СПОСОБ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ СТАЛИ Российский патент 1997 года по МПК C23C8/32 

Изобретение относится к машиностроению и может использоваться при поверхностном упрочнении деталей машин с применением экологически чистых технологий.

Известны способы нитроцементации стали в среде продуктов пиролиза триэтаноламина с добавками аммиака или других веществ. Способы предусматривают одновременное насыщение стали углеродом и азотом.

Применение углеродсодержащих газов с добавками аммиака от 1% до 50% (Шубин Р.П. Гринберг М.Л. Нитроцементация деталей машин. М. Машиностроение, 1975, с. 207). При этом после нитроцементации выполняется закалка.

Низкотемпературная нитроцементация ("азотирование") с применением триэтаноламина (Лахтин Ю.М. Коган Я.Д. Азотирование стали. М. Машиностроение, 1976). Ориентация при этом делается на получение и сохранение поверхностной ε фазы. Закалка не применяется, в результате твердость поверхностного слоя мала (500 800 HV).

Получение достаточно высокой твердости (Тарасова А.Н. Вакуумная нитроцементация мелкоразмерного инструмента из быстрорежущих сталей в муфельных малоэнергоемких печах. МиТОМ, 1994, N 4, с. 6). Однако, помимо три этаноламина в смесь добавляют моноэтаноламин и кубовые остатки регенерации этилового спирта.

Известна газовая цементация с применением в качестве жидкого карбюризатора триэтаноламина (Шубин Р.П. Гринберг М.Л. Нитроцементация деталей машин. М. Машиностроение. 1975, с. 32). Однако при этом из-за высокой температуры (880^oC и выше) процесс энергоемок, приводит к окислению арматуры, муфеля печи и нагревателей, на деталях образуется отслаивающийся толстый слой сажи, что приводит к необходимости большого припуска (до 0,4 мм) на пескоочистку и механическую обработку. После высокотемпературной цементации необходима лишняя операция, например нормализация для измельчения зерна сердцевины детали.

За прототип принят способ газовой нитроцементации с применением триэтаноламина в качестве жидкого карбюризатора без добавки аммиака (Шубин Р.П. и Гринберг М.Л. со ссылкой на Гугель С.М.). Недостатки прототипа - применяется высокая температура выше A₃, не регламентируется скорость закалки диффузионного слоя, которая отличается от критической скорости закалки стали.

Задача изобретения расширить технологические возможности газовой нитроцементации с применением триэтаноламина, без добавки аммиака.

Задача достигается снижением температуры нитроцементации и обеспечением скорости закалки, равной или большей критической скорости закалки диффузионного слоя.

Для реализации способа сначала на образцах, например диаметром 6 и длиной 16 мм, выполняют серию процессов нитроцементации по одинаковому режиму, но с разной скоростью закалки, для чего используют известную скорость охлаждения подобных стальных образцов в нескольких закалочных средах, затем находят по твердости критическую скорость закалки диффузионного слоя (Карпов Л. П. О критической скорости закалки. // МиТОМ, 1992, N 12, с. 3 5) и выбирают закалочную среду. Нитроцементацию проводят при температуре ниже A₃ стали, но выше 750^oC с выдержкой, достаточной для получения слоя заданной глубины с учетом снимаемого затем технологического припуска. Затем закаливают детали. При необходимости сохранения вязкой сердцевины ее не закаливают. Для этого после нитроцементации садку подстуживают в печи до температуры ниже A₁ стали, но выше A₁ диффузионного слоя, насыщенного азотом. Эта нижняя температура ограничивается еще и требованием обеспечить горящий факел - сжигание отходящих продуктов пиролиза триэтаноламина. В любом случае скорость охлаждения при закалке должна обеспечить закалку диффузионного слоя. При закалке в воде до теплого состояния, например методом окунания (во избежание трещин диффузионного слоя).

Обработку холодом после закалки проводят при необходимости дополнительного повышения твердости слоя. В любом случае после закалки выполняют отпуск стали.

Способ проверен практически при изготовлении шиберов задвижек фонтанной арматуры из стали 38Х2МЮА (два примера). Размер шибера пластина 25х80х200мм, вес 2 кг. Критическая скорость закалки диффузионного слоя в этом случае равна менее 500^oC/с, поэтому шиберы закаливали в воде комнатной температуры. Один пример приведен со сталью 18ХГ. Во всех примерах расход подача в печь триэтаноламина был равен 60-80 капель/мин.

Пример 1. Выполнялась нитроцементация шибера в печи СШЦМ 6,6/9И4 при 800^oC 8 ч с последующей закалкой после подстуживания садки в печи до температуры 700^oC.

Твердость на поверхности шибера после закалки составляет 60-61 H C_Э, трещин не обнаружено. После обработки холодом и низкого отпуска 180^oC 4 ч твердость поверхности 63-64 H C_Э. После ступенчатой шлифовки по 0,05 мм каждой ступени (их 9) и 1,5 2,0 мм десятой ступени проверена твердость по трем зонам ступеней шибера и сердцевины (см. табл. 1).

Хрупкость отсутствует. При контроле на микрошлифе толщина диффузионного слоя равна 0,6 0,7 мм. Поверхностная твердость 890-927 HV. Люминесцентным методом трещин не обнаружено. Деформация на просвет не более 0,05 мм.

При номере поверхностной твердости не менее 670 HV и глубине слоя 0,2-0,5 мм имеется запас глубины слоя на шлифовку (7х0,05=0,35 мм).

По глубине диффузионного слоя проникновение азота составляет до 0,45 мм (анализ на рентгеновском микроанализаторе "Superprobe"-733"). Размер зерна сердцевины почти не изменяется или несколько растет на 0,5-1 номер (ГОСТ 5639-82).

Сравнительные испытания износостойкости азотированного шибера и после нитроцементации в триэтаноламине с закалкой показали износостойкость после нитроцементации. Износ поверхности образцов при вращении на станке "Нерис" со скоростью 200 об/мин на шкурках за первый опыт испытаний и второй (см. табл. 2) составил: после азотирования 0,351 и 0,81 мм, а после нитроцементации с закалкой 0,112 и 0,67 мм.

Пример 2. Выполнялась нитроцементация такого же шибера как описано в примере 1, но в другой печи Ц-105, выдержка при 800^oC нитроцементации увеличена и равна 10 ч вместо 8 ч. Закалка непосредственно после выдержки. Поверхностная твердость равна 831 HV и 64,5 HRC_Э. Хрупкость поверхности по ступеням балл 1 (отсутствует). Толщина диффузионного слоя равна 0,65 0,7 мм. Трещин не обнаружено. Твердость HV30 по ступеням шлифовки показана в табл.3.

Пример 3. Из стали 18ХГ изготовлены образцы диаметром 90 и толщиной 27 мм. Торцы образцов шлифованы. Нитроцементация в триэтаноламине выполнена в печи СШЦМ-6,6/9И4 по режиму 800^oC 10 ч с непосредственной закалкой. Предварительно на образцах стали 18ХГ определили критическую скорость закалки диффузионного слоя, которая равна 380 390^oC/с. Средняя скорость охлаждения таких же образцов в воде с температурой 20^oC равна 490^oC/с, поэтому охлаждение образцов ⊘ 90х27 после нитроцементации выполнено в воде.

Поверхностная твердость равна 61HPC_Э, по ступеням шлифовок через 0,05 мм: 58; 55; 50,5; 51; 49; 50; 50; 50 HRC_Э. Твердость сердцевины равна 44 HRC_Э.

Таким образом, глубина диффузионного слоя составляет более 0,4 мм, а глубина коррозионностойкой части слоя 0,1 мм.

Изобретение относится к машиностроению и может использоваться при поверхностном упрочнении деталей машин с применением экологически чистых технологий. Предлагаемый способ предусматривает определение критической скорости закалки диффузионного слоя с целью выбора закалочной среды при закалке деталей, нитроцементацию деталей при температуре ниже A, с подачей в печь триэтаноламина и закалку деталей с последующим низким отпуском. Способ позволяет избежать применения высоких температур (выше 900^oC), сохранить вязкой сердцевину, получить высокую твердость и износостойкость диффузионного слоя при достаточной его глубине. Способ применим, например, при выпуске деталей фонтанной арматуры для нефте-газодобывающей промышленности. Способ реализуется на стандартном оборудовании. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ нитроцементации стали, включающий насыщение стали в среде продуктов пиролиза триэтаноламина, подаваемого в печь с непосредственной закалкой и низким отпуском, отличающийся тем, что нитроцементацию проводят при температуре ниже критической А₃ для стали, но выше 750^oС, а закалку ведут со скоростью охлаждения, равной или большей критической скорости закалки диффузионного слоя. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после закалки проводят обработку холодом.