RU2640703C2 - Method of local processing steel articles under ionic nitrogen in magnetic field - Google Patents
Method of local processing steel articles under ionic nitrogen in magnetic field Download PDFInfo
- Publication number
- RU2640703C2 RU2640703C2 RU2016110289A RU2016110289A RU2640703C2 RU 2640703 C2 RU2640703 C2 RU 2640703C2 RU 2016110289 A RU2016110289 A RU 2016110289A RU 2016110289 A RU2016110289 A RU 2016110289A RU 2640703 C2 RU2640703 C2 RU 2640703C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic field
- nitriding
- zone
- magnetic
- steel product
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области химико-термической обработки, а именно вакуумному ионно-плазменному азотированию, и может быть использовано в машиностроении и других областях промышленности для локального поверхностного упрочнения широкого ассортимента деталей машин и инструмента.The invention relates to the field of chemical-thermal treatment, namely vacuum ion-plasma nitriding, and can be used in mechanical engineering and other industries for local surface hardening of a wide range of machine parts and tools.
Известен способ (патент РФ №2534906, кл. С23С 8/36, H01J 37/00, 10.12.2014) локальной обработки изделий, включающий создание макронеоднородной структуры материала посредством азотирования с перфорированным экраном, плотно прилегающего к обрабатываемой детали. В ячейке экрана формируется плазма с повышенной концентрацией частиц (возникает эффект полого катода), таким образом осуществляется возможность получения на поверхности чередующихся, азотированных в тлеющем разряде с эффектом полого катода участков с неазотированными участками.A known method (RF patent No. 2534906,
Недостатком аналога является сложность изготовления перфорированного экрана для деталей со сложной конфигурацией формы.The disadvantage of the analogue is the complexity of manufacturing a perforated screen for parts with a complex shape configuration.
Известен способ (патент РФ №2402632, кл. С23С 8/36, 29.12.2008) локального азотирования деталей в плазме тлеющего разряда, включающий размещение детали в вакуумной камере и присоединение детали 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, который создают нагревом нити накала до температуры 2000-2500°С, при этом поток электронов сжимают электромагнитным полем с образованием плазмы тлеющего разряда в виде диска.A known method (RF patent No. 2402632,
Недостатком аналога является сложность одновременной обработки нескольких деталей.The disadvantage of the analogue is the complexity of the simultaneous processing of several parts.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ вакуумного ионно-плазменного азотирования изделий из стали (патент РФ №2418095, кл. С23С 8/36, С23С 14/06, 10.05.2011), включающий проведение вакуумного нагрева изделий в плазме азота с повышенной концентрацией частиц, которую создают в тороидальной области движения электронов, образованной скрещенными электрическими и магнитными полями, при этом под действием магнитного поля, создаваемого двумя цилиндрическими магнитами, один из которых полый, электроны движутся по циклоидальным замкнутым траекториям.The closest in technical essence and the achieved result to the claimed is a method of vacuum ion-plasma nitriding of steel products (RF patent No. 2418095,
Недостатком ближайшего аналога является отсутствие возможности локальной обработки материала.The disadvantage of the closest analogue is the lack of local processing of the material.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение прочностных и трибологических характеристик стальных изделий.The problem to which the invention is directed, is to increase the strength and tribological characteristics of steel products.
Технический результат - повышение контактной долговечности и износостойкости за счет локальной обработки деталей.EFFECT: increased contact durability and wear resistance due to local processing of parts.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе локальной обработки изделия при ионном азотировании, включающем проведение вакуумного нагрева изделия 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 problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in the method of local processing of the product with ion nitriding, which involves vacuum heating the product in a high-density nitrogen plasma, which is created in the toroidal region of oscillating electrons moving along cycloidal closed paths 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 intensification and the process of diffusion saturation of this section, moreover, a smooth transition from the nitrided layer in the magnetic field to the nitrided layer outside the magnetic field is carried out as the distance from the magnetic system.
Характерной особенностью изнашивания штамповочного инструмента является интенсивный износ в локальных зонах. Это предопределяет необходимость выполнения упрочняющей обработки таким образом, чтобы достигнуть максимальной износостойкости именно в этих зонах. При реализации азотирования в тлеющем разряде с наложением электрических и магнитных полей имеет место неоднородность распределения характеристик плазмы в газоразрядном промежутке, а именно ее плотности. Вследствие осцилляции электронов в магнитной ловушке вблизи магнитной системы у поверхности катода формируется плазма повышенной плотности по сравнению с тлеющим разрядом вне магнитного поля. При внесении изделия в прикатодную область на ее локальном участке повышается скорость катодного распыления-конденсации, интенсифицируется процесс диффузионного насыщения этого участка. Так реализуется локальное (азотирование в магнитном поле) воздействие на изделие. По мере удаления от магнитной системы осуществляется снижение диффузионного насыщения, в результате чего на различных участках изделия фазовые и структурные превращения протекают не одновременно, а в разной последовательности и степени. Общая обработка обеспечивает требуемые свойства исходного материала. Местная же (локальная) обработка служит для получения в зоне интенсивного износа изделия участка с максимальной износостойкостью и контактной долговечностью. При этом между участками с различной характеристикой существует переходная область, в которой свойства изменяется постепенно.A characteristic feature of the wear of the stamping tool is intense wear in local areas. This makes it necessary to perform hardening treatment in such a way as to achieve maximum wear resistance in these areas. When nitriding is realized in a glow discharge with the application of electric and magnetic fields, the distribution of the characteristics of the plasma in the gas-discharge gap is inhomogeneous, namely, its density. Due to the oscillation of electrons in a magnetic trap near the magnetic system, a plasma of increased density is formed near the cathode surface as compared to a glow discharge outside a magnetic field. When a product is introduced into the cathode region at its local area, the speed of cathode sputtering-condensation increases, and the process of diffusion saturation of this area is intensified. Thus, local (nitriding in a magnetic field) effect on the product is realized. As you move away from the magnetic system, diffusion saturation decreases, as a result of which phase and structural transformations occur in different parts of the product not simultaneously, but in a different sequence and degree. General processing provides the required properties of the starting material. Local (local) processing is used to obtain in the area of intensive wear of the product area with maximum wear resistance and contact durability. In this case, between regions with different characteristics there is a transition region in which the properties change gradually.
Использование магнитного поля при ионном азотировании в тлеющем разряде способствует повышению тока разряда в 1,5 раза, вследствие чего возрастает число активных ионов, участвующих в процессе катодного распыления-конденсации на поверхности металла. При давлении в вакуумной камере 120 Па наложение магнитного поля способствует уменьшению длительности обработки в 2 раза [Вафин Р.К. Влияние ионного азотирования в тлеющем разряде с магнитным полем на структуру и фазовый состав инструментальных сталей Р6М5 и Х12: дис.канд. техн. наук. - Уфа: УГАТУ, 2013. - 127 с.].The use of a magnetic field during ion nitriding in a glow discharge helps to increase the discharge current by a factor of 1.5, as a result of which the number of active ions participating in the process of cathodic sputtering-condensation on the metal surface increases. When the pressure in the vacuum chamber is 120 Pa, the application of a magnetic field helps to reduce the processing time by 2 times [R. Wafin The effect of ion nitriding in a glow discharge with a magnetic field on the structure and phase composition of tool steels P6M5 and X12: diss. tech. sciences. - Ufa: USATU, 2013. - 127 p.].
Существо изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 изображена схема локальной обработки в тлеющем разряде в скрещенных электрических и магнитных полях, где 1 - стенка вакуумной камеры, 2 - стационарный магнит, 3 - обрабатываемое изделие (паунсон), 4 -силовые линии магнитного поля, 5 - область интенсивного свечения газа. На фиг.2 схематично показан характер распределения толщины азотированного слоя, в котором выделяется три зоны: 6 - зона азотирования в магнитном поле, 7 - участок переходной зоны, 8 - зона азотирования вне магнитного поля; h1, h2 - толщина азотированного слоя, причем h2<h1. На фиг.3 изображен характер распределения микротвердости в поперечном сечении изделия на различных участках азотирования.Figure 1 shows a diagram of local processing in a glow discharge in crossed electric and magnetic fields, where 1 is the wall of the vacuum chamber, 2 is a stationary magnet, 3 is the workpiece (punchon), 4 are the power lines of the magnetic field, 5 is the region of intense luminescence gas. Figure 2 schematically shows the nature of the distribution of the thickness of the nitrided layer, in which there are three zones: 6 - zone of nitriding in a magnetic field, 7 - section of the transition zone, 8 - zone of nitriding outside the magnetic field; h 1 , h 2 - the thickness of the nitrided layer, and h 2 <h 1 . Figure 3 shows the nature of the distribution of microhardness in the cross section of the product at different sites of nitriding.
Пример конкретной реализации способаAn example of a specific implementation of the method
Реализация способа показана на примере локальной обработки инструмента - пуансона (фиг. 1), изготовленного из стали Х12 (ГОСТ 5950-2000). Перед ионным азотированием паунсон проходил предварительную термическую обработку - улучшение, состоящую из закалки (1150°С) и отпуска (550°С). Способ осуществляется следующим образом: в вакуумной камере 1 устанавливают герметичную систему, включающую стационарный магнит 2, в которой предусмотрено жидкостное охлаждение, и обрабатываемое изделие 3. Изделие располагают так, чтобы его обрабатываемый участок во время обработки находился в плазме азота повышенной плотности 5, при этом силовые линии магнитного поля 4 покрывают прилегающие участки локальной обработки. Далее магнитную систему и изделие подключают к отрицательному электроду, герметизируют камеру и откачивают воздух до давления 10 Па. Затем после эвакуации воздуха камеру продувают рабочим газом 5-15 минут при давлении 1000-1330 Па, затем откачивают рабочий газ до давления 40 Па, подают на электроды напряжение и возбуждают тлеющий разряд. При напряжении 800-1000 В осуществляют катодное распыление. После 10-15-минутной обработки по режиму катодного распыления напряжение понижают до рабочего, а давление повышают до 120 Па, необходимое для эффективной обработки. В качестве рабочего газа использовали газовую смесь азота, аргона и ацетилена (N2 25%+Ar 70%+С2Н2 5%). Азотирование в тлеющем разряде с магнитным полем производят при р=120 Па, I=0,3 А, U=600 В в течение 4 ч. Все процессы проходят за один технологический цикл, в одной камере и в одной атмосфере. После обработки изделие охлаждают вместе с вакуумной камерой под вакуумом.The implementation of the method is shown by the example of local processing of a tool - a punch (Fig. 1) made of steel X12 (GOST 5950-2000). Before ion nitriding, Punson underwent preliminary heat treatment - an improvement consisting of quenching (1150 ° С) and tempering (550 ° С). The method is as follows: in a
На обработанном изделии выделяют три зоны (фиг. 2): зона азотирования в магнитном поле 6, переходная зона 7 и зона азотирования вне магнитного поля 8. В зоне азотирования в магнитном поле в результате интенсификации диффузионного насыщения, толщина азотированного слоя h1 в 2 раза выше, чем слоя h2 сформированном в зоне азотирования вне магнитного поля. В переходной зоне, вследствие снижения диффузионного насыщения имеет место уменьшение толщины азотированного слоя по мере удаления от зоны азотирования в магнитном поле.Three zones are distinguished on the processed product (Fig. 2): the nitriding zone in the
Распределение микротвердости в поперечном сечении изделия на различных участках показано на фиг. 3. На участке азотирования в магнитном поле эффективная толщина азотированного слоя составляет 80 мкм, в то время как на участке азотирования вне магнитного поля 40 мкм. При этом поверхностная микротвердость участка азотирования в магнитном поле составляет HV50=1600 МПа, в то время как на участке азотирования вне магнитного поля HV50=1570 МПа.The distribution of microhardness in the cross section of the product at various sites is shown in FIG. 3. In the nitriding section in a magnetic field, the effective thickness of the nitrided layer is 80 μm, while in the nitriding section outside the magnetic field is 40 μm. The surface microhardness of the nitriding section in a magnetic field is HV 50 = 1600 MPa, while in the nitriding section outside the magnetic field, HV 50 = 1570 MPa.
Заявляемый способ позволяет повысить прочностные и трибологические характеристики стальных изделий в результате создания в зоне их интенсивного износа участка с повышенной контактной долговечностью и износостойкостью.The inventive method allows to increase the strength and tribological characteristics of steel products as a result of creating in the zone of intensive wear of the site with increased contact durability and wear resistance.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016110289A RU2640703C2 (en) | 2016-03-21 | 2016-03-21 | Method of local processing steel articles under ionic nitrogen in magnetic field |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016110289A RU2640703C2 (en) | 2016-03-21 | 2016-03-21 | Method of local processing steel articles under ionic nitrogen in magnetic field |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016110289A RU2016110289A (en) | 2017-09-27 |
| RU2640703C2 true RU2640703C2 (en) | 2018-01-11 |
Family
ID=59930899
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016110289A RU2640703C2 (en) | 2016-03-21 | 2016-03-21 | Method of local processing steel articles under ionic nitrogen in magnetic field |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2640703C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2711064C1 (en) * | 2019-02-05 | 2020-01-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of increasing wear resistance of a gear-type part |
| RU2766388C1 (en) * | 2021-04-02 | 2022-03-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method for surface treatment on steel parts |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61272361A (en) * | 1985-05-29 | 1986-12-02 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Local nitriding method |
| JP2000017420A (en) * | 1998-07-02 | 2000-01-18 | Pascal Kk | Glow discharge treatment of type to make combination use of high-voltage peak pulse impression and glow discharge treatment apparatus |
| US20090032143A1 (en) * | 2004-06-22 | 2009-02-05 | Scott G Walton | Electron beam enhanced nitriding system |
| RU2402632C2 (en) * | 2008-12-29 | 2010-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ГОУВПО "КубГТУ") | Procedure for metal part local nitriding in plasma of glow discharge |
-
2016
- 2016-03-21 RU RU2016110289A patent/RU2640703C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61272361A (en) * | 1985-05-29 | 1986-12-02 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Local nitriding method |
| JP2000017420A (en) * | 1998-07-02 | 2000-01-18 | Pascal Kk | Glow discharge treatment of type to make combination use of high-voltage peak pulse impression and glow discharge treatment apparatus |
| US20090032143A1 (en) * | 2004-06-22 | 2009-02-05 | Scott G Walton | Electron beam enhanced nitriding system |
| RU2402632C2 (en) * | 2008-12-29 | 2010-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ГОУВПО "КубГТУ") | Procedure for metal part local nitriding in plasma of glow discharge |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2711064C1 (en) * | 2019-02-05 | 2020-01-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of increasing wear resistance of a gear-type part |
| RU2766388C1 (en) * | 2021-04-02 | 2022-03-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method for surface treatment on steel parts |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016110289A (en) | 2017-09-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5503725A (en) | Method and device for treatment of products in gas-discharge plasma | |
| EP0797838B1 (en) | Method and apparatus for plasma processing | |
| US5015493A (en) | Process and apparatus for coating conducting pieces using a pulsed glow discharge | |
| TWI428953B (en) | Method and device for treating the surface of at least one part by using elementary plasma sources by electron cyclotron resonance | |
| CN101158022A (en) | Austenitic stainless steel electron beam assisted plasma surface modification method and equipment | |
| RU2640703C2 (en) | Method of local processing steel articles under ionic nitrogen in magnetic field | |
| CN1030777C (en) | Metal plasma source ion implantation method and device | |
| Grusdev et al. | Universal plasma electron source | |
| RU2413033C2 (en) | Procedure for plasma nitriding item out of steel or non-ferrous alloy | |
| RU2418095C2 (en) | Procedure for vacuum ion-plasma nitriding items out of steel | |
| RU2625864C1 (en) | Method of low-temperature ion nitriding steel products in magnetic field | |
| RU2654161C1 (en) | Method or local ionic nitriding of steel articles in glow discharge with magnetic field | |
| RU2664106C2 (en) | Method of low-temperature ionic nitration of steel parts | |
| JP2002194527A (en) | Nitriding equipment using electron beam excited plasma | |
| CN108411246B (en) | Auxiliary equipment and method for improving ion nitriding efficiency of surface of low-alloy structural steel | |
| US3616383A (en) | Method of ionitriding objects made of high-alloyed particularly stainless iron and steel | |
| Kwon et al. | Geometric effect of ion nitriding on the nitride growth behavior in hollow tube | |
| RU2450083C2 (en) | Plant for vacuum ion-plasma treatment of long components | |
| RU2633867C1 (en) | Method for low-temperature ion nitriding of titanium alloys | |
| RU2611003C1 (en) | Method of ion nitration of titanium alloys | |
| WO2012150877A2 (en) | Method for modifying the surface properties of materials and articles | |
| RU2711067C1 (en) | Method of ion nitriding in crossed electric and magnetic fields | |
| Smirnov et al. | Microstructure and wear resistance of modified surfaces obtained by ion-plasma nitriding of 40ХН2МА steel | |
| RU2625518C2 (en) | Method of nitridation of titanic alloys in glow discharge | |
| RU2687616C1 (en) | Method for low-temerature ion nitriding of titanium alloys with constant pumping of a gas mixture |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210322 |