Патент на изобретение №2367716
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ В ГАЗООБРАЗНОЙ СРЕДЕ
(57) Реферат:
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам упрочнения металлов в газообразных средах, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин. Проводят нагрев изделий до температуры насыщения 450-780°С в атмосфере аммиака с последующей выдержкой в насыщающей газообразной среде. В качестве насыщающей среды при выдержке используют воздух и аммиак, которые подают раздельно. Выдержку изделий осуществляют попеременно в атмосфере воздуха, а затем в атмосфере аммиака с формированием на поверхности изделий многослойной структуры, состоящей из чередующихся между собой слоев из оксидных и нитридных фаз железа и соответствующих легирующих элементов. Получают изделия с оптимальным сочетанием повышенной твердости и износостойкости, что позволяет увеличить ресурс работы изделий, работающих в тяжелых нагруженных условиях. 1 табл., 2 ил.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам упрочнения металлов в газообразных средах, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, работающих в тяжелых нагруженных условиях. Известен способ химико-термической обработки стальных изделий, включающий их нагрев в диссоциированном аммиаке до 450 Недостатками известного способа является недостаточная твердость и износостойкость упрочненного слоя, обусловленная ухудшением диффузии азота в процессе насыщения через поверхностный окисный слой. Известен наиболее близкий к заявленному и принятый в качестве прототипа способ азотирования стальных изделий в газообразных средах, включающий нагрев изделий в диссоциированном аммиаке до 450 Недостатком известного способа является образование на поверхности карбонитридной зоны, снижающей твердость, в результате формируется слой с неоптимальным сочетанием твердости и износостойкости, приводящий к снижению ресурса работы, а также недостаточная технологичность, связанная с применением многокомпонентных органических паров. Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является получение на поверхности стальных изделий упрочненной многослойной структуры, состоящей из нитридных и оксидных фаз металлов с оптимальным сочетанием повышенной твердости и износостойкости, позволяющих увеличить ресурс работы стальных изделий, работающих в тяжелых нагруженных условиях Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе обработки стальных изделий в газообразной среде, включающем нагрев изделий до температуры насыщения 450-780°С в атмосфере аммиака с последующей выдержкой в насыщающей газообразной среде, согласно изобретению в качестве насыщающей среды при выдержке используют воздух и аммиак, которые подают раздельно, а выдержку изделий осуществляют попеременно в атмосфере воздуха, а затем в атмосфере аммиака с формированием в результате на поверхности изделий многослойной структуры, состоящей из чередующихся между собой слоев из оксидных и нитридных фаз железа и соответствующих легирующих элементов. Решение поставленной технической задачи достигается тем, что процесс выдержки азотируемых изделий при заданной температуре насыщения в интервале 450 Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена циклограмма, поясняющая порядок подачи газовых компонентов насыщающей газовой среды при азотировании в процессе выдержки, а на фиг.2 изображена микроструктура диффузионного слоя стального изделия, прошедшего циклическую раздельную выдержку. Способ азотирования стальных изделий в газообразных средах заключается в нагреве изделий до заданной температуры насыщения, которую назначают в интервале 450-780°С в зависимости от марки стали. Нагрев ведут в газообразной атмосфере, как правило не содержащей активного азота. Далее проводят последующую раздельную выдержку в насыщающей атмосфере и в атмосфере воздуха. Согласно изобретению последующую после нагрева выдержку осуществляют циклами. При этом в каждом цикле проводят раздельную выдержку первоначально в атмосфере воздуха, а затем в атмосфере аммиака. В результате такой цикличности процесса выдержки формируют на поверхности изделий высокопрочную многослойную структуру, состоящую из чередующихся между собой слоев из нитридных и оксидных фаз металлов, причем в высоколегированных сталях наряду с нитридами железа присутствуют оксидные и нитридные фазы соответствующих легирующих элементов. Способ азотирования реализуется следующим образом. Стальные изделия после загрузки в печь нагревают в газообразной атмосфере, например в атмосфере аммиака, до заданной температуры насыщения в интервале 450-780°С. Далее при этой температуре осуществляют выдержку изделий циклами путем попеременной сегрегационной, т.е. раздельной, подачи в печь воздуха и аммиака в цикле. Таким образом, в каждом цикле процесса первоначально изделия подвергают выдержке в воздушной атмосфере, а затем в атмосфере аммиака (см. фиг.1). Результатом обработки является формирование на поверхности стальных изделий упрочненной многослойной структуры, состоящей из чередующихся между собой нитридных и оксидных фаз металлов. По окончании процесса выдержки охлаждение изделий проводят в атмосфере аммиака вместе с печью до комнатной температуры. Время выдержки в атмосферах воздуха и аммиака в цикле зависит от марки стали. Состав атмосферы на входе и температура в печи устанавливаются с помощью специальной программы и поддерживаются автоматически. Толщина упрочненного слоя зависит от состава атмосферы в процессе выдержки и интенсивно растет за счет присутствия кислорода в ней. Общее время подачи газов зависит от объема печи и должно соответствовать 3-х кратному объему аммиака. Упрочненная многослойная структура их химических соединений на поверхности изделий, состоящая из нитридных и оксидных фаз металлов, формируется в зависимости от азотного потенциала газообразной среды печи и температуры. Чередование твердых и более мягких фаз (см. фиг.2), находящихся в когерентной связи между собой и зоной внутреннего азотирования и обладающих когезионной прочностью сцепления, позволяют получить на поверхности стальных изделий упрочненную структуру с оптимальным сочетанием повышенной твердости и износостойкости, позволяющую увеличить ресурс работы, так как все изменения в любом из слоев локализуются и не влияют на прочностные свойства характеристики всего слоя, что способствует увеличению ресурса работы покрытия. Строение зоны химических соединений определяется химическими реакциями, протекающими на поверхности металла, зависящими от концентрации кислорода и степени диссоциации аммиака. Присутствие кислорода воздуха приводит к значительному увеличению количества активных центров, через которые происходит проникновение азота в металл. Так с появление оксидов потенциал образования твердой фазы Выполнение способа иллюстрируется на примерах. Процесс азотирования проводился согласно прототипу и предлагаемому способу на цилиндрических образцах диаметром 10 мм и высотой 10 мм из конструкционных сталей 40Х, нитраллоев 38Х2МЮА, высоколегированных хромистых сталей 40Х13, высоколегированных жаропрочных сталей 12Х18Н10Т при нагреве до заданной температуры насыщения в интервале 450 Примеры 1, 2 3, 4. Обработка деталей-образцов из конструкционных сталей 40Х, нитраллоев 38Х2МЮА, высоколегированных хромистых сталей 40Х13, высоколегированных жаропрочных сталей 12Х18Н10Т по способу, изложенному в прототипе. Детали-образцы нагревали в атмосфере диссоциированного аммиака до заданной температуры насыщения каждой стали, потом выдерживали сначала в газообразной смеси аммиака и ацетона, затем – в атмосфере воздуха. Значения твердости, износостойкости, толщина слоя, время проведения процесса и температура приведены в таблице. Примеры 5, 6, 7, 8. Обработка деталей-образцов из конструкционных сталей 40Х, нитраллоев 38Х2МЮА, высоколегированных хромистых сталей 40Х13, высоколегированных жаропрочных сталей 12Х18Н10Т по предлагаемому способу. Детали-образцы нагревали в атмосфере аммиака до заданной температуры насыщения, далее проводили циклическую выдержку (время цикла 100 с на 1,5 литра печи) с попеременной сегрегационной подачей газов в цикле, сначала подавая воздух, затем – аммиак. Время выдержки для каждой атмосферы определялось эмпирически и контролировалось. Значения твердости, износостойкости, толщина слоя, время проведения процесса и температура приведены в таблице.
Таким образом, азотирование стальных изделий по предлагаемому способу позволяет сформировать на поверхности изделий упрочненную многослойную структуру, состоящую из чередующихся между собой слоев нитридных и оксидных фаз металлов, с оптимальным сочетанием повышенной твердости и износостойкости, позволяющую увеличить ресурс работы стальных изделий.
Формула изобретения
Способ обработки стальных изделий в газообразной среде, включающий нагрев изделий до температуры насыщения 450-780°С в атмосфере аммиака с последующей выдержкой в насыщающей газообразной среде, отличающийся тем, что в качестве насыщающей среды при выдержке используют воздух и аммиак, которые подают раздельно, а выдержку изделий осуществляют попеременно в атмосфере воздуха, а затем в атмосфере аммиака с формированием в результате на поверхности изделий многослойной структуры, состоящей из чередующихся между собой слоев из оксидных и нитридных фаз железа и соответствующих легирующих элементов.
РИСУНКИ
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
780°С и двухстадийную выдержку в газообразной среде при этой температуре. Причем на первой стадии в печь подают аммиак, а на второй – смесь аммиака с 5-50% воздуха (см. Заявка Великобритании 
1522446, МКИ С23С 11/16, опубл. 23.08.1978).
увеличивается. Толщина зоны химических соединений экстремально зависит от состава атмосферы. Периодически изменяя концентрацию воздуха можно достичь наиболее высокой скорости насыщения и тем самым увеличить толщину упрочняемого слоя. Под влиянием кислорода на конструкционных сталях формируется более вязкая структура, на высоколегированных сталях на поверхности формируется зона 
