RU2692007C1 - Способ циклического азотирования изделий из стали 08ю в газообразных средах - Google Patents
Способ циклического азотирования изделий из стали 08ю в газообразных средах Download PDFInfo
- Publication number
- RU2692007C1 RU2692007C1 RU2018138517A RU2018138517A RU2692007C1 RU 2692007 C1 RU2692007 C1 RU 2692007C1 RU 2018138517 A RU2018138517 A RU 2018138517A RU 2018138517 A RU2018138517 A RU 2018138517A RU 2692007 C1 RU2692007 C1 RU 2692007C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- copper
- atmosphere
- layer
- ammonia
- products
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 33
- 239000010959 steel Substances 0.000 title claims abstract description 33
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 title claims abstract description 8
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 62
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 57
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 54
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 51
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 34
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 17
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 16
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000009738 saturating Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229920000191 poly(N-vinyl pyrrolidone) Polymers 0.000 claims abstract description 7
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 claims abstract description 6
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 8
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 abstract description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 13
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 5
- 238000000151 deposition Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 20
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 12
- QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N Copper oxide Chemical compound [Cu]=O QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 8
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- -1 nitrogen ions Chemical class 0.000 description 5
- 239000005751 Copper oxide Substances 0.000 description 4
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 4
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 229910000431 copper oxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 4
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 4
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 3
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 2
- 150000001879 copper Chemical class 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000000635 electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 2
- JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L zinc dichloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Zn+2] JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002730 additional effect Effects 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- GKFJEDWZQZKYHV-UHFFFAOYSA-N borane;2-methylpropan-2-amine Chemical compound B.CC(C)(C)N GKFJEDWZQZKYHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 229910000365 copper sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- ARUVKPQLZAKDPS-UHFFFAOYSA-L copper(II) sulfate Chemical compound [Cu+2].[O-][S+2]([O-])([O-])[O-] ARUVKPQLZAKDPS-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 235000005074 zinc chloride Nutrition 0.000 description 1
- 239000011592 zinc chloride Substances 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
- C23C8/06—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
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Abstract
Изобретение относится к химико-термической обработке, а именно к газовому азотированию сталей с использованием нанотехнологий, и может быть использовано в машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности. Способ циклического азотирования изделий из стали 08Ю в газообразных средах включает нанесение на предварительном этапе на поверхность изделий в качестве катализатора слоя медьсодержащих наночастиц, последующий нагрев изделий н в печи в атмосфере аммиака и диоксида углерода до температуры насыщения 540-650°С, после чего осуществляют изотермическую выдержку, во время которой осуществляют замену насыщающей атмосферы циклически в два этапа в каждом цикле. Первый этап цикла изотермической выдержки проводят в насыщающей атмосфере аммиака в смеси с парами воды при соотношении объемов упомянутых компонентов 1:1, а второй этап упомянутого цикла проводят в насыщающей атмосфере аммиака в смеси с диоксидом углерода при соотношении объемов упомянутых газов 1:1. Упомянутую циклическую замену насыщающей атмосферы повторяют до получения азотированного слоя заданной толщины, после чего изделия охлаждают вместе с печью. На предварительном этапе на поверхность стальных изделий методом окунания наносят слой медьсодержащих наночастиц в составе нанокомпозита в совокупности с макромолекулами полимерной псевдоматрицы с последующим высушиванием слоя с формированием наноструктуры. Медьсодержащие наночастицы до начала упомянутого нагрева в атмосфере аммиака и диоксида углерода имеют сферическую форму и диаметр 3-15 нм, а после указанного нагрева и распада полимерной псевдоматрицы образуют на поверхности изделий медьсодержащий слой, состоящий из дискретных частиц, расположенных на расстоянии друг от друга. В частных случаях осуществления изобретения в качестве полимерной псевдоматрицы используют поли-N-винилпирролидон с разной молекулярной массой. В качестве медьсодержащих наночастиц используют медь или ее оксиды. Обеспечивается интенсифицирование процесса азотирования, а также получение на поверхности стали равномерного упрочненного слоя с увеличенной толщиной монолитной зоны металлокерамик при сохранении высоких значений прочностных характеристик. 2 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно, к химико-термической обработке, в частности, к газовому азотированию сталей с применением нанотехнологий, и может быть использовано для поверхностного упрочнения изделий из стали в машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности.
В качестве аналога известен способ газового азотирования изделий из стали, включающий 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 (см. патент РФ №2367716, МПК С23С 8/34, опубл. 2009 г.).
Недостатками известного способа является большая длительность процесса, обусловленная замедленной диффузией азота в процессе насыщения через поверхностный оксидный слой.
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является принятый в качестве прототипа способ обработки стальных изделий, заключающийся в нагреве в печи детали до температуры 540-650°С, далее следует изотермическая выдержка при температуре нагрева, во время которой осуществляют замену насыщающей атмосферы циклически в два этапа в каждом цикле. Длительность процесса составляет 8 часов. Предварительно гальваническим способом на поверхность деталей наносят наноразмерную медную пленку толщиной 150-200 нм. При этом на первом этапе изотермической выдержки получают пленку из оксида меди, а на втором этапе оксид меди восстанавливается до чистой меди. Оксид меди в данном случае является катализатором реакции диссоциации аммиака и позволяет получать на поверхности детали более высокую концентрацию ионов азота (см. патент РФ №2 614 292, МПК С23С 28/04, С23С 8/26, С23С 8/34, опубл. в 2017 г.).
Недостатком данного способа является неравномерность толщины медной пленки, нанесенной гальваническим методом, особенно, на изделиях сложного профиля. Образуется плотный слой блочной меди, легко отслаивающийся от основы при нагреве в процессе азотирования.
В случае высокого содержания массивной меди использование этого метода нанесения может привести к потере каталитических свойств пленки и не позволяет получать монолитную зону металлокерамик в диффузионном азотированном слое. Недостатком способа-прототипа является необходимость организации участка для нанесения медной пленки гальваническим методом, что повышает эксплуатационные издержки технологического процесса и оказывает негативное влияние на окружающую среду.
Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является интенсификация процесса азотирования, а также получение на поверхности стали равномерного упрочненного слоя с увеличенной толщиной монолитной зоны металлокерамик при сохранении высоких значений прочностных характеристик.
Поставленная техническая задача решается тем, что в способе циклического азотирования изделий из стали 08Ю в газообразных средах, заключающемся в том, что на предварительном этапе на поверхность изделий в качестве катализатора наносят слой медьсодержащих наночастиц, затем изделие нагревают в печи в атмосфере аммиака и диоксида углерода до температуры насыщения 540-650°С, после чего осуществляют изотермическую выдержку, во время которой осуществляют замену насыщающей атмосферы циклически в два этапа в каждом цикле, при этом первый этап цикла изотермической выдержки проводят в насыщающей атмосфере аммиака в смеси с парами воды при соотношении объемов упомянутых компонентов 1:1, а второй этап упомянутого цикла проводят в насыщающей атмосфере аммиака в смеси с диоксидом углерода при соотношении объемов упомянутых газов 1:1, процесс повторяют до получения азотированного слоя заданной толщины, после чего изделия охлаждают вместе с печью, согласно изобретению на предварительном этапе слой из медьсодержащих наночастиц наносят методом окунания на поверхность изделий в составе нанокомпозита, а именно, в совокупности с макромолекулами полимерной псевдоматрицы с последующим высушиванием слоя, формируя наноструктуру, при этом наночастицы до начала нагрева имеют сферическую форму и диаметр 3-15 нм, а после нагрева и распада полимерной псевдоматрицы сохраняются на поверхности изделий в виде расположенных на расстоянии друг от друга частиц.
На решение поставленной технической задачи направлено также то, что в качестве полимерной псевдоматрицы используют поли-N-винилпирролидон с различной молекулярной массой.
На решение поставленной технической задачи направлено также и то, что в качестве медьсодержащих наночастиц используют медь или ее оксиды.
Решение поставленной технической задачи достигается за счет нанесения на поверхность изделия нанокомпозита, содержащего медь или ее оксиды. Морфологически отдельные и пространственно-упорядоченные медьсодержащие наночастицы, распределяясь по поверхности на расстоянии друг от друга, при нагреве проявляют свойства катализатора, ускоряя диффузию ионов азота в стальные изделия в большей концентрации.
Способ поясняется иллюстрациями, где на фиг. 1 - изображена электронная микрофотография нанокомпозита в виде золя меди; на фиг. 2 - гистограмма численного распределения наночастиц меди по размерам; на фиг. 3 - изображена электронная микрофотография нанокомпозита в виде золя Cu2O; на фиг. 4 - гистограмма численного распределения наночастиц Cu2O по размерам; на фиг. 5 - нанокомпозит меди на поверхности изделий из стали 08Ю до нагрева; на фиг. 6 - нанокомпозит меди после нагрева; на фиг. 7 - микроструктура образца, полученного стандартным способом азотирования; на фиг. 8 - микроструктура прототипа; на фиг. 9 - микроструктура образца с предварительным нанесением золя меди.
Способ циклического азотирования изделий из стали 08Ю в газообразных средах заключается в том, что на предварительном этапе на поверхность изделий в качестве катализатора наносят слой медьсодержащих наночастиц. Затем изделия нагревают в печи в атмосфере аммиака и диоксида углерода до температуры насыщения 540-650°С, после чего осуществляют изотермическую выдержку при этой температуре в азотсодержащей газообразной среде, достигая образования диффузионного поверхностного слоя. Причем процесс азотирования проводят циклически в два этапа в каждом цикле. Первый этап при изотермической выдержке проводят в насыщающей атмосфере аммиака в смеси с парами воды, выдерживая соотношения их объемов как 1:1. Второй этап упомянутого цикла проводят в насыщающей атмосфере аммиака в смеси с диоксидом углерода, также выдерживая соотношение упомянутых газов как 1:1. В дальнейшем после проведения ряда описанных циклов изделия охлаждают вместе с печью.
Согласно изобретению на предварительном этапе на поверхность стальных изделий наносят в качестве катализатора слой медьсодержащих наночастиц в составе нанокомпозита, а именно, в совокупности с макромолекулами полимерной псевдоматрицы. При этом используют метод окунания с последующим высушиванием слоя. При этом формируется своеобразная наноструктура. Причем наночастицы до начала нагрева имеют сферическую форму и диаметр 3-15 нм. После нагрева наночастицы сохраняются на поверхности изделий в виде расположенных на расстоянии друг от друга частиц. В качестве полимерной псевдоматрицы может быть использован поли-N-винилпирролидон с различной молекулярной массой, а в качестве медьсодержащих наночастиц - медь или ее оксиды. Использованная в составе нанокомпозита полимерная псевдоматрица позволяет экранировать наночастицы, предотвращая их агрегацию (см. фиг. 1-5). На поверхности стального изделия полимерная псевдоматрица адсорбируется вместе с медьсодержащими наночастицами. При нагревании полимер начинает деполимеризоваться с образованием мономера. При температуре около 400°С полимер разлагается.
На стальной поверхности остаются медьсодержащие наночастицы, форма и пространственная организация которых определены полимерной псевдоматрицей (см. фиг. 6). Образуется медьсодержащий слой, состоящий из дискретных частиц, расположенных на расстоянии друг от друга.
При температуре процесса аммиак диссоциирует согласно уравнению:
Молекулы азота не рассеиваются в сталях. С другой стороны, термическая диссоциация аммиака, происходящая в присутствии катализаторов, которыми являются переходные металлы, в том числе медь и оксиды меди, сопровождается образованием ионов азота согласно уравнению:
Возникающие в результате катализа ионы азота диффундируют в структуру стали. Медьсодержащие наночастицы, обладающие малым размером и большой удельной поверхностью, проявляют высокую каталитическую активность, что позволяет получить дополнительный эффект в реакции диссоциации аммиака с генерированием ионов азота. Присутствие медьсодержащих наночастиц приводит к значительному увеличению количества активных центров, через которые происходит проникновение азота в сталь.
Согласно с описанными явлениями на поверхности стали образуется равномерный упрочненный слой с монолитной зоной металлокерамик.
Заполнение поверхности наноразмерными частицами можно легко варьировать путем изменения концентрации нанокомпозита в виде золя и молекулярной массы полимера.
Размер наночастиц можно варьировать составом наночастиц (металл, оксиды), а также используя в качестве исходного материала при восстановлении различные соли.
При диссоциации аммиака кроме азота сталь насыщается водородом, диффузионная подвижность которого выше, чем у азота. Водород занимает более благоприятные каналы диффузии и тормозит диффузию азота, снижая скорость роста поверхностного нитридного слоя. В предлагаемом способе полимер при нагревании начинает распадаться с образованием мономера, который взаимодействует с водородом как ненасыщенное непредельное соединение. При этом проникновение азота в сталь интенсифицируется.
При дальнейшем повышении температуры выше 500°С происходит распад полимерной псевдоматрицы поли-N-винилпирролидона. Продуктами дальнейшего распада мономера являются в основном СО, СО2, NOx, Н2, H2O. Монооксид углерода может восстанавливать медь, например, из ее оксидов.
Кроме выше сказанного можно добавить следующее: в результате окисления аммиака до NOx и их взаимодействия с остатками паров воды образуется азотная кислота, которая на первом этапе устраняет ингибиторную пленку оксидов легирующих элементов, входящих в состав стальных изделий.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом:
1. Перед нанесением слоя медьсодержащих частиц детали промывают 1% раствором хлористого цинка в воде для их обезжиривания. Затем изделия погружают в медьсодержащий золь, полученный путем восстановления соли меди бороводородным восстановителем в водном растворе поли-N-винилпирролидона. Продукты восстановления можно рассматривать как нанокомпозиты, так как частицы золя представляют собой комплексы медьсодержащих наночастиц меди и макромолекул полимера.
2. Далее стальные изделия с нанесенным и просушенным нанокомпозитом помещают в герметичный контейнер и нагревают в атмосфере аммиака и диоксида углерода в соотношении 1:1 по объему до температуры в интервале 540-650°С.
3. Затем проводят азотирование в условиях изотермической выдержки при той же температуре 540-650°С. При этом осуществляют циклическое изменение газовой смеси: на первом этапе цикла подают смесь из аммиака и паров воды, на втором этапе - смесь из аммиака и диоксида углерода. Затем данный цикл повторяют необходимое количество раз. Количество аммиака в процессе насыщения на первом и втором этапах цикла поддерживают постоянным и равным соотношению 1:1 к объему другого компонента насыщающей атмосферы.
Подача паров воды на первом этапе цикла обеспечивает образование оксидов меди из медьсодержащих наночастиц. На втором этапе окислы меди восстанавливаются водородом, образовавшимся в результате диссоциации аммиака до чистой меди. Катализатором, как и в прототипе, являются оксиды меди, но так как в предлагаемом способе наночастицы оксида меди имеют большую поверхность, чем пленка, нанесенная гальваническим способом, каталитические свойства выше.
4. При достижении заданной толщины диффузионного азотированного слоя, циклическое изменение газовой смеси прекращают. После чего проводят охлаждение вместе с печью в атмосфере аммиака до температуры около 200° и выгрузку готовых деталей из реактора печи.
Для сравнения заявляемого способа с прототипом были проведены исследования изделий-образцов, изготовленных из стали 08Ю, подвергнутых азотированию с использованием предлагаемого медьсодержащего нанокомпозита в качестве катализатора.
Ниже приведены примеры, показывающие преимущества способа.
Примеры:
1. Обработка изделий-образцов из стали 08Ю без предварительно нанесенной медной пленки. Изделия-образцы нагревали до температуры насыщения Т=575°С в атмосфере аммиака и диоксида углерода, затем проводили азотирование в течение 3 часов в циклически изменяемой газовой среде. Толщина зоны химических соединений (керамик) составила 42 мкм. Значения твердости указаны в таблице.
2. Обработка изделий-образцов из стали 08Ю по способу, изложенному в прототипе, с предварительно нанесенной гальваническим способом наноразмерной пленкой из меди толщиной 150-200 нм. Изделия-образцы нагревали в печи до температуры Т=575°С в атмосфере аммиака и диоксида углерода, затем проводили азотирование в течение 3 часов в циклически изменяемой газовой среде. Толщина зоны химических соединений (керамик) составила 72 мкм. Значения твердости указаны в таблице.
3. Обработка изделий-образцов из стали 08Ю по предлагаемому способу с предварительным формированием наноструктуры из макромолекул полимерной псевдоматрицы и медьсодержащих наночастиц. На обезжиренные изделия-образцы методом окунания наносили нанокомпозит, а именно, золь меди, полученный путем восстановления Cu2+ из водного раствора сульфата меди трет-бутиламин-бораном при комнатной температуре в присутствии поли-N-винилпирролидона. Просушенные изделия-образцы нагревали в печи до температуры Т=575°С в атмосфере аммиака и диоксида углерода, затем проводили азотирование в течение 3 часов в циклически изменяемой газовой среде. Толщина зоны химических соединений (керамик) составила 90 мкм. Значения твердости указаны в таблице.
Результаты исследований образцов приведены в таблице и показаны на фиг.7-9.
Заявляемый способ азотирования позволяет получить на поверхности изделий из стали 08Ю диффузионный азотированный слой толщиной до 100 мкм при сохранении высокой твердости за счет предварительного нанесения на поверхность изделий слоя медьсодержащих наночастиц. Толщина упрочненного азотированного слоя, получаемого в случае предлагаемого способа, имеет большие значения, чем при азотировании в прототипе и стандартном способе азотирования. Кроме того, использование в предлагаемом способе медьсодержащих наночастиц позволяет не только увеличить каталитическую активность, но и уменьшить содержание меди на поверхности изделия, что приводит к существенной экономии.
Таким образом, изобретение позволяет интенсифицировать процесс азотирования, а также получить на поверхности стали равномерный упрочненный слой с увеличенной толщиной монолитной зоны металлокерамик при сохранении высоких значений прочностных характеристик.
Claims (3)
1. Способ циклического азотирования изделий из стали 08Ю в газообразных средах, включающий нанесение на предварительном этапе на поверхность изделий в качестве катализатора слоя медьсодержащих наночастиц, затем изделия нагревают в печи в атмосфере аммиака и диоксида углерода до температуры насыщения 540-650°С, после чего осуществляют изотермическую выдержку, во время которой осуществляют замену насыщающей атмосферы циклически в два этапа в каждом цикле, при этом первый этап цикла изотермической выдержки проводят в насыщающей атмосфере аммиака в смеси с парами воды при соотношении объемов упомянутых компонентов 1:1, а второй этап упомянутого цикла проводят в насыщающей атмосфере аммиака в смеси с диоксидом углерода при соотношении объемов упомянутых газов 1:1, при этом упомянутую циклическую замену насыщающей атмосферы повторяют до получения азотированного слоя заданной толщины, после чего изделия охлаждают вместе с печью, отличающийся тем, что на предварительном этапе на поверхность стальных изделий методом окунания наносят слой медьсодержащих наночастиц в составе нанокомпозита в совокупности с макромолекулами полимерной псевдоматрицы с последующим высушиванием слоя с формированием наноструктуры, при этом медьсодержащие наночастицы до начала упомянутого нагрева в атмосфере аммиака и диоксида углерода имеют сферическую форму и диаметр 3-15 нм, а после указанного нагрева и распада полимерной псевдоматрицы образуют на поверхности изделий медьсодержащий слой, состоящий из дискретных частиц, расположенных на расстоянии друг от друга.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полимерной псевдоматрицы используют поли-N-винилпирролидон с разной молекулярной массой.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве медьсодержащих наночастиц используют медь или ее оксиды.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018138517A RU2692007C1 (ru) | 2018-11-01 | 2018-11-01 | Способ циклического азотирования изделий из стали 08ю в газообразных средах |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018138517A RU2692007C1 (ru) | 2018-11-01 | 2018-11-01 | Способ циклического азотирования изделий из стали 08ю в газообразных средах |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2692007C1 true RU2692007C1 (ru) | 2019-06-19 |
Family
ID=66947531
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018138517A RU2692007C1 (ru) | 2018-11-01 | 2018-11-01 | Способ циклического азотирования изделий из стали 08ю в газообразных средах |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2692007C1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2109080C1 (ru) * | 1997-05-14 | 1998-04-20 | Владимир Яковлевич Сыропятов | Установка для газовой низкотемпературной химико-термической обработки стали и сплавов |
| RU2230824C2 (ru) * | 2002-04-09 | 2004-06-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Борец" | Способ химико-термической обработки материала на основе сплава железа, материал на основе сплава железа и деталь ступени погружного центробежного насоса |
| RU2230825C2 (ru) * | 2002-08-30 | 2004-06-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Борец" | Способ химико-термической обработки материала на основе порошковых сплавов железа и деталь ступени погружного центробежного насоса |
| GB2497354A (en) * | 2011-12-07 | 2013-06-12 | Solaris Holdings Ltd | Product nitriding process using hot isostatic pressure |
| 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 |
-
2018
- 2018-11-01 RU RU2018138517A patent/RU2692007C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2109080C1 (ru) * | 1997-05-14 | 1998-04-20 | Владимир Яковлевич Сыропятов | Установка для газовой низкотемпературной химико-термической обработки стали и сплавов |
| RU2230824C2 (ru) * | 2002-04-09 | 2004-06-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Борец" | Способ химико-термической обработки материала на основе сплава железа, материал на основе сплава железа и деталь ступени погружного центробежного насоса |
| RU2230825C2 (ru) * | 2002-08-30 | 2004-06-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Борец" | Способ химико-термической обработки материала на основе порошковых сплавов железа и деталь ступени погружного центробежного насоса |
| GB2497354A (en) * | 2011-12-07 | 2013-06-12 | Solaris Holdings Ltd | Product nitriding process using hot isostatic pressure |
| 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 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kulka et al. | An alternative method of gas boriding applied to the formation of borocarburized layer | |
| US3748195A (en) | Method for forming a soft nitride layer in a metal surface | |
| US7794551B1 (en) | Carburization of metal articles | |
| Madanipour et al. | Investigation of the formation of Al, Fe, N intermetallic phases during Al pack cementation followed by plasma nitriding on plain carbon steel | |
| US5672387A (en) | Process for the production of heat- and corrosion-resistant porous metal body | |
| US2804410A (en) | Method for nitriding titanium surfaces | |
| JP2022512524A (ja) | 金属発泡体およびその製造方法 | |
| CN106498365B (zh) | 一种氧化锆包覆铝粉实现铝粉钝化的方法 | |
| RU2692007C1 (ru) | Способ циклического азотирования изделий из стали 08ю в газообразных средах | |
| RU2639755C1 (ru) | Способ газового азотирования изделий из конструкционных сталей | |
| DE69902169T2 (de) | Verfahren zum niederdrück-nitrocarburieren metallischer werkstücke | |
| US6328819B1 (en) | Method and use of an apparatus for the thermal treatment, in particular nitriding treatment, of metal workpieces | |
| RU2692006C1 (ru) | Способ циклического газового азотирования деталей из высоколегированных сталей | |
| King et al. | Fluidized bed CrN coating formation on prenitrocarburized plain carbon steel | |
| Caliari et al. | An investigation into the effects of different oxy-nitrocarburizing conditions on hardness profiles and corrosion behavior of 16MnCr5 steels | |
| RU2367716C1 (ru) | Способ обработки стальных изделий в газообразной среде | |
| RU2614292C1 (ru) | Способ циклического газового азотирования деталей из конструкционных легированных сталей | |
| Isaeva et al. | The application of copper-containing nanoparticles as a gas nitriding catalyst | |
| JP3450426B2 (ja) | ガス浸硫窒化処理方法 | |
| CN113215517A (zh) | 一种刹车盘制造用快速预氧化提高渗氮速率的方法 | |
| RU2716177C1 (ru) | Способ поверхностного легирования деталей из стали 40х | |
| CN102676979A (zh) | 提升粉末冶金不锈钢强度及硬度的方法 | |
| JPH04268063A (ja) | 加圧下での鋼製工作物の窒化法 | |
| US5747112A (en) | Process for the production of heat- and corrosion-resistant porous metal body | |
| JPH08232003A (ja) | 耐熱性・耐食性金属多孔体の製造方法 |