Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

RU2692006C1 - Способ циклического газового азотирования деталей из высоколегированных сталей - Google Patents

Способ циклического газового азотирования деталей из высоколегированных сталей Download PDF

Info

Publication number
RU2692006C1
RU2692006C1 RU2018137741A RU2018137741A RU2692006C1 RU 2692006 C1 RU2692006 C1 RU 2692006C1 RU 2018137741 A RU2018137741 A RU 2018137741A RU 2018137741 A RU2018137741 A RU 2018137741A RU 2692006 C1 RU2692006 C1 RU 2692006C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
atmosphere
ammonia
cycle
parts
saturating
Prior art date
Application number
RU2018137741A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Алексеевич Александров
Лариса Георгиевна Петрова
Андрей Александрович Брежнев
Пётр Евгеньевич Демин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)"
Priority to RU2018137741A priority Critical patent/RU2692006C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2692006C1 publication Critical patent/RU2692006C1/ru

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24Nitriding
    • C23C8/26Nitriding of ferrous surfaces
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к химико-термической обработке, в частности к циклическому газовому азотированию высоколегированных сталей, и может быть использовано при изготовлении деталей, работающих при высоких температурах в условиях трения с большими контактными нагрузками. Способ циклического газового азотирования деталей из высоколегированных сталей включает предварительное нанесение на поверхность детали каталитического покрытия, нагрев в печи до температуры 540-650°С в атмосфере аммиака и диоксида углерода при соотношении их объемов 1:1, изотермическую выдержку при температуре упомянутого нагрева, во время которой осуществляют замену насыщающей атмосферы циклически в два этапа в каждом цикле, и последующее охлаждение вместе с печью в атмосфере аммиака. Первый этап цикла изотермической выдержки проводят в насыщающей атмосфере аммиака в смеси с парами воды при соотношении объемов упомянутых компонентов 1:1. Второй этап упомянутого цикла проводят в насыщающей атмосфере аммиака в смеси с диоксидом углерода при соотношении их объемов 1:1. Упомянутую циклическую замену насыщающей атмосферы повторяют до получения азотированного слоя заданной толщины. В качестве каталитического покрытия используют шликерное покрытие, содержащее оксид хрома CrO. Обеспечивается увеличение толщины диффузионного азотированного слоя, получаемого на поверхности деталей из высоколегированных сталей при сокращении длительности процесса азотирования и без снижения его твердости. 3 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно, к химико-термической обработке, в частности, к циклическому газовому азотированию высоколегированных сталей, и может быть использовано при изготовлении деталей из высоколегированных сталей, работающих при высоких температурах в условиях трения с большими контактными нагрузками.
Известен способ азотирования изделий из легированных сталей, включающий их нагрев до температуры насыщения Т=500-600°С в инертной атмосфере с последующей выдержкой в насыщающей газообразной среде. Выдержку изделий осуществляют попеременно в атмосфере воздуха, а затем в атмосфере аммиака (см. патент РФ №2367715, МПК С23С 8/34, опубл. 2009 г.).
Недостатками известного способа являются формирование на поверхности изделий упрочненного слоя только на базе твердых растворов легирующих элементов и большая длительность процесса, обусловленная замедленной диффузией азота в процессе насыщения через поверхностный слой.
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является принятый в качестве прототипа способ циклического газового азотирования включающий нагрев в печи детали до температуры 540-650°С, изотермическую выдержку при температуре нагрева, во время которой осуществляют замену насыщающей атмосферы циклически в два этапа в каждом цикле, и последующее охлаждение вместе с печью в атмосфере аммиака. Предварительно на поверхность детали наносят наноразмерную медную пленку толщиной в интервале 150-200 нм. Обеспечивается увеличение до заданного значения толщины монолитной зоны металлокерамик в диффузионном азотированном слое, получаемом на поверхности деталей из конструкционных легированных сталей без увеличения длительности процесса азотирования и без снижения его твердости (см. патент РФ №2614292, МПК С23С 28/04, опубл. 2017 г.).
Недостатком данного способа является сложность нанесения гальваническим способом наноразмерной медной пленки (менее 500 нм) на детали из нержавеющих сталей (высоколегированных).
Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является увеличение толщины диффузионного азотированного слоя, получаемого на поверхности деталей из высоколегированных сталей при сокращении длительности процесса азотирования и без снижения его твердости.
Указанная техническая задача решается за счет того, что в способе циклического газового азотирования деталей из высоколегированных сталей, включающий нагрев в печи до температуры 540-650°С, изотермическую выдержку при температуре нагрева, во время которой осуществляют замену насыщающей атмосферы циклически в два этапа в каждом цикле, и последующее охлаждение вместе с печью в атмосфере аммиака, предварительно на поверхность детали наносят каталитическое покрытие, нагрев проводят в атмосфере аммиака и диоксида углерода при соотношении их объемов 1:1, при этом первый этап цикла изотермической выдержки проводят в насыщающей атмосфере аммиака в смеси с парами воды при соотношении объемов упомянутых компонентов 1:1, а второй этап упомянутого цикла проводят в насыщающей атмосфере аммиака в смеси с диоксидом углерода при соотношении их объемов 1:1, процесс повторяют до получения азотированного слоя заданной толщины, согласно изобретению в качестве каталитического покрытия используют шликерное покрытие, содержащее оксид хрома Cr2O3.
Решение поставленной технической задачи достигается за счет предварительно нанесенной на поверхность деталей локального шликерного покрытия из оксида хрома, благодаря чему появляется возможность при подаче аммиака и паров воды - на первом этапе цикла, получить азотную кислоту из аммиака, которая устраняет пленку из Cr2O3.
При последующей подаче смеси аммиака и диоксида углерода - на втором этапе цикла, на поверхности детали аммиак распадается на атомарный азот и ионы водорода и происходит восстановление катализатора Cr2O3, кроме того происходят реакции в результате которых образуется дополнительный атомарный азот. Затем цикл повторяется до тех пор, пока не будет достигнута заданная толщина диффузионного азотированного слоя.
Изобретение иллюстрируется фотографиями, на которых представлены структуры сталей: 20X13 - фиг. 1, 08Х18Н10 - фиг. 2 (аналог AISI 304), 03X18H11 (аналог AISI 304L) - фиг. 3, обработанных по предлагаемому способу. На иллюстрациях показана толщина h азотированного слоя.
Способ циклического газового азотирования деталей из высоколегированных сталей, заключается в том, что детали нагревают до заданной температуры в атмосфере аммиака в смеси с диоксидом углерода, выдерживают при изотермических условиях и затем охлаждают вместе с печью в атмосфере аммиака. Во время изотермической выдержки циклически меняют атмосферу в два этапа в каждом цикле. При этом предварительно на поверхность деталей наносят шликерное покрытие, содержащее оксид хрома Cr2O3, а изотермическую выдержку на первом этапе цикла проводят в насыщающей атмосфере аммиака в смеси с парами воды, а второй этап цикла проводят в насыщающей атмосфере аммиака в смеси с диоксидом углерода. Соотношение объема аммиака к объему другого компонента насыщающей атмосферы в процессе нагрева и в каждом из этапов цикла изотермической выдержки поддерживают постоянным и равным 1:1.
Изотермическую выдержку проводят в интервале температур Т=540-650°С.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. 1. На поверхность деталей методом окунания наносят шликерное покрытие, состоящее из порошка оксида хрома Cr2O3 и связующего - раствора целлулоида в смеси ацетона и уксусной кислоты. Перед нанесением шликерного покрытия детали промывают 1% раствором хлористого цинка в воде, для их обезжиривания.
2. Детали из высоколегированных сталей нагревают в атмосфере аммиака и диоксида углерода в соотношении 1:1 по объему до температуры в интервале Т=540-650°С. На этом этапе происходит распад связующего в щликерном покрытии.
3. Далее проводят азотирование в условиях изотермической выдержки при той же температуре Т=540-650°С. При этом осуществляют циклическое изменение газовой смеси: на первом этапе цикла подают смесь из аммиака и паров воды, на втором этапе - смесь из аммиака и диоксида углерода. Затем данный цикл повторяют необходимое количество раз. Количество аммиака в процессе насыщения на первом и втором этапах цикла поддерживают постоянным и равным соотношению 1:1 к объему другого компонента насыщающей атмосферы. На первом этапе цикла происходит образование на поверхности детали азотной кислоты в присутствии паров воды за счет следующих химических реакций:
Figure 00000001
Figure 00000002
Figure 00000003
Азотная кислота повышает эффективность процесса азотирования за счет устранения пленки из Cr2O3 с ингибиторными свойствами с поверхности нержавеющих сталей. В процессе насыщения на втором этапе цикла на поверхности детали вновь образуется оксид хрома, который в данном случае является катализатором процессов окисления аммиака, кроме того, за счет химической реакции (4) образуются дополнительный атомарный азот, что ускоряет процесс азотирования:
Figure 00000004
В результате это позволяет сократить длительность процесса азотирования. Цикл подачи газовых смесей повторяют до тех пор, пока не будет достигнута заданная толщина диффузионного слоя. Продолжительность этапов цикла подачи газовых смесей - аммиака и паров воды или аммиака и диоксида углерода, устанавливается в каждом конкретном случае в зависимости от содержания Cr в стали: чем больше процентное содержание хрома в стали, тем больше продолжительность этапов цикла. При достижении заданной толщины диффузионного азотированного слоя проводят охлаждение вместе с печью в атмосфере аммиака и выгрузку готовых деталей из реактора печи.
Такой способ азотирования позволяет получить на поверхности деталей из высоколегированных сталей диффузионный азотированный слой толщиной до 200 мкм за счет предварительного нанесения на поверхность деталей шликерное покрытие, содержащее оксид хрома Cr2O3.
Для сравнения заявляемого способа с прототипом были проведены исследования деталей-образцов из сталей 20X13, 08X18H10 (аналог AISI 304), 03X18H11 (аналог AISI 304L), подвергнутых термодиффузионному азотированию, по способу, изложенному в прототипе и по предлагаемому способу без предварительного шликерного покрытия и с нанесением шликерного покрытия. Осуществимость и преимущества предлагаемого способа могут быть рассмотрены на представленных ниже примерах.
1. Обработка деталей-образцов из сталей 20X13, 08Х18Н10 (аналог AISI 304), 03Х18Н11 (аналог AISI 304L) по способу, изложенному в прототипе. Детали-образцы нагревали в среде аммиака до температуры Т=540-650°С, выдерживали 6 часов, затем охлаждали в печи. Толщина диффузионного азотированного слоя и значения микротвердости указаны в таблице.
2. Обработка деталей-образцов из сталей 20X13, 08X18H10 (аналог AISI 304), 03X18H11 (аналог AISI 304L) по предлагаемому способу без предварительного нанесения шликерного покрытия из оксида хрома. Детали-образцы нагревали в печи до температуры Т=540-650°С (в зависимости от марки стали) в атмосфере аммиака и диоксида углерода, затем проводили азотирование в течение 6 часов в циклически изменяемой газовой среде. Толщина диффузионного азотированного слоя и значения микротвердости указаны в таблице.
3. Обработка деталей-образцов из сталей 20X13, 08X18H10 (аналог AISI 304), 03X18H11 (аналог AISI 304L) по предлагаемому способу с нанесением шликерного покрытия из оксида хрома на их поверхность. Детали-образцы нагревали в печи до температуры Т=540-650°С (в зависимости от марки стали) в атмосфере аммиака и диоксида углерода, затем проводили азотирование в течение 6 часов в циклически изменяемой газовой среде. Толщина диффузионного азотированного слоя и значения микротвердости указаны в таблице.
Figure 00000005
Из таблицы видно, что предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает увеличение толщины азотированного слоя более, чем в 2-4 раза и повышение его твердости примерно на треть: с 900 Мпа до 1250 МПа. Если не использовать шликерное покрытие, то по сравнению с прототипом толщина слоя увеличиться в 1,5-2 раза, а твердость останется практически такой же. Такой результат достигается за счет большего количества азота, диффундирующего в поверхностный слой за счет присутствия дополнительного атомарного азота, образующегося в результате химической реакции (4).
Таким образом, изобретение позволяет увеличить толщину диффузионного азотированного слоя, получаемого на поверхности деталей из высоколегированных сталей при сокращении длительности процесса азотирования и без снижения его твердости.

Claims (1)

  1. Способ циклического газового азотирования деталей из высоколегированных сталей, включающий предварительное нанесение на поверхность детали каталитического покрытия, нагрев в печи до температуры 540-650°С в атмосфере аммиака и диоксида углерода при соотношении их объемов 1:1, изотермическую выдержку при температуре упомянутого нагрева, во время которой осуществляют замену насыщающей атмосферы циклически в два этапа в каждом цикле, и последующее охлаждение вместе с печью в атмосфере аммиака, при этом первый этап цикла изотермической выдержки проводят в насыщающей атмосфере аммиака в смеси с парами воды при соотношении объемов упомянутых компонентов 1:1, а второй этап упомянутого цикла проводят в насыщающей атмосфере аммиака в смеси с диоксидом углерода при соотношении их объемов 1:1, при этом упомянутую циклическую замену насыщающей атмосферы повторяют до получения азотированного слоя заданной толщины, отличающийся тем, что в качестве каталитического покрытия используют шликерное покрытие, содержащее оксид хрома Cr2O3.
RU2018137741A 2018-10-26 2018-10-26 Способ циклического газового азотирования деталей из высоколегированных сталей RU2692006C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018137741A RU2692006C1 (ru) 2018-10-26 2018-10-26 Способ циклического газового азотирования деталей из высоколегированных сталей

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018137741A RU2692006C1 (ru) 2018-10-26 2018-10-26 Способ циклического газового азотирования деталей из высоколегированных сталей

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2692006C1 true RU2692006C1 (ru) 2019-06-19

Family

ID=66947532

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018137741A RU2692006C1 (ru) 2018-10-26 2018-10-26 Способ циклического газового азотирования деталей из высоколегированных сталей

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2692006C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2737796C1 (ru) * 2020-03-05 2020-12-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВО РГУПС) Состав компаунда для азотирования деталей из легированных сталей

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009153244A1 (en) * 2008-06-19 2009-12-23 Centro Sviluppo Materiali S.P.A. Process and plant for producing in situ ammonia-based mixtures with controlled nitriding power
RU2614292C1 (ru) * 2015-12-24 2017-03-24 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" Способ циклического газового азотирования деталей из конструкционных легированных сталей
US10081858B2 (en) * 2011-12-07 2018-09-25 Solaris Holdings Limited Method of improvement of mechanical properties of products made of metals and alloys

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009153244A1 (en) * 2008-06-19 2009-12-23 Centro Sviluppo Materiali S.P.A. Process and plant for producing in situ ammonia-based mixtures with controlled nitriding power
US10081858B2 (en) * 2011-12-07 2018-09-25 Solaris Holdings Limited Method of improvement of mechanical properties of products made of metals and alloys
RU2614292C1 (ru) * 2015-12-24 2017-03-24 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" Способ циклического газового азотирования деталей из конструкционных легированных сталей

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2737796C1 (ru) * 2020-03-05 2020-12-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ростовский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВО РГУПС) Состав компаунда для азотирования деталей из легированных сталей

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102466065B1 (ko) 자가 부동태화 금속의 향상된 활성화
US3748195A (en) Method for forming a soft nitride layer in a metal surface
US2804410A (en) Method for nitriding titanium surfaces
RU2692006C1 (ru) Способ циклического газового азотирования деталей из высоколегированных сталей
US4738730A (en) Steam sealing for nitrogen treated ferrous part
US6328819B1 (en) Method and use of an apparatus for the thermal treatment, in particular nitriding treatment, of metal workpieces
JP4861703B2 (ja) 金属部材表面の活性化方法
CN101238236B (zh) 离子渗氮方法
RU2639755C1 (ru) Способ газового азотирования изделий из конструкционных сталей
WO2005075705A1 (ja) 金属材の表面処理方法
RU2614292C1 (ru) Способ циклического газового азотирования деталей из конструкционных легированных сталей
Caliari et al. An investigation into the effects of different oxy-nitrocarburizing conditions on hardness profiles and corrosion behavior of 16MnCr5 steels
CN100494498C (zh) 金属材料的表面处理方法
RU2367716C1 (ru) Способ обработки стальных изделий в газообразной среде
WO2015125767A1 (ja) 機械部品の製造方法
JP3450426B2 (ja) ガス浸硫窒化処理方法
JPH0649924B2 (ja) チタン及びチタン合金からなる部材に窒化物層を施す方法
RU2692007C1 (ru) Способ циклического азотирования изделий из стали 08ю в газообразных средах
RU2824791C1 (ru) Способ высокотемпературного азотирования деталей из нержавеющих аустенитных сталей
CN114164396B (zh) 一种钛合金表面改性处理的方法
RU2569623C2 (ru) Состав для электролитно-плазменной нитроцементации
RU2716177C1 (ru) Способ поверхностного легирования деталей из стали 40х
JP3429870B2 (ja) 焼結部品表面硬化方法
US1904425A (en) Nitriding ferrous alloys
Biró et al. Nitrocarburising of low alloyed case hardening steels applying three different temperatures