,16
5
ППД+ВЭИИА + ГА
12
0,16-  0,15
Таблица3
Износостойкость образцов из легированных сталей 40ХН после ХТО
№ партииобразцов
Материал
Вид обработки
Потеря массы, ∆m⋅10<sup>-4</sup> г
Коэффициент трения (без смазки)
0
40ХН
ИС
334
0,20-  0,19
1
ВЭИИА
117
0,16-  0,15
2
ГА
69
0,17-  0,16
3
ИА
58
0,16-  0,15
4
ППД+ ВЭИИА +ГА
21
0,16-  0,15
5
ППД+ВЭИИА + ГА
15
0,15-  0,16