СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
NITRIDING METHOD OF PRODUCTS MADE OF ALLYED STEEL

Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке, в частности к газовому азотированию изделий из легированных сталей с применением нанотехнологий, и может быть использовано для упрочнения изделий из легированных сталей, работающих в условиях повышенного износа.
Известен способ двухступенчатого азотирования легированных инструментальных сталей при температуре 520…560°С в атмосфере аммиака на первой стадии процесса с последующим разбавлением аммиака азотом на второй стадии процесса (см. А.С. СССР №120524, М. кл. С23С 11/16, опубл. 1977).
Известен способ азотирования легированных сталей при температуре 500…600°С в атмосфере аммиака, разбавленного продуктами его предварительного полного крекинга. Азотирование в такой атмосфере применяется для обработки быстрорежущих сталей и нитраллоев типа 38ХМЮА. Азотирование нитраллоев проводится в атмосфере 20% аммиака и 80% продуктов крекинга, быстрорежущих сталей - в атмосфере 30% аммиака и 70% продуктов крекинга (см. Сборник «Кратковременные процессы азотирования» НИИИНФОРМТЯЖМАШ №13, с.17…20, 1976).
Недостатками этих способов является то, что они не обеспечивают повышения износостойкости сталей, а также невысокая скорость процесса.
Наиболее близким к заявленному способу является, принятый в качестве прототипа, способ азотирования изделий из легированных сталей, включающий нагрев изделий до заданной температуры насыщения в интервале 500…600°С и последующую выдержку в насыщающей атмосфере для диффузионного насыщения поверхности изделий азотом (Ю.М.Лахтин. Химико-термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1985, с.162, строки 4-8, с.164, абзац 1 снизу, с.175, строки 5-1 снизу). Данный способ позволяет интенсифицировать процесс насыщения, а также повысить пластичность и сопротивление задиру поверхностной нитридной зоны обрабатываемых изделий.
4
Недостатком известного способа является образование вторичных хрупких нитридов железа FeN как на поверхности, так и внутри зерен упрочненного слоя. Это создает внутреннее напряженное состояние, вызывающее коробление покрытия с изменением геометрического размера изделия, что требует последующего шлифования. Кроме того, азотированный слой обладает недостаточной твердостью и износостойкостью.
Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение твердости и износостойкости поверхности изделий из легированных сталей, а также получение изделий с равномерным упрочненным слоем без коробления с сохранением исходных геометрических размеров.
Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе азотирования изделий из легированных сталей, включающем нагрев изделий до заданной температуры насыщения в интервале 500…600°С и последующую выдержку в насыщающей атмосфере для диффузионного насыщения поверхности изделий азотом, согласно изобретению нагрев изделий до заданной температуры насыщения проводят в инертной атмосфере, после нагрева проводят выдержку в воздушной атмосфере с формированием на поверхностях деталей зоны из оксидов железа, а выдержку в насыщающей атмосфере проводят с получением диффузионного слоя в виде наночастиц из нитридов легирующих элементов и азота в твердом растворе альфа железа.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что вначале изделия нагреваются до заданной температуры насыщения в интервале 500…600°С в инертной атмосфере, т.е. в отсутствии активного азота. Последующая выдержка изделий в воздушной среде при той же температуре ведет к окислению поверхностного слоя изделий с образованием окислов железа и формированию на поверхности металла буферной зоны. Последняя уменьшает энергию активации азота, участвующего в дальнейшем процессе азотирования. Причем присутствие кислорода воздуха приводит к значительному увеличению количества активных центров, через которые и происходит проникновение азота в металл. Именно это способствует формированию на поверхности металла более равномерного по структуре слоя, улучшающего качество поверхности. Дальнейший процесс насыщения поверхности металла азотом при заданной температуре приводит к образованию диффузионного слоя в виде наночастиц из нитридов легирующих элементов и азота в твердом растворе альфа железа, т.е. без образования хрупких нитридов железа, таким образом, уменьшая внутреннее напряженное состояние. Это позволяет получить оптимальное сочетание повышенной твердости и износостойкости поверхности изделий, а также равномерную толщину азотированного слоя, что способствует сохранению исходных геометрических размеров изделий без коробления.
Предлагаемый способ азотирования реализуется поэтапно следующим образом.
Вначале проводят нагрев изделий, загруженных в печь, до заданной температуры насыщения в интервале 500…600°С в инертной атмосфере, например, диссоциированного аммиака, которая не допускает процесса насыщения поверхности изделий азотом из-за отсутствия активного азота. Далее осуществляют выдержку изделий при этой же температуре в воздушной атмосфере, формируя на их поверхности буферную зону из оксидов железа. Последние на этапе собственно азотирования снижают энергию активации ионов азота с последующим получением на поверхности металла диффузионного слоя в виде наночастиц из нитридов легирующих элементов и азота в твердом растворе альфа железа. При этом толщина буферной зоны определяется эмпирически и контролируется датчиком в процессе выдержки. Условием создания буферной зоны является именно выдержка изделий в атмосфере воздуха при постоянной температуре в течение времени, необходимого для появления пленки заданной толщины. Определенная заданная толщина получаемой буферной зоны позволяет регулировать потерю энергии активации ионов азота (ионный радиус a=0,71 Å) на последующем этапе насыщения поверхностного слоя металла при прохождении через оксидный слой в такой степени, чтобы ее хватило только на образование нитридов металлов, а именно легирующих элементов, т.к. нитриды железа образуются при значительно большей энергии активации ионов азота, а оставшиеся ионы азота заняли пустоты в матрице. На третьем этапе проводят собственно азотирование при выдержке изделий в насыщающей атмосфере, содержащей, например, аммиак при той же температуре. После прохождения буферной зоны энергия активации ионов азота снижается. Это и позволяет получить упрочненный диффузионный слой в виде наночастиц из нитридов легирующих элементов и азота в твердом растворе альфа железа. Толщина упрочненного слоя зависит от времени выдержки изделий в атмосфере аммиака. На последнем этапе изделия охлаждают в инертной атмосфере до температуры изъятия изделий.
Выполнение способа проиллюстрировано на примерах.
Процесс азотирования проводился согласно прототипа и предлагаемого способа на образцах в виде колец с внутренним диаметром 20 мм и толщиной кольца 5 мм из хромистой стали 30ХМВС в интервале температур 500…600°С. Полученные результаты по изменению коэффициента трения в процессе износа образцов в качестве показателя их износостойкости и характеристики качества поверхностного слоя изделий показаны на графиках, а именно на фиг.1 - образца, изготовленного по технологии, предложенной в прототипе, а на фиг.2 - образцов, изготовленных по предлагаемой технологии. Время азотирования образцов, толщины азотированных слоев, значения твердости и показатели эллипсности в качестве характеристики геометрических размеров приведены в таблице.
N
N
4
Пример 1. Обработка колец из стали 30ХМВС по способу, изложенному в прототипе. Кольца нагревали в атмосфере аммиака до 520°С и первые 20 минут проводили выдержку в аммиаке с азотным потенциалом π=3,6. Затем азотный потенциал снижали до значения π=0,35 и выдерживали 40 минут. В результате получили азотированный слой, состоящий из нитридов легирующих элементов и вторичных нитридов железа FeN как на поверхности, так и внутри зерна. Изменение коэффициента трения в процессе износа и характеристики качества поверхности упрочненного слоя представлены на фиг.1. Значения твердости и эллипсности приведены в таблице.
Пример 2. Вели процесс азотирования колец по предлагаемой технологии при температуре 520°С в течение 45 минут. Получили упрочненный слой, близкий по толщине к слою прототипа, состоящий из наночастиц нитрида хрома CrN с ионным радиусом =1,31 Å и азота с ионным радиусом a=0,71 Å в твердом растворе альфа железа. Присутствие нитридов железа не обнаружено. Данный режим азотирования обеспечивает незначительные изменения коэффициента трения в процессе износа и равномерную поверхность упрочненного слоя образцов, на что указывает амплитуда колебаний коэффициента трения (см. фиг.2), а также высокую твердость и минимальную эллипсность по сравнению с образцами, азотированными по технологии прототипа (см. табл.).
Таблица
№примера
Температура азотирования, °С
Время азотирования, мин
Толщина азотированного слоя, мкм
Твердость, НV, ГПа
Эллипсность, мкм
1. Прототип
520°
60
40
8,5…9,0
4,5-5,0
2. Предлагаемый способ
520°
45
38-40
13,0…13,5
1,5
3. Предлагаемый способ
570°
45
50-55
13,0…13,5
1,8
4. Предлагаемый способ
600°
45
55-60
13,0…13,5
2,0
Пример 3. Вели процесс по предлагаемой технологии при температуре 570°С в течение 45 минут. Данный режим азотирования обеспечивает увеличение толщины слоя, что связано с повышением температуры насыщения, так как с увеличением температуры увеличивается скорость азотирования, а твердость несколько уменьшается (см. табл.). С увеличением толщины упрочненного слоя незначительно увеличивается эллипсность (см. табл.). Порядок изменения коэффициента трения в процессе износа такой же, как и в примере 2 (см. фиг.2).
Пример 4. Вели процесс по предлагаемой технологии при температуре 600°С в течение 45 мин. Увеличение температуры азотирования привело к уменьшению твердости и к увеличению толщины слоя и соответственно к незначительному увеличению эллипсности (см. табл.). Изменения коэффициента трения соответствуют двум предыдущим образцам, указанным в примерах 2 и 3.
Из таблицы и при сравнении фиг.1 и фиг.2 следует вывод, что техническое решение поставленной задачи, а именно получение диффузионного слоя с равномерной структурой поверхности, повышение твердости и износостойкости изделий из легированных сталей при минимальном короблении и сохранении исходных геометрических размеров изделий, характеризующихся значениями эллипсности, достигается при азотировании в три этапа с получением упрочненного слоя в виде наночастиц из нитридов только легирующих элементов и азота в твердом растворе альфа железа при отсутствии образования хрупких нитридов железа.
Таким образом, азотирование изделий из легированных сталей по предлагаемому способу позволяет значительно повысить твердость и износостойкость поверхности изделий из легированных сталей, а также получить изделия с равномерным упрочненным слоем без коробления с сохранением исходных геометрических размеров.