Повышение износоустойчивости и усталостной прочности деталей машин с помощью локального азотирования.

Спocoб лoкальнoгo азoтирoвания металличеcкoй детали в плазме тлеющегo разряда

Автoры: Бледнoва Жеcфина Михайлoвна, Чаевcкий Михаил Иocифoвич, Сафрoнoв Алекcандр Владимирoвич, Кoвалев Вадим Юрьевич

Изoбретение oтноcитcя к химико-термичеcкой обработке металлов, в чаcтноcти к азотированию. Споcоб включает размещение детали в вакуумной камере и приcоединение детали к выcоковольтному иcточнику питания, герметизацию вакуумной камеры и cоздание в ней выcокого вакуума c поcледующей заменой на атмоcферу 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. Поток электронов создают нагревом нити накала до температуры 2000-2500°С, при этом поток электронов сжимают электромагнитным полем с образованием плазмы тлеющего разряда в виде диска объемом , где D - внутренний диаметр вакуумной камеры, t - длина вольфрамовой нити накала. Повышается износоустойчивость и усталостная прочность деталей машин в результате ионного азотирования. 1 ил. Известен способ покрытия деталей титаном и его соединениями с помощью плазмы низкого давления в атмосфере азота или смеси газов для повышения износостойкости самих деталей, при котором одновременно осуществляется необходимый температурный контроль плазмы (патент US 4460415 (А1); С23С 8/36, С23С 14/48, С23С 28/00) (аналог).

Недостатком аналога является азотирование всей детали в течение продолжительного времени (например, до 100 часов) из-за низкой температуры рабочей зоны (например, температуры 400600°С). Для того чтобы азотировать какую-либо часть детали, необходимы разнообразные изолирующие материалы, что одновременно повышает трудоемкость и снижает экономическую эффективность.

Известен способ азотирования деталей в плазме низкого давления при помощи титана или его сплавов в относительно низкой температуре (480°С) и низком давлении в самой плазме для повышения усталостной прочности этих деталей (патент US 5443663 (А1); С23С 8/36, С23С 28/00), который может быть принят за прототип.

Недостатком прототипа является продолжительное азотирование всей детали из-за низкой температуры рабочей зоны, использование различного рода заслонок, жаростойкого клея или иных способов изоляции необрабатываемой части детали, а также ограниченного круга материалов (титан или его сплавы), что снижает экономическую эффективность способа.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение износостойкости и усталостной прочности за счет проведения локального азотирования деталей, исключающего перегрев самой детали, применения заслонок или иных способов изоляции мест, не подлежащих азотированию, и увеличение тем самым экономической эффективности.

Поставленная задача решается с помощью азотирования детали в вакуумной камере с присоединением этой детали к высоковольтному источнику питания, герметизацией вакуумной камеры и созданием в ней высокого вакуума с последующей заменой вакуума на атмосферу чистого азота, получением стабильной плазмы тлеющего разряда в атмосфере чистого азота с помощью высоковольтного источника питания и потока электронов от вольфрамовой нити накала, устанавливаемой параллельно оси вакуумной камеры, который создают с помощью нагрева этой нити до температуры 2000-2500°С, при этом полученный поток электронов сжимается электромагнитным полем до образования плазмы тлеющего разряда в виде диска объемом , где D - внутренний диаметр вакуумной камеры, t - длина вольфрамовой нити накала.

Предложенный способ позволяет выполнять азотирование любой части детали вне зависимости от ее формы, не опасаясь ее перегрева, за счет ограниченного объема плазмы, внутри которой находится обрабатываемая зона, и исключить использование различного рода заслонок, жаростойкого клея или иных способов изоляции необрабатываемой части детали.

Предложенный способ поясняется чертежом, где представлена схема технического решения для проведения локального азотирования, которая состоит из высоковольтного ввода 1, соединенного с обрабатываемой деталью; уплотнительного устройства 2; обрабатываемой детали 3; трубки для подачи азота 4; вакуумной камеры 5; вольфрамовой нити накала 6; отверстия для подсоединения форвакуумного и диффузионного насосов 7; высоковольтного источника питания 8; охлаждаемых электровводов для питания вольфрамовой нити накала 9; индукционной катушки с током 10; области плазмы тлеющего разряда 11; низковольтного источника питания 12.

Способ осуществляется следующим образом. Обрабатываемая деталь 3 помещается в вакуумную камеру 5 и присоединяется к высоковольтному источнику питания 8 через высоковольтный ввод 1. Уплотнительное устройство 2 является изолятором между высоковольтным вводом и вакуумной камерой, которая имеет отверстие 7 для подсоединения форвакуумного и диффузионного насосов. После размещения обрабатываемой детали вакуумная камера герметизируется и в ней создается вакуум с последующей заменой на атмосферу чистого азота, подаваемого через трубу 4. При этом в вакуумной камере создается остаточное давление азота (1,3 - 0,13)·10^-3 Па.

Возникновение и стабильное существование плазмы тлеющего разряда в атмосфере чистого азота осуществляется с помощью высоковольтного источника питания и потока электронов от вольфрамовой нити накала 6, которая переменным током от низковольтного источника питания 12 через электровводы 9 нагревается до температуры 2000-2500°С. Этих условий достаточно для создания объема плазмы тлеющего разряда 11.

Применение индукционной катушки с током 10 позволяет создать электромагнитное поле, сжимающее поток электронов от вольфрамовой нити, и образовать ограниченный объем плазмы тлеющего разряда в виде диска, с помощью которого выполняется локальное азотирование требуемой части любой металлической детали, габариты которой укладываются в размерах диска плазмы тлеющего разряда.

Предложенный способ поясняется на следующих примерах.

Пример 1. Азотирование участка детали длиной l=15 см, выполненное при температуре нити накала 2460°С и остаточном давлении азота 1,1·10^-3 Па в вакуумной камере диаметром D=50 см, проводилось при длине нити накала t=3 см в диске плазмы объемом:

V=·D²·t/4=3,14·50²·3/4=5890 cм³.

При этом весь обрабатываемый участок был разделен на секции, количество которых пропорционально длине нити накала:

n=l/t=15/3=5 секций.

Обработка этих секций велась при движении детали сквозь неподвижный диск плазмы.

Пример 2. Азотирование участка детали длиной l=5 см выполнялось при температуре нити накала 2300°С и остаточном давлении азота 0,9·10^-3 Па в вакуумной камере диаметром D=50 см при длине нити накала t=5 см в диске плазмы объемом:

V=·D²·t/4=3,14·50²·5/4=9817 cм³.

Разделение обрабатываемого участка на секции не производилось, так как длина нити накала равна длине обрабатываемого участка. Обработка участка велась при неподвижной детали и диске плазмы.