PL178509B1

PL178509B1 - Sposób obróbki cieplno-chemicznej częsci ze stali nierdzewnej

Info

Publication number: PL178509B1
Application number: PL94305287A
Authority: PL
Inventors: Hans Berns
Original assignee: Hans Berns
Priority date: 1993-10-05
Filing date: 1994-10-03
Publication date: 2000-05-31
Also published as: RU94035767A; ES2296286T3; CZ240094A3; EP0652300A1; EP0652300B1; CN1058758C; DE4333917A1; US5503687A; DE4333917C2; CN1107187A; PL305287A1; RU2127330C1; JPH07188733A

Abstract

1 . Sposób obróbki cieplno-chemicznej czesci ze stali nierdzewnej, w którym prowadzi sie azotowanie czesci ze stali nierdzewnej w at- mosferze gazowej zawierajacej azot w tempera- turze od 1000°C do 1200°C z wytworzeniem austenitycznej warstwy zewnetrznej o grubosci 0,1 do 4,0 mm i o zawartosci azotu przynajmniej 0,3% wag., znamienny tym, ze azotowanie cze- sci ze stali nierdzewnej prowadzi sie w czasie od 1 godz. do 50 godz. a cisnienie gazu zawie- rajacego azot dobiera sie w granicach od 0,1 · 105 Pa do 40-105 Pa, w zaleznosci od zawartosci skladnika stopowego stali nierdzewnej i tempera- tury, natomiast nastepujace po azotowaniu chlod- zenie prowadzi sie z predkoscia ustalona w granicach od 1 °C/sek do 200°C/sek, w zaleznosci od zawartosci skladnika stopowego stali nierdze- wnej, z uniknieciem wydzielania sie azotków. P L 178509 B 1 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki cieplno-chemicznej części ze stali nierdzewnej z wytworzeniem austenitycznej warstwy zewnętrznej.

Rozpuszczony węgiel i azot zwiększająw nierdzewnych stalach twardość martenzytu, stopień plastyczności austenitu i powodują stabilizację fazy austenitycznej. Podczas gdy dodawanie węgla pogarsza odporność nierdzewnych stali na korozję mokrą, azot powoduje poprawę tej właściwości. Wykorzystaniu tego korzystnego działania azotu przeszkadza jego znacznie mniejsza rozpuszczalność w stopionej stali przy ciśnieniu normalnym, niż węgla. Dlatego obecnie, przy wytwarzaniu stali nierdzewnych z zawartością azotu wynoszącą 0,3 do 3% wag. stosuje się sposoby ciśnieniowe lub metalurgii proszków. Sposoby te w porównaniu do otwartego wytopu stali są jednak związane ze znacznymi kosztami.

Celem niniejszego wynalazku nie jest uzyskanie wysokiej zawartości azotu w całej objętości stali. Zamiast tego za pomocą obróbki cieplno-chemicznej, tylko strefa zewnętrzna części stanowiących wytwór końcowy, zostaje wzbogacona rozpuszczonym azotem w takim stopniu, że tworzy się ciągliwa, austenityczna warstwa zewnętrzna o dużej wytrzymałości, znajdująca się ponad strukturą rdzenia z ferrytu, austenitu, martenzytu lub mieszaniny złożonej z dwóch lub trzech tych składników.

W opisie patentowym RFN nr 4 033 706 opisane jest utwardzanie dyfuzyjne za pomocą azotu, przy którym po azotowaniu martenzytycznej, nierdzewnej stali, przez hartowanie wytwarza się ponad ciągliwym rdzeniem utwardzoną martenzytyczną warstwę zewnętrzną. Sposób ten stosuje się do obróbki nierdzewnych łożysk tocznych, części mechanizmów i narzędzi, a także nierdzewnych części pomp i zaworów pracujących w płynach zawierających cząstki materii. We wszystkich tych przypadkach chodzi o jak największą wytrzymałość na ściskanie i utwardzenie warstwy zewnętrznej, której towarzyszy wzrost kruchości.

Celem niniejszego wynalazku jest opracowanie sposobu cieplno-chemicznej obróbki części ze stali nierdzewnej umożliwiającego otrzymanie ciągliwej austenitycznej warstwy zewnętrznej o dużej wytrzymałości, która to warstwa położona jest nad ciągliwym lub utwardzonym rdzeniem.

Sposób obróbki cieplno-chemicznej części ze stali nierdzewnej, w którym prowadzi się azotowanie części ze stali nierdzewnej w atmosferze gazowej zawierającej azot w temperaturze

178 509 od 1000°C do 1200°C z wytworzeniem austenitycznej warstwy zewnętrznej o grubości 0,1 do 4,0 mm i o zawartości azotu przynajmniej 0,3% wag., według wynalazku charakteryzuje się tym, że azotowanie części ze stali nierdzewnej prowadzi się w czasie od 1 godz. do 50 godz., a ciśnienie gazu zawierającego azot dobiera się w granicach od 0,1-10⁵ Pa do 410⁵ Pa, w zależności od zawartości składnika stopowego stali nierdzewnej i temperatury, natomiast następujące po azotowaniu chłodzenie prowadzi się z prędkościąustaloną w granicach od 1 °C/sek do 200°C/sek w zależności od zawartości składnika stopowego stali nierdzewnej, z uniknięciem wydzielania się azotków.

Jako stal nierdzewną w sposobie według wynalazku stosuje się stal wybraną z grupy obejmującej nierdzewną stal austenityczną, martenzytyczną, ferrytyczną, ferrytyczno-austenityczną, ferrytyczno-martenzytyczną.

Korzystnie, warstwę zewnętrzną utwardza się przez następujące ponownie nagrzanie do temperatury równej 650°C lub niższej.

Temperatura, ciśnienie i czas trwania obróbki są dobrane tak, że tworzy się austenityczna warstwa zewnętrzna o określonej grubości, której zawartość azotu na powierzchni wynosi co najmniej 0,3% wag. i sięga górnej granicy, która zależy od rozpoczynającego wydzielania się azotków podczas azotowania. Prowadzone następnie chłodzenie następuje tak szybko, że również w tym czasie nie występuje żadne wydzielanie azotków. Podczas prowadzonego bezpośrednio potem naturalnego starzenia przy temperaturze równej 650°C lub niższej, dokonuje się utwardzenie dyspersyjne warstwy zewnętrznej. Sposób według wynalazku stosuje się do poprawienia odporności na zużycie warstwy zewnętrznej części ze stali nierdzewnej, zwłaszcza przy obciążeniach przez działania udarowe, kawitację i uderzenia kropel.

Austenityczna faza w warstwie zewnętrznej stabilizowana jest przez wdyfundowanie azotu tak, że martenzytowe lub ferrytowe składniki strukturalne strefy zewnętrznej ulegająprzemianie w austenit. Jednocześnie przez utwardzanie austenitu z azotem, ulega zwiększeniu wytrzymałość warstwy zewnętrznej bez występowania wzrostu kruchości. Ze względu na utworzoną kombinację wytrzymałości i ciągliwości, austenityczna warstwa zewnętrzna według wynalazku, nadaje się do zwiększenia odporności na zużycie zawierających ją części, zwłaszcza przy zużyciu wywołanym udarami, kawitacją i uderzeniami kropel, jak to ma miejsce na przykład w maszynach przepływowych.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania przedstawionych na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wykres przebiegu twardości azotowanej warstwy zewnętrznej, dla austenitycznej, nierdzewnej stali, fig. 2 - rozpuszczalność azotu w zależności od temperatury i ciśnienia azotu, na przykładzie nierdzewnej stali wytopionej metodą duplex, fig. 3 strukturę na przejściu od austenitycznej, azotowanej warstwy, do rdzenia nierdzewnej, ferrytyczno-austenitycznej stali wytopionej metodą duplex, typu X2 CrNiMoN 2253, fig. 4 - utratę ciężaru przy próbie kawitacyjnej nierdzewnej stali wytopionej metodą duplex, w porównaniu do azotowanej warstwy takiej samej stali, fig. 5 przedstawia krzywą gęstość prądu - potencjał w 3% roztworze wodnym NaCl, dla nierdzewnej stali wytopionej metodą duplex, przed i po azotowaniu, fig. 6 przedstawia przykład wykonania wynalazku dla stali X3 CrNiMoNbN 2317 w postaci wykresu zależności zawartości procentowej azotu od odstępu od powierzchni, a fig. 7 przedstawia wykonania wynalazku dla stali X2 CrNiMoN 2253 w postaci wykresu zależności zawartości procentowej azotu od odstępu od powierzchni.

Na figurze 1 przedstawionajest zależność twardości HV 0,1 od odstępu od brzegu dla stali X5 CrNiMo 17122 azotowanej w temperaturze 1150°C, przy ciśnieniu 1,3105 Pa, w czasie 22 godzin.

Na szybkobieżne wirniki napędzające pompy pracujące w agresywnych ośrodkach często stosuje się ferrytyczno-austenityczne stale nierdzewne wytopione metodą duplex, których dwufazowa struktura zapewnia wymaganą, wysoką granicę plastyczności. Najczęstszym powodem zawodności w działaniu jest zużycie wywołane przez kawitację. Jak widać z fig. 2, przez azotowanie gazowym azotem stali CrNiMoN 2253, przy temperaturze 1150°C i ciśnieniu wynoszącym MO5 Pa, w warstwie zewnętrznej tego materiału rozpuszczona jest zawartość

178 509 przynajmniej 1 ,4% wag. azotu. Po ochłodzeniu, otrzymuje się w pełni austenityczną warstwę zewnętrzną ponad ferrytyczno-austenityczną strukturą rdzenia, co przedstawione jest na fig. 3.

Ta austenityczna zewnętrzna warstwa została poddana badaniu zużycia wywołanego przez kawitację, w porównaniu do zużycia nie azotowanego materiału rdzenia. W tym celu za pomocą oscylatora ultradźwiękowego o częstotliwości 20 kHz i amplitudzie 40 pm wytwarza się w destylowanej wodzie pole składaj ące się z pęcherzyków, co prowadzi do implozj i na powierzchni próbki. Wielkość zużycia warstwy określa się jako utratę ciężaru w stosunku do czasu trwania obciążenia kawitacją, a wyniki badania przedstawione są na fig. 4.

Wyniki badania kawitacyjnego przedstawione na fig. 4 dotyczą stali X2 CrNiMoN 2253, przy czym krzywa A - obrazuje wyniki dla stali nie azotowanej a krzywa B - wyniki dla stali azotowanej w temperaturze 1150°C.

Dla warstwy zewnętrznej azotowanej według wynalazku zużycie wynosi 0,0356 mg/10³sek., a dla stali nie azotowanej zużycie wynosi 1,53 mg/103 sek. W wyniku azotowania warstwy zewnętrznej uzyskuje się 43-krotnie obniżenie stopnia zużycia tej warstwy. Z przykładu przedstawionych na fig. 5 krzywych gęstości prądu w funkcji potencjału widać, że przez azotowanie warstwy zewnętrznej stali X2 CrNiMoN 2253 uzyskuje się lekkąpoprawę odporności na korozję mokrą przebiegającą w sztucznej wodzie morskiej. Przy prawie takiej samej pasywnej gęstości prądu, dla próbki azotowanej (krzywa C) istnieje większy potencjał przebicia niż dla próbki nie azotowanej (krzywa D).

W odniesieniu do wirnika napędzającego pompy takie wyniki badań oznaczają, że w rdzeniu ferrytyczno-austenitycznej struktury stali wytopionej metodą duplex zachowana zostaje wysoka granica plastyczności, a tym samym również wysokie dopuszczalne obciążenie przy wysokiej prędkości obrotowej.

Jednocześnie wielkość zużycia wywoływana kawitacją jest tak długo zmniejszana przez azotowaną, austenityczną warstwę zewnętrzną, dopóki nie ulegnie ona zniszczeniu. Jeżeli chodzi o koszty, to zbędna staje się, stosowana zwykle w stalach wytopionych metodą duplex, obróbka cieplna składająca się z wyżarzania rozpuszczającego w temperaturze 1020°C do 1100°C i hartowania. Zamiast tego dokonuje się azotowania i chłodzenia sposobem według wynalazku.

Poniżej przedstawiono dwa przykłady wykonania wynalazku.

Prowadzono azotowanie gazowym azotem stali X3 CrNiMoNbN 2317 (fig. 6) w temperaturze 1150°C i ciśnieniu wynoszącym 200-10² Pa (próbka z materiału 3974) w czasie 18 godzin, chłodzenie prowadzono z prędkością 10°C na sekundę. Grubość warstwy zewnętrznej dla tej stali wynosiła około 2,4 mm.

Prowadzono azotowanie gazowym azotem stali X2 CrNiMoN 2253 (fig. 7) (próbka z materiału 14462) w temperaturze 1150°C i ciśnieniu 140-10² Pa w czasie 24 h, chłodzenie prowadzono z prędkością 10°C na sekundę. Grubość warstwy zewnętrznej dla tej stali wynosiła 2,0 mm.

178 509

FIG.1

0,5 1

1,5

N—ciśnienie cząsteczkowe Tp

FIG.2

U fO⁵Pa3

178 509 ι-σ;

BRZEG 200 gm RDZEŃ

FIG. 3

178 509

FIGA

178 509

Ν %

Próbka z materiału 1.3974

Próbka z materiału 1.4462

Odstęp cd powierzchni

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób obróbki cieplno-chemicznej części ze stali nierdzewnej, w którym prowadzi się azotowanie części ze stali nierdzewnej w atmosferze gazowej zawierającej azot w temperaturze od 1000°C do 1200°C z wytworzeniem austenitycznej warstwy zewnętrznej o grubości 0,1 do 4,0 mm i o zawartości azotu przynajmniej 0,3% wag., znamienny tym, że azotowanie części ze stali nierdzewnej prowadzi się w czasie od 1 godz. do 50 godz. a ciśnienie gazu zawierającego azot dobiera się w granicach od 0,110⁵Pa do 4010⁵Pa, w zależności od zawartości składnika stopowego stali nierdzewnej i temperatury, natomiast następujące po azotowaniu chłodzenie prowadzi się z prędkością ustaloną w granicach od l°C/sek do 200°C/sek, w zależności od zawartości składnika stopowego stali nierdzewnej, z uniknięciem wydzielania się azotków.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako stal nierdzewną stosuje się stal wybraną z grupy obejmującej nierdzewną stal austenityczną, martenzytyczną, ferrytyczną, ferrytyczno-austenityczną, ferrytyczno-martenzytyczną.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwę zewnętrzną utwardza się przez następujące ponownie nagrzanie do temperatury równej 650°C lub niższej.