Способ азотирования деталей из легированных сталей

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к химико-термической обработке легированных сталей азотированием. На обезжиренную стальную деталь наносят термореактивный эпоксидный компаунд, состоящий из азотосодержащей эпоксидной смолы (А), аминного или амидного, или амино-амидного отвердителя (Б) и наполнителя в виде алюминиевой пудры (В), мас. ч. в соотношении А:Б от 100:5 до 100:80 и (А+Б):В от 100:80 до 100:400 с последующим отверждением в сушильном шкафу при температуре от 30°С до 160°С в течение от 3 минут до 180 минут. Затем осуществляют термообработку при температуре от 500°С до 1000°С в течение от 20 мин до 80 мин с обеспечением расплавления алюминия и деструкции эпоксидного компаунда с образованием активного атомарного азота, поглощаемого расплавом алюминия с образованием нитрида алюминия и нитридов других металлов на поверхности стальной детали. Затем удаляют непрореагировавший алюминий. Обеспечивается создание безопасного и эффективного процесса азотирования стальных деталей для работы в условиях трения с большими контактными нагрузками и повышенного износа. 5 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к химико-термической обработке легированных сталей, и может быть использовано при изготовлении деталей, работающих в условиях трения с большими контактными нагрузками, повышенного износа, где необходима высокая поверхностная твердость изделий.

В промышленности широко применяется метод азотирования, основанный на обработке поверхности металла атомарным азотом, который активно вступает в реакцию с расплавами металлов, образуя чрезвычайно твердые нитриды.

До настоящего времени азотирование осуществляют преимущественно аммиаком (иногда в смеси с воздухом) при 450÷780°С (см. заявка Великобритании №1522446, МКИ С23С 11/16, опубл. 23.08.1978 г.). Аммиак не реагирует с металлами, но, как указывают в источнике, может частично диссоциировать, образуя атомарный азот.

Недостатками указанных способов являются неравномерное и невысокое упрочнение поверхности, применение токсичного аммиака, низкая производительность.

Ранее был описан способ лазерного упрочнения металлических поверхностей, обеспечивающий получение покрытия, состоящего из нитрида титана, обладающего твердостью на уровне алмаза и термостойкостью до 3000°С (см. патент RU №2699602 С1, опубл. 06.09.2019, бюл. №25, авторы Колесников В.И., Лапицкий В.А. и др. - аналог). Однако лазерные установки не получили широкого распространения и недостаточно доступны, а для многих областей применения не требуются такие сверхвысокие эксплуатационные показатели.

Ближайшим аналогом заявляемого технического решения является «Способ активирования изделия из пассивного черного или цветного металла до науглероживания, азотирования и/или азотонауглероживания» (патент RU №2536841 С2, опубл. 27.12.2014 г., бюл. №36) целью которого является удаление диффузионного барьера на поверхности изделия, для последующего азотирования и/или цементации. Недостатками данного способа являются малая толщина упрочненного слоя и недостаточные температуры для образования нитридов легирующих металлов.

Описанные способы азотирования стальных изделий - А.С. СССР №120524 (заявл. 12.09.1947 г., опубл. в бюл. №12 за 1959 г. ) и №1420992 (заявл. 07.01.1987 г., опубл. 07.06.1987 г., бюл. №21) - сводятся к обработке их в камере аммиаком в течение длительного времени (иногда более суток), что малоэффективно, т.к. упрочнение стальных поверхностей азотом происходит за счет образования нитридов при воздействии только атомарного азота, который выделяется при диссоциации аммиака в незначительных количествах и накапливается в течение длительного времени.

Известен способ обработки стальных изделий в газообразной среде» (патент RU №2367716 С1, опубл. 20.09.2009 г., бюл. №26), целью которого является создание на поверхности стальных изделий слоя нитридных и оксидных фаз из железа и легирующих металлов, позволяющих повысить твердость и износостойкость путем выдержки в среде смеси воздуха и аммиака, а затем аммиака при температуре 450÷780°С. Недостатком указанного способа является потенциальная опасность его применения в производственных условиях. Кроме того, авторами не учитываются некоторые параметры образования нитридов легирующих металлов, в частности температура их образования (1300°С и выше).

Целью настоящего изобретения является создание безопасного и эффективного процесса азотирования стальных деталей с использованием стандартного заводского оборудования и серийно выпускаемых промышленных материалов - алюминиевой пудры, азотосодержащих эпоксидных смол и отвердителей.

Указанная техническая задача решается за счет того, что в способе азотирования деталей из легированных сталей, включающий нагрев в печи до температуры 500-1000°С, изотермическую выдержку при температуре нагрева, и последующее охлаждение вместе с печью, предварительно на поверхность детали наносят каталитическое покрытие, согласно изобретению, в качестве каталитического покрытия используют эпоксидный компаунд, содержащий наполнитель - порошок алюминия.

Авторами предлагается принципиально иной способ азотирования стальных изделий за счет образования нитрида алюминия на их поверхности, который имеет величину микротвердости 12 ГПа и температуру плавления 2000°С, хотя и уступающий по этим параметрам многим нитридам металлов, но значительно превосходящий легированные стали.

Предлагаемый способ азотирования легированных сталей заключается в нанесении на поверхность стальной детали эпоксидного компаунда на основе азотосодержащих эпоксидных смол и отвердителей, а также легкоплавкого наполнителя - порошка алюминия. Компаунд имеет хорошую адгезию к сталям, отверждается в течение нескольких минут, превращаясь в твердое высокопрочное покрытие, деструктурирующее за короткое время при температуре свыше 350÷450°С, образуя в среде расплава алюминия атомарный азот с примесью атомарного углерода, который является катализатором образования нитридов металлов, при этом при температуре 600÷800°С образуется нитрид алюминия (без катализатора - при температуре 1000°С).

Предлагаемый способ рассмотрен представленными ниже примерами.

Пример 1

В реактор с быстроходной мешалкой загружают жидкую эпоксианилиновую смолу марки ЭА (ТУ 2225-606-11131395-2003), содержащую 34% эпоксидных групп, в количестве 100 мас.ч., а затем добавляют 40 мас.ч. отвердителя - пара-аминобензиламина (опытно-промышленный продукт) и 240 мас.ч. алюминиевой пудры. Смесь перемешивают при 30°С в течение 5 мин, затем полученный компаунд выгружают в промежуточную емкость, из которой кистью или с помощью одно- или двухсоплового краскопульта наносят на стальную деталь слоем ~3 мм, выдерживают при комнатной температуре 60 мин до нарастания вязкости и термообрабатывают при 90°С в течение 90 мин. Получаемое покрытие устойчиво к случайным ударам (удельная ударная вязкость не менее 25 кДж/м², прочность при сжатии 200 МПа).

Далее деталь с покрытием помещают в тигельную печь и термообрабатывают при 750°С в течение 30 мин. В это время происходит полная деструкция эпоксидного компаунда с выделением атомарного углерода и азота, который активно поглощается расплавленным алюминием с образованием на поверхности стальной детали нитрида алюминия с температурой плавления 2000°С и микротвердостью 12 ГПа. Одновременно на поверхности происходят побочные реакции образования нитридов и карбидов легирующих металлов за счет реакции последних с активными атомарными азотом и углеродом, которые также способствуют повышению поверхностной твердости стального изделия. Охлажденную деталь обрабатывают 20%-й соляной кислотой для удаления следов непрореагировавшего алюминия.

Примеры 2÷5 осуществляют аналогично примеру 1 с изменением отдельных параметров.

Пример 2

Осуществляют аналогично примеру 1, но в качестве аминосодержащей эпоксидной смолы (А) применяют смолу УП-610 (триглицидилпарааминофенол, ТУ 2225-606-11131395-2003) с жидкой эвтектической смесью МФДА (мета-фенилендиамин, ГОСТ 5826-78) с 4,4'-ДАДФМ (4,4'-диаминодифенилметан, CAS 101-77-9) (Б) в соотношении А:Б=100:80.

Пример 3

Осуществляют аналогично примеру 1, но в качестве эпоксидной смолы используют триглицидилизоцианурат марки ЭЦН (ТУ 6-05-1190-76), а в качестве отвердителя - 2-метилимидазол (CAS 693-98-1) в соотношении А:Б=100:5 при соотношении (А+Б):В (алюминиевая пудра)=100:160.

Пример 4

Осуществляют аналогично примеру 1 с использованием смолы ЭА, но в качестве отвердителя применяют аминоалкилимидазол марки И-5-М (ТУ 6-21-11-03-113-93) в соотношении А:Б=100:80, (А+Б):В=100:400 и температуру термообработки 500°С в течение 60 мин.

Пример 5

Осуществляют аналогично примеру 1, но в качестве азотосодержащей эпоксидной смолы применяют тетраглицидил 3,3'-дихлор-4,4'-диаминодифенилметан марки ЭХД (ТУ 2225-512-00203521-98) (А) и отвердитель И-5-М (ТУ 6-21-11-03-113-93) (Б) в соотношении А:Б=100:80, отверждают при 36°С в течение 80 мин, а термообрабатывают при 1000°С в течение 20 мин.

Способ азотирования деталей из легированных сталей, отличающийся тем, что на обезжиренную стальную деталь кистью или одно- или двухсопловым краскопультом наносят термореактивный эпоксидный компаунд, состоящий из азотосодержащей эпоксидной смолы (А), аминного или амидного, или амино-амидного отвердителя (Б) и наполнителя в виде алюминиевой пудры (В), мас.ч. в соотношении А:Б от 100:5 до 100:80 и (А+Б):В от 100:80 до 100:400 с последующим отверждением в сушильном шкафу при температуре от 30°С до 160°С в течение от 3 минут до 180 минут в зависимости от вида эпоксидной смолы и отвердителя, после чего стальную деталь с отвержденным покрытием подвергают термообработке при температуре от 500°С до 1000°С в течение от 20 мин до 80 мин с обеспечением расплавления алюминия и деструкции эпоксидного компаунда с образованием активного атомарного азота, поглощаемого расплавом алюминия с образованием нитрида алюминия и нитридов других металлов на поверхности стальной детали, и проводят последующую обработку детали при температуре окружающей среды 20%-ным раствором соляной кислоты для удаления непрореагировавшего алюминия.