СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1998 года по МПК C23C12/00 

Изобретение относится к химико-термической обработке стальных изделий и может быть использовано для получения антикоррозионных защитных покрытий с устойчивым декоративным цветом. Изобретение может найти широкое применение в различных областях машиностроения для получения черного декоративного цвета на стальных изделиях, например на наружных поверхностях стрелкового оружия.

Известен способ химико-термической обработки стальных деталей (Патент РФ N 1780340, МКИ 6 C 23 C 8/26, 1995 г.). Согласно данному способу детали нагревают до температуры 350 - 400^oC в течение 10 - 30 минут в атмосфере воздуха, после чего их азотируют при температуре 570 - 590^oC в смеси аммиака и эндогаза, взятых в соотношении 1 : 4, затем отключают подачу аммиака, проводят выдержку в течение 1 - 2 ч с последующим охлаждением деталей в масле.

По данному способу предварительное окисление поверхности позволяет на стадии азотирования сформировать более толстый "белый" слой. Данная износоустойчивая фаза из-за невысокой поверхностной пористости на стадии охлаждения пропитывается недостаточно, и поэтому эффект повышения коррозионной стойкости низок. Кроме того, не гарантируются устойчивый декоративный цвет покрытия и его долговечность из-за неустойчивости к механическому истиранию.

Известен способ нанесения покрытия на изделия из нелегированной стали (Патент РФ N 1364242, МКИ 4 C 23 C 8/04, C 21 D 1/72, 1987 г.). По данному способу поверхности изделия насыщают в нагретой до температуры 550 - 720^oC газовой среде азота и углерода в течение 0,5 - 4 ч, после чего охлаждают в масле. В данном способе на стадии нитроцементации из-за перегрева среды (свыше 600^oC) формируются глубокие диффузионные зоны в ущерб коррозионно-стойким карбонитридным "белым" слоям ε-фазы. К тому же период стадии нитроцементации недостаточен для формирования значительной толщины слоя ε- фазы. Невысокая пористость слоя ε-фазы, полученная на данной стадии, на стадии охлаждения изделий в масле не позволяет получить достаточную прочность сцепления формирующегося слоя с ε-фазой. В конечном счете покрытие имеет низкую коррозионную стойкость при полном отсутствии гарантии получения однородного и долговечного декоративного покрытия.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ химико-термической обработки стальных изделий, включающий низкотемпературное насыщение поверхности изделий одновременно азотом и углеродом (карбонитрирование) и последующее оксимолибденирование, которое проводят в атмосфере паров молибденовокислого аммония при 550 - 620^o. При этом оксимолибденирование проводят до толщины слоя покрытия, равной 2 - 3 мкм (Патент РФ N 2055098, МКИ 6 C 23 C 12/00, 8/80; C 21 D 9/10, 1996 г.). Данному способу присущи те же недостатки, что и предшествующему.

Задачей настоящего изобретения является получение устойчивого коррозионно-декоративного покрытия на поверхности стальных изделий с высокой однородностью и повышенной сопротивляемостью к механическому истиранию, обладающего максимальной диффузной отражающей способностью.

Поставленная задача решается тем, что в способе химико-термической обработки стальных изделий, включающем одновременное насыщение поверхности азотом и углеродом и последующее оксимолибденирование, насыщение поверхности азотом и углеродом осуществляют в нагретой среде аммиака и природного газа или продуктов его неполного сгорания при температуре 500 - 600^oC в течение 5 - 12 ч, а оксимолибденирование проводят в атмосфере перегретых паров молибдената аммония при температуре 450 - 600^oC в течение 15 - 50 мин, после чего проводят охлаждение изделий в масле.

Для уменьшения эффекта коробления протяженных изделий и обеспечения более полной пропитки поверхностных пор рекомендуется охлаждение изделий проводить в подогретом до температуры 80 - 120^oC минеральном масле.

В результате экспериментальных исследований было установлено, что на толщину и пористость легированного молибденом слоя существенное влияние оказывают такие факторы, как объем рабочего пространства печи V_п, температура процесса оксимолибденирования T, расход молибдената аммония p, а также время процесса τ.
Было экспериментально определено, что для формирования оптимального легированного слоя толщиной 3 - 7 мкм и пористостью 0,4 - 0,6 V_п = 0,2 м³, T = 600^oC, p = 0,07 г/мин. Процесс оксимолибденирования необходимо проводить не менее τ = 20 мин. Приняв указанные значения за базовые, с учетом степени влияния каждого параметра, эмпирическим путем была определена формула зависимости времени операции оксимолибденирования от вышеуказанных параметров:

где
p - расход соли молибдена, г/мин;
T - температура процесса оксимолибденирования, ^oC;
V_п - объем рабочего пространства термической печи, м³.

В предлагаемом изобретении технический результат достигается способом химико-термической обработки изделий в три этапа.

На первом этапе с целью создания двухфазного (ε+γ′)-карбонитридного слоя осуществляется низкотемпературная химико-термическая обработка с насыщением поверхности одновременно азотом и углеродом. Толщина этого слоя должна быть не менее 15 мкм, слой обладает невысокой пористостью ε-фазы, находящейся на поверхности покрытия. Сформированные карбонитриды Fem(N, C)_n являются базовым материалом для последующих химических реакций при оксимолибденировании.

На втором этапе в процессе обработки в перегретых парах молибдената аммония на поверхности карбонитридного слоя формируется тонкая поверхностная пленка, легированная молибденом магнетита Fe₃O₄ с высокой плотностью мелких пор, простирающихся на глубину 3 - 7 мкм. Слой обладает высокой диффузной отражательной способностью.

На третьем этапе в процессе охлаждения оксимолибденированных изделий в подогретом масле осуществляется гарантированная пропитка микропор слоя легированного магнетита (то есть повышение коррозионной стойкости), а также создание поверхностного микрослоя окислов устойчивого черного цвета с максимальной диффузной отражательной способностью.

Пример реализации способа
В качестве примера проводили обработку несущих деталей коробчатой формы стрелкового вооружения сварной конструкции, изготовленных из стали 30ХГСА. Термохимическую обработку проводили в шахтной муфельной печи с рабочим объемом V_п = 0,25 м³.

Осуществляли химико-термическую обработку изделий по известному способу (прототип) при T₁ = 580^oC в течение времени, равном τ₁ = 2 ч, в равно парциальной насыщенной газовой среде на основе аммиака и эндогаза, после чего проводили оксимолибденирование в атмосфере паров молибденовокислого аммония в течение времени τ = 20 мин с последующим охлаждением на воздухе (эксперимент N 1).

По предлагаемому способу обрабатывали три партии изделий. В каждой партии операцию насыщения поверхности изделий азотом и углеродом осуществляли при следующих режимах: T₁ = 580^oC, время операции -τ₁ = 6 ч, равно парциальный состав аммиака и эндогаза.

В первой партии операцию оксимолибденирования изделий проводили по следующим режимам: объем печи V_п = 0,25 м³, температура процесса T = 600^oC, расход молибдената аммония p = 0,7 г/мин, время насыщения (определялось расчетным путем по эмпирической зависимости) τ = 20 мин, охлаждение изделий проводили на воздухе (эксперимент N 2).

Во второй партии операцию оксимолибденирования проводили по следующим режимам: объем печи V_п= 0,25 м³, температура процесса T = 580^oC, расход молибдената p = 1,4 г/мин, время насыщения τ = 30 мин, охлаждение изделий проводили на воздухе (эксперимент N 3).

В третьей партии операцию оксимолибденирования проводили по режимам, аналогичным режимам для второй партии, после чего изделия охлаждали в подогретом до 80^oC минеральном масле марки U-2 (эксперимент N 4).

Для всех полученных партий изделий определялись следующие показатели:
объемная пористость в покрытии W_п, которая рассчитывалась на основе металлографических исследований среднего размера пор D_ср. и расстояния между ними λ_ср по формуле

коррозионная стойкость, которая оценивалась по растворимости материала покрытия в растворе 4%-ной поваренной соли в дистилляте;
условия истирания поверхности обработанных деталей определяли путем полирования деревянным бруском с усилием прижатия 5 кг/см²;
отражательная способность покрытия определялась через заданные промежутки времени после механического истирания по отражению светового потока с использованием фотодиода. В нашем случае под относительной отражающей способностью понималось отношение текущего значения силы тока, протекающего через фотодиод, для изделий каждой партии к минимальному значению силы тока в четвертом эксперименте термохимической обработки.

Режимы термохимических процессов обработки и соответствующие показатели приведены в таблице.

Как видно из таблицы, по заявленной технологии получено покрытие на стальных изделиях, имеющее равномерный черный цвет без разводов.

Кроме того, данное покрытие обладает повышенным сопротивлением к механическому истиранию, стойко к коррозии и к тому же обладает максимальной отражающей способностью, что позволяет найти широкое применение способа при обработке изделий специального назначения.

Изобретение предназначено для получения коррозионного защитного покрытия черного декоративного цвета, например, на наружных поверхностях стрелкового оружия. Задачей изобретения является повышение однородности покрытия и сопротивляемости его механическому истиранию, а также повышение диффузной отражающей способности покрытия. Способ предусматривает насыщение поверхности стальных деталей одновременно азотом и углеродом в нагретой среде аммиака и природного газа или продуктов его неполного сгорания при 500-600^oC в течение 5-12 ч, оксимолибденирование проводят в атмосфере перегретых паров молибдената аммония при 450-600^oC в течение 15-50 мин, а после оксимолибденирования проводят охлаждение в масле. 2 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Способ химико-термической обработки стальных изделий, включающий одновременное насыщение поверхности углеродом и азотом, после чего проводят оксимолибденирование, отличающийся тем, что насыщение поверхности стальных изделий одновременно азотом и углеродом осуществляют в нагретой среде аммиака и природного газа или продуктов его неполного сгорания при 500 - 600^oC в течение 5 - 12 ч, оксимолибденирование проводят в атмосфере перегретых паров молибдената аммония при 450 - 600^oC в течение 15 - 50 мин, а после оксимолибденирования проводят охлаждение в масле. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение осуществляют в подогретом до 80 - 120^oC минеральном масле. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность операции оксимолибденирования определяют по зависимости
где p - расход молибдената аммония, г/мин;
T - температура процесса оксимолибденирования, ^oC;
V_п - объем рабочего пространства термической печи, м³.