RU2184175C2

RU2184175C2 - Method for heat treatment to form austenite in iron-chromium alloys

Info

Publication number: RU2184175C2
Application number: RU2000121713A
Authority: RU
Inventors: Н.В. Гончарова; Т.М. Махнева
Original assignee: Институт прикладной механики Уральского отделения РАН
Priority date: 2000-08-14
Filing date: 2000-08-14
Publication date: 2002-06-27

Abstract

FIELD: iron-based alloys. SUBSTANCE: invention relates to heat treatment in gaseous media and can be used in manufacture of low-carbon iron-chromium alloys with chromium level of 5-30 wt.%. Product made from this alloy is placed in closed space and nitrogenized using air as nitrogenizing gas medium. Air-to-product weight ratio and air pressure are specified for room temperature and then product is heated to 900-1300 C, aged, and cooled in salt water. EFFECT: simplified nitrogenization process. 5 cl, 2 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической обработке в газовых средах, и может быть использовано при изготовлении изделий из низкоуглеродистых железохромистых сплавов с содержанием хрома 5-30 мас.%. The invention relates to the field of metallurgy, in particular to heat treatment in gaseous media, and can be used in the manufacture of products from low-carbon iron-chromium alloys with a chromium content of 5-30 wt.%.

Известен способ азотирования стали в замкнутом объеме, который, в отличие от насыщения в потоке газа, обеспечивает более эффективное регулирование фазового состава поверхностного слоя при более низком расходе насыщающего газа и меньшем выходе вредных газовых примесей в атмосферу [1]. Недостатком способа является необходимость контроля в замкнутом объеме потенциала азотной атмосферы по давлению газа непосредственно при температуре термической обработки, что требует применения сложной измерительной аппаратуры. There is a method of nitriding steel in a closed volume, which, in contrast to saturation in the gas stream, provides more efficient control of the phase composition of the surface layer with a lower consumption of saturating gas and a lower output of harmful gas impurities into the atmosphere [1]. The disadvantage of this method is the need to control in a closed volume the potential of the nitrogen atmosphere for gas pressure directly at the temperature of the heat treatment, which requires the use of sophisticated measuring equipment.

Известен способ формирования пассивной оксидной пленки на нержавеющих сталях, состоящий из оксида хрома Сr₂0₃, в котором сталь подвергают термической обработке в газовой среде, содержащей водород или инертный газ и кислород или влагу [2]. Недостатком способа является применение специально создаваемых газовых смесей для окисления, что связано с экономическими затратами и использованием технических средств для контроля необходимого давления в процессе термической обработки.A known method of forming a passive oxide film on stainless steels, consisting of chromium oxide Cr ₂ 0 ₃ , in which the steel is subjected to heat treatment in a gas medium containing hydrogen or an inert gas and oxygen or moisture [2]. The disadvantage of this method is the use of specially created gas mixtures for oxidation, which is associated with economic costs and the use of technical means to control the necessary pressure during the heat treatment.

Наиболее близким является способ термической обработки при 1000 - 1200^oС в азотсодержащей газовой атмосфере для образования высокопрочного аустенитного поверхностного слоя в нержавеющих сталях [3]. Однако в данном способе азотирование проводят в потоке специально созданной газовой атмосферы, что связано с экономическими затратами по производству и транспортировке используемых газов, большим расходом этих газов, а также загрязнением окружающей среды и необходимости утилизации отработанных газов. Кроме того, в данном способе также необходимо проводить контроль потенциала азотной атмосферы по давлению газа непосредственно при температуре обработки, что требует применения измерительной техники.The closest is the method of heat treatment at 1000 - 1200 ^o With in a nitrogen-containing gas atmosphere to form a high-strength austenitic surface layer in stainless steels [3]. However, in this method, nitriding is carried out in a stream of a specially created gas atmosphere, which is associated with the economic costs of producing and transporting the gases used, the high consumption of these gases, as well as environmental pollution and the need to utilize exhaust gases. In addition, in this method it is also necessary to control the potential of the nitrogen atmosphere by the gas pressure directly at the processing temperature, which requires the use of measuring equipment.

Изобретение направлено на создание ресурсосберегающего и экологически чистого способа термической обработки железохромистых сплавов с содержанием хрома 5-30 мас.%. The invention is aimed at creating a resource-saving and environmentally friendly method of heat treatment of iron-chromium alloys with a chromium content of 5-30 wt.%.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в способе термической обработки для формирования аустенита в железохромистых сплавах, включающем взаимодействие компонентов воздуха со сплавом при термической обработке, соотношение массы воздуха к массе образца (m_r/m_тв) и давление воздуха (Р) в замкнутом объеме задаются при комнатной температуре перед термической обработкой (табл.1).The essence of the invention lies in the fact that in the method of heat treatment for the formation of austenite in iron-chromium alloys, including the interaction of the air components with the alloy during heat treatment, the ratio of the mass of air to the mass of the sample (m _r / m _TV ) and air pressure (P) in closed volume are set at room temperature before heat treatment (table 1).

Способ получения аустенитной фазы в железохромистых сплавах заключается в следующем. Образец помещается в герметично замкнутый сосуд. Соотношение массы воздуха к массе образца (m_r/m_тв) составляет 0,03-0,9, при этом давление воздушной среды составляет 0,01-0,03 МПа (табл.1). Затем проводится термическая обработка в температурном интервале 900-1300^oС в течение 1-4 часов. В результате нагрева и изотермической выдержки в воздушной среде в сплавах происходит образование азотистого аустенита без образования нитридов хрома и железа. При закалке в соленой воде происходит неполное превращение азотистого аустенита, т.е. в структуре формируется остаточный аустенит, количество которого тем больше, чем больше растворено азота в γ-твердом растворе. В таблице 2 показано содержание азота, хрома, остаточного аустенита в сплаве X15 после термообработки при 1000^oС и давлении воздуха 0,01 МПа при соотношении m_r/m_тв= 0,03 в зависимости от времени выдержки.A method of obtaining an austenitic phase in iron-chromium alloys is as follows. The sample is placed in a hermetically sealed vessel. The ratio of the mass of air to the mass of the sample (m _r / m _tv ) is 0.03-0.9, while the air pressure is 0.01-0.03 MPa (Table 1). Then, heat treatment is carried out in the temperature range of 900-1300 ^o C for 1-4 hours. As a result of heating and isothermal exposure in air, alloys form austenite nitrogen without the formation of chromium and iron nitrides. When quenching in salt water, incomplete transformation of nitrogenous austenite occurs, i.e. residual austenite is formed in the structure, the amount of which is greater, the more nitrogen is dissolved in the γ-solid solution. Table 2 shows the content of nitrogen, chromium, residual austenite in the X15 alloy after heat treatment at 1000 ^o C and air pressure of 0.01 MPa with a ratio of m _r / m _tv = 0.03 depending on the exposure time.

Преимуществом данного способа является то, что впервые в качестве азотирующей среды используется природная газовая смесь - воздух, что свидетельствует об экологичности, доступности, простоте и экономичности предлагаемого процесса обработки; при применении воздушной среды при азотировании железохромистых сплавов в замкнутом объеме одновременно происходит диффузионное насыщение азотом объема образцов и формирование тонкой пассивной оксидной пленки Сr₂О₃ на поверхности, которая не препятствует диффузии азота вглубь образца; исходное давление воздушной среды в замкнутом объеме ниже атмосферного и задается при комнатной температуре, что снимает необходимость его контроля непосредственно в процессе термической обработки.The advantage of this method is that for the first time as a nitriding medium, a natural gas mixture is used - air, which indicates the environmental friendliness, availability, simplicity and efficiency of the proposed processing process; when using an air environment during nitriding of iron-chromium alloys in a closed volume, the diffusion saturation of the sample volume with nitrogen and the formation of a thin passive oxide film Cr ₂ O ₃ on the surface that does not prevent the diffusion of nitrogen deep into the sample occur simultaneously; the initial pressure of the air in a closed volume is lower than atmospheric and is set at room temperature, which removes the need for its control directly during the heat treatment.

Следует отметить отличительные особенности предлагаемой термической обработки, проводимой в замкнутом объеме. Наглядно изменение давления газовой среды в процессе термической обработки в условиях замкнутого объема представлено следующей схемой (фиг. 1). Задаваемое давление воздушной атмосферы (Р_исх) в данном объеме при нагреве возрастает до P_Σ (точка 1), когда кислород воздуха полностью прореагирует с поверхностью образца, образуя устойчивые оксиды, давление в системе снижается до Р_N2 (точка 2). Далее происходит абсорбция азота образцом, при этом давление азота снижается на величину ΔР_N2 до P'_N2 (точка 3), при давлении Р'_N2 наступает устойчивое равновесие между растворенньм и газообразным азотом. Охлаждение приводит к резкому падению давления азота (Р_к). Величины давлений азота (P_N2) и воздуха (P_Σ) при температуре обработки оцениваются в соответствии с уравнением состояния идеального газа. Таким образом, предлагаемая термическая обработка в замкнутом объеме имеет существенные преимущества перед насыщением в газовом потоке: исходные параметры, давление и содержание воздуха задаются при комнатной температуре перед процессом термической обработки, что снимает необходимость проводить контроль давления газовой фазы непосредственно во время процесса с применением дорогостоящей и сложной измерительной аппаратуры.It should be noted the distinctive features of the proposed heat treatment carried out in a closed volume. The change in the pressure of the gaseous medium during the heat treatment in the conditions of a closed volume is clearly represented by the following diagram (Fig. 1). The set pressure of the air atmosphere (P _out ) in a given volume increases to P _Σ (point 1) when heated, when the oxygen in the air completely reacts with the surface of the sample, forming stable oxides, the pressure in the system decreases to P _N2 (point 2). Further, nitrogen is absorbed by the sample, while the nitrogen pressure decreases by ΔР _N2 to P ' _N2 (point 3), at a pressure of P' _N2 , a stable equilibrium occurs between dissolved and gaseous nitrogen. Cooling leads to a sharp drop in nitrogen pressure (P _to ). The pressure values of nitrogen (P _N2 ) and air (P _Σ ) at the treatment temperature are estimated in accordance with the equation of state of an ideal gas. Thus, the proposed closed-loop heat treatment has significant advantages over saturation in the gas stream: the initial parameters, pressure and air content are set at room temperature before the heat treatment process, which eliminates the need to control the gas phase pressure directly during the process using expensive and complex measuring equipment.

Пример. Example.

Образцы ферритного сплава X15 (химический состав,%: Сr 14,9; С 0,03; N 0,03) толщиной 30 мкм и массой m_тв=1•10^-4 кг помещаются в замкнутый объем (V = 22,5•10^-6 м³) с воздушной атмосферой. Количество воздуха и необходимые давления указаны в таблице 1. Давление воздуха контролируется вакуумметром. Затем проводится нагрев до температуры 1000^oС, выдержка в течение 1 часа и закалка в соленой воде. Зависимость количества остаточного аустенита в закаленных образцах сплава X15 от давления воздушной среды представлена на фиг. 2. Растворенный азот (0,3 %) стабилизирует в сплаве XI5 до 30% γ-фазы (аустенита).Samples of ferrite alloy X15 (chemical composition,%: Cr 14.9; C 0.03; N 0.03) with a thickness of 30 μm and a mass of _mtv = 1 • 10 ^-4 kg are placed in a closed volume (V = 22.5 • 10 ^-6 m ³ ) with an airy atmosphere. The amount of air and the required pressures are shown in table 1. Air pressure is controlled by a vacuum gauge. Then it is heated to a temperature of 1000 ^o C, exposure for 1 hour and quenching in salt water. The dependence of the amount of residual austenite in quenched samples of alloy X15 on air pressure is shown in FIG. 2. Dissolved nitrogen (0.3%) stabilizes in the XI5 alloy up to 30% of the γ-phase (austenite).

Сравнение заявляемого технического решения с другими в данной области и смежных областях позволяет сделать вывод о следующих преимуществах предлагаемого способа: экологичность, экономичность, доступность и простота. Comparison of the claimed technical solution with others in this field and related fields allows us to conclude the following advantages of the proposed method: environmental friendliness, efficiency, affordability and simplicity.

Источники информации
1. Коган Я.Д., Коновалов Ю.А. Ресурсосберегающие технологии азотирования стали в замкнутом объеме. // МиТОМ, 1991, 5, с.2-4.Sources of information
1. Kogan Y.D., Konovalov Yu.A. Resource-saving steel nitriding technology in a closed volume. // MiOM, 1991, 5, p. 2-4.

2. Патент PCT (WO) 93/10274, C 23 C 8/14, С 22 С 38/44, 27.05.93. Способ создания пассивной оксидной пленки на основе оксида хрома и нержавеющей стали.// Изобретения стран мира, 1994, бюл. 9. 2. Patent PCT (WO) 93/10274, C 23 C 8/14, C 22 C 38/44, 05.27.93. A method of creating a passive oxide film based on chromium oxide and stainless steel. // Inventions of the world, 1994, bull. 9.

3. Патент РФ 2127330, C 23 C 8/26. Способ термической обработки для образования высокопрочного аустенитного поверхностного слоя в нержавеющих сталях. Бюл. 7, 1999 (прототип). 3. RF patent 2127330, C 23 C 8/26. A heat treatment method for forming a high strength austenitic surface layer in stainless steels. Bull. 7, 1999 (prototype).

Claims

1. The method of heat treatment of iron-chromium alloys, nitriding with the formation of the austenitic phase, characterized in that the heat treatment is carried out in a closed volume, while air is used as a nitriding medium at pressures below atmospheric.

2. The method according to p. 1, characterized in that when the ratio of the mass of air to the mass of the sample is 0.03-0.9, the air pressure is 0.01-0.03 MPa.

3. The method according to PP. 1 and 2, characterized in that the ratio of the mass of air to the mass of the sample and the pressure of the air are set at room temperature.

4. The method according to PP. 1-3, characterized in that the hardening is carried out in salt water.

5. The method according to PP. 1-4, characterized in that the temperature range during processing is 900-1300 ^o C.