СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ В ГАЗООБРАЗНОЙ СРЕДЕ
PROCESSING METHOD OF STEEL PRODUCTS IN GASEOUS MEDIUM

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.
3
4
x
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+FеО сопровождаемая образованием в диффузионном слое соединений типа Me(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.