PL226062B1 - Sposob jarzeniowego azotowania lub wegloazotowania powierzchni przedmiotow metalowych - Google Patents

Abstract

Istota sposobu, w którym obrabiany przedmiot izoluje się elektrycznie od obudowy pieca, nagrzewa do temperatury 380 - 650°C, wytwarza się wokół niego próżnię rzędu 100 - 800 Pa, a w przestrzeń pieca wprowadza się gaz reaktywny, między obrabiany przedmiot a obudowę pieca przykłada się stałe lub impulsowe napięcie polega na tym, że jonizuje się tylko przestrzeń/nie przy jednym lub wielu wybranych fragmentach (P) powierzchni przedmiotu (O) tak, że każdy człon elektrody jonizującej (Ej) obejmuje jeden fragment (P) powierzchni przedmiotu (O). Profil każdego członu elektrody jonizującej (Ej) dostosowuje się do profilu odpowiadającego jej obrabianego fragmentu (P) powierzchni obrabianego przedmiotu (O) i jednocześnie jonizuje się przestrzenie między każdym członem elektrody jonizującej (Ej) i każdym członem dodatkowej elektrody (Ed) obejmującym odpowiadające mu człony elektrody jonizującej (Ej) przez przyłożenie między każdą parę członów tych elektrod (Ej i Ed) stałego lub impulsowego napięcia jonizującego (Uj) o wartości 350 - 2000 V, przy czym elektrodę jonizującą (Ej) i dodatkową (Ed) podwiesza się, korzystnie przesuwnie w kierunku pionowym, do obudowy (B) pieca a napięcie jonizujące (Uj) jest od trzech do 10 razy większe od napięcia sterującego (Us) przyłożonego między obrabiany przedmiot (O) a obudowę pieca, które ma wartość od 35 do 200 V.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób jarzeniowego azotowania i/lub węgloazotowania powierzchni przedmiotów metalowych.

Znany sposób jarzeniowego azotowania i/lub węgloazotowania przedmiotów metalowych polega na tym, że obrabiany przedmiot nagrzewa się do temperatury od 380 do 650°C i korzystnie jednocześnie wytwarza się próżnię rzędu 100-800 Pa, następnie w przestrzeń wokół obrabianego przedmiotu wprowadza się gazowy aktywator, na przykład w postaci azotu, amoniaku, lub mieszaniny azotu i amoniaku, a między obrabiany przedmiot a obudowę pieca przykłada się stałe lub impulsowe napięcie rzędu 280-1800 V generujące wyładowanie jarzeniowe. Czas trwania procesu ustala się doświadczalnie w zależności od założonych parametrów uzyskanej przez obróbkę warstwy powierzchniowej. Sposób ten był korzystny dla przypadków, gdy cały obrabiany przedmiot miał regularne kształty zapewniające równomierną jonizację w każdym punkcie powierzchni obrabianego przedmiotu. W przypadku, gdy obrabiany przedmiot miał kształt skomplikowany, na przykład był wałkiem rozrządu albo był matrycą i miał otwory i wnęki, powyższy sposób nie zapewniał równomiernej jonizacji w różnych miejscach obrabianej powierzchni, co powodowało uzyskiwanie warstwy powierzchniowej o nierównomiernych parametrach.

Celem wynalazku było opracowanie sposobu zapewniającego mniejsze koszty procesu i zwiększoną równomierność parametrów obrabianej warstwy powierzchniowej przedmiotu.

Istota sposobu według wynalazku, w którym obrabiany przedmiot izoluje się elektrycznie od obudowy pieca i nagrzewa do temperatury 380-650°C jednocześnie wytwarzając wokół niego próżnię rzędu 100-800 Pa, następnie w przestrzeń wokół obrabianego przedmiotu wprowadza się gaz reaktywny, na przykład azot, lub mieszaninę azotu z wodorem, lub mieszaninę azotu z wodorem i acetylenem, między obrabiany przedmiot a obudowę pieca przykłada się stałe lub impulsowe napięcie a czas trwania procesu ustala się doświadczalnie w zależności od założonych parametrów uzyskanej przez obróbkę warstwy powierzchniowej, polega na tym, że jonizuje się tylko przestrzenie przy jednym lub wielu wybranych i obrabianych fragmentach powierzchni przedmiotu, tak że każdy człon elektrody jonizującej obejmuje tylko jeden wybrany, obrabiany fragment powierzchni przedmiotu, przy czym profil każdego członu elektrody jonizującej dostosowuje się do profilu odpowiadającego jej obrabianego fragmentu powierzchni obrabianego przedmiotu i jednocześnie jonizuje się przestrzenie między każdym członem elektrody jonizującej i każdym członem dodatkowej elektrody obejmującym odpowiadające mu człony elektrody jonizującej przez przyłożenie między każdą parę członów elektrody jonizującej i elektrody dodatkowej stałego lub impulsowego napięcia jonizującego o wartości 350-2000 V, przy czym elektrodę jonizującą i dodatkową podwiesza się do obudowy pieca a napięcie jonizujące jest od trzech do 10 razy większe od napięcia sterującego przyłożonego między obrabiany przedmiot a obudowę pieca, które ma wartość od 35 do 200 V. Korzystne jest, jeśli człony elektrody jonizującej i człony elektrody dodatkowej podwiesza się na obudowie pieca przesuwnie w kierunku pionowym a odległość każdego członu elektrody jonizującej od obrabianego fragmentu ustala się doświadczalnie, korzystnie w zakresie od 5 do 50 mm. Korzystne jest, jeśli po zakończeniu procesu i po wyłączeniu napięcia jonizującego przestrzeń obróbczą chłodzi się gazem obojętnym, na przykład azotem pod ciśnieniem nie mniejszym niż 2 bary. Korzystne jest też, jeśli przed rozpoczęciem procesu azotowania między obrabiany przedmiot i elektrodę dodatkową włącza się ujemne napięcie równe 900 V utrzymując je przez 30 min, po czym zwiększa się je do wartości 1000 V utrzymując go przez 20 min. Jednocześnie między elektrodę dodatkową i elektrodę jonizującą włącza się napięcie równe 900 V utrzymując je przez 30 min, po czym zwiększa się je do 1000 V na czas 20 min.

Dostosowanie profilu każdego członu elektrody jonizującej do profilu odpowiadającego jej fragmentu obrabianej powierzchni zwiększyło równoległość powierzchni członu elektrody do powierzchni obrabianej, co korzystnie wpłynęło na równomierność zjonizowanego pola a tym samym na równomierność uzyskanej warstwy, a możliwość regulacji odległości między tymi powierzchniami zwiększyła precyzję obróbki. Przez zapewnienie właściwych temperatur tylko w okolicy wybranych powierzchni obrabianego przedmiotu zmniejszyło się też zużycie energii elektrycznej. Zmniejszyły się też koszty operacji przygotowania obrabianych powierzchni takich jak szlifowanie i polerowanie, ponieważ ograniczyły się one tylko do powierzchni poddawanych obróbce. Nieoczekiwanie okazało się, że taki proces lokalnej obróbki w istotny sposób zmniejszył niekorzystne naprężenia obrabianego przedmiotu, które powstawały prawdopodobnie podczas szlifowania i polerowania całego obrabianego przedmiotu. W przestrzeniach między odpowiadającymi sobie członami elektrody jonizującej i elektrody dodatkoPL 226 062 B1 wej generowane są naładowane dodatnio jony gazów reaktywnych. Według wynalazku istotnie niniejsze napięcie sterujące nie generuje wyładowania jarzeniowego - jak to miało miejsce w sposobie znanym - lecz pełni tylko rolę napięcia przyśpieszającego jony w kierunku katody, którą stanowi obrabiany przedmiot.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono bliżej w poniższych przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat pieca w przekroju podłużnym z układem zasilania dla procesu oczyszczania, fig. 2 - obrabiany przedmiot w widoku z boku z układem zasilania dla procesu azotowania, a fig. 3 - układ zasilania członów elektrod jonizującej i dodatkowej w procesie azotowania.

Przedmiotem obrabianym O była próbka ze stali WCL w postaci prostopadłościanu o długości 300 mm i szerokości 100 mm oraz grubości 150 mm z dwoma jednakowymi, fragmentami P w postaci poprzecznych wgłębień o maksymalnej głębokości 50 mm i szerokości 80 mm, oddalonymi od siebie o 60 mm. Celem obróbki było uzyskanie azotowanej warstwy na powierzchniach tych fragmentów P. Proces azotowania prowadzono w komorze pieca próżniowego o średnicy 450 mm i wysokości 600 mm. Obrabiany przedmiot O umyto i wysuszono a przeznaczone do obróbki fragmenty P precyzyjnie oszlifowano i wypolerowano, po czym osadzono go wewnątrz komory próżniowej na izolatorach. Na obudowie pieca B zawieszono przesuwnie w kierunku pionowym dwa człony elektrody jonizującej Ej oraz dwa człony elektrody dodatkowej Ed, tak że każdy z członów elektrody dodatkowej Ed obejmował odpowiadający jej człon elektrody jonizującej Ej. Elektrodę jonizującą Ej o szerokości 80 mm, długości 100 mm i wysokości 200 mm wykonano z siatki stalowej o oczkach trapezowych i umieszczono ją w odległości 15 mm równolegle do azotowanej powierzchni. Elektrodę dodatkową Ed wykonano w postaci cylindra z perforowanej blachy stalowej o grubości 15 mm z otworami o średnicy 5 mm oddalonymi od siebie o 15 mm. Następnie odpompowano komorę pieca do ciśnienia 1 Pa, komorę pieca napełniono gazem reaktywnym Gr w postaci mieszanki w proporcji objętościowej 10%N₂+90%H₂, po czym zwiększono ciśnienie próżni dynamicznej do 1,5 h Pa. W trakcie procesu pompowania za pomocą promienników ciepła C nagrzano obrabiany przedmiot O do temperatury 300°C. Po tych czynnościach między obrabiany przedmiot O i elektrodę Ed włączono, stopniowo narastające napięcie Uo aż do osiągnięcia wartości 900 V i utrzymywano go przez 30 min, po czym zwiększono je do 1000 V i utrzymywano przez 20 min w celu oczyszczenia obrabianego przedmiotu O z warstw tlenkowych zakłócających proces azotowania jarzeniowego. Jednocześnie między elektrody Ed i Ej włączono, stopniowo narastające napięcie Ue aż do osiągnięcia wartości 900 V i utrzymywano je przez 30 min, po czym zwiększono je do 1000 V i utrzymywano je przez 20 min w celu oczyszczenia elektrod Ed i Ej z warstw tlenkowych. Po zakończeniu czynności oczyszczania między obrabiany przedmiot O i obudowę pieca B włączono napięcie sterujące Us o wartości 100 V a między elektrody Ed i Ej włączono napięcie jonizujące Uj o wartości 850 V i jednocześnie stopniowo zmieniano atmosferę reaktywną Gr aż do uzyskania proporcji objętościowej 70%N₂+30%H₂ o ciśnieniu próżni dynamicznej 4 h Pa, co pozwoliło wytworzyć środowisko plazmy azotującej. Zwiększono też temperaturę obrabianego przedmiotu O za pomocą promienników ciepła C do 380°C. Osiągnięcie tych parametrów zapoczątkowało proces precyzyjnego azotowania jarzeniowego na fragmentach P obrabianego przedmiotu O. Proces azotowania prowadzono przez 6 godzin. Po zakończeniu procesu azotowania wyłączono promienniki ciepła C oraz napięcia Ui i Us a wnętrze komory wraz z obrabianym przedmiotem O poddano zabiegowi szybkiego chłodzenia w atmosferze azotu przy ciśnieniu 2 bar. W wyniku tego procesu na obrabianych fragmentach P w miejscach odpowiadających członom elektrody jonizującej Ej uzyskano warstwę azotków żelaza o grubości 2 pm z warstwą roztworową o grubości efektywnej 100 pm dla założonego kryterium twardości 400 HV0,5.

Claims (4)

1. Sposób jarzeniowego azotowania i/lub węgloazotowania powierzchni przedmiotów metalowych polegający na tym, że obrabiany przedmiot izoluje się elektrycznie od obudowy pieca i nagrzewa do temperatury 380-650°C jednocześnie wytwarzając wokół niego próżnię rzędu 100-800 Pa, następnie w przestrzeń wokół obrabianego przedmiotu wprowadza się gaz reaktywny, na przykład azot, lub mieszaninę azotu z wodorem, lub mieszaninę azotu z wodorem i acetylenem, między obrabiany przedmiot a obudowę pieca przykłada się stałe lub impulsowe napięcie a czas trwania procesu ustala się doświadczalnie w zależności od założonych parametrów uzyskanej przez obróbkę warstwy powierzchniowej, znamienny tym, że jonizuje się tylko przestrzenie przy jednym lub wielu wybranych

PL 226 062 B1 i obrabianych fragmentach P powierzchni przedmiotu O, tak że każdy człon elektrody jonizującej Ej obejmuje tylko jeden wybrany, obrabiany fragment P powierzchni przedmiotu O, przy czym profil każdego członu elektrody jonizującej Ej dostosowuje się do profilu odpowiadającego jej obrabianego fragmentu P powierzchni obrabianego przedmiotu O i jednocześnie jonizuje się przestrzenie między każdym członem elektrody jonizującej Ej i każdym członem dodatkowej elektrody Ed obejmującym odpowiadające mu człony elektrody jonizującej Ej przez przyłożenie między każdą parę członów elektrody jonizującej Ej i elektrody dodatkowej Ed stałego lub impulsowego napięcia jonizującego Uj o wartości 350-2000 V, przy czym elektrodę jonizującą Ej i dodatkową Ed podwiesza się do obudowy B pieca a napięcie jonizujące Uj jest od trzech do 10 razy większe od napięcia sterującego Us przyłożonego między obrabiany przedmiot O a obudowę pieca, które ma wartość od 35 do 200 V.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że człony elektrody jonizującej Ej i człony elektrody dodatkowej Ed podwiesza się na obudowie B pieca przesuwnie w kierunku pionowym a odległość każdego członu elektrody jonizującej Ej od obrabianego fragmentu P ustala się doświadczalnie, korzystnie w zakresie od 5 do 50 mm.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że po zakończeniu procesu i po wyłączeniu napięcia jonizującego Uj przestrzeń obróbczą chłodzi się gazem obojętnym, na przykład azotem pod ciśnieniem nie mniejszym niż 2 bary.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przed rozpoczęciem procesu azotowania między obrabiany przedmiot O i elektrodę dodatkową Ed włącza się ujemne napięcie Uo równe 900 V utrzymując je przez 30 min, po czym zwiększa się je do wartości 1000 V utrzymując je przez 20 min, jednocześnie między elektrody Ed i Ej włącza się napięcie Ue równe 900 V utrzymując je przez 30 min, po czym zwiększa się je do 1000 V na czas 20 min.