PL237076B1

PL237076B1 - Method for hybrid gas cyaniding of alloy steel in fluidised bed furnaces

Info

Publication number: PL237076B1
Application number: PL426771A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Olszacki
Original assignee: Borkowska Anna Zakl Kol Zebatych Spolka Cywilna; Borkowski Czeslaw Zakl Kol Zebatych Spolka Cywilna; Olszacka Monika Zakl Kol Zebatych Spolka Cywilna Cz A Borkowski A M Olszacki; Olszacki Andrzej Zakl Kol Zebatych Spolka Cywilna
Priority date: 2018-08-21
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2021-03-08

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób gazowego węgloazotowania hybrydowego stali stopowych w piecach fluidalnych, zwłaszcza stali węglowych i stopowych o zawartości węgla do 0,25% z dodatkami stopowymi Cr, Ni, Mn, Mo, Ti, W, których przeznaczeniem jest zwiększenie hartowności stali oraz zachowanie plastyczności rdzenia.The subject of the invention is a hybrid gas hybrid nitriding process of alloy steels in fluidized bed furnaces, especially carbon and alloy steels with a carbon content of up to 0.25% with alloy additions of Cr, Ni, Mn, Mo, Ti, W, the purpose of which is to increase the hardenability of steel and maintain plasticity core.

Sposób gazowego azotowania lub węgloazotowania ferrytycznego stali stopowych w piecach fluidalnych, znany z polskiego opisu patentowego nr PL223176B1, polega na tym, że retortę pieca nagrzewa się do temperatury 410-490°C i fluidyzuje się atmosferą technologiczną w postaci amoniaku i/lub amoniaku z dodatkiem propanu w ilości 0,5-5% objętościowych, umieszcza się w złożu obrabiane elementy na czas od 25 do 120 min, po czym wyjmuje się obrabiane elementy ze złoża na powietrze w celu utlenienia podczas podstudzania, a następnie umieszcza się je w złożu fluidalnym innego pieca nagrzanego do temperatury azotowania lub węgloazotowania od 530 do 590°C na czas zależny od wymaganej grubości warstwy utwardzonej lub strefy związków, a po upływie tego czasu obrabiane elementy wyjmuje się z pieca i chłodzi w powietrzu lub w studzience z zastosowaniem sprężonego powietrza, lub w wyciągniętej z pieca retorcie ze złożem fluidalnym pod ochroną atmosfery technologicznej.The method of gas nitriding or ferritic carbonitriding of alloy steels in fluidized bed furnaces, known from the Polish patent description PL223176B1, consists in heating the furnace retort to a temperature of 410-490 ° C and fluidizing with a technological atmosphere in the form of ammonia and / or ammonia with the addition of of propane in an amount of 0.5-5% by volume, the workpieces are placed in the bed for 25 to 120 minutes, then the workpieces are removed from the bed to air for oxidation during cooling, and then placed in a fluidized bed of another a furnace heated to the nitriding or nitrocarburizing temperature from 530 to 590 ° C for a time depending on the required thickness of the hardened layer or compound zone, and after this time, the workpieces are removed from the furnace and cooled in air or in a pit with the use of compressed air, or a retort with a fluidized bed removed from the furnace under the protection of the technological atmosphere.

Sposób krótkotrwałej obróbki cieplnej elementów ze stali umacnianej wydzieleniowo, znany z polskiego opisu patentowego nr PL224216B1, polega na tym, że obrabiany element nagrzewa się z regulowaną szybkością w zakresie temperatur Tw - Ts w piecu o temperaturze Tk z zakresu 600-700°C, gdzie Tw oznacza temperaturę początku wydzielania, Ts temperaturę starzenia krótkotrwałego z zakresu 530-600°C, zaś Tk spełnia zależność Tk + Ts + ΔΪ, gdzie ΔΤ jest funkcją grubości ścianki, od minimalnej do maksymalnej, elementu obrabianego, następnie wytrzymuje się obrabiany element w temperaturze Ts w czasie ts, gdzie ts oznacza czas krótkotrwałego starzenia z zakresu do 900 sekund, po czym chłodzi się obrabiany element z regulowaną szybkością w zakresie temperatur Ts - Tw w czasie tc mniejszym niż 10 sekund.The method of short-term heat treatment of elements made of precipitation hardened steel, known from the Polish patent description No. PL224216B1, consists in the fact that the workpiece heats up at a controlled rate in the temperature range Tw - Ts in a furnace with a temperature Tk in the range of 600-700 ° C, where Tw is the precipitation onset temperature, Ts is the short-term aging temperature in the range of 530-600 ° C, and Tk satisfies the relationship Tk + Ts + ΔΪ, where ΔΤ is a function of the wall thickness, from minimum to maximum, of the workpiece, then the workpiece can withstand the temperature Ts in the time ts, where ts is the short-term aging time ranging up to 900 seconds, after which the workpiece is cooled at a controlled speed in the temperature range Ts - Tw in a time tc of less than 10 seconds.

Sposób węgloazotowania stali nierdzewnej i stali nierdzewnej o wzmocnionej odporności na korozję, znany z europejskiego opisu patentowego nr EP2739761B1, obejmuje: dostarczanie wyrobu zawierającego, co najmniej w części, martenzytyczną stal nierdzewną, nawęglanie wyrobu w zakresie temperatur od 1625 do 1680°F (885-916°C), a następnie azotowanie nawęglonego wyrobu w zakresie temperatur od 1575 do 1625°F (857-885°C). Sposób utwardzania obudów łożysk ze stali nierdzewnej martenzytycznej, znany z amerykańskiego zgłoszenia patentowego nr US2017016084A1, obejmuje następujące etapy: formowanie komponentu z martenzytycznej stali nierdzewnej o ziarnistości ASTM 9 lub mniejszej i poddanie komponentu jednemu z procesów nawęglania i węgloazotowania ze znacznie krótszymi czasami utwardzania dyfuzyjnego w celu obniżenia kosztów produkcji. Etap obróbki termomechanicznej polega na poddaniu stali pierwszej redukcji o co najmniej 50%, drugiej redukcji o co najmniej 60% i trzeciej redukcji o co najmniej 70%, przy czym pierwszą redukcję prowadzi się w wyższej temperaturze od 1850 do 1900°F (1010-1037,78°C), wspomniana druga redukcja jest przeprowadzana w zakresie temperatur od 1775 do 1850°F (968,33-1010°C), zaś trzecia redukcja jest wykonywana w temperaturze powyżej temperatury rekrystalizacji nierdzewnej stali martenzytycznej i poniżej temperatury, w której prowadzi się drugą redukcję.The method of carbonitriding stainless steel and stainless steel with enhanced corrosion resistance, known from European Patent No. EP2739761B1, includes: providing an article containing, at least in part, martensitic stainless steel, carburizing the article in the temperature range from 1625 to 1680 ° F (885- 916 ° C), followed by nitriding the carburized article in the temperature range from 1575 to 1625 ° F (857-885 ° C). The method of hardening martensitic stainless steel bearing housings, known from US Patent Application No. lower production costs. The thermomechanical treatment step shall subject the steel to a first reduction of at least 50%, a second reduction of at least 60%, and a third reduction of at least 70%, the first reduction being at a higher temperature of 1,850 to 1,900 ° F (1010-1037 78 ° C), said second reduction is carried out in a temperature range of 1775 to 1850 ° F (968.33-1010 ° C), and the third reduction is carried out at a temperature above the recrystallization temperature of the martensitic stainless steel and below the temperature at which it is carried out a second reduction.

Znany ze stosowania sposób węgloazotowania stali stopowych polega na tym, że w pierwszym etapie prowadzi się nawęglanie części stalowych lub żeliwnych w temperaturze poniżej temperatury przemiany austenitycznej Ac3, w zakresie od 820 do 900°C, w atmosferze nawęglającej (generatorowej) wytwarzanej w wyniku niepełnego spalania propanu lub gazu ziemnego w obecności katalizatora niklowego.The method of carbonitriding of alloy steels, known from the use, consists in carburizing steel or cast iron parts in the first stage at a temperature below the austenitic transformation temperature Ac3, in the range from 820 to 900 ° C, in a carburizing (generator) atmosphere produced as a result of incomplete combustion propane or natural gas in the presence of a nickel catalyst.

Atmosfera endotermiczna dla propanu składa się z CO w ilości 23,8%, CH4 w ilości 0,3%, H2 w ilości 31,2%, CO2 w ilości 0,1% i N2 w ilości 44,6%. W drugim etapie prowadzi się azotowanie polegające na nasycaniu azotem części stalowych lub żeliwnych w celu utwardzenia powierzchniowego, zwiększenia odporności na ścieranie oraz nadania odporności zmęczeniowej. Azotowanie prowadzi się w zakresie temperatur od 480 do 800°C w atmosferze zawierającej azot, przy czym nośnikiem azotu jest amoniak (2NH3 > 6H+2N). Warstwa utwardzona ma grubość 0,05-0,8 mm bez hartowania. Węgloazotowanie (cyjanowanie) polega na połączeniu procesu nawęglania i azotowania w celu uzyskania odpowiednio głębokiej warstwy nawęglonej z jednoczesnym utwardzeniem powierzchniowym azotem. Proces ten prowadzi się w niższym zakresie temperatur, co nie daje w pełni zadowalających efektów wytrzymałościowych. Dotychczas stosowany proces węgloazotowania charakteryzuje się zawartościąThe endothermic atmosphere for propane consists of CO 23.8%, CH4 0.3%, H2 31.2%, CO2 0.1% and N2 44.6%. In the second stage, nitriding is performed, which consists in saturating steel or cast iron parts with nitrogen in order to harden the surface, increase abrasion resistance and impart fatigue resistance. The nitriding is carried out in the temperature range from 480 to 800 ° C in a nitrogen-containing atmosphere, the nitrogen carrier being ammonia (2NH3> 6H + 2N). The hardened layer is 0.05-0.8 mm thick without quenching. Carbonitriding (cyaniding) consists in combining the carburizing and nitriding processes in order to obtain a sufficiently deep carburized layer with simultaneous surface hardening with nitrogen. This process is carried out in the lower temperature range, which does not give fully satisfactory strength effects. The so far used carbonitriding process is characterized by its content

PL 237 076 B1 austenitu szczątkowego w zakresie około 15%, co jest wynikiem nie dokończonej przemiany austenitycznej i ma wpływ na wytrzymałość materiału.The residual austenite in the range of about 15% is the result of incomplete austenitic transformation and affects the strength of the material.

Znany sposób nawęglania polega na nagrzaniu i wygrzaniu części stalowych w atmosferze nawęglającej (endotermicznej) w szczelnej komorze pieca w zakresie temperatur 880-950°C. Warstwa utwardzona ma grubość 0,6-2,5 mm po procesie hartowania w oleju.The known carburizing method consists in heating and annealing the steel parts in a carburizing (endothermic) atmosphere in a sealed furnace chamber in the temperature range of 880-950 ° C. The hardened layer is 0.6-2.5 mm thick after the oil quenching process.

Znany sposób azotowania polega na nagrzaniu i wygrzaniu części stalowych w azocie w szczelnej komorze pieca w zakresie temperatur od 480 do 800°C.The known method of nitriding consists in heating and annealing the steel parts in nitrogen in a sealed furnace chamber in the temperature range from 480 to 800 ° C.

Istota sposobu według wynalazku polega tym, że w pierwszym etapie azotuje się części stalowe lub żeliwne, dla stabilizacji ich struktury materiałowej, w temperaturze z zakresu 900-950°C w czasie od 5 do 15 minut w atmosferze zawierającej azot, w drugim etapie nawęgla się w atmosferze endotermicznej części stalowe lub żeliwne w temperaturze z zakresu 900-950°C i powyżej temperatury przemiany austenitycznej Ac3 w czasie od 20 do 40 minut, przy czym atmosfera endotermiczna dla tego etapu wytworzona jest w procesie niepełnego spalania propanu lub gazu ziemnego w obecności katalizatora niklowego, w trzecim etapie części stalowe lub żeliwne poddaje się węgloazotowaniu, dla ich utwardzenia, w temperaturze z zakresu 900-950°C w czasie od 15 do 30 minut w atmosferze endotermicznej zawierającej azot, po czym wspomniane części stalowe lub żeliwne hartuje się z temperatury 900-950°C w oleju o temperaturze z zakresu 40-90°C.The essence of the method according to the invention consists in that in the first stage steel or cast iron parts are nitrided to stabilize their material structure at a temperature in the range of 900-950 ° C for 5 to 15 minutes in a nitrogen-containing atmosphere, in the second stage in an endothermic atmosphere, steel or cast iron parts at a temperature in the range of 900-950 ° C and above the austenitic transformation temperature Ac3 for 20 to 40 minutes, the endothermic atmosphere for this stage is created in the process of incomplete combustion of propane or natural gas in the presence of a catalyst in the third stage, the steel or cast iron parts are subjected to carbonitriding in order to harden them at a temperature in the range of 900-950 ° C for 15 to 30 minutes in an endothermic atmosphere containing nitrogen, after which the said steel or cast iron parts are quenched from the temperature 900-950 ° C in oil with a temperature range of 40-90 ° C.

Korzystnie, atmosfera endotermiczna wytworzona w procesie niepełnego spalania propanu ma następujący skład: 23,8% CO, 0,3% CH4, 31,2% H2, 0,1% CO2, 44,6% N2, oraz pozostałości 2N z etapu azotowania.Preferably, the endothermic atmosphere produced by the incomplete combustion of propane has the following composition: 23.8% CO, 0.3% CH4, 31.2% H2, 0.1% CO2, 44.6% N2, and a 2N residue from the nitriding step .

Korzystnie, atmosfera endotermiczna zawierająca azot ma następujący skład: 23,8% CO, 0,3% CH4, 31,2% H2, 0,1% CO2, 44,6% N2, oraz amoniak i pozostałości 2N z etapu azotowania.Preferably, the nitrogen-containing endothermic atmosphere has the following composition: 23.8% CO, 0.3% CH4, 31.2% H2, 0.1% CO2, 44.6% N2, and ammonia and 2N residues from the nitriding step.

Zaletą sposobu węgloazotowania hybrydowego według wynalazku jest precyzyjne sterowanie efektywną głębokością hartowania CHD (Carbon Hard Depth), bardzo duża redukcja czasu obróbki termicznej, znaczne zmniejszenie deformacji hartowniczych oraz zwiększenie właściwości wytrzymałościowych materiału. Przeprowadzone testy i pomiary mikrostrukturalne dają wyniki na poziomie około 5% zawartości austenitu szczątkowego, co poprawia bardzo istotnie wytrzymałość materiału. Zauważono jednocześnie zmianę przebiegu twardości w zakresie głębokości warstwy CHD, co ma bardzo istotne znaczenie w przypadku zastosowania naddatków technologicznych pod dalszą obróbkę ścierną. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów geometrycznych obrabianych detali stwierdzono znaczny spadek deformacji hartowniczych w stosunku do tradycyjnego węgloazotowania.The advantage of the hybrid carbonitriding method according to the invention is the precise control of the effective CHD (Carbon Hard Depth) quenching depth, a very large reduction in the thermal treatment time, a significant reduction in quenching deformations and an increase in the strength properties of the material. The performed tests and microstructural measurements give results at the level of about 5% of the residual austenite content, which significantly improves the strength of the material. At the same time, a change in the course of hardness in the depth of the CHD layer was noticed, which is very important in the case of using technological allowances for further abrasive machining. On the basis of the geometrical measurements of the processed details, a significant decrease in quenching deformations in relation to the traditional carbonitriding was found.

Przedmiot wynalazku został objaśniony w przykładach wykonania.The subject matter of the invention has been elucidated in the working examples.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Sposób gazowego węgloazotowania hybrydowego stali stopowych w piecach fluidalnych polega na tym, że w pierwszym etapie azotuje się części stalowe lub żeliwne, dla stabilizacji ich struktury materiałowej, w temperaturze 900°C przez 5 minut w atmosferze zawierającej azot, przy czym nośnikiem azotu jest amoniak podlegający dysocjacji termicznej według zależności 2NH3 > 6H+2N. W drugim etapie nawęgla się w atmosferze endotermicznej części stalowe lub żeliwne w temperaturze 900°C i powyżej temperatury przemiany austenitycznej Ac3 przez 20 minut, przy czym atmosfera endotermiczna dla tego etapu wytworzona jest w procesie niepełnego spalania propanu lub gazu ziemnego w obecności katalizatora niklowego. W trzecim etapie części stalowe lub żeliwne poddaje się węgloazotowaniu, dla ich utwardzenia, w temperaturze 900°C przez 15 minut w atmosferze endotermicznej zawierającej azot, po czym wspomniane części stalowe lub żeliwne hartuje się w oleju o temperaturze 40°C. Atmosfera endotermiczna wytworzona w procesie niepełnego spalania propanu ma następujący skład: 23,8% CO, 0,3% CH4, 31,2% H2, 0,1% CO2, 44,6% N2, oraz pozostałości 2N z etapu azotowania, zaś atmosfera endotermiczna zawierająca azot ma następujący skład: 23,8% CO, 0,3% CH4, 31,2% H2, 0,1% CO2, 44,6% N2, oraz amoniak i pozostałości 2N z etapu azotowania. Grubość tak wytworzonej warstwy wynosi 0,1 mm.The method of gas hybrid carbonitriding of alloy steels in fluidized bed furnaces consists in the fact that in the first stage steel or cast iron parts are nitrided, in order to stabilize their material structure, at a temperature of 900 ° C for 5 minutes in a nitrogen-containing atmosphere, with the nitrogen carrier being ammonia subject to thermal dissociation according to the relationship 2NH3> 6H + 2N. In the second stage, steel or cast iron parts are carburized in an endothermic atmosphere at a temperature of 900 ° C and above the Ac3 austenitic transformation temperature for 20 minutes, the endothermic atmosphere for this stage being created by the process of incomplete combustion of propane or natural gas in the presence of a nickel catalyst. In the third step, the steel or cast iron parts are subjected to carbonitriding to harden them at 900 ° C for 15 minutes in an endothermic atmosphere containing nitrogen, after which the said steel or cast iron parts are quenched in oil at 40 ° C. The endothermic atmosphere generated in the process of incomplete combustion of propane has the following composition: 23.8% CO, 0.3% CH4, 31.2% H2, 0.1% CO2, 44.6% N2, and 2N residues from the nitriding stage, while the endothermic atmosphere containing nitrogen has the following composition: 23.8% CO, 0.3% CH4, 31.2% H2, 0.1% CO2, 44.6% N2, and ammonia and 2N residues from the nitriding step. The thickness of the layer thus produced is 0.1 mm.

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Sposób gazowego węgloazotowania hybrydowego stali stopowych w piecach fluidalnych przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że w pierwszym etapie azotuje się części stalowe lub żeliwne, dla stabilizacji ich struktury materiałowej, w temperaturze 950°C przez 15 minut w atmosferze zawierającej azot, przy czym nośnikiem azotu jest amoniak podlegający dysocjacji termicznej według zależności 2NH3 > 6H+2N. W drugim etapie nawęgla się w atmosferze endotermicznej części stalowe lub żeliwne w temperaturze 950°C i powyżej temperatury przemiany austenitycznej Ac3 przez 40 minut, przy czym atmosfera endotermiczna dla tego etapu wytworzona jest w procesie niepełnego spalaniaThe method of gas hybrid carbonitriding of alloy steels in fluidized bed furnaces is as in the first example, with the difference that in the first stage, steel or cast iron parts are nitrided to stabilize their material structure at a temperature of 950 ° C for 15 minutes in a nitrogen-containing atmosphere, whereby the nitrogen carrier is ammonia subject to thermal dissociation according to the relationship 2NH3> 6H + 2N. In the second stage, steel or cast iron parts are carburized in an endothermic atmosphere at a temperature of 950 ° C and above the Ac3 austenitic transformation temperature for 40 minutes, with the endothermic atmosphere for this stage being created in the process of incomplete combustion

PL 237 076 B1 propanu lub gazu ziemnego w obecności katalizatora niklowego. W trzecim etapie części stalowe lub żeliwne poddaje się węgloazotowaniu, dla ich utwardzenia, w temperaturze 950°C przez 30 minut w atmosferze endotermicznej zawierającej azot, po czym wspomniane części stalowe lub żeliwne hartuje się w oleju o temperaturze 90°C. Grubość tak wytworzonej warstwy wynosi 1,6 mm.Of propane or natural gas in the presence of a nickel catalyst. In the third step, the steel or cast iron parts are nitrocarburized to harden them at 950 ° C for 30 minutes in an endothermic atmosphere containing nitrogen, after which the said steel or cast iron parts are quenched in oil at 90 ° C. The thickness of the layer thus produced is 1.6 mm.

Claims

1. The method of hybrid gas carbonitriding of alloy steels or cast irons in a fluidized bed furnace, which consists in carburizing steel or cast iron parts at a temperature of 900 ° C in an endothermic atmosphere, produced by incomplete combustion of propane or natural gas in the presence of a nickel catalyst, followed by nitriding at elevated temperature in an atmosphere containing nitrogen, where the nitrogen carrier is ammonia subject to thermal dissociation according to the relationship 2NH3> 6H + 2N, characterized in that in the first stage steel or cast iron parts are nitrided to stabilize their material structure at a temperature in the range of 900-950 ° C during 5 to 15 minutes in an atmosphere containing nitrogen, in the second stage steel or cast iron parts are carburized in an endothermic atmosphere at a temperature in the range of 900-950 ° C and above the Ac3 austenitic transformation temperature for 20 to 40 minutes, the endothermic atmosphere for this stage is created in the process of incomplete combustion for propane or natural gas in the presence of a nickel catalyst, in the third stage, steel or cast iron parts are carbonitrided for hardening at a temperature in the range of 900-950 ° C for 15 to 30 minutes in an endothermic atmosphere containing nitrogen, then steel or cast iron parts are quenched from a temperature of 900-950 ° C in an oil with a temperature in the range of 40-90 ° C.

2. The method according to p. 3. The method of claim 1, characterized in that the endothermic atmosphere created in the process of incomplete combustion of propane has the following composition: 23.8% CO, 0.3% CH4, 31.2% H2, 0.1% CO2, 44.6% N2, and 2N residues from the nitriding stage.

3. The method according to p. 2. The method of claim 1, wherein the nitrogen-containing endothermic atmosphere has the following composition: 23.8% CO, 0.3% CH4, 31.2% H2, 0.1% CO2, 44.6% N2, and ammonia and the 2N residue from step nitriding.