Способ комбинированной химико-термической обработки стальных изделий

 

Сущность изобретения: стальные изделия подвергают нитроцементации в псевдоожиженном слое вначале в газовой атмосфере, состоящей из аммиака, природного газа и азота, при температуре 750- 1200°F в течение 1-5 ч, затем в газовой атмосфере, содержащей азот и воду, в течение 0.5-1,5 ч; затем оксидированию в солевой среде при температуре 650-1000°F в течение 0,25-2 ч, после чего наносят органическое покрытие в составе, содержащем, об.%: вода 65-95; полимерная смесь 5-35; при температуре 100-180°F в течение 5 с - 5 мин с последующей сушкой покрытия в течение 2-48 ч. 2 с. и б з. п. ф-лы.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю С 23 С 10/60

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4203724/02 (86) РСТИЯ 87/00407 (25.02.87) (22) 27.10,87 (31) 834907 (32) 28.02.86 (ЗЗ) US (46) 30.07.93. Бюл. hh 28 (75) Патрик Л.Фокс (US) (56) Патент США N 4496401, кл. С 23 С

11/14, 1985. (54) СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОЙ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Изобретение касается способа неглубокой цементации и способа улучшения коррозионной стойкости металлов после цементации, Цель изобретения — повышение коррозионной стойкости и триболитических характеристик изделий. Способ включает следующие основные стадии:

А. Цементация металлической поверхности посредством помещения металла в псевдоожиженный слой с последующей выдержкой его в первой атмосфере азота, аммиака и природного газа при температуре

750-1200ОF (399-649 С) в течение 1-5 ч и затем выдержкой во второй атмосфере. содержащей азот и воду, при температуре

750-1200ОА (399-649 С).

В. Нанесение на металл водосодержащего покрытия, состоящего в основном из полимерной добавки и воды, и сушка покрытия на металле в течение 2-48 ч.,,5U,, 1831513 А3 (57) Сущность изобретения: стальные изделия подвергают нитроцементации в псевдоожиженном слое вначале в газовой атмосфере, состоящей из аммиака, природного газа и азота, при температуре 75012000F в течение 1-5 ч, затем в газовой атмосфере, содержащей азот и воду, в течение 0,5-1,5 ч; затем оксидированию в солевой среде при температуре 650-1000ОF в течение 0,25-2 ч, после чего наносят органическое покрытие в составе, содержащем, об. g,: вода 65-95; полимерная смесь 5-35; при температуре 100-180 F в течение 5 с — 5 мин с последующей сушкой покрытия в течение 2-48 ч. 2 с. и 6 з. и. ф-лы, Согласно настоящему изобретению, способ цементации включает следующие стадии:

А. Погружение металлических изделий в псевдоожиженный слой порошкового материала при температуре 750-1250 F (399677 С).

B. Ввод первой газообразной атмосферы s слой, причем газообразная атмосфера первого состава выбрана из группы, состоящей из аммиака, азота и природного газа, при этом поддерживают температуру 7501200 F (399-649 С).

С. Выдерживание металлических изделий в первой газообразной атмосфере в течение 1-5 ч.

Д. Замена первой газообразной атмосферы другой газообразной атмосферой, состоящей в основном из воды, кислорода и воды, после стадии (С).

1831513

Е. Выдерживание изделий во второй газообразной атмосфере в течение 30-90 мин, Настоящее изобретение основано на том, что цементация, осуществляемая в соответствии с настоящим изобретением, повышает коррозионную стойкость, износостойкость и смазывающую способность металлической поверхности, Также неожиданно было обнаружено, что контактирование с газообразной атмосферой и нанесение на металл покрытия, содержащего or.ðåäåëåííûå полимерные смеси и воду, увеличивают коррозионную стойкость металлической поверхности. Полученный материал имеет твердость поверхности, характеристики износостойкости и коррозионностойкости, превосходящие характеристики металлических поверхностей, которые подвергали цементации или на которые наносили покрытие в отдельности.

Способ, согласно настоящему изобретению, имеет три основные стадии: цементация с окислением, покрытие цементированного металла водосодержащим покрытием и сушка покрытия. Способ может включать необязательную стадию дополнительного окисления в солевой ванне сразу до стадии нанесения покрытия.

8 способе по настоящему изобретению обрабатываемое металлическое изделие погружают в псевдоожиженный слой из порошкового материала, который содержится о соответствующей печи. Порошковым материалом может быть любой пригодный материал, известный в области термообработки или любой другой материал, который является химически инертным и может выдержать рабочие температуры, В частности, одним иэ этих материалов может быть окись алюминия. Печью может быть любая, которая пригодна для таких термических применений, Изготовителем таких печей может быть фирма Просиден Карп, Нью

Брунсвик, штат Нью Джерси и фирма Флюидтером ов Сауф Лион, Мичиган.

Псевдоожиженный слой поддерживают при температуре 750-1200ОF (399-649 С), Ввод большого количества обрабатываемого металла о печь может вызвать временное снижение температуры. После такого случая металл можно удерживать в печи до восстановления первоначальной температуры.

Первую газообразную атмосферу можно вводить сразу после температурного равновесия, Первую газообразную атмосферу выбирают из группы, состоящей из аммиака, азота и природного газа. Металлические иэделия поддерживают в этой атмосфере

55 диффундированный азот. Эта эона диффундированного азота имеет толщину примерно 0,006 дюйма (0,152 мм).

Это противоположно описанному способу Просиден, В этом способе окисный слой отсутствует. Кроме того, образованный слой имеет глубину примерно 0,0001-0,0002 дюйма (0,0003-0.0005 см), тогда как слой нитрида имеет глубину примерно 0,0020,003 дюйма (0,0005-0,0008 см), Таким образом. такой способ цементации обеспечивает очень большую глубину, превышающую в 50-100.раэ глубину при обычной цементации, Это обеспечивает при температуре 750-1200 F (399-649 С) в течение 1-5 ч.

В конце выдержки в первой газовой атмосфере эту атмосферу откачивают и заменяют другой газообразной атмосферой, состоящей в основном из азота и воды, которую можно считать увлажненным азотом..

Газообразная атмосфера. может также содержать некоторое количество кислорода.

10 Было обнаружено, что присутствие кислоро- да в атмосфере азота-и воды будет образовывать более глубокое окисное покрытие.

Металлические изделия подвергают действию такой атмосферы в течение примерно

15 30-90 мин при температуре 750-1200ОF (399649 С). В предпочтительном варианте воплощения увлажненный азот состоит примерно из 10-20% воды и остальное азот..

Когда применяют кислород, атмосфера бу20 дет содержать примерно 10-50 об. кислорода, помимо других компонентов.

Увлажненный азот можно. получить посредством пропускания сухого азота через увлажнител ь, как известно в технике

25 увлажнения. Будучи гигроскопическим. азот поглощает влагу через увлажнитель и затем его можно пропускать через псевдоожиженный слой с расходом 8,5-25 м /ч.

Таким образом, стадия цементации, со30 гласно настоящему изобретению, образует окисленный слой на верху нитроцементированного слоя. Окисный слой является высокопористым, что позволяет получить смазывающие свойства, тогда как нижний

35 слой из нитрокарбида является очень непористым. Глубина окисного слоя, полученного во время этой стадии равна примерно

0,0005 дюйма или 5/10. тысячных дюйма

:(0,0013 см), Сразу под ним расположен бе40 лый слой толщиной примерно 0,0015 дюйма (0,038 мм). Однако белый слой, может быть неглубоким, как например 3/10 тысячных дюйма (0,0008 см) беэ ухудшения функции обработанного иэделия. Такой белый слой

45 состоит из чистого нитрида. Сразу под белым слоем расположена зона, содержащая

1831513 значительно улучшенные характеристики твердости и коррозионной стойкости.

Пример стадии нитроцементации, согласно настоящему изобретению, состоит в следующем. Для изготовления деталей, особенно цепи для привода переднего колеса, время нахождения в первой газообразной атмосфере составляет 3 ч. 10

В печь загружают 800 фунтов (303 xr) изделий. Потребуется примерно 30 мин, чтобы достичь температуры равновесия

980 Р (527 С) печи. Затем с расходом примерно 7 м азота в час, 25 м аммиака в час 15 и примерно 10 м природного газа в час образуют первую газообразную атмосферу.

Изделия выдерживают в первой газовой атмосфере при 980ОF (527 С) в течение примерно 3 ч. 3а этой фазой следует выдержка 20 в увлажненном азоте предпочтительно в течение примерно 1,5 ч.

В другом примере воплощения изобретения для режущего инструмента, например, концевой фрезы параметры изменяют. 25 . В этом примере рабочую температуру понижают до примерно 9500F (510 С). Общий расход атмосферы будет оставаться таким же, тогда как время нахождения в атмосфере увлажненного азота будет уменьшаться 30 до примерно 30 мин. Полученное металлическое изделие будет иметь глубину окисного слоя примерно 0,0005 дюйма (0,0013 см), а слой нитрида примерно 0,0005-0,0007 (0,0015-0,0018 см). Образующийся окисный 35 слой уменьшает влияние сварки на стружку на режущей кромке, Если это требуется, то глубину окисного 40 слоя можно увеличить путем выдержки металла в окислительной соли при температуре между примерно 650 и 1000ОF (343-538 С) в течение от 15 мин до 2 ч. Глубина пористого окисного слоя будет изме- 45 няться в зависимости от условий окисления.

Однако таким способом можно получить окисные слои толщиной от 7/10 до одной тысячной дюйма. Согласно изобретению, можно применять любую окислительную 50 соль, известную в технике. Однако предпочтение отдается окислительной соли, например солям нитрата. Когда не требуется большая глубина окисных слоев. эту стадию можно исключить полностью. 55

После образования на внешней поверхности металлического изделия окисного слоя соответствующей глубины иэделия выдерживают в контакте с водосодержащим покрытием, состоящим в основном из полимерной добавки и воды, в течение времени примерно между 5 с и 5 мин. Полимерная добавка присутствует в количестве между 5 и 35 от объема на основе общего объема

20 состава покрытия. Остальную часть состава составляет вода. Применяемой в настоящем изобретении полимерной добавкой предпочтительно является состав Тектил Нитроблэк, продукция фирмы Эшлэнд Петролеум

Ко, Эшлэнд Кептукки. Другие составы, которые могут быть пригодны для применения в настоящем изобретении. описаны в патенте

США М 4440582 (Смит). Вообще такие составы могут содержать вместе с другими компонентами, фосфатные масла и полисилоксановые соединения.

В предпочтительном варианте водосодержащее покрытие перемешивают любым соответствующим механическим средством для обеспечения однородности состава и постоянной температуры. Водосодержащее покрытие выдерживают при температуре100-180 F (38-82 С). Предпочтительно водный состав покрытия выдерживают при температуре 140-180 Е (60-82 С).

Покрываемое металлическое изделие обычно погружают в нагретое водосодержащее покрытие и оставляют его в течение

10-2 мин. Для максимального эффекта металлическое иэделие до погружения охлаждают до температуры окружающей среды.

После погружения металлическое изделие удаляют иэ водосодержащего покрытия.

Покрытие оставляют для сушки и отверждения при температуре окружающей среды или выше от 2 ч до 2 дней. Полученное изделие имеет коррозионную устойчивость и износостойкость лучше. чем у изделий, которые цементируют или на которые наносят покрытие, полагают, что водосодержащее покрытие проникает и взаимодействует с пористым окисным слоем, таким образом, поверхностная зона металла становится еще более корозионностойкая.

Кроме того, водосодержащее покрытие может также образовывать защитное покрытие на поверхности металла.

Для иллюстрации настоящего изобретения приведены следующие примеры.

Пример 1. Стойкость к солевому орошению (часы) 510.

Стадия 1.

Температура. 7500F (399 С).

Состав газа, об.;(:

Аммиак 45

Азот или инертный газ; 20 .

Природный газ 35

Время 1 ч.

Стадия 2.

Температура 750оF (399оС)

Состав газа, об.$:

Аммиак

Кислород

Вода

1831513

Время 30 мин

Стадия 3 (необязательная).

Окислительная соль КМОз, Температура 650 Р (343 С), Стадия 4. Нанесение покрытия, вес.ч.:

Полисилоксан 20

Касторовое мало 12

Аминосилан 3

Вода 65

Время 5 мин

Температура . 100 F (38 С)

Время отверждения 48 ч

Пример 2. Стойкость к солевому орошению (часы) 392, Стадия 1.

Температура 1200 F (649оС).

Состав газа, об. :

Аммиак 85

Азот или аргон 5

Природный газ 10

Время 5«

Стадия 2. Температура 1200оF (649оС), Состав газа, об. .

Аммиак 70

Кислород 10

Вода 20

Время 90 мин

Стадия 3, Нанесение покрытия, вес.ч,:

Полисилоксан 3

Касторовое масло 2

Аминосилан 0,5

Вода 84,5

Время 5с

Температура 180оF (82оС)

Время отверждения 2 ч

Пример 3. Стойкость к солевому орошению (часы) 423.

Стадия 1.

Температура 750 F {399 C).

Состав газа, об.%:

А лмиак 45

Азот или инертный газ 20

Природный газ 35

Время 1ч, Стадия 2.

Температура 750оF (399 С), CocTQB газа, Рб.% .

Аммиак 30

Кислород 50

Вода 20

Время 30 мин.

Стадия 3 (необязательная).

Окисляющая соль КМОз

Температура 650 F (343 С).

Стадия 4. Нанесение покрытия, вес.ч.:

Полисилоксан 22%

Льняное масло 13

Аминосилан 0

Иода 65%

Время 5с

50

5ч, орошению (час) 430

45о

20%

1,5ч

55 орошению(час) 450

Стадия 1.

Температура

Состав газа, об.g:

Аммиак

Аргон

1160оF (627оС).

5

Температура 100оF (38оС)

Время отверждения 2 ч.

Пример .4. Стойкость к солеваму орошению (часы) 458, Стадия 1.

Температура 12000F (649 С)

Состав газа, об.g:

Аммиак

Азот

Природный газ

Время

Стадия 2.

Температура 1200 F (649 С)

Состав газа, об.%:

Аммиа.к 60

Кислород 20

Вода 20

Время S0 мин

Стадия 3 (необязательная).

Окисляющая соль КИОз

Температура 1000оF (538 C).

Стадия 4. Нанесение покрытия, вес.ч.

Полисилоксан 12%

Льняное масло 13%

Аминосилан О

Вода 75%

Время 5с

Температура 180оF (82 С).

Время отверждения 48 ч.

Пример 5. Стойкость к соленому

Стадия 1.

Температура 760oF (404 С)

Состав газа, об.%:

Аммиак

Азот

Природный газ

Время

Стадия 2.

Температура 750оF (399оC)

Состав газа, об.%: с

Аммиак 30

Кислород 50

Вода 20

Время 30 мин

Стадия 3. Нанесение покрытия, вес.ч.

Полисилоксан 18

Нафтеновое масло 10

Аминосилан 7 .Вода 65

Время 5с

Температура 80оР (82 оC)

Время отерждения 48 ч

Пример 6. Стойкость к солевому

1831513

1О

4,5ч

45%

1ч

1200ОF (649ОC) Природный газ

Время

Стадия 2.

Температура 1200 F (649 C)

Состав газа. об. :

Аммиак 60

Кислород 20

Вода 20

Время 80 мин.

Стадия 3, Нанесение покрытия, вес.ч.:

Полисилоксан 2

Нафтеновое масло 2

Аминосилан 1

Вода 95

Время 5 мин

Температура - 100ОF (38 С)

Время отверждения 2 ч

Пример 7. Стойкость к солевому орошению (час) 420, Стадия 1.

Температура 7500F (399 С)

Состав газа, об. :

Аммиак

Азот

Природный газ

Время

Стадия 2.

Температура 750 F (399 С)

Состав газа, об, :

Аммиак 30

Кислород 50

Вода 20

Время 30 мин

Стадия 3. Нанесение покрытия, вес.ч,:

Пол исилоксан 18

Нафтеновое масло 10

Аминосилан 7%

Вода 65

Время 5с

Температура 180оF (82оC)

Время отверждения 2 ч

Пример 8. Стойкость к солевому орошению (час) 415.

Стадия 1.

Температура

Состав газа, об. :

Аммиак 85

Азот 5

Природный газ 10

Время 5ч

Стадия 2, Температура 1200 F (649ОС).

Состав газа. об.7ь:

Аммиак 60

Кислород 20

Вода 20

Время 90 мин

Стадия 3. Нанесение покрытия, вес,ч.

Полисилоксан 2%

Нафтеновое масло 1

8, Способ комбинированной химико-термической обработки стальных изделий, вклю50 чающий нитроцементацию и нанесение органического покрытия, отличающийся тем, что, с целью повышения корроэионной стойкости и трибологических характеристик изделий, нитроцементацию ведут в псевдо55 ожиженном слое при 900-1000ОF вначале в газовой атмосфере с общим расходом потока свыше 34 м /ч, состоящей иэ аммиака с расходом 25 м /ч, природного газа с расходом 9,9 м /ч и азота с расходом 7 м /ч в течение 2-3 ч, затем s

Аминосилан 2

Вода 95%

Время 5 мин

Температура 100ОF (38 С)

Время отверждения 48 ч

Формула изобретения

1, Способ комбинированной химикотермической обработки стальных иэделий, включающий нитроцементацию, оксидирование и нанесение органического покрытия, отличающийся тем, что, с целью повышения коррозионной стойкости и трибологических характеристик изделий, нитроцементацию ведут в псевдоожиженном слое вначале в газовой атмосфере, состоящей иэ аммиака. природного газа и азота при 750-1200ОF в течение 1-5 ч, затем в газовой атмосфере, содержащей азот и воду, в течение 0,5-1,5 ч, оксидирование ведут в солевой среде при 650-1000 F в течение

0,25-2,0 ч, а нанесение органического покрытия проводят в составе, содержащем об. : вода 65-95; полимерная смесь 5-35, при температуре 100-180ОF в течение 5 с — 5 мин с последующей сушкой покрытия в течение 2-48 ч.

2, Способ по и. 1, отличающийся тем, что общий расход первой газовой атмосферы поддерживают свыше 34 м /ч, причем она состоит из аммиака с расходом 25 м /ч, природного газа с расходом 9,9 м /ч и азота с расходом1 м /ч, 3. Способпоп1,отличающийся тем, что псевдоожиженный слой на стадии цементации поддерживают при 900-1000 F в течение 3 ч.

4, Способ поп,1,отличающийся тем, что полимерная смесь содержит фосфатное масло и полисилоксан.

5. Способ поп.1,отл и чаю щийся тем, что в качестве полимерной смеси использу ют Тектил Нитроблзк, 6. Способ поп.1,отлича ющийся тем, что водосодержащий состав механически перемешивают.

7. Способ по и. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что перед оксидированием проводят выдержку s увлажненном азоте

1831513

Составитель И. Дашкова

Техред М.Моргентал Корректор А.ббручар

Редактор

Заказ 2542 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 газовой атмосфере, состоящей из 10-20 воды и 80-907 азота в течение 30-40 мин, а нанесение органического покрытия проводят при 100-180OF в течение 5 с — 5 мин из водосодержащей среды состава, об. : пол- 5 имерная смесь, содержащая фосфатное масло и полисилоксан 5-35; вода 65-95, с последующей сушкой покрытия в течение

2-48 ч.