СПОСОБ ИОННОГО АЗОТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
METHOD FOR ION NITRIDING OF PRODUCTS MADE OF CONSTRUCTION ALLOY STEELS

Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке, в частности к комбинированным процессам металлизации с азотированием сталей, и может быть использовано при изготовлении деталей из конструкционных легированных сталей, работающих в условиях коррозии и износа.
-3
-2
2
-4
-4
2
Известен способ формирования износостойкого покрытия на поверхности изделий из конструкционной стали, который заключается в ионно-плазменном азотировании в среде реактивного газа - азота, очистке поверхности детали и нанесение нитрида титана из плазменной фазы. Азотирование, очистку поверхности и нанесение нитрида титана осуществляют в одной вакуумной камере в плазме дугового и газового разрядов с накаленным катодом в едином цикле при давлении реактивного газа 5*10-2*10 мм рт. ст., отрицательном напряжении смещения на деталях 300-1000 В и плотности ионного тока 2-8 мА/см в течение 30-90 мин, очистку проводят в плазме инертного газа - аргона при давлении 3*10-7*10 мм рт. ст. и плотности тока 3-5 мА/см, а нанесение нитрида титана осуществляют со скоростью 2 мкм/ч в течение 60 - 90 мин (см. патент РФ №2131480, МПК С23С 14/06, С23С 14 /48, опубл. 1999 г.). Недостатком данного способа является неудовлетворяющая требованиям коррозионная стойкость.
Известен способ азотирования изделия из стали в плазме тлеющего разряда, принятый в качестве прототипа, включающий размещение изделия в вакуумной камере и присоединение изделия к высоковольтному источнику питания, герметизацию вакуумной камеры и создание в ней высокого вакуума с последующей заменой на атмосферу чистого азота, получение стабильной плазмы тлеющего разряда в атмосфере чистого азота с помощью высоковольтного источника питания и потока электронов от вольфрамовой нити накала, установленной параллельно оси вакуумной камеры (см. патент РФ №2590439, МПК С23С 8/36, С23С 14/06, опубл. 2016 г.). Под действием магнитного поля происходит активация ионов азота, увеличивается их количество, что приводит к интенсификации диффузионных процессов при азотировании.
Недостатком данного способа является снижение коррозионной стойкости, а как следствие, недостаточная износостойкость.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение коррозионной стойкости изделий, при сокращении времени на обработку, за счет сокращения количества подготовительных технологических операций.
2
Поставленная техническая задача решается тем, что в способе ионного азотирования изделий из конструкционных легированных сталей который заключается в том, что изделия размещают в камере герметичной вакуумной установки и осуществляют их нагрев в азотосодержащей газовой среде, используя плазменный тлеющий разряд, и последующие изотермическую выдержку в плазме тлеющего разряда до достижения необходимой глубины диффузионного слоя и охлаждение, согласно изобретению после изотермической выдержки проводят процесс металлизации путем магнетронного напыления на поверхность изделия паров хрома и никеля с возможностью формирования на азотированной поверхности изделий слоя конденсированного металла, при этом процесс металлизации проводится в защитной атмосфере углекислого газа СО.
3
На решение поставленной технической задачи направлено также то, что нагрев, изотермическую выдержку и охлаждение изделий проводят в атмосфере аммиака NH, причем изотермическую выдержку осуществляют в интервале температур Т=750…850°С в течении 30-60 минут.
Решение поставленной технической задачи достигается за счет магнетронного напыления хрома и никеля, образующего слой с высокой коррозионной стойкостью, предварительное ионное азотирование, позволяет повысить износостойкость и твердость диффузионного слоя. За счет диффузионной природы протекающих процессов слои, полученные комбинированным способом, имеют хорошую адгезию.
3
3
2
Способ ионного азотирования изделий из конструкционных легированных сталей заключается в том, что изделия помещают в камеру вакуумной установки, после чего проводят ее герметизацию. Затем подают азотосодержащий газ, а именно, диссоциированный аммиак NH и зажигают газовый разряд для нагрева. Изделия выдерживают в плазме тлеющего разряда до достижения необходимой глубины диффузионного слоя. Последующий процесс металлизации проводят методом конденсации паров, содержащих никель и хром, полученных путем магнетронного распыления проволоки из хромели. Нагрев, изотермическую выдержку и охлаждение изделий проводят в атмосфере аммиака NH. Нанесение металла проводят с помощью магнетронного напыления в защитной атмосфере углекислого газа СО, причем изотермическую выдержку осуществляют в интервале температур Т=750…850°С в течении 30-60 мин.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
1. В специальный контейнер помещают проволоку из хромели, затем контейнер помещают в реактор.
3
2. Детали из конструкционных легированных сталей помещают в камеру, камеру герметизируют и производят подачу диссоциированного аммиака NH.
3
3. Далее проводят процесс ионного азотирования в течение 60 мин. в атмосфере диссоциированного аммиака NH при давлении 3-12 мм.рт.ст., что позволяет получить диффузионный слой необходимой глубины.
2
4. После охлаждения изделий в атмосфере аммиака проводят металлизацию поверхности детали с помощью магнетронного распыления паров металла содержащих никель и хром в защитной атмосфере углекислого газа СО. Металл, формирующий модифицированное покрытие, осаждается из парообразного состояния путем конденсации на изделии.
Таким образом, способ ионного азотирования изделий представляет собой комбинированный способ азотирования и металлизации, который позволяет получить на поверхности деталей из конструкционных сталей модифицированные слои с толщиной до 150-200 мкм и 15-20 мкм, соответственно, за счет осуществления комплексной обработки деталей в одном технологическом цикле работы установки.
Изобретение поясняется иллюстрациями где, на фиг. 1 и 2 представлены фотографии структуры упрочненного слоя образцов из конструкционных легированных сталей соответственно 30ХГСА и 18Х2Н4ВА. Показаны толщины упрочненного и напыленного hi слоев.
Для сравнения заявляемого способа с прототипом были проведены исследования деталей-образцов из сталей 18ХГТ, 30ХГСА и 18Х2Н4ВА, подвергнутых только ионному азотированию. Осуществимость и преимущества предлагаемого способа могут быть рассмотрены на представленных ниже примерах.
1. Обработка методом азотирования деталей-образцов из сталей 18ХГТ, 30ХГСА, 18Х2Н4ВА по способу, изложенному в прототипе. Детали - образцы азотировали в среде чистого азота при температуре Т=750…850°С, выдерживали 3 часа, затем охлаждали в камере. Толщина упрочненного слоя и значения коррозионной стойкости указаны в таблице.
2. Обработка деталей-образцов из сталей 18ХГТ, 30ХГСА, 18Х2Н4ВА по предлагаемому способу. Детали - образцы азотировали в камере вакуумной установки при температуре Т=750…850°С в течение 60 минут, затем охлаждали и проводили процесс металлизации из сплава, содержащего никель и хром (хромель) в течение 1 часа. Толщина слоя и значения коррозионной стойкости указаны в таблице. Сравнение коррозионной стойкости деталей - образцов, обработанных по предлагаемому способу и обработанных способом, указанным в прототипе, показывает, что она значительно выше для всех испытываемых материалов деталей-образцов.
Из таблицы видно, что способ изложенный в прототипе - процесс азотирования в среде чистого азота - показывает невысокую коррозионную стойкость.
Предлагаемый комбинированный способ ионного азотирования, совмещенный с процессом металлизации, позволяет повысить коррозионную стойкость и сократить время на их обработку.
2
Оценка коррозионной стойкости проводилось путем подсчета количества точек поверхностной коррозии на 1 см. Испытание на коррозионную стойкость определяется «Коррозией пятен» (см. СТАНДАРТИЗОВАННЫЕ МЕТОДЫ КОРРОЗИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ, Казань 2011, 55 стр.)
2
1
Предлагаемый способ позволяет осуществлять комплексную обработку в одном технологическом цикле работы установки, состоящем из диффузионного насыщения поверхности азотом и металлизации методом осаждения из паров, содержащих никель и хром на поверхность, в результате чего формируется слой конденсированного металла на азотированной поверхности. При этом толщина модифицированного слоя составляет до h=150-200 мкм, а слоя конденсированного металла до h=20 мкм.
Таким образом, способ ионного азотирования изделий из конструкционных легированных сталей позволяет повысить коррозионную стойкость изделий и сократить время на их обработку.