Способ отжига азотированных тугоплавких металлов

 

1. СПОСОБ ОТЖИГА АЗОТИРО- . ВАННЬОХ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ, преиму-. щественно хрома и фго сплавов, включающий нагрев и выдержку,при .1100 ,1900° С в безокислительной среде, от лишающийся тем, что, с целью улучшения прирабатываемости азотированного слоя за счет создаг , ния поверхностного об -твердого раствора азота/в хроме, нагрев и выдержку осуществляют в в. присутствии титановой губки в количестве 0,02-0,2 г/см. 2. Способ по п. 1, отличающий с я тем, что выдержку в аргоне выбирают в зависимости от требуемой толщины oi -твердого раствора в соответствии с формулой 1-е Q,. CH плсмдадь образца, , гдеб. Ттолщина оС -твердого раствора на поверхности, мкм} CniM концентрация азота в нитриде CrgN, %; е толщина нитрида TIN на поверхности губки, мкм} . количество титановой губтт| . у ки, Г} S удельная поверхность титановой губки, 1коэффициент диффузии азота в хроме при выбранной температуре ртжига, с«концентрация азота в хроме , находящемся в равновесии с , %. .; .,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

OII

РЕСПУБЛИН (1% (11) с ф (ОписАние изОБРетения :::,::::::,:,,:,":-::-:::::::1 :, k АВТО СНОМЪ СИ ДВТВЪСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3386938/22-02 (22) 02.02.82 (46) 15,09.83. Бюл. Р 34 (72) Ю.М.Лахтин, Д.П.Шашков, Я.Д.Коган н О.В.Голубева (71) Московский ордена Трудового

Красного Знамени автомобильно-дорожный институт (53) 621.785.34,062:685.785.5. 538 (088.8) (56) 1. Кипарисов С.С. и др. Азотн рование тугоплавких металлов. М., "Метуллургия", 1972, с.. 67, 106.

2, Авторское свидетельство СССР

Р 577254, кл. С 23 С 11/14, 1976 ° (54)(57) 1. СПОСОБ ОТЖИГА АЗОТИРОBAHHblX ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ, преиму-. щественно хрома и его сплавов, включающий нагрев и выдержку,при 11001900 С в безокислительной среде, отличающийся тем, что, с целью улучшения прирабатываемости аэотированного слоя за счет созда ния поверхностного с6 -твердого раствора азота (в хроме, нагрев и выдержку осуществляют в аргоне в .: присутствии титановой губки в коли,.честве 0,02-0,2 г/см

2. Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что выдержку в аргоне выбирают в зависимости от требуемой толщины -твердого раствора и соответствии с формулой

5с...и 1, Сс,,м Д 4 .0,52 (О,с т< cs н гдето „„- площадь образца, см ;

Ь вЂ” толщина с(-твердого растСе к вора на поверхности, мкм; (:«» — концентрация азота в нитриде Cr2Ni %11

f — толщина нитрида- TiN Ha поверхности губки, мкм;

1Пт,.- количество титановой губ- Е ки, г; - удельная поверхность титановой губки, м2/г1

23<„ - коэффициент диффузии азота в хроме при выбранной температуре отжига, см /с;

СН - концентрация азота в хро. ме, находящемся в равновесии с Cr N, Ъ.

1041582

4Q в атмосфеРу, при этом одновременно идет подсос к поверхности образцов атомов азота из эоны внутреннего азотирования. При отжиге же без титановой губки нитридный слой

45 рассасывается и в атмосферу и в глубь образцов. Исходя из того, что скорость диффузии азота в хроме на порядки выше, чем в нитридах хрома, то азот, диффундирующий к поверхности из подслэя, скапливает50 cR g KpctH нитрuд щегося в контакте с этим подслоем.

В результате с поверхности образцов нитридный слой рассасывается в атмосферу, но растет в глубь образцов. Это приводит к образованию многослойного композиционного покрытия. При этом на поверхности изделий получают мягкий о -твердый раствор азота в хроме, что облегча- °

6О ет доводку изделий до нужных размеров и обеспечивает прирабатываемость их в процессе работы. Эа этим оЬ -твердым раствором следует эона твердых нитридов хрома, обес$5 п ечивающая высокую износостойкость

Иэобi =зние относится к химико\ термической обработке, в частности к процессам азотирования хрома и его сплавов.

Известен способ азотирования хрома и его сплавов в среде чистого азота при вчсоких температурах f1).

Недостаток этого способа — силь.ное охрупчивание хрома и его сплавов.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ ртжига азотированных тугоплавких металлов и сплавов, заключающийся в нагреве и выдержке при

1100-1900 С в вакууме 1 10

1 ° 10 мм рт.ст. (2) ..

Однако при отжиге в вакууме идет интенсивно деазотирование в атмосферу и твердый азотированный слой, обеспечивающий высокую износостойкость, быстро рассасывается, что недопустимо для изделий, работающих на-износ.

Целью изобретения является улучшение прирабатываемости аэотированного слоя эа счет создания на его поверхности о6 -твердого раствора азота в хроме.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу отжига аэотированных тугоплавких металлов, преимущественно хрома и его сплавов включающему нагрев и выдержI о ку при 1100-1900 С в безокислительной среде, нагрев и выдержку осуществляют в аргоне в присутствии титановой губки в количестве 0,020,02 г/см

Выдержку в аргоне выбирают в зависимости от требуемой толщины

Ф;твердого раствора на поверхности изделий в соответствии с формулой бс..."С",. Е М) 1 м, С i i> 0 „C

Cv где 5 - площадь образца, см 2 ° толщина -твердого растСе Н вора на поверхности, мкм;

С - концентрация азота в нитC iN риде Cr N, Ъ;

0 — толщина нитрида TiN на поверхности губки, мкм; количество титановой

1 губки, г; б . — удельная поверхность тита-

М новой губки, м /г;

Х вЂ” коэффициент диффузии азоСи та в хроме при выбранной температуре отжига, см 2/с 1

С -, концентрация азота в хром ме, находящемся в равновесии с Сг 2И, Ъ .

Количество титановой губки. при отжиге в аргоне должно быть более

0,02 г/см", в противном случае произойдет рассасывание с поверхности иэделий нитридной зоны, при этом твердость Резко падает, так как остается на поверхности только -,твердый раствор азота в хроме,а, образование нитридной зоны на некотором расстоянии от поверхности не происходит. Использовать титановую губку в количестве более 0,2 г/См нежелательно, так как идет очень интенсивно процесс деазотирования, вследствие чего композиционное покрытие тоже не получается.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Азотированные образцы (изделия) иэ хрома и сплавов на его основе подвергают отжвгу в среде аргона в. присутствии титановой губки в количестве. 0,02-0,2 г/см2 дл можно использовать установки, предназначенные для азотирования при, радиационном нагреве. В этом случае вместо азота подается из баллона аргон. Затем производят нагрев отжига до выбранной температуры и дают выдержку, исходя из формулы (1).

Изделия медленно охлаждают вместе с печью в. потоке аргона до комнатной температуры. После азотироваЗо ния на поверхности образуется нитрид- ная зона., состоящая в основном из твердых нитридов хрома. Эа нитридной зоной следует подслой — зона внутреннего азотирования, представля35 ющая собой твердый раствор азота в хроме и нитриды легирующих элементов, При отжнге в аргоне в присутствии титановой губки происходит деаэотирование нитридной зоны только

1041582

4, .. оме, находящемся в равновесии с.

C @N С = 9,3%, 94 2.10-2 ".20 ° 10 4х11,9 х

0,02х0,1 0 х2.2,284 х

5 х1 10 х 0 52 10 3 8 „ 4

-4, 4

После отжига измеряют твердость и толщину слоев композиционного покрытия. На поверхности образцов g образуется о -твердый раствор азота в хроме толщиной 19-21 мкм с микротвердостью Н 100, равной 200220 кгс/мм . Этот слой и обеспечивает прирабатываемость аэотирован15 .ных иэделий в процессе трения. Затем следует зона нитридов хрома . толщиной 25 мкм, обладающая высокоф твердостью H100 = 1150-1250 кгс/мм.

Эта она обеспечивает высокую износостойкость иэделий.За этой зоной

20 следует по слой. с H100 = 200 -"

230 кгс/мм

Если же проводить отжиг в при.сутствии титановой губки в меньшем количестве, чем 0,02 г/см

2.

25 например 0,01 г/см, то, как по30

65 иэделий. За нитридной зоной образуется зона внутреннего аэотирования.

При большом количестве титановой губки <.более 0,2 г/см ) скорость процесса рассасывания нитрид- ной зоны в атмосферу значительно превышает скорость роста этой зоны в глубь образцов за счет подсоса азота иэ зоны внутреннего аэотирования ° В этом случае композиционного покрытия не получают.

Предлагаемый способ опробован на сплаве хрома с 1,0% титана.

Пример 1. Образцы сплава .хрома и 1о отитана подвергают обработке по прототипу. Для этого об-, разцы азотируют.при 1000 С в течение 1 ч. При этом на поверхности образцов образуется азотированный слой, состоящий из нитридной зоны толщиной 13-13,5 мкм. Твердость

Н 100 этой зоны 1150-1250 кгс/мм2, За нитридной .зоной следует более:- мягкий подслой — зона внутреннего..;аэотирования (Н100 = 200-220 кгс/см2).

При более длительном аэотировании . 20-30 ч) образцы очень сильно охрупчиваются и работать с такими обраэцаьи невозможно. После азотирования проводят отжиг в вакууме:.

10 4мм рт.ст при 1200 С в течение.

1 ч. При этом аэотированный слой : полностью рассасывается и твердость

Н100 поверхностного слоя понижается до твердости сердцевины образцов и составляет 180-200 кгс/мм2. Это связано с тем, что при отжиге в вакууме очень интенсивно идет деаэотнрование слоя в атмосферу.

Обработку сплава по предлагае- мому способу проводят следующим образом. Образцы после аэотирования при 1000 С в течение 1 ч подвер-". гают отжигу в аргоне при 1200 С о в присутствии титановой губки в количестве 0,02 г/см2, что соответству-. ет нижнему граничному условию предлагаемого способа. Для получения на поверхности твердого и хрупкого аэотированного слоя более мягкого

g,-твердого раствора азота в хроме: толщиной 20 мкм время выдержки рассчитывают по формуле (1) . Для. расчета приняты следующие справочные данные: площадь образца Б „,Ы =

94,2 ° 10 cM ; толщина ф.-твердого раствора на поверхности

20 10 " см; концентрация азота в нитриде СГ2М С р ц = 11,9%,; толщина нитридаТхн на поверхности губки (= 1 10-4см ; количество титано- . вой губки м т„-= 0,02 г/см ; удель2 ная поверхность титановой губки.

Б = 0,1 104 cM2/г; коэффициент диФфузии азота в хроме при температуре отжига 1200 С Der= 2,284

10 см/с; концентрация азота s называет микроструктурный анализ, композиционного покрытия не получают. Происходит рассасывание нитридного слоя с поверхности образцов в атмосферу, при этом твердость, Н 100 этой эоны резко падает и составляет 230-260 кгс/мм, т.е. 2 на поверхности образцов вместо нитридного слоя остается только с6 -твердый раствор азота в хроме. Следует отметить, что зона внутреннего азотирования (подслой ) заметного изменения при таком отжиге не.претерпе-. вает и твердость практически сохраняется на том же уровне 8100 = 200230 кгс/мм2..

П р и м е. р 2, Образцы исследуе-! мого сплава обрабатывают по предлагаемому способу так же,. как и в примере "., только отжиг проводят в присутствии титановой губки в количестве 0,2 г/см, что соответствует

2 верхнему граничному условию предлагаемого способа. Время отжига при

1200 о С в среде аргойа определяют по формуле (1)

94 2 ° 10 х20 ° 10 х11 9х

0,2хО;1- 10 х2 2,284 ° 10 х х 1 10 хО 52 ° 10 х 9,3

При этом на поверхности образцов, формируется oL -твердый раствор толщиной около 20 мкм с Н100 = 200220 кгс/см2, Затем следует зона нит» ридов хрома толщиной 12 мкм с Н100 = .

=1150-1250. кгс/мм*и подслой с Н100=

200-230 кгс/мм °

Если же проводить отжиг в присутствии титановой губки в большем количестве, чем 0,2 г/см, например

9,3 г/см, то композиционного покры1041582

Составитель P. Клыкова

Техред N.Êoñòèê Корректор А, Повх

Редактор В, Ковтун

Заказ 7068/27 Тираж 568 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 тия не получают. Происходит полное рассасывание нитридного слоя в атмосферу и твердость Н100 при этом понижается до 200-220 кгс/мм . Следует отметить, что при таком отжиге происходят значительные изменения и в подслое, приводящие к понижению . твердости его за счет деазотирования практически до уровня неазотированных образцов (H100 = 180—

200 кгс/мм ). Это указывает на то, что скорость рассасывания нитридного слоя в атмосфере больше, чем скорость роста его в глубь образцов за счет подсасывания атомов азота из подслоя, что и приводит к полному деаэотированию слоя в атмосферу.

Пример 3. Образцы исследуемого сплава обрабатывают по предлагаемому способу, так же, как и в примере 1, только отжиг проводят в присутствии титановой губки в количестве 0,11 г/см, что соответ.ствует среднему граничному условию предлагаемого способа. Время отжига при 1200 о С в среде аргона определяют по формуле (1) л 94 2 ° 10 х20 ° 10 4х11 9х

1х,,11 х2 2,2 ° 0 х

5 х1 ° 10 х0 5 2 10 х9,3 . — 42 мин при этом толщина с -твердого раствора на поверхности образцов около

I, 20 мкм и Н100 = 200-220 кгс/мм .

10 Затем следует зона нитридов хрома с H100 = 1150-1250 кгс/мм 2 и толщиной 20 мкм. За нитридной зоной располагается подслой с Н100 =

200-.230 кгс/мм .

35 Таким образом, предложенный способ обеспечивает получение многослойного композиционного покрытия с мягким поверхностным слоем, что облегчает приработку иэделий в процессе эксплуатации, а следующий за этой зоной слой твердых нитридов обеспечивает высокую износостойкость, что повышает надежность и долговечность изделий.