RU2585909C2 - Способ улучшения механических свойств изделий из металлов и сплавов - Google Patents
Способ улучшения механических свойств изделий из металлов и сплавов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2585909C2 RU2585909C2 RU2014123115/02A RU2014123115A RU2585909C2 RU 2585909 C2 RU2585909 C2 RU 2585909C2 RU 2014123115/02 A RU2014123115/02 A RU 2014123115/02A RU 2014123115 A RU2014123115 A RU 2014123115A RU 2585909 C2 RU2585909 C2 RU 2585909C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- product
- catalyst
- products
- nitriding
- conditions
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 19
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 19
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 12
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 12
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 title claims abstract description 9
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 33
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 claims abstract description 21
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 20
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 238000001513 hot isostatic pressing Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 10
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 10
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 13
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000013543 active substance Substances 0.000 claims description 2
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 abstract 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 46
- 230000008569 process Effects 0.000 description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 description 17
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 13
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 10
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 8
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 7
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 6
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 3
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 2
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- -1 hydrogen - Chemical class 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical class [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102220491117 Putative postmeiotic segregation increased 2-like protein 1_C23F_mutation Human genes 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- FMYKJLXRRQTBOR-BZSNNMDCSA-N acetylleucyl-leucyl-norleucinal Chemical compound CCCC[C@@H](C=O)NC(=O)[C@H](CC(C)C)NC(=O)[C@H](CC(C)C)NC(C)=O FMYKJLXRRQTBOR-BZSNNMDCSA-N 0.000 description 1
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YYXHRUSBEPGBCD-UHFFFAOYSA-N azanylidyneiron Chemical compound [N].[Fe] YYXHRUSBEPGBCD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 235000014121 butter Nutrition 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000006355 external stress Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000012994 industrial processing Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000013067 intermediate product Substances 0.000 description 1
- 238000004093 laser heating Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000010534 mechanism of action Effects 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical group [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000005610 quantum mechanics Effects 0.000 description 1
- 238000007712 rapid solidification Methods 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005488 sandblasting Methods 0.000 description 1
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical class [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/04—Treatment of selected surface areas, e.g. using masks
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
- C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
- C23C8/24—Nitriding
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
- C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
- C23C8/24—Nitriding
- C23C8/26—Nitriding of ferrous surfaces
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/80—After-treatment
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
- Press Drives And Press Lines (AREA)
Abstract
Изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке изделий из металлов и их сплавов, преимущественно сталей, и может быть использовано для упрочения изделий и повышения их эксплуатационной стойкости. Способ включает азотирование изделий в содержащей азот и/или его соединения газовой атмосфере в присутствии катализатора. Изделие и катализатор одновременно подвергают горячему изостатическому прессованию при барометрическом воздействии 100-300 МПа и температуре 1500-2500°С с обеспечением достижения критической плотности дислокаций в объеме изделия, отвечающей условиям перехода части вещества изделия в позитронное состояние материи Дирака. Достигается повышение твердости и ударной вязкости изделий. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Область техники
Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке изделий из металлов, преимущественно сталей, и их сплавов.
Предшествующий уровень техники
Известны способы улучшения механических свойств изделий из металлов и сплавов упрочнением их поверхностных слоев, например, нанесением нитридных покрытий путем азотирования в атмосфере аммиака или газовой смеси при высокой температуре и давлении. Увеличения твердости и глубины упрочняемого слоя достигают предварительной обработкой поверхностей, например, путем легирования их нитридообразующими элементами посредством электронно-лучевых технологий (SU, 1707997, С23С 14/48, 1997 г.) или с помощью лазерного нагрева (RU, 2148676 C1, С23С 8/26, 2000 г.) с последующим после проведения азотирования отжигом. Упрочнения достигают благодаря формированию в поверхностном слое деталей структуры, содержащей мелкодисперсные нитриды легирующих элементов. Твердость и глубина упрочняемого слоя определяются скоростью процесса выделения нитридов, что, в свою очередь, зависит от точности поддержания температуры отжига и длительности этого процесса.
Известен способ (RU, 2133299 С1, кл. C23F 17/00, 1999 г.), в основе которого лежит предварительная горячая обработка детали давлением, охлаждение на воздухе и азотирование при температуре, исключающей рекристаллизацию структуры детали, при направлении диффузного потока перпендикулярно направлению деформации. В материале с наличием текстуры горячей деформации и при направлении диффузионного потока перпендикулярно направлению деформации интенсивнее диффундирует азот и образующиеся нитриды распределяются более равномерно и плотно. Однако этот способ эффективен преимущественно для азотирования изделий из низкоуглеродистых мартенситных сталей и не подходит для малопластичных материалов.
Известны способы упрочнения изделий из металлов и сплавов, путем газового азотирования в присутствии катализаторов - веществ и соединений, изменяющих кинетику химической реакции. Состав катализаторов, так же как и механизмы их воздействия могут быть различными.
Например, в способе по патенту RU, 2208659С1, С23С 8/30, 2003 г. высокотемпературный катализатор сферической формы использован для принудительной циркуляции газовоздушной насыщающей смеси в рабочем пространстве с целью обработки азотируемой поверхности («пескоструйный» эффект) для ускорения изотермических и диффузионных процессов.
В способах по патентам ЕР, 0408168, С23С 8/02, 1991 г.; DE, 19652125, С23С 8/24, 1998 г. интенсификации процесса азотирования при получении глубоких упрочненных слоев достигают применением в качестве катализаторов веществ, вступающих во взаимодействие с поверхностными оксидами, эффективно очищающих поверхность обрабатываемого изделия и способствующих ее пластифицированию.
Известны способы, в которых аммиакосодержащие газовые потоки предварительно подвергаются каталитической обработке (RU, 2109080, С23С 8/24, 1998 г.) различными по своему химическому составу катализаторами, например, на основе оксидов алюминия, оксидов кремния или из металлов и их сплавов, содержащих в своем составе каталитически активные элементы из ряда металлоплатиновой группы. Газосодержащая атмосфера, подвергнутая каталитической обработке упомянутыми элементами и соединениями, приобретает особую активность в отношении азотирующего воздействия на изделия из сталей и сплавов, поскольку, по мнению авторов изобретения, активными компонентами в газосодержащей среде являются лабильные, высокоактивные в химическом отношении образования (азот-, водород-, кислородсодержащие радикалы, ионы, ионорадикалы), проникающие в твердую металлическую матрицу и реагирующие с ней. Введение в процессе азотирования каталитического фактора, воздействующего особым образом на превращения газовых реагентов, позволяет целенаправленно и селективно управлять всем спектром образующихся в этом процессе конечных и промежуточных продуктов. Упомянутый способ позволяет усовершенствовать процесс низкотемпературной химико-термической обработки сталей и сплавов на их основе (устранить ряд проблем, возникающих в процессе НТХТО), так как обеспечивает протекание процесса насыщения металла азотом в условиях, максимально приближенных к бинарной диаграмме железо-азот, при этом возможности катализаторов как активаторов процесса азотирования реализуются в ограниченном температурном диапазоне.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является улучшение механических свойств, в частности, повышение твердости и ударной вязкости изделий из металлов, преимущественно сталей, и сплавов на их основе.
Техническим результатом является увеличение глубины и равномерности высокопрочных, но вязких слоев путем интенсификации процесса газового азотирования. Интенсификацию обеспечивают созданием принципиально нового механизма воздействия на материал изделия, обеспечивающего проникновение ионов азота на глубину, более чем на несколько порядков больше обычной.
Дополнительным результатом является возможность промышленной обработки изделий из тугоплавких и малопластичных материалов, а также крупногабаритных изделий и изделий сложной формы.
Задача решается тем, что в способе улучшения механических свойств изделий из металлов, преимущественно сталей, и сплавов на их основе, включающем азотирование в содержащей азот и/или его соединения газовой атмосфере в присутствии катализатора, одновременно с азотированием изделие и катализатор совместно подвергают горячему изостатическому прессованию с соблюдением условий барометрического и температурного воздействия, обеспечивающих достижение плотности дислокаций в объеме изделия, отвечающей условиям перехода части вещества изделия в позитронное состояния материи Дирака. Катализатор применяют с возможностью образования в упомянутой газовой атмосфере высокоактивных веществ и/или соединений, инициирующих в объеме изделия возникновение переходных фаз с образованием позитрония. Горячее изостатическое прессование производят в газостате, а азотирование полых изделий осуществляют со стороны их внутренней поверхности, причем горячее изостатическое прессование ведут при барометрическом воздействии от 100 до 300 МПа и температуре до 2500°С. В качестве катализатора используют элементы I группы Периодической системы. При азотировании изделий полой формы катализатор помещают внутрь изделия, а горячее изостатическое прессование ведут с использованием элементов конструкции изделия.
Сущность способа может быть пояснена следующим образом.
Установлено, что при стабильном фазовом состоянии как обрабатываемого материала, так и насыщающей атмосферы азотирование малоэффективно из-за низкой диффузии азота, обусловленной малой пластичностью и большим сопротивлением деформации металла, а наиболее интенсивное насыщение твердой металлической матрицы азотом происходит в условиях фазовых превращений. Азот при этом диффундирует интенсивнее, а образующиеся нитриды распределяются более равномерно и плотно.
Создание условий нестабильности фазового состояния материала изделия обеспечивают, воздействуя на изделие и присутствующий при этом катализатор горячим изостатическим прессованием (далее по тексту ГИП). Особенность ГИП заключается в том, что этот процесс позволяет задавать большие пластические деформации без изменения формы образца.
При пластической деформации возрастает плотность дислокаций - важнейшего вида дефектов кристаллической структуры, источника внутренних напряжений в кристалле. Линия дислокации - места максимального искажения кристаллической решетки. Собственно пластическая деформация и происходит за счет движения и размножения дислокаций. Пластичность и вязкость металла - следствие достаточности дислокаций и плоскостей, по которым они скользят, а деформационное упрочнение обусловлено плотностью дислокаций и усилением их взаимодействия.
Атомы вблизи дислокаций смещены из своих положений равновесия и перевод их в новые положения в искаженном кристалле требует меньше затрат энергии, чем для атомов в неискаженном. Дислокации не могут зародиться только в результате теплового движения. Для их зарождения и для увеличения протяженности, пути скольжения уже возникших в процессе образования кристалла дислокаций нужна его высокотемпературная деформация. В условиях высокотемпературной деформации увеличивается не только плотность дислокаций, но и скорость диффузии в кристалле и уменьшается химическая стойкость последнего. Энергетический барьер для смещения дислокаций, определяемый энергией межатомных связей, тем меньше, чем больше зона искажений в окрестности дислокаций, при этом возле линии дислокации структура кристалла деформируется с затуханием искажения обратно пропорционально расстоянию от этой линии. Деформация реального кристалла начинается, когда внешнее напряжение достигает значения, необходимого для начала движения дислокаций, то есть разрыва межатомных связей рядом с дислокацией.
Известно также, что только под воздействием внешнего напряжения возникают дислокации с симметрией, имеющей отличную от нуля кривизну, среди которых наиболее перспективной с точки зрения энергетики для задач, решаемых настоящим изобретением, являются осесимметричные винтовые спирали.
Винтовая дислокация соответствует оси спиральной структуры в кристалле, характеризуемом искажением, вместе с нормальными параллельными плоскостями формирующим непрерывную винтовую наклонную плоскость, вращающуюся относительно дислокации.
Горячее изостатическое прессование, в основе которого лежит известный закон Паскаля, предполагает помещение изделия в газообразную (или жидкую) среду, на которую действует определенное давление, в итоге распределяющееся равномерно по поверхности изделия, подвергая его сжатию по многим направлениям. Основная задача ГИП - повышение плотности изделий, обладающих закрытыми дефектами. Эта технология позволяет придавать материалам изделия высокие прочностные и пластические характеристики, во многих случаях значительно превышающие уровни, достигаемые, например, при горячей деформации. В результате горячего изостатического воздействия на изделие в его объеме создаются напряжения, вызывающие нарушения периодичности двумерного типа в кристаллической решетке (вызывающие изменение плотности дислокаций), вдоль которых и происходит диффузия насыщающего вещества в объем. Атомам внедрения выгодно перемещаться в область растянутой (искаженной) кристаллической решетки. Каналы искажения являются каналами облегченной диффузии.
Для математического описания процессов деформации металлов используются различные модели упругопластического поведения материала. Важной составляющей модели является зависимость упругих констант, а в случае изотропных материалов (какими являются металлы) модуля сдвига G от термодинамических параметров состояния - давления и температуры. Существует модель Стейнберга (Guinan M.W., and Steinberg D.J. Pressure and temperature of the isotropic policristalline shear modulus for 65 elements. J.Phys.Chem.Solids, 1974, vol. 35, pp. 1501-1512) [1], в которой зависимость модуля сдвига от температуры и давления принимается в следующем виде:
G (P, J)=G0 [l+АР/δ1/3-В (Т-Т0)],
где G - модуль сдвига,
G0 - значение модуля сдвига при нормальных условиях Р=0, Т=Т0=300 К,
А, В - константы, зависящие от свойств вещества изделия и полученные в результате анализа экспериментальной информации, представленной в Steinberg D.J., Cohran S.G., Guinan M.W. A constitutive model for metals at high-strain rate. J. Appl. Phys., 1980, vol. 51 (3), pp. 1498-1504 b d Steinberg D.J. Equation of state and strength properties of selected materials. LLNL report No. URCL-MA-106439, 1966 [2],
δ=ρ/ρ0 - соотношение плотности материала изделия при нормальных и текущих условиях термодинамического состояния.
Приходящаяся на единицу длины энергия дислокаций определяется работой, необходимой для создания дислокаций.
Для винтовой дислокации:
где: G - модуль сдвига,
b - вектор Бюргерса,
r0, r1 - сферические координаты точки в окрестности дислокационной линии.
Итак, величина внутренней энергии дислокации пропорциональна длине дислокации и квадрату вектора Бюргерса. Энергия всего дислокационного ансамбля (энергия деформации кристаллической решетки) определяется общей длиной дислокаций и междислокационными расстояниями, а следовательно, плотностью дислокаций.
UΣ=UвинтVη, где η - плотность дислокаций.
Отсюда очевидна зависимость плотности винтовых дислокаций в материале изделия от термодинамических параметров внешнего воздействия.
Воздействие осуществляют для достижения так называемой «критической» плотности винтовых дислокаций, то есть плотности, отвечающей условиям плотности дислокаций в субстрате, находящемся в позитронном состоянии материи Дирака (или иначе - в пятом состоянии вещества). Процесс перехода малой части упомянутого вещества (при соблюдении определенных условий осуществления квантово-механического резонанса) в пятое состояние сопровождается выделением значительного количества энергии, способствующей увеличению скорости и глубины диффузии насыщающего вещества в объем изделия. Это утверждение основано на понимании сущности позитронного состояния материи Дирака, изложенной в монографии "The Principles of Quantum Mechanics" by P.A.M.Dirac. Second Edition. Oxford, 1935 [3], и процессов, протекающих в материале изделия при введении его в квантово-механический резонанс с пятым состоянием вещества, в труде А.И. Ахиезер, В.В. Берестецкий "Квантовая электродинамика", Наука, Москва, 1969 г. [4].
Условия создания квантово-механического резонанса в микрообъеме вещества основаны на законе сохранения энергии и момента импульса. В качестве инициирующего воздействия с целью введения в упомянутое состояние необходимо создать определенную плотность энергии на единицу объема вещества, а также необходимую плотность импульса либо его момента, что вызывает поляризационные процессы в позитронном состоянии материи Дирака, сопровождающийся возбуждением частиц и античастиц, причем античастица позитрон аннагилирует с веществом изделия, выделяя необходимую дополнительную энергию. Аннигиляция сопровождается образованием единичных γ-фотонов, регистрация которых известными доступными средствами позволяет судить о достижении плотности дислокаций в веществе изделия критического значения.
С учетом вышеизложенного можно определить барометрический и температурный режим горячего изостатического прессования, обеспечивающий введение малой части вещества в квантово-механический резонанс с позитронным состоянием материи Дирака. Экспериментально подтвержден расчетный интервал значений рабочих режимов ГИП, при поддержании которых задачи настоящего изобретения решаются наилучшим образом:
Р=100…300 МПа,
Т=1500…2500°С.
Повышение по сравнению с атмосферным давления насыщающей атмосферы способствует также и интенсификации абсорбционных процессов на поверхности обрабатываемых изделий, на которой происходит более интенсивное возрастание концентрации насыщающего элемента, что приводит к увеличению градиента концентрации и, соответственно, ускорению диффузионных процессов. Кроме того (закон Сивертса), при повышении давления насыщающей среды увеличивается растворимость азота в металле, что предотвращает образование хрупких нитридных фаз на поверхности упрочняемых изделий.
Усиление эффекта интенсификации диффузии азота в толщу материала изделия достигают применением катализаторов - веществ, образующих с азотом высокоактивные соединения, не преобразующиеся в ε-фазу. Свойство катализаторов изменять кинетику реакции азотирования, а именно увеличивать скорость протекания реакции, способствовать расщеплению молекул азота на атомы, увеличивать концентрацию положительно заряженных частиц-ионов, в том числе азота и самого катализатора, препятствует быстрому отверждению образованных соединений в приповерхностном слое изделия и тем самым повышает градиент диффузии азота в его объем, что ведет к повышению концентрации насыщающего вещества (азота) в изделии.
Наибольший эффект достигается при подборе состава катализаторов, обеспечивающего при взаимодействии с насыщающей атмосферой в условиях горячего изостатического прессования образование веществ и соединений, инициирующих в объеме изделия фазовые переходы с возникновением позитрония, являющегося активным восстановителем. Как известно, реакции подобного типа (реакции восстановления) сопровождаются выделением значительного количества энергии. Это обстоятельство, а также определенные изменения в кристаллической решетке, связанные с образованием позитрония, усиливают эффект, наступающий в материале изделия под воздействием горячего изостатического прессования.
В качестве катализатора, способного обеспечить вышеописанные процессы, могут быть применены элементы I группы Периодической системы элементов, как обладающие следующими свойствами:
- имеющие самый малый ионный радиус (легко диффундирующие),
- имеющие водородоподобный спектр,
- имеющие близкие квантовые числа, обеспечивающие необходимые магнитные и орбитальные моменты,
- имеющие ядерное строение, способствующее образованию позитрония,
- содержащие энергетические уровни, расстояние между которыми соответствует энергии гамма-кванта (2m0c2, где m0 - масса электрона, с - скорость света в вакууме).
Вариант осуществления изобретения
Процесс горячего изостатического прессования может быть осуществлен в газостате - устройстве для газостатической обработки, в котором рабочим телом, передающим всестороннее воздействие, является азотсодержащий газ. Конструкция газостата, а именно входящий в его состав сосуд высокого давления, обеспечивает необходимые для наиболее эффективной реализации способа условия барометрического (до 300 МПа) и температурного (до 2500°С) воздействия. Этим требованиям отвечает ряд установок, например, разработанных и сконструированных в США (в институте Баттера). Вместе с обрабатываемым изделием в газостат загружают катализатор. Азотирование полых изделий целесообразно вести воздействием на их внутреннюю поверхность. В этом случае для обработки крупногабаритных полых изделий возможно использование их конструкции в качестве элементов устройства газостатирования. Например, внутренняя полость достаточно протяженного отрезка толстостенной трубы, надлежащим образом герметизированная с торцов, может служить резервуаром высокого давления (по аналогии с газостатом) и заполняться азотсодержащим газом и катализатором. По окончании процесса азотирования производят дегазацию изделия и очищение его от примесей путем отжига.
В результате проведенных многочисленных экспериментов по упрочнению изделий из сталей различного состава достигнута высокая микротвердость материала при значительной глубине диффузионного слоя, следствием чего явилось повышение износостойкости изделий в 2…10 раз. Экспериментальные данные о распределении микротвердости по глубине слоя материала образцов изделия иллюстрируются чертежом. Данные получены в условиях воздействия на образцы азотосодержащей атмосферы температурой Т=1050°С и давлением 55, 150 и 300 МПа соответственно.
Промышленная применимость
Изобретение используется для упрочнения изделий из металлов и сплавов с целью повышения их эксплуатационной стойкости и может найти применение в металлургической, нефтедобывающей, машиностроительной и других отраслях промышленности.
Claims (6)
1. Способ химико-термической обработки изделий из металлов и их сплавов, преимущественно сталей, включающий азотирование изделия в содержащей азот и/или его соединения газовой атмосфере в присутствии катализатора, отличающийся тем, что изделие и катализатор одновременно подвергают горячему изостатическому прессованию при барометрическом воздействии 100-300 МПа и температуре 1500-2500°С с обеспечением достижения критической плотности дислокаций в объеме изделия, отвечающей условиям перехода части вещества изделия в позитронное состояние материи Дирака.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют катализатор, обеспечивающий образование в газовой атмосфере высокоактивных веществ и/или соединений, инициирующих в объеме изделия возникновение переходных фаз с образованием позитрония.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что азотирование изделий осуществляют в газостате.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработке подвергают полые изделия, при этом азотирование осуществляют со стороны их внутренней поверхности.
5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют элементы I группы Периодической системы.
6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что катализатор помещают во внутреннюю полость изделия, а условия для горячего изостатического прессования создают с использованием элементов конструкции изделия.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB1121197.6A GB2497354B (en) | 2011-12-07 | 2011-12-07 | Method of improvement of mechanical properties of products made of metals and alloys |
| GB1121197.6 | 2011-12-07 | ||
| PCT/IB2012/001945 WO2013084034A1 (en) | 2011-12-07 | 2012-08-28 | Method of improvement of mechanical properties of products made of metals and alloys |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014123115A RU2014123115A (ru) | 2016-02-10 |
| RU2585909C2 true RU2585909C2 (ru) | 2016-06-10 |
Family
ID=45541480
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014123115/02A RU2585909C2 (ru) | 2011-12-07 | 2012-08-28 | Способ улучшения механических свойств изделий из металлов и сплавов |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10081858B2 (ru) |
| EP (1) | EP2788521B1 (ru) |
| JP (2) | JP2015501882A (ru) |
| CN (1) | CN104093875B (ru) |
| ES (1) | ES2718816T3 (ru) |
| GB (1) | GB2497354B (ru) |
| RU (1) | RU2585909C2 (ru) |
| WO (1) | WO2013084034A1 (ru) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107532273B (zh) * | 2015-03-24 | 2020-07-28 | 昆特斯技术公司 | 用于加工物品的方法和装置 |
| EP3162558A1 (en) * | 2015-10-30 | 2017-05-03 | Outokumpu Oyj | Component made of metallic composite material and method for the manufacture of the component by hot forming |
| RU2692006C1 (ru) * | 2018-10-26 | 2019-06-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" | Способ циклического газового азотирования деталей из высоколегированных сталей |
| RU2692007C1 (ru) * | 2018-11-01 | 2019-06-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ) | Способ циклического азотирования изделий из стали 08ю в газообразных средах |
| US11560917B1 (en) | 2020-03-05 | 2023-01-24 | Latham Pool Products, Inc. | Mounting arrangements for pool fittings and methods for mounting pool fittings |
| USD982726S1 (en) | 2020-08-07 | 2023-04-04 | Latham Pool Products, Inc. | Pool fitting mounting plate |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4511411A (en) * | 1982-09-07 | 1985-04-16 | Vereinigte Drahtwerke Ag | Method of forming a hard surface layer on a metal component |
| RU2003732C1 (ru) * | 1992-09-30 | 1993-11-30 | Михаил Александрович Шелагуров | Способ обработки стальных деталей |
| RU2109081C1 (ru) * | 1996-08-01 | 1998-04-20 | Закрытое акционерное общество "Техно-ТМ" | Способ изготовления стальной детали |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5839775A (ja) | 1981-09-02 | 1983-03-08 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 高圧燃料噴射管の表面硬化方法および装置 |
| JPS6248408A (ja) * | 1985-08-23 | 1987-03-03 | Mitsubishi Metal Corp | すぐれた耐摩耗性と靭性を具備するサ−メツト製切削工具 |
| EP0408168B1 (en) | 1989-07-10 | 1994-06-08 | Daidousanso Co., Ltd. | Method of pretreating metallic works and method of nitriding steel |
| SU1707997A1 (ru) | 1990-01-08 | 1997-01-20 | Институт Физики Прочности И Материаловедения Со Ан Ссср | Способ ионно-лучевой обработки режущего инструмента из твердых сплавов |
| EP0707661B1 (fr) * | 1994-04-22 | 2000-03-15 | Innovatique S.A. | Procede pour la nitruration a basse pression d'une piece metallique et four pour la mise en uvre dudit procede |
| DE19652125C1 (de) | 1996-12-14 | 1998-04-30 | Volker Dipl Ing Leverkus | Verfahren zur Regelung einer Nitrier- bzw. Nitrocarburier-Atmosphäre sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
| RU2109080C1 (ru) | 1997-05-14 | 1998-04-20 | Владимир Яковлевич Сыропятов | Установка для газовой низкотемпературной химико-термической обработки стали и сплавов |
| RU2133299C1 (ru) | 1998-04-27 | 1999-07-20 | Пермский государственный технический университет | Способ изготовления азотированных деталей из низкоуглеродистых мартенситных сталей |
| RU2148676C1 (ru) | 1998-06-26 | 2000-05-10 | Московский государственный автомобильно-дорожный институт (Технический университет) | Способ низкотемпературного азотирования стальных деталей |
| RU2208659C1 (ru) | 2002-03-19 | 2003-07-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ПКТФ" | Способ газового азотирования изделий в кипящем слое и установка для его реализации |
| EP1544318A4 (en) * | 2002-07-09 | 2008-12-31 | Langen Li | ATMOSPHERE THERMAL PROCESSING COCATALIZER, METHOD FOR APPLICATION THEREOF, THERMAL TREATMENT METHOD, AND THERMOPRATED ATMOSPHERE USING THE COCATALYST |
| JP2005264238A (ja) | 2004-03-18 | 2005-09-29 | Hitachi Metals Ltd | 非鉄溶湯用部材 |
| JP2006131941A (ja) | 2004-11-04 | 2006-05-25 | Hitachi Metals Ltd | 非鉄溶融金属用合金部材 |
| JP2010058164A (ja) | 2008-09-05 | 2010-03-18 | Daido Steel Co Ltd | ダイカスト金型の製造方法 |
-
2011
- 2011-12-07 GB GB1121197.6A patent/GB2497354B/en not_active Expired - Fee Related
-
2012
- 2012-08-28 CN CN201280066595.XA patent/CN104093875B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2012-08-28 EP EP12780807.9A patent/EP2788521B1/en not_active Not-in-force
- 2012-08-28 ES ES12780807T patent/ES2718816T3/es active Active
- 2012-08-28 US US14/363,181 patent/US10081858B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2012-08-28 JP JP2014545372A patent/JP2015501882A/ja active Pending
- 2012-08-28 RU RU2014123115/02A patent/RU2585909C2/ru active IP Right Revival
- 2012-08-28 WO PCT/IB2012/001945 patent/WO2013084034A1/en active Application Filing
-
2017
- 2017-10-20 JP JP2017203027A patent/JP2018040061A/ja active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4511411A (en) * | 1982-09-07 | 1985-04-16 | Vereinigte Drahtwerke Ag | Method of forming a hard surface layer on a metal component |
| RU2003732C1 (ru) * | 1992-09-30 | 1993-11-30 | Михаил Александрович Шелагуров | Способ обработки стальных деталей |
| RU2109081C1 (ru) * | 1996-08-01 | 1998-04-20 | Закрытое акционерное общество "Техно-ТМ" | Способ изготовления стальной детали |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB2497354A (en) | 2013-06-12 |
| US10081858B2 (en) | 2018-09-25 |
| ES2718816T3 (es) | 2019-07-04 |
| GB2497354B (en) | 2014-09-24 |
| CN104093875B (zh) | 2017-07-28 |
| JP2018040061A (ja) | 2018-03-15 |
| RU2014123115A (ru) | 2016-02-10 |
| EP2788521B1 (en) | 2019-01-09 |
| JP2015501882A (ja) | 2015-01-19 |
| EP2788521A1 (en) | 2014-10-15 |
| CN104093875A (zh) | 2014-10-08 |
| WO2013084034A1 (en) | 2013-06-13 |
| US20150047748A1 (en) | 2015-02-19 |
| GB201121197D0 (en) | 2012-01-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2585909C2 (ru) | Способ улучшения механических свойств изделий из металлов и сплавов | |
| Lu et al. | Grain refinement of LY2 aluminum alloy induced by ultra-high plastic strain during multiple laser shock processing impacts | |
| Agarwal et al. | Enhanced fatigue resistance in 316L austenitic stainless steel due to low-temperature paraequilibrium carburization | |
| Subbiah et al. | Wear analysis of treated Duplex Stainless Steel material by carburizing process–A review | |
| Campos-Silva et al. | Evolution of boride layers during a diffusion annealing process | |
| Yan et al. | Laser quenching of plasma nitrided 30CrMnSiA steel | |
| Misra et al. | Ultrahigh strength martensite–austenite dual-phase steels with ultrafine structure: the response to indentation experiments | |
| Campos et al. | Effect of boron paste thickness on the growth kinetics of polyphase boride coatings during the boriding process | |
| Dong et al. | Vacuum carburization of 12Cr2Ni4A low carbon alloy steel with lanthanum and cerium ion implantation | |
| Medina et al. | Effects of post-discharge nitriding on the structural and corrosion properties of 4140 alloyed steel | |
| Santos et al. | Behavior of the reversed austenite in CA-6NM martensitic stainless steel under cavitation | |
| Funch et al. | Gaseous nitriding of additively manufactured maraging steel; nitriding kinetics and microstructure evolution | |
| Fu et al. | Effect of temperature on microstructure, corrosion resistance, and toughness of salt bath nitrided tool steel | |
| Małdziński et al. | Concept of an economical and ecological process of gas nitriding of steel | |
| Belashova et al. | Controlled thermogasocyclic nitriding processes | |
| Mirjani et al. | Plasma and gaseous nitrocarburizing of C60W steel for tribological applications | |
| Chandran et al. | Non-monotonic plasticity and fracture in DP1000: Stress-state, strain-rate and temperature influence | |
| Arthur et al. | Indentation size effects in pack carbo-nitrided AISI 8620 steels | |
| Sirin et al. | Influence of initial conditions on the mechanical behavior of ion nitrided AISI 4340 steel | |
| Korshunov et al. | Structural transformations and tribological effects in the surface layer of austenitic chrome-nickel steel initiated by nanostructuring and oxidation | |
| Morizono et al. | Surface Hardening of Titanium by Using a Simplified Carbon and Nitrogen Diffusion Technique with Steel and Carbon Powders | |
| Feng et al. | Residual stress relaxation of shot-peened deformation surface layer on duplex stainless steel under applied loading | |
| Lu et al. | Catalysis of rare earth element Nd on boriding of AISI 1045 steel | |
| Sivakumar et al. | Toughness study of Borided, Borided and induction modified AISI 4340 steel | |
| Doñu Ruiz et al. | Effect of the boron powder on surface AISI W2 steel: experiments and modelling |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170829 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20200924 |