Документ описывает инновационный патент на способ упрочнения поверхностного слоя деталей из конструкционной стали, фокусируясь на повышении твердости и износостойкости. Процесс включает насыщение азотом в электролите, с предварительным нагревом и закалкой, что позволяет достичь значительного улучшения микротвердости и снижения затрат на обработку. Упоминается использование более экологически чистого сырья, что также уменьшает выбросы вредных веществ в окружающую среду.

1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 29976
(51) C23C 8/32 (2006.01)
МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2014/0123.1
(22) 04.02.2014
(45) 15.06.2015, бюл. №6
(72) Скаков Мажын Канапинович; Котов Владимир
Михайлович; Ерыгина Людмила Александровна
(73) Республиканское государственное предприятие
на праве хозяйственного ведения "Национальный
ядерный центр Республики Казахстан" Комитета по
атомной энергии Министерства индустрии и новых
технологий Республики Казахстан
(56) Инновационный патент KZ 26920, 15.05.2013г
(54) СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ
КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ
(57) Изобретение относится к области
машиностроения, а именно к способам упрочнения
поверхностного слоя изделий из конструкционных
сталей с повышением твердости и износостойкости.
Способ поверхностного упрочнения деталей из
конструкционной стали, включающий насыщение
поверхности детали азотом в электролите из
водного раствора в катодном режиме при плотности
тока 2,2 А/см2
, последующие закалку и отпуск.
Отличием является то, что проводится
предварительный нагрев детали, насыщение
поверхности детали азотом проводят при
напряжении между анодом и катодом равным 170 В
при температуре 700-750°С в течение 3-7 мин в
электролите, содержащем 30% карбамида, 15% соды
и 55% воды, а закалку проводят в потоке
охлажденного электролита.
Техническим результатом является:
- получение на поверхности деталей
модифицированного слоя с микротвердостью в ~2,5
раза большей по сравнению с исходным значением;
- увеличение износостойкости поверхностного
слоя в ~1,5 раза по сравнению с необработанным
изделием;
- снижение затрат на процесс упрочнения в ~1,2
раза за счет использования более дешевого и
экологичного сырья (карбамид, кальцинированная
сода, вода);
- увеличение качества электролита на 40% и
длительности использования в ~1,5 раза, а также
уменьшение выбросов в окружающую среду
опасных веществ.
(19)KZ(13)A4(11)29976

2. 29976
2
Изобретение относится к области
машиностроения, а именно к способам упрочнения
поверхностного слоя изделий из конструкционных
сталей с повышением твердости и износостойкости.
Известен способ упрочнения деталей из
конструкционных сталей, включающий черновую
механическую обработку, стабилизирующий отпуск,
окончательную механическую обработку и
двухступенчатое газовое азотирование с выдержкой
в атмосфере аммиака сначала при температуре
510-515°С, затем при 540-545°С, последующее
охлаждение, окончательную двукратную
механическую обработку с промежуточным и
окончательным отпуском в селитровой ванне при
температуре 520-540°С в течение 0,25-0,5 ч, причем
двухступенчатое газовое азотирование деталей
проводят в постоянном магнитном поле
напряженностью 100-150 Э в течение 1-2 ч с
последующим охлаждением со скоростью 20-
30°С/мин [Патент РФ 2250273, МПК С23С 8/26.
опубл. 20.04.2005 г].
Двухступенчатое газовое азотирование
обеспечивает повышение поверхностной твердости,
равномерность диффузионного слоя, а
последующий двукратный отпуск приводит к
уменьшению хрупкости слоя.
Недостатком известного способа является
использование аммиака и селитры, вредных для
окружающей среды, сложность предварительной
подготовки деталей, длительность и трудоемкость
процесса, а также необходимость использования
магнитного поля.
Известен способ упрочнения стальных изделий,
включающий предварительный нагрев изделий в
вакууме, основную обработку поверхности в
атмосфере азота потоком ускоренных электронов,
создаваемых электронной пушкой, поступающих на
деталь (катод), поток электронов повышенной
плотности формируют в прикатодной области с
помощью вспомогательного анода, а скорость
движения электронов устанавливают с помощью
вспомогательного анода, подключенного к
собственному источнику питания [Патент РФ
2413784, МПК С23С 8/36, опубл. 10.03.2011 г].
К особенностям данного метода следует отнести
высокую технологичность и экологическую чистоту
процесса.
Недостатками известного способа является
высокая энергоемкость и длительность процесса, а
также сложность используемого оборудования,
связанная с необходимостью в дополнительном
источнике питания.
Наиболее близким техническим решением к
предлагаемому решению, является способ
упрочнения деталей из легированной стали,
включающий одновременное насыщение
поверхности детали азотом и углеродом
(нитроцементацию), закалку и отпуск, при этом
нитроцементацию проводят при температуре
750-850°С в течение 5-15 мин в электролите из
водного раствора, содержащем 10% хлорида
аммония и 10% глицерина с одновременной
закалкой [Инновационный патент РК 26920, МПК
С23С 8/32, опубл. 15.05.2013 г].
Преимуществом данного способа является
значительное улучшение процессов упрочнения
стальных деталей, а также возможность
автоматизации производственного процесса.
Недостатком известного решения является
возможность возникновения закалочных трещин,
высокая себестоимость процесса обработки, а также
использование экологически опасного хлорида
аммония.
Задачей, стоящей перед изобретением, является
повышение твердости, прочности, износостойкости
поверхности стальных деталей с одновременным
снижением затрат на технологический процесс при
использовании достаточно экологически чистого
сырья в процессе обработки.
Поставленная задача решается следующим
способом:
способ упрочнения деталей из легированной
стали, включающий насыщение поверхности детали
азотом, закалку и отпуск, насыщение поверхности
детали азотом проводят в электролите из водного
раствора при заданной температуре в течение
заданного времени, отличается тем, что насыщение
поверхности детали азотом проводят при
температуре 700-750°С в течение 3-7 мин в
электролите, содержащем 30% карбамида и 15%
кальцинированной соды, а после насыщения
поверхности азотом проводят закалку в потоке
охлажденного электролита.
Возможность осуществления предлагаемого
решения была доказана в ходе экспериментов со
сталью 34ХН1М. Использовались образцы размером
30×30×7 мм3
. Образцы после механической
шлифовки и полировки с использованием алмазных
паст обезжиривали этиловым спиртом. После этого
обрабатываемую деталь, используя в качестве
катода, погружали в электролитную ванну для
проведения азотирования. Электролитная ванна
охлаждалась водой. Анод, имеющий форму диска
диаметром 50 мм, толщиной 2 мм изготавливали из
нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Расстояние между
анодом и катодом устанавливали равным 50-60 мм.
Электролит подавался при помощи водяного насоса.
Скорость подачи электролита составляла 4 л/мин.
Скорость подачи охлаждающей воды электролитной
ванны составляла 6 л/мин, что позволяло
выдерживать температуру нагрева электролита в
пределах 30-40°С. Электролитом служил водный
раствор 30% карбамида (С3Н8О3) и 15% карбоната
натрия (Nа2СО3). Источник питания - выпрямитель,
дающий на выходе 360 В/60 А постоянного тока.
Упрочнение осуществляли в следующих режимах:
при нагреве - напряжение 320 В, плотность тока
3,3 А/см2
, при выдержке 3-7 мин напряжение 170 В,
плотность тока 2,2 А/см2
. Выбор температуры
азотирования определяется требованиями к толщине
и твердости слоя [Суминов И.В., Белкин П.И.,
Эпельфельд А.В. и др. Плазменно-
электролитическое модифицирование поверхности
металлов и сплавов. Москва: Техносфера, 2011.
с.464].

3. 29976
3
Возникновение плазмы между двумя твердыми
электродами, находящимися в жидком электролите,
возможно при превышении площади анода над
площадью катода. При увеличении напряжения у
поверхности катода возникает светящаяся
плазменная оболочка. Ток, плазменной оболочки
может нагреть катод от 100°С до температуры
плавления материала. При выключении напряжения
происходит резкий спад температуры детали из-за
охлаждения её жидким электролитом. Азотирование
проводили нагревом плазмой в течение 3-7 мин при
температуре 700°С и 750°С, после чего
осуществляли закалку в потоке охлажденного
электролита.
Механические испытания на микротвердость
проводили на установке ПМТ-3 [ГОСТ 9450-76
Измерение микротвердости вдавливанием алмазных
наконечников]. Исходная микротвердость
поверхности стали 34ХН1М, имеет значение
2622 МПа. После обработки микротвердость
повысилась до 6103 МПа. Износостойкость при
этом увеличилась в 1,5 раза. Результаты оптической
микроскопии на Altami-MET-1M показали, что
после обработки стали 34ХН1М, имеющей в
исходном состоянии ферритно-перлитную
структуру (фиг.1а), микроструктура поверхности
представляет собой модифицированный,
нетравящийся нитридный слой. (фиг.1б).
Технический результат от использования
изобретения заключается в снижении затрат на
процесс упрочнения за счет использования более
дешевого и экологически чистого сырья (карбамид,
кальцинированная сода, вода) с одновременным
увеличением времени использования электролита,
получении на поверхности деталей
модифицированного слоя, обеспечивающего
повышение твердости, износостойкости,
достижении в процессе электролитно-плазменного
упрочнения равномерного распределения в
поверхностном слое всех фаз, легированных азотом,
что улучшает эксплуатационные свойства деталей.
Эксперименты со сталью 34ХН1М подтвердили
решение поставленной перед изобретением задачи
со следующим техническим результатом:
- получение на поверхности деталей
модифицированного слоя с микротвердостью в ~2,5
раза большей по сравнению с исходным значением;
- увеличение износостойкости поверхностного
слоя в ~1,5 раза по сравнению с необработанным
изделием;
- снижение затрат на процесс упрочнения в ~1,2
раза за счет использования более дешевого и
экологичного сырья (карбамид, кальцинированная
сода, вода);
- увеличение качества электролита на 40% и
длительности использования в ~1,5 раза, а также
уменьшение выбросов в окружающую среду
опасных веществ.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ поверхностного упрочнения деталей из
конструкционной стали, включающий насыщение
поверхности детали азотом в электролите из
водного раствора в катодном режиме при заданной
температуре в течение заданного времени,
последующие закалку и отпуск, отличающийся
тем, что проводят предварительный нагрев детали,
насыщение поверхности детали азотом при
напряжении между анодом и катодом равным 170 В,
плотности тока 2,2 А/см2
и температуре 700-750°С в
течение 3-7 минут в электролите, содержащем 30%
карбамида, 15% соды и 55% воды, а закалку
проводят в потоке охлажденного электролита.

4. 29976
4
Верстка Н.Киселева
Корректор К.Нгметжанова