СПОСОБ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО АЗОТИРОВАНИЯ ДЛИННОМЕРНОЙ СТАЛЬНОЙ ДЕТАЛИ
ION-PLASMA NITRATION OF LONG-SIZED STEEL PART

Изобретение относится к области химико-термической обработки и может быть использовано при ионно-плазменном азотировании стальных изделий, например для обработки цилиндров скважинных насосов.
Известен способ изготовления деталей из конструкционных сталей (патент RU №2250273, МПК C23C 8/26, опубл. 20.042006 г.), включающий улучшение, черновую обработку, стабилизирующий отпуск, окончательную механическую обработку, которую ведут путем двухкратной чистовой механической обработки с промежуточным и окончательным отпуском в селитровой ванне при температуре 520-540°C в течение 0,25-0,5 ч. Двухступенчатое газовое азотирование ведут с выдержкой в атмосфере аммиака сначала при температуре 510-515°С, затем при 540-545°C проводят в постоянном магнитном поле напряженностью 100-150 Э в течение 1-2 ч с последующим охлаждением со скоростью 20-30°C/мин.
Недостатком известного изобретения является то, что данный вид азотирования неприемлем для обработки длинномерных трубных деталей, при котором неизбежен процесс коробления деталей, что приводит к необходимости введения последующих дополнительных операций правки и хонингования. Для достижения нормативных требований азотированные цилиндры с высокой твердостью покрытия подвергаются правке и хонингованию, что недопустимо. В результате нарушается азотированная рабочая поверхность и резко снижается ее коррозионная стойкость. Недостаток заключается также в длительности процесса азотирования.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ ионно-вакуумного азотирования длинномерной стальной детали в тлеющем разряде (патент RU №2419676, МПК C23C 8/36, опубл. 27.05.2011 г.), включающий нагрев детали при температуре 400-500°C, изотермическую выдержку в течение 20-30 мин, предварительное азотирование при температуре 480-510°C в течение 60-120 мин, окончательное азотирование при температуре на 20-50°C выше температуры предварительного азотирования в течение 8-16 часов и охлаждение до 350-400°C в течение 40-60 мин.
При данной химико-термической обработке длинномерных стальных деталей в связи с прекращением охлаждения деталей в печи при температуре 350-400°C и при выгрузке их из печи происходит ускоренное остывание до температуры окружающей среды. Вследствие чего возможны возникновения внутренних напряжений. Поэтому не удается избежать деформаций длинномерной детали, особенно тонкостенных длинных цилиндров, к которым предъявляются повышенные требования по обеспечению прочности и износостойкости. Другим недостатком является то, что подачу азотсодержащей газовой среды осуществляют в течение всего цикла, что ведет к увеличенному расходу газа. Кроме того, при контакте горячего металла с воздухом на нем происходит образование окислов (посинение поверхности металла).
Технической задачей предлагаемого изобретения является сохранение геометрических размеров длинномерных стальных деталей за счет отсутствия деформации деталей после азотирования и сохранение поверхности металла от образования окисной пленки.
Поставленная техническая задача достигается тем, в способе ионно-плазменного азотирования длинномерной стальной детали, включающем нагрев детали, изотермическую выдержку, предварительное азотирование, окончательное азотирование и охлаждение, согласно изобретению процесс охлаждения осуществляют последовательно, начиная с температуры 530°C до 370-390°C в течение 100-140 минут в плазме тлеющего разряда, далее до 240-260°C проводят в течение 100-140 минут и окончательное охлаждение до 140-160°C в течение 100-140 минут проводят в печи без воздействия плазмы, подачу ионизирующих газов осуществляют циклически, причем при нагреве до температуры 200-220°C ведут подачу газовой смеси водород, азот, метан в течение 15-20 минут, далее до температуры нагрева 400-440°C в течение 100-140 минут и при изотермической выдержке в течение 20-40 минут осуществляют подачу водорода, при дальнейшем нагреве до 480°C подают водород в течение 20-30 минут, предварительное азотирование ведут с участием водорода и азота в течение 100-140 минут, а окончательное азотирование ведут с участием азота, водорода и метана в течение 14-16 часов, охлаждение с температуры 530°C - 370-390°C ведут в среде азота и водорода в течение 120 минут и дальнейшее охлаждение до 150-170°C в течение 240 минут ведут с участием только азота.
Охлаждение обрабатываемых деталей по вышеуказанной схеме позволяет выполнить процесс охлаждения в замедленном мягком режиме, что исключает резкое остывание деталей с ускоренным формированием микрокристаллической структуры металла, ведущее к появлению внутренних напряжений и, как следствие, деформации. Контакт металла с воздухом при извлечении деталей при температуре 140-160°C не ведет к образованию оксидной пленки на поверхности. Таким образом, замедленное охлаждение длинномерной детали до температуры 140-160°C позволяет получить необходимую геометрическую точность без последующей механической обработки правки и хонингования. Цикличность подачи газовой смеси ведет к ее экономному расходованию.
Способ осуществляется следующим образом.
Технологический процесс химико-термической обработки азотируемых длинномерных стальных деталей представлен в следующей последовательности. Обрабатываемые длинномерные детали помещают в вакуумную камеру и осуществляют их нагрев в плазме тлеющего разряда. При нагреве с температуры 200-220°C ведут подачу газовой смеси водород, азот и метан в течение 15-20 минут. Далее нагрев ведут до температуры 400-440°C в течение 100-140 минут и осуществляют подачу водорода. Затем осуществляют изотермическую выдержку в течение 20-40 минут с подачей также водорода. Предварительное азотирование ведут с участием водорода и азота в течение 100-140 минут, а окончательное азотирование в среде азота, водорода и метана в течение 14-16 часов при температуре 520-540°C. Процесс охлаждения ведут последовательно. Охлаждение деталей осуществляют с температуры 520-540°C до 370-390°C, окончательное охлаждение до температуры 150-170°C проводят в печи без воздействия плазмы в течение 200-280 минут только в среде азота.
Пример. Предлагаемым способом обрабатывали цилиндры скважинных насосов из стали 38Х2МЮА длиной 4277 мм, внутренний диаметр 31,75 мм, наружный диаметр 40,75 мм. Цилиндры загружали в печь в специальной оснастке по 48 штук. В начале процесса для вытеснения атмосферного воздуха из объема печи подавали газ (водород, азот, метан) при температуре 210°C в течение 18 минут. Далее нагрев печи до температуры 420°C осуществляли только в среде водорода в течение 120 минут с последующей изотермической выдержкой 30 мин. Нагрев до температуры 480°C осуществляли также с подачей водорода в течение 25 минут. Затем предварительное азотирование вели дополнительно с участием азота в течение 120 минут. Окончательное азотирование выполняли в среде азота, водорода и метана в течение 16 часов при температуре 530°C. После 16-часовой выдержки проводили последовательное охлаждение. Охлаждение с температуры 530°C до t 380°C проводили с участием азота и водорода в плазме тлеющего разряда в течение 120 минут. Дальнейшее охлаждение с t 380°C до t 250°C проводили в течение 120 минут и окончательное охлаждение до температуры 150°C в течение 120 минут осуществляли без воздействия плазмы только в среде азота. При температуре 150°C осуществляли выгрузку цилиндров из печи.
В результате получили технологический процесс азотирования с увеличением выхода годных цилиндров по геометрическим характеристикам с 98% до 99,7%, с полным отсутствием окисного посинения поверхности цилиндров и с полным соответствием азотированного слоя предъявляемым требованиям.
Таким образом, использование предлагаемого способа азотирования длинномерной стальной детали позволяет за счет замедленного охлаждения до температуры, незначительно превышающей температуру окружающей среды, обеспечить сохранение требуемых геометрических характеристик обработанной детали и исключить оксидирование поверхности деталей. Благодаря этому обеспечивается бездеформационное и качественное упрочнение, что благоприятно влияет на эксплуатационные характеристики, и повышается экономическая эффективность производства.