RU2367716C1 - Способ обработки стальных изделий в газообразной среде - Google Patents
Способ обработки стальных изделий в газообразной среде Download PDFInfo
- Publication number
- RU2367716C1 RU2367716C1 RU2007146285/02A RU2007146285A RU2367716C1 RU 2367716 C1 RU2367716 C1 RU 2367716C1 RU 2007146285/02 A RU2007146285/02 A RU 2007146285/02A RU 2007146285 A RU2007146285 A RU 2007146285A RU 2367716 C1 RU2367716 C1 RU 2367716C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- products
- ammonia
- atmosphere
- gaseous medium
- saturating
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам упрочнения металлов в газообразных средах, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин. Проводят нагрев изделий до температуры насыщения 450-780°С в атмосфере аммиака с последующей выдержкой в насыщающей газообразной среде. В качестве насыщающей среды при выдержке используют воздух и аммиак, которые подают раздельно. Выдержку изделий осуществляют попеременно в атмосфере воздуха, а затем в атмосфере аммиака с формированием на поверхности изделий многослойной структуры, состоящей из чередующихся между собой слоев из оксидных и нитридных фаз железа и соответствующих легирующих элементов. Получают изделия с оптимальным сочетанием повышенной твердости и износостойкости, что позволяет увеличить ресурс работы изделий, работающих в тяжелых нагруженных условиях. 1 табл., 2 ил.
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам упрочнения металлов в газообразных средах, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, работающих в тяжелых нагруженных условиях.
Известен способ химико-термической обработки стальных изделий, включающий их нагрев в диссоциированном аммиаке до 450…780°С и двухстадийную выдержку в газообразной среде при этой температуре. Причем на первой стадии в печь подают аммиак, а на второй - смесь аммиака с 5-50% воздуха (см. Заявка Великобритании №1522446, МКИ С23С 11/16, опубл. 23.08.1978).
Недостатками известного способа является недостаточная твердость и износостойкость упрочненного слоя, обусловленная ухудшением диффузии азота в процессе насыщения через поверхностный окисный слой.
Известен наиболее близкий к заявленному и принятый в качестве прототипа способ азотирования стальных изделий в газообразных средах, включающий нагрев изделий в диссоциированном аммиаке до 450…780°С и двухстадийную выдержку, при этом на первой стадии выдержки используют смесь аммиака и паров органической углеродоводородокислородосодержащей жидкости, в частности этанол, ацетон, ацетальдегид, безводную уксусную кислоту, а на второй стадии - воздух (см. SU 1420992, МПК С23С 8/56, 07.06.1993). Этот способ позволяет повысить износостойкость, коррозионную стойкость диффузионного слоя и интенсифицировать процесс насыщения.
Недостатком известного способа является образование на поверхности карбонитридной зоны, снижающей твердость, в результате формируется слой с неоптимальным сочетанием твердости и износостойкости, приводящий к снижению ресурса работы, а также недостаточная технологичность, связанная с применением многокомпонентных органических паров.
Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является получение на поверхности стальных изделий упрочненной многослойной структуры, состоящей из нитридных и оксидных фаз металлов с оптимальным сочетанием повышенной твердости и износостойкости, позволяющих увеличить ресурс работы стальных изделий, работающих в тяжелых нагруженных условиях
Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе обработки стальных изделий в газообразной среде, включающем нагрев изделий до температуры насыщения 450-780°С в атмосфере аммиака с последующей выдержкой в насыщающей газообразной среде, согласно изобретению в качестве насыщающей среды при выдержке используют воздух и аммиак, которые подают раздельно, а выдержку изделий осуществляют попеременно в атмосфере воздуха, а затем в атмосфере аммиака с формированием в результате на поверхности изделий многослойной структуры, состоящей из чередующихся между собой слоев из оксидных и нитридных фаз железа и соответствующих легирующих элементов.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что процесс выдержки азотируемых изделий при заданной температуре насыщения в интервале 450…780°С проводят в две стадии, которые осуществляют циклами. В каждом из проводимых циклов в результате диффузионных процессов образуются чередующиеся между собой слои из нитридной и оксидной фаз металлов. При этом такое чередование твердых и более мягких фаз, находящихся в когерентной связи между собой и зоной внутреннего азотирования, обладающих к тому же когезионной прочностью сцепления, и позволяет получить на поверхности стальных изделий упрочненную многослойную структуру с оптимальным сочетанием повышенной твердости и износостойкости, причем все изменения в результате действия нагрузок в любом из слоев покрытия будут иметь локальный характер и не смогут влиять на прочностные характеристики всего слоя, что в результате способствует увеличению ресурса работы азотируемых стальных изделий.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена циклограмма, поясняющая порядок подачи газовых компонентов насыщающей газовой среды при азотировании в процессе выдержки, а на фиг.2 изображена микроструктура диффузионного слоя стального изделия, прошедшего циклическую раздельную выдержку.
Способ азотирования стальных изделий в газообразных средах заключается в нагреве изделий до заданной температуры насыщения, которую назначают в интервале 450-780°С в зависимости от марки стали. Нагрев ведут в газообразной атмосфере, как правило не содержащей активного азота. Далее проводят последующую раздельную выдержку в насыщающей атмосфере и в атмосфере воздуха. Согласно изобретению последующую после нагрева выдержку осуществляют циклами. При этом в каждом цикле проводят раздельную выдержку первоначально в атмосфере воздуха, а затем в атмосфере аммиака. В результате такой цикличности процесса выдержки формируют на поверхности изделий высокопрочную многослойную структуру, состоящую из чередующихся между собой слоев из нитридных и оксидных фаз металлов, причем в высоколегированных сталях наряду с нитридами железа присутствуют оксидные и нитридные фазы соответствующих легирующих элементов.
Способ азотирования реализуется следующим образом.
Стальные изделия после загрузки в печь нагревают в газообразной атмосфере, например в атмосфере аммиака, до заданной температуры насыщения в интервале 450-780°С. Далее при этой температуре осуществляют выдержку изделий циклами путем попеременной сегрегационной, т.е. раздельной, подачи в печь воздуха и аммиака в цикле. Таким образом, в каждом цикле процесса первоначально изделия подвергают выдержке в воздушной атмосфере, а затем в атмосфере аммиака (см. фиг.1). Результатом обработки является формирование на поверхности стальных изделий упрочненной многослойной структуры, состоящей из чередующихся между собой нитридных и оксидных фаз металлов. По окончании процесса выдержки охлаждение изделий проводят в атмосфере аммиака вместе с печью до комнатной температуры. Время выдержки в атмосферах воздуха и аммиака в цикле зависит от марки стали. Состав атмосферы на входе и температура в печи устанавливаются с помощью специальной программы и поддерживаются автоматически. Толщина упрочненного слоя зависит от состава атмосферы в процессе выдержки и интенсивно растет за счет присутствия кислорода в ней. Общее время подачи газов зависит от объема печи и должно соответствовать 3-х кратному объему аммиака.
Упрочненная многослойная структура их химических соединений на поверхности изделий, состоящая из нитридных и оксидных фаз металлов, формируется в зависимости от азотного потенциала газообразной среды печи и температуры. Чередование твердых и более мягких фаз (см. фиг.2), находящихся в когерентной связи между собой и зоной внутреннего азотирования и обладающих когезионной прочностью сцепления, позволяют получить на поверхности стальных изделий упрочненную структуру с оптимальным сочетанием повышенной твердости и износостойкости, позволяющую увеличить ресурс работы, так как все изменения в любом из слоев локализуются и не влияют на прочностные свойства характеристики всего слоя, что способствует увеличению ресурса работы покрытия. Строение зоны химических соединений определяется химическими реакциями, протекающими на поверхности металла, зависящими от концентрации кислорода и степени диссоциации аммиака. Присутствие кислорода воздуха приводит к значительному увеличению количества активных центров, через которые происходит проникновение азота в металл. Так с появление оксидов потенциал образования твердой фазы ε увеличивается. Толщина зоны химических соединений экстремально зависит от состава атмосферы. Периодически изменяя концентрацию воздуха можно достичь наиболее высокой скорости насыщения и тем самым увеличить толщину упрочняемого слоя. Под влиянием кислорода на конструкционных сталях формируется более вязкая структура, на высоколегированных сталях на поверхности формируется зона ε+Fе3О4 сопровождаемая образованием в диффузионном слое соединений типа Mex(N,O). Преимуществом такой обработки коррозионно-стойких сталей, содержащих хром, является отсутствие необходимости депассивации поверхности с использованием галогеносодержащих веществ.
Выполнение способа иллюстрируется на примерах.
Процесс азотирования проводился согласно прототипу и предлагаемому способу на цилиндрических образцах диаметром 10 мм и высотой 10 мм из конструкционных сталей 40Х, нитраллоев 38Х2МЮА, высоколегированных хромистых сталей 40Х13, высоколегированных жаропрочных сталей 12Х18Н10Т при нагреве до заданной температуры насыщения в интервале 450…780°С в атмосфере аммиака с последующей циклической выдержкой при этой же температуре (время цикла 100 с на 1,5 литра печи) в атмосферах воздуха и аммиака с попеременной сегрегационной подачей газов в цикле: сначала в атмосфере воздуха, затем - аммиака. Износостойкость диффузионных слоев после упрочнения определяли по методу испытаний на трение и изнашивание в соответствии с ГОСТ 23216-84. Характеристики механических свойств, толщины азотированных слоев на различных сталях, время азотирования и температуры азотирования для различных сталей показаны в таблице.
Примеры 1, 2 3, 4. Обработка деталей-образцов из конструкционных сталей 40Х, нитраллоев 38Х2МЮА, высоколегированных хромистых сталей 40Х13, высоколегированных жаропрочных сталей 12Х18Н10Т по способу, изложенному в прототипе. Детали-образцы нагревали в атмосфере диссоциированного аммиака до заданной температуры насыщения каждой стали, потом выдерживали сначала в газообразной смеси аммиака и ацетона, затем - в атмосфере воздуха. Значения твердости, износостойкости, толщина слоя, время проведения процесса и температура приведены в таблице.
Примеры 5, 6, 7, 8. Обработка деталей-образцов из конструкционных сталей 40Х, нитраллоев 38Х2МЮА, высоколегированных хромистых сталей 40Х13, высоколегированных жаропрочных сталей 12Х18Н10Т по предлагаемому способу. Детали-образцы нагревали в атмосфере аммиака до заданной температуры насыщения, далее проводили циклическую выдержку (время цикла 100 с на 1,5 литра печи) с попеременной сегрегационной подачей газов в цикле, сначала подавая воздух, затем - аммиак. Время выдержки для каждой атмосферы определялось эмпирически и контролировалось. Значения твердости, износостойкости, толщина слоя, время проведения процесса и температура приведены в таблице.
№ примера | Марка стали | Тем-ра азотир. °С | Время азотир. час | Толщина азотир. слоя, мкм | Твердость HV, ГПА | Линейный износ, мкм |
1.Прототип | 40Х | 520 | 4 | 380…400 | 5,6…6,0 | 16,3 |
2 Прототип | 38Х2МЮА | 550 | 8 | 220…235 | 7,5…8,0 | 11,2 |
3. Прототип | 40Х13 | 570 | 4 | 130…145 | 11,5…12,0 | 6,0 |
4. Прототип | 12Х18Н10Т | 650 | 16 | 45…50 | 13,0…13,5 | 4,5 |
5. Предлагаемый способ | 40Х | 520 | 4 | 390…415 | 6.5…7,0 | 14,0 |
6. Предлагаемый способ | 38Х2МЮА | 550 | 8 | 230…240 | 9,8…9,9 | 8,8 |
7. Предлагаемый способ | 40Х13 | 570 | 4 | 145…155 | 13,6…14,0 | 5,1 |
8. Предлагаемый способ | 12Х18Н10Т | 650 | 16 | 55…60 | 16,5…17,0 | 3,1 |
Таким образом, азотирование стальных изделий по предлагаемому способу позволяет сформировать на поверхности изделий упрочненную многослойную структуру, состоящую из чередующихся между собой слоев нитридных и оксидных фаз металлов, с оптимальным сочетанием повышенной твердости и износостойкости, позволяющую увеличить ресурс работы стальных изделий.
Claims (1)
- Способ обработки стальных изделий в газообразной среде, включающий нагрев изделий до температуры насыщения 450-780°С в атмосфере аммиака с последующей выдержкой в насыщающей газообразной среде, отличающийся тем, что в качестве насыщающей среды при выдержке используют воздух и аммиак, которые подают раздельно, а выдержку изделий осуществляют попеременно в атмосфере воздуха, а затем в атмосфере аммиака с формированием в результате на поверхности изделий многослойной структуры, состоящей из чередующихся между собой слоев из оксидных и нитридных фаз железа и соответствующих легирующих элементов.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007146285/02A RU2367716C1 (ru) | 2007-12-17 | 2007-12-17 | Способ обработки стальных изделий в газообразной среде |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007146285/02A RU2367716C1 (ru) | 2007-12-17 | 2007-12-17 | Способ обработки стальных изделий в газообразной среде |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2007146285A RU2007146285A (ru) | 2009-06-27 |
RU2367716C1 true RU2367716C1 (ru) | 2009-09-20 |
Family
ID=41026428
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007146285/02A RU2367716C1 (ru) | 2007-12-17 | 2007-12-17 | Способ обработки стальных изделий в газообразной среде |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2367716C1 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2519356C2 (ru) * | 2012-05-24 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" | Способ циклического газового азотирования штампов из сталей для горячего деформирования |
RU2522872C2 (ru) * | 2012-06-13 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Способ азотирования деталей машин с получением наноструктурированного приповерхностного слоя и состав слоя |
RU2614292C1 (ru) * | 2015-12-24 | 2017-03-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" | Способ циклического газового азотирования деталей из конструкционных легированных сталей |
RU2756547C1 (ru) * | 2020-09-24 | 2021-10-01 | Общество с ограниченной ответственностью "НПП "НИТРИД" (ООО "НПП "Нитрид") | Способ азотирования коррозионно-стойких и высоколегированных сталей |
-
2007
- 2007-12-17 RU RU2007146285/02A patent/RU2367716C1/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ЛАХТИН Ю.М. Химико-термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1985, с.175. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2519356C2 (ru) * | 2012-05-24 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" | Способ циклического газового азотирования штампов из сталей для горячего деформирования |
RU2522872C2 (ru) * | 2012-06-13 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Способ азотирования деталей машин с получением наноструктурированного приповерхностного слоя и состав слоя |
RU2614292C1 (ru) * | 2015-12-24 | 2017-03-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" | Способ циклического газового азотирования деталей из конструкционных легированных сталей |
RU2756547C1 (ru) * | 2020-09-24 | 2021-10-01 | Общество с ограниченной ответственностью "НПП "НИТРИД" (ООО "НПП "Нитрид") | Способ азотирования коррозионно-стойких и высоколегированных сталей |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2007146285A (ru) | 2009-06-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Gräfen et al. | New developments in thermo-chemical diffusion processes | |
Bell et al. | Environmental and technical aspects of plasma nitrocarburising | |
Kulka et al. | An alternative method of gas boriding applied to the formation of borocarburized layer | |
RU2367716C1 (ru) | Способ обработки стальных изделий в газообразной среде | |
Novák et al. | Wear and corrosion resistance of a plasma-nitrided PM tool steel alloyed with niobium | |
EP2390378A1 (en) | Method and apparatus for nitriding metal articles | |
EP1712658B1 (en) | Method for surface treatment of metal material | |
Chen et al. | Low-temperature gas nitriding of AISI 4140 steel accelerated by LaFeO3 perovskite oxide | |
Biró | Trends of nitriding processes | |
JP4947932B2 (ja) | 金属のガス窒化方法 | |
WO2004031434A1 (ja) | 耐摩耗性にすぐれた表面炭窒化ステンレス鋼部品およびその製造方法 | |
JPS6169968A (ja) | 鋼マトリツクス及びその製造方法 | |
Suhadi et al. | Austenitic plasma nitrocarburising of carbon steel in N2–H2 atmosphere with organic vapour additions | |
CN102125862A (zh) | 一种低温碳氮共渗催化剂及其共渗工艺方法 | |
Eshkabilov et al. | Structure and properties of the modified diffusion nitride-oxide surface layer | |
Lina et al. | Microstructure and mechanical properties of surface layers of 30CrMnSiA steel plasma nitrocarburized with rare earth addition | |
JP4505246B2 (ja) | 耐食・耐摩耗性オーステナイトステンレス鋼の表面硬化層の形成方法 | |
RU2679318C1 (ru) | Способ диффузионного насыщения изделий из аустенитных сталей | |
Caliari et al. | An investigation into the effects of different oxy-nitrocarburizing conditions on hardness profiles and corrosion behavior of 16MnCr5 steels | |
Hong et al. | The diffusion behavior and surface properties of catalytic nitriding with LaFeO3 film prepared by the sol-gel method | |
CN110714182B (zh) | 一种氮化渗铬层、其制备方法及应用 | |
Triwiyanto et al. | Low temperature thermochemical treatments of austenitic stainless steel without impairing its corrosion resistance | |
RU2692006C1 (ru) | Способ циклического газового азотирования деталей из высоколегированных сталей | |
RU2758506C1 (ru) | Способ повышения износостойкости и коррозионной стойкости изделий из аустенитных сталей | |
RU2756547C1 (ru) | Способ азотирования коррозионно-стойких и высоколегированных сталей |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171218 |