Способ химико-термической обработки металлических изделий

 

Изобретение относится металлургии, в частности к химико-термической обработке стальных изделий, и может быть использовано в машиностроении. Цель интенсификация процесса и повышение качества диффузионного слоя. Способ включает предварительное нанесение на поверхность изделий слоя окислов металла толщиной 10-500 мкм с плотностью 1,1-3,5 г/см и насыщение их поверхности азотом в газовой среде при 100-800°С. При этом в качестве окислов металла используют окислы железа или смесь окислов железа с окислами алюминия или калия. Способ позволяет интенсифицировать процесс насыщения в 1,3-1,5 раза и улучшить качество диффузионного слоя за счет уменьшения глубины Ј- фазы. 1 з.п. флы, 2 табл.

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 С 23 С 8/24

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЭОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4670274/02 (22) 30,03.89 (46) 15,06.92. Бюл. N 22 (71) Тульский проектно-конструкторский технологический институт комбайностроения(72) С.В.Горяинов и И.M.Êàâèöêèé (53) 621.793,669.586.5 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 58316, кл. С 23 С 8/24, 1938. (54) СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ (57) Изобретение относится < металлургии, в частности к химико-термической обработке стальных изделий, и может быть исполь. зовано в машиностроении. Цель

Изобретение относится к химико-термической обработке, в частности к процессам диффузионного насыщения металлов азотом и углеродом, и может быть использовано для интенсификации и улучшения качества процессов азотирования и нитроцементации, Известны способы интенсификации процессов азотирования и нитроцементации путем совершенствования состава насыщающей среды и устранения препятствий насыщению или выбора оптимального режима насыщения.

Известен, в частности, способ насыщения металлических изделий азотом, предусматривающий предварительную подготовку поверхности путем помещенияя иэдел ий в атмосферу увлажненного газа, чтобы изменить химический состав поверхности, дезактивирова ной предшествующей обработкой, Мехобработка

„, Ы„„1740491 А1 интенсификация процесса и повышение качествадиффузионного лоя. Способ включает предварительное нанесение на поверхность изделий слоя окислов металла толщиной 10 — 500 мкм с плотностью 1,1 — 3,5 г/см и насыщение их

3 поверхности азотом в газовой среде при

100-800 С. При этом в качестве окислов металла используют окислы железа или смесь окислов железа с окислами алюминия или калия, Способ позволяет интенсифицировать процесс насыщения в 1,3 — 1,5 раза и улучшить качество диффузионного слоя за счет уменьшения глубины а- фазы. 1 з.п. флы, 2 табл. или шлифование могут привести к образованию таких поверхностных окислов, что это будет препятствовать диффузии углерода и азота. Обработка изделий в паре, увлажненных в азоте или воздушной среде, снова активизирует их поверхность так, что дальнейшая обработка, например азотирование, проходит нормально. Однако не известно, приводит ли предварительная обработка в увлажненных средах к ускорению процессов азотирования (нитроцементации), что подтвердилось в результате проведенных экспериментов (см. табл. 2), предусматривающих предварительную обработку изделий паром, причем изделия имели шлифованную поверхность без зажога, т.е, на поверхности отсутствовали плотные окисные пленки, которые могут образоваться в случае нарушения режимов предварительной механической

1740491 обработки и привести к дезактивации поверхности.

Наиболее близким к изобретению является способ азотирования, предусматривающий нанесение на деталь смеси из перекиси марганца MnQz, окиси титана TiOz и анилина CzHgNHz для связи, которая наносится на подлежащие азотированию детали методом окунания. Состав смеси обеспечивает ускорение азотирования, причем по отдельности MnOz, TiQz u

С Н ИНг никакого ускорения азотации не вызывают, что и было проверено опытным путем (см. табл. 2). Окислы марганца и титана по отношению к процессу азотирования выступают как инертные вещества, практически не ускоряя и не замедляя процесса насыщения. Вместе с тем имеет место, как и в случае азотирования (нитроцементации) традиционными способами (без применения какой-либо предварительной обработки поверхности), пересыщение поверхности металла азотом и углеродом, приводящее к образованию светлотравящегося слоя е -фазы (нитриды, карбонитриды типа Мзй и

Мэ(й, С) большой тол щин ы (более 3 мкм), что является нежелательным, так как придает излишнюю хрупкость аэотированному (нитроцементированному) слою.

Целью изобретения является ускорение процессов химико-термической обработки изделий за счет создания на поверхности высокого градиента концентрации азота и повышение качества диффузионного слоя за счет устранения пересыщения поверхностного слоя азотом.

Поставленная цель достигается тем, что процесс насыщения металлических изделий азотом (азотом и углеродом) в газовой среде при 500-800 С идет через нанесенный на поверхность слой окислов металлов толщиной 10-500 мкм с плотностью 1,1-3,5 г/см .

Окисным покрытием может быть, например, окись железа или смесь окиси железа с окислами алюминия или калия.

Перед началом процесса насыщения на поверхность обрабатываемого изделия наносится рыхлое покрытие в виде окислов металлов. Затем в герметично закрываемой печи создают азото- или азотоуглеродистую среду и ведут процесс насыщения при 500800 С в зависимости от марки стали или чугуна и технологии последующей обработки. Рыхлые окисные покрытия наносят на обрабатываемую поверхность любыми известными способами, например в виде присыпок или обмазок, смешивая окислы с небольшим количеством воды до кашеобразной консистенции или путем окисления насыщаемой поверхности металла в пере5

40 сыщенной водяным паром газо-воздушной среде при 100-300 С в течение времени, достаточного для образования рыхлого покрытия толщиной более 10 мкм и др.

Указанные покрытия имеют главное отличие от плотных окисных пленок, присутствующих на пассивированной поверхности изделий или образовавшихся в процессе нагрева под азотирование или нитроцементацию в том, что последние замедляют и роцесс насы щения азотом.

Окисное покрытие катализирует процесс диссоциации аммиака на своей поверхности, адсорбирует и насыщается атомарным азотом, создавая высокий градиент концентрации его. Азот относительно свободно диффундирует в рыхлом окисном покрытии к упрочняемой поверхности, т.е, процесс диффузии азота в окисном покрытии не является лимитирующим, а покрытие является концентратором атомарного азота. При этом передача атомарного азота от катализатора к упрочняемой поверхности осуществляется беэ потерь, так как ликвидируется газовая прослойка, которая имеет место в случае расположения катализатора в удалении от насыщаемой поверхности.

Вместе с этим, покрытие обеспечивает повышение качества диффузионного слоя благодаря своему влиянию на более равномерное изменение концентрации азота по глубине диффузионного слоя, что проявляется главным образом в устранении пересыщения поверхностного слоя. Образование светлотравящейся составляющей (корочки) на поверхности толщиной более 2 — 3 мкм, и риводящее к охрупчиванию слоя, не происходит.

Пример 1. На рабочую поверхность инструмента и свидетелей стали Р6М5 и

X12iVI после термической обработки, шлифовки и обезжиривания наносится покрытие иэ окиси железа толщиной 40 — 60 мкм и плотностью 2,1 — 2,3 г/см " . Инструмент и свидетели помещают в герметичный контейнер шахтной электропечи типа США—

5,7,5/6 с принудительной циркуляцией газовой среды. Включают нагрев и в контейнер гюдают аммиак в количестве, обеспечивающем трехкратный обмен рабочего объема в

1 ч. По истечении 1 ч уменьшают подачу аммиака до рабочей 15 — 20 ед, по ротаметру тип РН вЂ” 0,63. При температуре процесса

550 + 5 С садку выдерживают 3 ч, при этом обеспечивается получение диф;;;,узионного слоя глубиной 0,1 мм на стали РоМ5, слой глубиной 0,1 мм на стали ):12М образуется при выдержке 4 ч, 1740491

Таблица 1

B ходе отработки процесса насыщения контроль за нарастанием слоя осуществляется за счет свидетелей, вынимаемых через специальное отверстие в крышке печи, не прерывая процесс. 5

Пример 2. На рабочую поверхность наносится покрытие толщиной 40 — 60 мкм и плотностью 1,8-2,0 г/см из окислов желез за, алюминия и калия в соотношении 4:1:1.

Процесс обработки осуществляют анало- 10 гично процессу по примеру 1.

Пример 3. На рабочую поверхность наносится покрытие из смеси окислов железа и алюминия в соотношении 4;1 по массе при нескольких вариантах толщин и 15 плотностей (см. табл. 1). Процесс обработки осуществляют аналогично процессу по примеру 1.

Указанные в примерах 2 и 3 конкретные соотношения окислов приведены по той 20 причине, что они оказались наиболееудачными для увеличения интенсивности процесса азотирования среди проводимой серии экспериментов с покрытиями, включающими окислы железа, алюминия, ка- 25 лия.

В табл. 1 приведены варианты выполнения способа по примеру 3.

Исследование структуры и глубины диффузионного слоя после обработки по 30 предлагаемому способу показало, что в структуре на поверхности металла отсутствует хрупкая светлая составляющая или ее толщина составляет менее 2 — 3 мкм, а для получения одной и той же заданной глубины 35 диффузного слоя требуется в 1,3 — 1,5 раза меньше времени, чем при ведении процесса по известному способу.

В табл. 2 приведены результаты исследований времени выдержки и микроструктуры поверхностного слоя свидетелей из разных марок сталей, обработанных. по известным и предлагаемому способам на глубину 0,1 мм с одинаковыми параметрами процесса азотирования: температура

550 + 5 С, подача аммиака 15 — 20 ед. по ротаметру P H-0,63.

Таким образом, технико-экономический эффект при использовании предлагаемого способа получен в результате сокращения времени процесса для получения заданной глубины слоя и улучшения его качества.

Формула изобретения

1. Способ химико-термической обработки металлических изделий, включающий предварительное нанесение на поверхность изделий слоя окислов металла и насыщение их поверхности азотом в газовой среде при 500 — 800 С, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса и повышения качества диффузионного слоя за счет его охрупчивания, нанесение слоя окислов металла проводят толщиной 10—

500 С с плотностью 1,1 —.3,5 г/см .

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве окислов металла используют окислы железа или смесь окислов железа с окислами алюминия или калия.

1740491

Таблица 2

Способ химико-термической: обработки

Наличие светлой составляющей (корочки) в слое

Время процесса, ч, для сталей

Р6М5 Х12М

Присутствует толщиной более 2-3 мкм

Базовый без специальной обработки по-. верхности (образцы шлифованы без зажогов)

Способ по патенту США М 4547228 (образцы шлифованы без зажогов, как и в дальнейшем)

Способ по . авт. св, СССР hL 58316 (прототип): на поверхность образцов нанесено покрытие из смеси 10ч. Т10г, 1 ч. Мп02 с добавлением воды до кашеобразной консистенции

Азотирование в газовой среде с катализатором в виде смеси окислов .алюминия и железа, расположенным в объеме рабочего пространства печи, но в удалении от насыщаемой поверхности

Предлагаемый по примеру:

2

3, вариант:

Присутствует

6,5

4,5

Отсутствует

Присутствует толщиной более2- 3 мкм

Присуствует толщиной менее 2- 3 мкм

Присутствует толщиной более 2-3 мкм

Отсутствует

То же

3.0

3,5

3,0

2,5

3,5

4,0

3,75

4,25

3,5

6

8

Составитель С. Горяинов

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор M.Êó÷åðÿâàÿ

Редактор Н.Швыдкая

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2054 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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