СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ
NITRIDATION METHOD OF HEAT-RESISTANT NICKEL-BASED ALLOYS

Изобретение относится к области химико-термической обработки сплавов и может быть использовано для изготовления наиболее высокотемпературных деталей и узлов горячего тракта газотурбинных авиационных двигателей, стационарных газотурбинных установок и других изделий, работающих при температурах до 1100-1200°С с кратковременным увеличением до 1300°С.
Известен способ азотирования изделий из высоколегированных сталей, включающий нагрев до 950-1000°С, выдержку в течение 5,9-6,1 час в атмосфере природного газа и аммиака, последующую выдержку вначале в атмосфере полностью диссоциированного аммиака в течение 0,9-1,0 час, затем в атмосфере природного газа и аммиака в течение 2,9-3,1 часа, подстуживание до 810-830°С и выдержку в среде природного газа в течение 3,9-4,1 час (авт. св-во СССР №1206334, опубл. БИ №3, 1986 г.).
Недостатком известного способа является невозможность обеспечения высокой жаропрочности и термостойкости изделий в связи с тем, что стойкие к термическому воздействию нитридные фазы образуются только в поверхностных слоях изделий.
Наиболее близким предлагаемому техническому решению по совокупности признаков и достигаемому техническому результату является способ азотирования жаропрочных сплавов на никелевой, железоникелевой, никель-кобальтовой и кобальтовой основе, включающий продувку потоком азота, нагрев до 1150-1250°С, выдержку в течение 30-35 час при этой температуре в потоке азота, который подают со скоростью 3-10 л/мин, охлаждение со скоростью не менее 50°С/мин до температуры, ниже которой образование нитридных фаз не происходит (патент РФ №2164964, МПК7 С23С 8/02, С23С 8/24, опубл. 10.04.2001 г.).
Предлагаемый способ позволяет обеспечить глубокое азотирование деталей из сплавов на никелевой основе, однако такой результат нестабилен - в производственных условиях глубокое азотирование достигается не в каждой партии деталей из-за наличия остаточных окислов на поверхности деталей, препятствующих проникновению азота, а также из-за возможных примесей в азотированном газе.
Задачей изобретения является повышение надежности способа азотирования.
3
Поставленная задача достигается тем, что способ азотирования жаропрочных сплавов на никелевой основе включает продувку потоком диссоциированного аммиака со скоростью подачи 20-30 л/мин, нагрев до 1150-1250°С, выдержку при этой температуре в течение 30-35 часов при постоянной продувке диссоциированным аммиаком со скоростью подачи 3-5 л/мин в присутствии хлористого аммония в количестве не менее 150 г/м и проведение охлаждения со скоростью 2,5-3,0°С/мин в потоке диссоциированного аммиака с расходом 20-30 л/мин до температуры 600°С, при которой образование нитридных фаз не происходит.
Одна из основных проблем азотирования хромоникелевых сплавов с содержанием никеля более 30% связана с наличием окислов на поверхности, препятствующих проникновению азота. Для достижения качественного проведения азотирования и обеспечения стабильности получения результатов необходимо не только преодоление барьера окислов атомами азота, но и поддержание активного состояния поверхности азотируемого материала на протяжении всего процесса.
3
Используемый хлористый аммоний в количестве не менее 150 г/м при температуре азотирования 1150-1250°С диссоциирует с выделением паров хлористого водорода, обладающего высокой химической активностью, что способствует устранению окисной пленки на деталях. Выделившийся хлористый водород взаимодействует с окисной пленкой на поверхности детали и ее разрушает. Немедленно вслед за этим происходит адсорбция азота поверхностью детали и его дальнейшая диффузия в глубь металла. В результате происходит постоянное активирование поверхности.
Использование в качестве азотсодержащего газа диссоциированного аммиака позволяет создать при температуре 1150-1250°С более активную насыщающую среду постоянного состава и термодинамической активности азота, что способствует стабильному азотированию не только поверхностных слоев, но за счет обеспечения диффузии азота глубинных слоев металла. Важно, что активированное состояние поверхности обрабатываемых деталей сохраняется в течение всего времени обработки.
Таким образом, свойства хлористого аммония и диссоциированного аммиака при температуре азотирования 1150-1250°С создавать максимально активную насыщающую среду постоянного состава и термодинамической активности позволяют снизить негативное влияние случайных факторов на процесс глубокого азотирования и повысить его надежность.
Проведение продувки со скоростью подачи диссоциированного аммиака 20-30 л/мин позволяет создать наиболее эффективные условия для последующего азотирования деталей за счет вытеснения воздушной атмосферы из муфеля с деталями и исключает возможность окисления поверхности деталей, что в результате повышает надежность способа. Важно, что активированное состояние поверхности обрабатываемых деталей сохраняется в течение всего времени обработки.
Проведение выдержки в течение 30-35 часов со скоростью подачи диссоциированного аммиака 3-5 л/мин позволяет обеспечить оптимальные условия для активирования поверхности, что также повышает надежность способа.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
3
Лист или деталь из сплава на никелевой основе помещают в муфель и подвергают продувке потоком диссоциированного аммиака со скоростью подачи 20-30 л/мин в течение 60-80 мин для вытеснения воздуха. Затем загружают муфель с деталями в печь, нагретую до температуры 1150-1200°С, и выдерживают при этой температуре 30-35 часов при постоянной продувке диссоциированным аммиаком со скоростью подачи 3-5 л/мин в присутствии хлористого аммония, подаваемого в количестве не менее 150 г/м. После выдержки охлаждают муфель с деталями при приоткрытой дверке печи со скоростью 2,5-3,0°С/мин в потоке диссоциированного аммиака с расходом 20-30 л/мин до температуры 600°С, при которой образование нитридных фаз не происходит, и далее на воздухе до температуры 200°С. Азотирование проводится в заварном муфеле, конструкция которого позволяет достичь равномерного обтекания поверхностей насыщающей средой.
Пример 1
3
Листы толщиной 1,0 мм и детали, изготовленные из листа толщиной 1,0 и сваренные точечной сваркой внахлест (⌀ сварной точки 4-5 мм) из сплава на никелевой основе, содержащего 10 мас.% хрома, 14,8 мас.% кобальта, 10,0 мас.% вольфрама, 2,08 мас.% титана (сплав ХН50КВТ-ИД (ВЖ155-ИД), помещают в муфель и подвергают продувке потоком диссоциированного аммиака со скоростью подачи 20 л/мин в течение 60 минут для вытеснения воздуха. Затем загружают муфель с деталями в печь, температуру поднимают до 1180°С и выдерживают 35 часов при скорости подачи диссоциированного аммиака 3 л/мин в присутствии хлористого аммония в количестве 150 г/м. После выдержки листы и сварные детали охлаждают при приоткрытой дверке печи в потоке диссоциированного аммиака со скоростью 2,5°С/мин до температуры 600°С, при которой образование нитридных фаз не происходит, далее охлаждают на воздухе до 200°С.
Качество азотированного слоя оценивают металлографическим методом по наличию нитридов по всему сечению листа и детали, замеру микротвердости на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 50 г. Оценка качественной характеристики хрупкости азотированного слоя определяют видом отпечатка по Виккерсу и по допустимости по шкале хрупкости азотированного слоя.
2
2
2
Микротвердость листа до азотирования Нµ=230-260 кг/мм, после азотирования: на поверхности Нµ=600 кг/мм, в средней части Нµ=430 кг/мм. Глубина азотированного слоя более 0,5 мм с каждой стороны листа. Исследовано 25 образцов, при этом стабильность получения результатов глубокого азотирования составила 100%.
Пример 2
Аналогично примеру 1 проводят азотирование деталей из того же сплава на никелевой основе, но при продувке со скоростью подачи диссоциированного аммиака 25 л/мин, выдержке в течение 32 часов при температуре 1200°С в потоке диссоциированного аммиака, который подают со скоростью 4 л/мин. Охлаждение проводят со скоростью 3,0°С/мин. Результаты приведены в таблице.
Примеры 3, 4, 5
Аналогично примеру 1 провели азотирование деталей из того же сплава на никелевой основе, но с различными условиями проведения способа. Параметры способа и результаты азотирования приведены в таблице.
Пример 6 (по прототипу).
Листы толщиной 1,0 мм и детали, изготовленные из листа толщиной 1,0 и сваренные точечной сваркой внахлест (⌀ сварной точки 4-5 мм) из сплава на никелевой основе, содержащего 10 мас.% хрома, 14,8 мас.% кобальта, 10,0 мас.% вольфрама, 2,08 мас.% титана (сплав ХН50КВТ-ИД (ВЖ155-ИД), подвергали продувке азотом со скоростью подачи 10 л/мин в течение 1 часа, затем температуру поднимали до 1180°С и лист выдерживали 30 ч при скорости подачи азота 8 л/мин и затем охлаждали со скоростью 50°С/мин до температуры 700°С. Результаты азотирования представлены в таблице.
Параметры режима
Предлагаемый способ
(прототип)
Сплав на никелевой основе
Сплав на никелевой основе
Сплав на никелевой основе
Сплав на никелевой основе
Сплав на никелевой основе
Сплав на никелевой основе
пример 1
пример 2
пример 3
пример 4
Пример5
пример 6
Скорость продувки, л/мин
20
25
30
25
25
10,0
Температура нагрева, °С
1180
1200
1160
1200
1180
1180
Выдержка, час
35
32
30
28
45
30
Скорость подачи диссоциированного аммиака, л/мин
3,0
4,0
5,0
2,5
6,5
Подача азота 8,0
Содержание хлористого аммония, г/м<sup>3</sup>
150,0
170,0
150,0
160,0
Отсутс.
Отсутс.
Скорость охлаждения, °С/мин
2,5
3,0
2,5
2,0
2,5
50
Глубина азотированного слоя, мм
>0,5
>0,5
~0,5
~0,5
~0,3
~0,3
Твердость азотированного слоя:
на поверхности
600
570
500
470
430
350
в сердцевине
430
420
350
350
320
280
Количество исследуемых образцов
25
20
10
6
2
10
Стабильность получения результатов (в %)
10
100
100
80
20
20
Как видно из таблицы, заявленные параметры проведения способа азотирования позволяют получить стабильное глубокое азотирование деталей, что свидетельствует о надежности способа. Увеличение времени азотирования не приводит к заметному увеличению глубины азотированного слоя.
Таким образом, предлагаемый способ по сравнению со способом-прототипом позволяет получить значительно более глубокое азотирование, повысить стабильность результатов и тем самым повысить надежность способа.