RU2148677C1

RU2148677C1 - Method for high-temperature nitrogenization of steel parts

Info

Publication number: RU2148677C1
Application number: RU98112570A
Authority: RU
Inventors: О.В. Чудина; Л.Г. Петрова
Original assignee: Московский государственный автомобильно-дорожный институт (Технический университет)
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 2000-05-10

Abstract

FIELD: ferrous metallurgy. SUBSTANCE: steel parts are preliminarily subjected to surface alloying with nitride-forming elements using laser heating, after which parts are nitrogenized for 27 hr in ammonia medium at 540 C, after which ammonia feeding is stopped and parts are held at the same temperature for further 60-120 min. EFFECT: increased surface strength of parts. 1 tbl, 5 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к комбинированным способам упрочнения металлов, и может быть использовано при изготовлении прецизионных деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок. The invention relates to the field of metallurgy, and in particular to combined methods of hardening of metals, and can be used in the manufacture of precision parts operating under alternating loads.

Известен способ низкотемпературного азотирования легированной стали 38ХМЮА в среде аммиака. Насыщение поверхностного проводят слоя азотом проводят при температуре T=520^oC в течение 24 часов (см. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б. Н. Химико-термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1985, с. 255).A known method of low temperature nitriding of alloy steel 38KHMYuA in an environment of ammonia. Saturation of the surface layer is carried out with nitrogen is carried out at a temperature of T = 520 ^o C for 24 hours (see Lakhtin Yu.M., Arzamasov BN Chemical-thermal treatment of metals. - M .: Metallurgy, 1985, p. 255).

Недостатком известного способа является то, что при этом не обеспечивается достаточно высокая твердость и износостойкость упрочняющего покрытия. The disadvantage of this method is that it does not provide a sufficiently high hardness and wear resistance of the hardening coating.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является принятый в качестве прототипа способ низкотемпературного азотирования деталей из малоуглеродистых сталей, в котором предусмотрено предварительное поверхностное легирование стальных деталей нитридообразующими элементами с помощью лазерного луча. Последующее азотирование проводят при T=540^oC в течение 29 часов (см. О.В.Чудина. Комбинированное поверхностное упрочнение стали (лазерное легирование + азотирование). Металловедение и термическая обработка металлов. - М., 1994, N 3, с.2-5.Closest to the claimed method according to the technical essence is the method of low-temperature nitriding of parts made of low carbon steels adopted as a prototype, which provides for preliminary surface alloying of steel parts with nitride-forming elements using a laser beam. Subsequent nitriding is carried out at T = 540 ^o C for 29 hours (see OV Chudina. Combined surface hardening of steel (laser alloying + nitriding). Metal science and heat treatment of metals. - M., 1994, N 3, p. 2-5.

Недостатком известного способа является то, что формируется структура упрочненного слоя с недостаточно высокой твердостью. Кроме того, в этом способе нерационально используется насыщающий газ. The disadvantage of this method is that the structure of the hardened layer with insufficiently high hardness is formed. In addition, in this method, the saturated gas is irrationally used.

Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение поверхностной твердости деталей из малоуглеродистых нелегированных сталей. The technical problem solved by the present invention is to increase the surface hardness of parts of low carbon unalloyed steels.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе низкотемпературного азотирования стальных деталей, включающем поверхностное легирование нитридообразующими элементами с помощью лазерного нагрева и последующее азотирование при T=540^oC, согласно изобретению азотирование проводят в среде аммиака в течение 27 часов, а после азотирования подачу аммиака прекращают и выдерживают детали при той же температуре в течение 60-120 минут.The stated technical problem is solved in that in the known method of low-temperature nitriding of steel parts, including surface alloying with nitride-forming elements using laser heating and subsequent nitriding at T = 540 ^o C, according to the invention, nitriding is carried out in ammonia for 27 hours, and after nitriding ammonia stop and maintain the details at the same temperature for 60-120 minutes.

Решение поставленной технической задачи достигается благодаря формированию в поверхностном слое стальных деталей структуры, содержащей мелкодисперсные нитриды легирующих элементов. Процесс азотирования ведется в две стадии, причем на первой стадии производят нагрев деталей предварительно легированных с помощью лазерного луча в печи до температуры T=540^oC в среде аммиака в течение 27 часов. При этом формируется структура, состоящая из высоколегированного азотистого феррита и предвыделений у нитридов легирующих элементов, находящихся в когерентной связи с α -фазой. На второй стадии процесса подачу аммиака в печь прекращают и осуществляют выдержку деталей при той же температуре в течение 60-120 минут. При этом происходит постепенное снижение азотного потенциала насыщающей среды, прекращается поступление новых атомов азота, прекращается рост толщины азотированного слоя, одновременно, за счет поддержания высокой температуры, происходит выделение из высоколегированного азотистого феррита нитридов легирующих элементов в мелкодисперсном виде, что и ведет к дополнительному упрочнению. Длительность выдержки в печи без подачи аммиака в течение 60-120 минут обусловлена тем, что при меньшей длительности процесса оставшийся в печи азот проникает в матрицу, образует соответствующие азотистые фазы и увеличивает толщину азотированного слоя. При этом не образуются самостоятельные нитриды легирующих элементов в мелкодисперсном виде, что не дает существенного повышения твердости. Выдержка в печи более 120 минут при T=540^oC ведет к укрупнению нитридов, к разрыву когерентных связей с решеткой α -твердого раствора и, как следствие, к снижению твердости.The solution of the technical problem is achieved due to the formation in the surface layer of steel parts of the structure containing finely dispersed nitrides of alloying elements. The nitriding process is carried out in two stages, and in the first stage, parts pre-alloyed with a laser beam in a furnace are heated to a temperature of T = 540 ^o C in ammonia for 27 hours. In this case, a structure is formed consisting of highly doped nitrous ferrite and preallocations of nitrides of alloying elements that are in a coherent relationship with the α phase. At the second stage of the process, the supply of ammonia to the furnace is stopped and the parts are held at the same temperature for 60-120 minutes. In this case, the nitrogen potential of the saturating medium gradually decreases, the supply of new nitrogen atoms ceases, the thickness of the nitrided layer stops growing, and at the same time, due to maintaining a high temperature, nitrides of alloying elements are precipitated from highly doped nitrous ferrite in a finely divided form, which leads to additional hardening. The exposure time in the furnace without feeding ammonia for 60-120 minutes is due to the fact that, with a shorter duration of the process, the nitrogen remaining in the furnace penetrates the matrix, forms the corresponding nitrogen phases and increases the thickness of the nitrided layer. In this case, independent nitrides of alloying elements are not formed in finely dispersed form, which does not give a significant increase in hardness. Exposure in the furnace for more than 120 minutes at T = 540 ^o C leads to the enlargement of nitrides, to the breaking of coherent bonds with the lattice of an α-solid solution and, as a result, to a decrease in hardness.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Предварительно на поверхность стальных деталей наносится обмазка толщиной 100-300 мкм, содержащая легирующий элемент и связующее, например клей БФ-2. Затем на поверхность воздействуют лазерным лучом с плотностью мощности 1,2•10⁵ Вт/см².The proposed method is as follows. Previously, a coating of 100-300 microns thick is applied to the surface of the steel parts, containing an alloying element and a binder, for example, BF-2 glue. Then, a laser beam with a power density of 1.2 • 10 ⁵ W / cm ^{2 is} exposed to the surface.

Затем легированные таким образом детали подвергают азотированию в две стадии в среде аммиака, а именно: первую стадию азотирования ведут в печи при температуре T=540^oC в течение 27 часов, а затем на второй стадии подачу аммиака прекращают и детали выдерживают в печи при той же, установленной ранее температуре в течение 60-120 минут.Then the parts so alloyed in such a way are subjected to nitriding in two stages in an ammonia medium, namely: the first stage of nitriding is carried out in a furnace at a temperature of T = 540 ^° C for 27 hours, and then in the second stage the supply of ammonia is stopped and the parts are kept in a furnace at that same, previously set temperature for 60-120 minutes.

Предлагаемый способ опробован на деталях из стали 20, поверхность которых была предварительно легирована с использованием лазерного луча из обмазки, содержащей порошок ванадия и связующее. Осуществимость и преимущество предлагаемого способа могут быть рассмотрены на представленных ниже примерах. The proposed method is tested on parts made of steel 20, the surface of which was previously alloyed using a laser beam from a coating containing vanadium powder and a binder. The feasibility and advantage of the proposed method can be considered in the examples below.

Примеры
1. Обработка образцов из стали 20, предварительно лазерно-легированных ванадием по способу, изложенному в прототипе. Образцы нагревали в среде аммиака до T=540^oC, выдерживали 29 часов, затем охлаждали в печи. Значение микротвердости составило 18000 мПа.Examples
1. The processing of samples of steel 20, pre-laser-doped with vanadium according to the method described in the prototype. The samples were heated in ammonia to T = 540 ^o C, kept for 29 hours, then cooled in an oven. The microhardness value was 18000 MPa.

2. Обработка образцов из стали 20, предварительно лазерно-легированных ванадием, проводили по предлагаемому способу, при этом выдержка в печи без подачи аммиака составляла 30 минут. Микротвердость упрочненного слоя составляет 18500 мПа, что несколько выше, чем микротвердость, получаемая при азотировании по известному способу. Это объясняется началом формирования структуры, содержащей мелкодисперсные нитриды, когда основой структуры является высоколегированный азотистый феррит, имеющий меньшую твердость. 2. The processing of samples of steel 20, previously laser-doped with vanadium, was carried out according to the proposed method, while the exposure in the furnace without ammonia was 30 minutes. The microhardness of the hardened layer is 18500 MPa, which is slightly higher than the microhardness obtained by nitriding by a known method. This is explained by the beginning of the formation of a structure containing finely divided nitrides, when the basis of the structure is highly doped nitrogenous ferrite, which has a lower hardness.

3. Обработка образцов из стали 20, предварительно лазерно-легированных ванадием по предлагаемому способу. Образцы нагревали в среде аммиака до T= 540^oC, выдерживали 27 часов, затем прекращали подачу аммиака и выдерживали при той же температуре 60 минут. Микротвердость упрочненного слоя 20000 мПа, что выше, чем микротвердость, получаемая при азотировании по известному способу. Это объясняется формированием структуры, содержащей мелкодисперсные нитриды легирующих элементов, часть из которых еще находится в когерентной связи с α -твердым раствором, а часть выделилась, обеспечивая высокую твердость упрочненного слоя.3. The processing of samples of steel 20, pre-laser-doped with vanadium according to the proposed method. The samples were heated in ammonia to T = 540 ^o C, kept for 27 hours, then the flow of ammonia was stopped and kept at the same temperature for 60 minutes. The microhardness of the hardened layer is 20,000 MPa, which is higher than the microhardness obtained by nitriding by a known method. This is explained by the formation of a structure containing finely dispersed nitrides of alloying elements, some of which are still in coherent bonding with the α-solid solution, and some have precipitated, providing high hardness of the hardened layer.

4. Обработка образцов из стали 20, предварительно лазерно-легированных ванадием по предлагаемому способу. Образцы нагревали в среде аммиака до T= 540^oC, выдерживали 27 часов, затем прекращали подачу аммиака и выдерживали при той же температуре 90 минут. Микротвердость упрочненного слоя увеличилась до 22000 мПа, вследствие формирования выявляемых рентгенографически мелкодисперсных нитридов ванадия типа VN, VN_0,35.4. The processing of samples of steel 20, pre-laser-doped with vanadium according to the proposed method. The samples were heated in ammonia to T = 540 ^° C, held for 27 hours, then the flow of ammonia was stopped and held at the same temperature for 90 minutes. The microhardness of the hardened layer increased to 22000 MPa, due to the formation of X-ray diffraction finely dispersed vanadium nitrides of the type VN, VN _0.35 .

5. Обработка образцов из стали 20, предварительно лазерно-легированных ванадием, проводили по предлагаемому способу, при этом выдержка в печи без подачи аммиака составляла 120 минут. Микротвердость упрочненного слоя составляет 20000 мПа. Некоторое снижение микротвердости объясняется тем, что происходит не только разрыв когерентных связей между нитридами ванадия и кристаллической решеткой α -твердого раствора, но и укрупнение нитридов. 5. The processing of samples of steel 20, previously laser-doped with vanadium, was carried out according to the proposed method, while the exposure in the furnace without feeding ammonia was 120 minutes. The microhardness of the hardened layer is 20,000 MPa. A slight decrease in microhardness is explained by the fact that there is not only a rupture of coherent bonds between vanadium nitrides and the crystal lattice of the α-solid solution, but also an enlargement of nitrides.

6. Обработку образцов, предварительно лазерно-легированных ванадием проводили по предлагаемому способу, при этом выдержка в печи без подачи аммиака составляла 150 минут. Микротвердость упрочненного слоя составляет 18000 мПа, уменьшение микротвердости происходит за счет слияния мелких частиц нитридов в более крупные, а также за счет разрыва когерентных связей между нитридами и решеткой α -твердого раствора. 6. The processing of samples previously laser-doped with vanadium was carried out according to the proposed method, while the exposure in the furnace without feeding ammonia was 150 minutes. The microhardness of the hardened layer is 18,000 mPa, the decrease in microhardness occurs due to the fusion of small particles of nitrides into larger ones, as well as due to the breaking of coherent bonds between nitrides and the lattice of an α-solid solution.

Результаты испытаний образцов приведены в таблице. The test results of the samples are shown in the table.

Таким образом, из таблицы видно, что вновь заявляемый способ по сравнению с прототипом позволяет достигать больших значений поверхностной твердости. При этом на второй стадии азотирования оптимальные значения длительности выдержки в печи после прекращения подачи аммиака находится в пределах 60-120 минут. Thus, the table shows that the newly claimed method in comparison with the prototype allows to achieve large values of surface hardness. Moreover, in the second stage of nitriding, the optimal values of the exposure time in the furnace after the cessation of the supply of ammonia is in the range of 60-120 minutes.

Claims

A method of low-temperature nitriding of steel parts, including surface alloying with nitride-forming elements using laser heating and subsequent nitriding at 540 ^o C, characterized in that nitriding is carried out in ammonia for 27 hours, and after nitriding, the ammonia supply is stopped and the parts are kept at the same temperature within 60 - 120 minutes