CZ240094A3 - Heat treatment process for producing an austenitic edge layer - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu tepelného zpracování pro vytvoření austenitické okrajové vrstvy v téměř hotových součástech s obsahem rozpuštěného dusíku > 0,30 % hmotnostních.

Dosavadní stav techniky

Rozpuštěný uhlík a dusík zvyšují v nerezavějících ocelích tvrdost martenzitu, mez průtažnosti austenitu a způsobují stabilizaci austenitické fáze. Zatímco přidáváním uhlíku se odolnost nerezavějící oceli proti korozi ve -vlhkém prostředí zhoršuje, způsobuje dusík zlepšení této vlastnosti. Využití tohoto vhodného působení dusíku je v rozporu s jeho rozpustností v roztavené oceli za normálního tlaku, která je oproti rozpustnosti uhlíku podstatně menší. Proto se v současné době používají pro výrobu nerezavějících ocelí s obsahem dusíku v rozsahu od 0,3 do 3 % hmotnostních způsoby prováděné pod tlakem nebo způsoby práškové metalurgie. Tyto způsoby jsou ,však oproti zpracování roztavené oceli za normálního tlaku spojeny se značnými náklady.

V patentu DE 40 33 706 je popsáno povrchové vytvrzování dusíkem, při němž se po nitridování martenzitické nerezavějící oceli kalením vytvoří tvrdá martenzitická okrajová vrstva nad kujným jádrem. .Tento způsob se používá pro zpracování nerezavějících válečkových ložisek, částí převodů a nástrojů, jakož i pro nerezavějící součásti čerpadel a ventilů v tekutinách obsahujících částice nečistot. Ve všech těchto případech je zapotřebí nejvyšší pevnosti v tlaku a tvrdosti okrajových vrstev, která je však spojena se značnou křehkostí.

Úkolem vynálezu je vytvořit co nejpevnější, avšak současně houževnatou austenitickou okrajovou vrstvu nad kujným nebo tvrdým jádrem (obr. 1).

Podstata vynálezu

Tento úkol splňuje způsob tepelného zpracování pro vytvoření austenitické okrajové vrstvy v téměř hotových dusíku > podstatou součástech s obsahem rozpuštěného hmotnostních, podle vynálezu, jehož nitridování se provádí při teplotě v rozsahu od 1000 do 1200 °C v plynné atmosféře obsahující dusík a následné ochlazení se provádí takovou rychlostí, že se zabrání vylučování nitridů.

0,30 % je, že

Způsob tepelného zpracování podle vynálezu upouští od vysokého obsahu dusíku v oceli v celé součásti. Místo toho se tepelným zpracováním obohatí rozpuštěným dusíkem pouze okrajové oblasti téměř hotové součásti z nerezavějící oceli, a to do takové hloubky, žě se vytvoří vysoce pevná, avšak houževnatá austenitická okrajová vrstva nad jádrem, které má strukturu z feritu,' austenitu, martenzitu nebo směsi ze dvou nebo tří z těchto struktur.

Tepelné zpracování podlé vynálezu sestává z nitridování v plynné atmosféře, schopné vydávat dusík, při teplotě v rozsahu od 1000 do 1200 “C. Teplota, tlak a doba zpracování se zvolí tak, že se vytvoří okrajová vrstva určité tloušťky, jejíž obsah““dusíku “bude““v“rozmez i meži“ dolni“hranicí 0,3% hmotnostních a horní hranicí, která je dána začínajícím vylučováním nitridů v průběhu nitridování. Následné ochlazení se provede tak rychle, že ani během něho nedojde k žádnému vyloučení nitridů. Následným opětovným ohřátím na teplotu < 650 °C se umožní vytvrzení okrajové vrstvy.

Difúzí dusíku se austenitická fáze v okrajové vrstvě stabilizuje, takže martenzitické nebo feritické podíly struktury v okrajové oblasti se změní na austenit. Současné se. vytvrzením směsných krystalů austenitu dusíkem zvýší pevnost okrajové vrstvy, aniž by došlo ke zkřehnutí. Na základě ( dosažené .kombinace pevnosti a houževnatosti je austenitická ’’ okrajová vrstva vytvořená způsobem podle vynálezu vhodná pro zvýšení odolnosti vůči opotřebení, zejména při namáhání nárazy, kavitací a účinkem dopadajících kapek, k nimž dochází například u proudových strojů.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladu provedení podle přiložených výkresů, na nichž obr. 1 znázorňuje graf závislosti tvrdosti v nitridované okrajové yrstvě austenitické nerezavějící oceli na vzdálenosti od okraje, obr. 2 graf závislosti rozpustnosti dusíku na teplotě a na parciálním tlaku dusíku na příkladu nerezavějící duplexní oceli, obr. 3 strukturu na přechodu z nitridovaného austenitického okraje do jádra .nerezavějící feriticko-austěnitické duplexní oceli X 2 CrNiMoN 22 5 3, obr. 4 graf závislosti hmotnostních ztrát při zkoušce odolnosti na kavitací nerezavějící duplexní oceli na době zatížení ve srovnání s nitridovaným okrajem stejné oceli, a obr. 5 graf závislosti proudové hustoty na napětí ve •j vodném roztoku s 3 % hmotnostními NaCl u nerezavějící duplexní oceli před a po nitridování.

Příklady provedení vynálezu

Pro rychloběžná oběžná kola čerpadel v agresivních médiích se používají často feriticko-austenitické nerezavějící duplexní oceli, jejichž dvoufázová struktura znamená vytvoření požadované vysoké meze průtažnosti. Častým druhem selhání těchto součástí je opotřebení způsobené kavitací. Jak vyplývá z obr. 2, dojde nitridováním v plynném dusíku při teplotě 1150 ‘C a tlaku 0,1 MPa k rozpuštění obsahu > 1,4 % hmotnostních dusíku v okrajové oblasti materiálu. Po ochlazení je_tmožno ve feriticko-austenitické struktuře - jádra na obr. 3 vidět zcela austenitickou okrajovou vrstvu. Tato okrajová vrstva byla pro Srovnání s nenitridovaným materiálem jádra podrobena zkoušce na opotřebení účinkem kavitace. Přitom se generátorem vytvořila ultrazvukem o frekvenci 20 kHz a amplitudě 40 μπι v destilované vodě bublinková oblast, která způsobovala imploze na zkoušeném povrchu. Hodnota opotřebení je znázorněna jako hmotnostní ztráta po dobu zatížení v grafu na obr. 4. Pro nitridovanou okrajovou vrstvu, vytvořenou tepelným zpracováním podle vynálezu, nastane intenzita opotřebení 0,0356 mg/10³s, a pro nenitridovanou ocel je její hodnota 1,53 mg/10³s. Nitridováním okrajové oblasti tedy dojde ke snížení intenzity opotřebení o faktor 43. Na příkladu křivky závislosti proudové hustoty na napětí, uvedeném na obr. 5, je vidět, že odolnost vůči korozi v uměle vytvořené mořské vodě se nitridováním okrajové vrstvy mírně zvýší. Při přibližně stejné hustotě pasivního proudu dojde u nitridovaného zkušebního vzorku ke zvýšení průlomového napětí vůči nenitridovanému zkušebnímu vzorku.

Přeneseno na oběžné kolo čerpadla znamená výsledky těchto

J QUI U

e. us ueuie zacnovana vysoxa mez průtažnosti feriticko-austenitické duplexní struktury, a proto i únosnost při vysokých frekvencích otáčení. Současně se intenzita opotřebení účinkem kavitace nitridovanou áusťenitičkóu’ okrajovou vrstvou značně sníží do té doby, dokud se tato okrajová vrstva neopotřebí. Pokud jde o náklady, odpadá u duplexních ocelí obvyklé tepelné zpracování, sestávající z popouštěcího žíhání v rozsahu teplot od 1020 do

1100 °C a prudkého ochlazení. Místo toho se provádí nitridování a ochlazování, takže zvýšené náklady spočívají jen v delší době zpracování a ve vytvoření plynné atmosféry.

Claims (9)

1. Způsob tepelného zpracování pro vytvoření austenitické okrajové vrstvy v téměř hotových součástech s obsahem rozpuštěného dusíku > 0,30 % hmotnostních, v yznačující se tím, že nitridování se provádí při teplotě v rozsahu od 1000 do 1200 'C v plynné atmosféře obsahující dusík a následné ochlazení se provádí takovou rychlostí, že se zabrání vylučování nitridů.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující tím, že se použije nerezavějící austenitická ocel.

3. Způsob podle nároku 1, vyznačující tím, že se použije nerezavějící martenzitická ocel.

4. Způsob podle nároku 1, vyznačující t í m, že se použije nerezavějící feritická ocel.

5. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se použije nerezavějící feriticko-austenitická ocel.

6. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se použije nerezavějící f eriticko-martenzitická ocel.

7. Způsob podle nároku 1 až 6,vyznačuj ící

O C V J. iU i

liší od normálního tlaku,

8. Způsob podle nároku 1 až 7,vyznačuj ící ~s ě ~ťTí”ní7 žeokrajová ' vrstva ~šě vytvrdí následujícím opětným ohřevem na teplotu < 650 °C.

9. Použití způsobu tepelného zpracování podle nároku 1 až

X

IX i ' /

8 ke zlepšení odolnosti vůči opotřebení, zejména při namáhání nárazy, kavitací nebo nárazy kapek.