Способ отжига азотированных тугоплавких металлов Советский патент 1983 года по МПК C22F1/18 C21D1/26 

Изоеь зние относится к химикотермической обработке, в частности к процессам азотирования хрома и его сплавов.

Известен способ азотирования хрома и его сплавов в среде чистого азота при вчсоких температурах 1 .

Недостаток этого способа - сильное охрупчиваниё хрома и его сплавов.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ отжига азотированных тугоплавких металлов и сплавов, заключающийся в нагреве и вьвдержке при 1100-1900 с в вакууме 1-10 1-10 мм рт.ст. 2J..

Однако при о.тжиге в вакууме идет инт1Ьнсивно деазотирование в атмосферу и твердый азотированный слой, обеспечивающий высокую износостойкость, быстро рассасывается, что недопустимо для изделий, работш ицих на износ.

Целью изобретения является улучшение прирабатываемости азотированного слоя за счет создания на его поверхности об -твердого раствора азота в хроме.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу отжига азотированных тугоплавких металлов преимущественно хрома и его сплавов, включающему нагрев и выдержку при 1100-1900 ° С в безокислительной среде, нагрев и выдержку осуществляют в аргоне в присутстви титановой губки в количестве 0,020,02 TJcvr .

Выдержку в аргоне выбирают в зависимости от требуемой толщины Л-твердого раствора на поверхности изделий в соответствии с формулой

).

.)

4-s..pg,.c., -де Sp ц - площадь образца, см;

U - толщинаofr-твердого раствора на поверхности, MKMJ Се, .f, - концентрация азота в нитриде С г 2 N , %

2 - толщина нитрида TiN на поверхности губки, мкм; iTfi-p; количество титановой

губки, г; S - удельная поверхность титановой губки, D,/ - коэффициент диффузии аэо та в хроме при выбранной температуре отжига,

С,,г концентрация азота в хроме, находящемся в равновесии с СГ2К, %.

Количество титановой губки, при тжиге в аргоне должно быть более .

0,02 г/см-, в противном случае произойдет рассасывание с поверхности изделий нитридной зоны, при этом твердость резко падает, так как остается на поверхности только об твердый раствор азота в хроме,а i образование нитридной зоны на некотором расстоянии от поверхности не происходит. Использовать тита,новую губку в количестве более 0,2 г/см

нежелательно, так как идет очень ин,тенсивно процесс деазотирования, вследствие чего композиционное покрытие тоже не получается.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Азотированные образцы (изделий) из хрома и сплавов на его основе подвергают отжигу в среде аргона в. присут.ствии титановой губки в количестве. 0,02-0,2 г/см2. для отжига можно использовать установки, предназначенные для азотирования при радиационном нагреве, в этом случае вместо азота подается из баллона

аргон. Затем производят нагрев от-. жига до выбранной температуры и дают выдержку, исходя из формулы (l). Изделия медленно охлаждают вместе с печью а потоке аргона до комнатной температуры. После азотирования на поверхности образуется нитридная зона, состоящая в основном из твердых нитридов хрома. За нитридной зоной следует подслой - зона внутреннего азотирования, представляющая собой твердый раствор азота в хроме и нитриды легирующих элементов. При отжиге в аргоне в присутствии титановой губки происходит деазотирование нитридной зоны только

в атмосферу, при этом одновременно идет подсос к поверхности образцов атомов азота из зоны внутреннего азотирования. При отжиге же без титановой губки нитридный слой

рассасывается и в атмосферу и в глубь образцов. Исходя из того, что скорость диффузии азота в хроме на порядки выше, чем в нитридах хрома, то азот, диффундирующий к поверхности из подслоя, скапливается у края нитридной зоны, находящегося в контакте с этим подслоем. В результате с поверхности образцов

нитридный слой рассасывается в атмосферу, но растет в глубь образцов. Это приводит к образованию МНОГОСЛОЙНОГО композиционного покрытия. При этом на поверхности изделий получают мягкий оо -твердый раствор азота в хроме, что облегча-ет доводку изделий до нужных размеров и обеспечивает прирабатываемость их в процессе работы. За зтим Л -твердым раствором следует зона твердых нитридов хрома, обеспечивающая высокую износостойкость

изделий. За нитридной зоной образуется зона внутреннего азотирования.

При большом количестве тигановой губки (.более 0,2 г/см) ско- . рость процесса рассасывания нитри; ной зоны в атмосферу значительно превьошает скорость роста этой зоны в тлубь образцов за счет подсоса азота из зоны внутреннего азоти- рования. В этом случае композиционного покрытия не получают.

Предлагаемый способ опробован на сплаве хрома с 1,0% титана.

Пример 1. Образцьа сплава, хрома и 1% титана подвергают обработке по прототипу. Для этого об-, разцы азотируют при 1000 с в течени 1 ч. При этом на поверхности образцов образуется азотированный слой, состоящий из нитридной зоны толщиной 13-13,5 мкм. Твердость v, Н 100 этой зоны 1150-1250 кгс/wiM :. За нитридной .зоной следует более .мягкий подслой - зона внутреннего

азотирования (НЮО 200-220 кгс/дм). При более длительном азотировании д20-30 ч) образцы очень сильно ох, рупчиваются и работать с такими . образцами невозможно. После азоти. рования проводят отжиг в вакууме / 10 мм рт.ст при 1200° С в течение; 1ч. При этом азотированный полностью рассасывается и твердос5ТЬ НЮО поверхностного слоя понижается до твердости сердцевины образцов и составляет. 180-200 кгс/мм. Это . связано с тем, что при отжиге в вакууме очень интенсивно идет дёаэртирование слоя в атмосферу. ; , Обработку сплава по предлагаемому способу проводят следующим : образом. Образцы после азотирования при 1000° С в течение 1 ч подвергают отжигу в аргоне при 1200° С в присутствии титановой губ.ки в количестве 0,02 г/см, что соответствует нижнему граничному условию предлагаемого способа. Для получения на, поверхности твердого и хрупкого . азотированного слоя более мягкого о6-твердого раствора азота в хроме; толщиной 20 мкм время выдержки рассчитывают по формуле (1) . Для расчета приняты следующие справочные данные: площадь образца 94,2 «10 толщина об-твердого раствора на поверхности L, концентрация азота в нитриде- Ccr-iN 11г9%.; толщИ- , на нитридаПМ на поверхности губки С 110 см , количество тйтанр вой губки гпт4 Of02 г/см j удеЛьная поверхность титановой губки, Б 0,1-10 коэффициент даффузии азота в хроме при температу.ре отжига 1200°.С . 2,284 .10 см/с; концентрация азота в

.jjOMe, находящемся в равновесии , CN 9,3%.

л J4,2-10- .20.10-4x11,9 X ,02хО,1Ю- х2-2,

xl-lO- x 0,5210 . „ 1Z9733/8 Л4 ч.

После отжига измеряют твердость и толщину слоев композиционного покрытия. На поверхности образцов

0 ,образуется Ы -твердый раствор азота в хроме толщиной 19-21 мкм с микротвердостью Н 100, равной 200220 кгс/мм . Этот слой и обеспечивает прирабатываемость азотированf -ных изделий в процессе трения. Затем следует зона нитридов хрома ТОЛЩИНОЙ 25 мкм, обладающая высокой твердостью НЮО 1150-1250 кгс/мм Эта зона обеспечивает высокую износостойкость изделий.За этой зоной

0 следует подслой с НЮО 200 - 230 кгс/мм.

Если ,же проводить отжиг в присутствии титановой губки в меньшем количестве, чем 0,02 г/см,

5 например 0,01 г/см, то, как показывает микроструктурный анализ, композиционного покрытия не получают. Происходит рассасывание нитридного слоя с поверхности образцов

Q в атмосферу, при этом твердость, Н 100 этой зоны резко падает и составляет 230-260 кгс/мм, т.е. на поверхности образцов вместо нитридного слоя остается только об -твер дый раствор азота в хроме. Следует

отметить, что зона внутреннего азотирования (подслой)заметного изменения при таком отжиге не претерпе-г вает и твердость практически сохраняется на том же уровне НЮО 2000 230 кгс/мм..

Пример 2. Образцы исследуемого сплава обрабатывают по предлагаемому способу так же,, как и в примере ., только отжиг проводят ,

5 в присутствии титановой губки в количестве 0,2 г/см, что соответствует верхнему граничному условию предлагаемого способа. Время отжига при 1200° С в среде аргойа определяют

П по формуле U) „ .

94.210- х20..9х 0,2хОД-Ю х2.2,28410- х

X 1- хО,52-10

23 мин. X 9,3 .. 5 При этом на поверхности образцов,,

формируется cL- -твердаай раствор толщиной около 20 мкм с НЮО 200220 кгс/см. Затем следует зона нит

РИДОВ хрома толщиной 12 мкм с НЮО

-s.- -™-.--I5 0 1150-1250.кгс/мм

1150-1250.кгс/мм и подслой с Н100 200-230 кгс/мм.

Если же проводить отжиг в присутствии титановой губки в большем количестве, чем 0,2 г/см, например 0,3 г/см, то композиционного покры5

тия не получают. Происходит полное рассасывание нитридного слоя в атмосферу и твердость HI00 при этом понижается до 200-220 кгс/мм. Следует отметить, что при таком отжиге происходят значительные изменения и в подслое, приводящие к понижению твердости его за счет деазотирования практически до уровня неазотированных образцов (НЮО 180 200 кгс/мм). Это указывает на то, что скорость рассасывания нитридног слоя в атмосфере больше, чем скорость роста его в глубь образцов за счет подсасывания атомов азота и подслоя, что и приводит к полному деазотированию слоя в атмосферу.

Пример 3. Образцы исследуемого сплава обрабатывают по предлагаемому способу, так же, как и в примере 1, только отжиг проводят в присутствии титановой губки в количестве 0,11 г/см, что- соответствует среднему граничному условию предлагаемого способа. Время отжига

при 1200 С в среде аргона определяют по формуле (,1)

10-x2b.,9x л 94,2.

л ,« J.U 11) Xll.ax

о, 11x0 ,,1 10- х2 -2,284 10 х ,1.,52.10 . « „„.

при зтом толщина ot-твердого раство7 ра на поверхности образцов около

20 мкм и НЮО 200-220 кгс/мм. Затем следует зона нитридов хрома с НЮО 1150-1250 кгс/мм2 и толщиной 20 мкм. За нитридной зоной располагается подслой с НЮО 200-.230 кгс/мм2.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает получение многослойного композиционного покрытия с мягким поверхностным слоем, что облегчает приработку изделий в процессе эксплуатации, а следующий за этой зоной слой твердых нитридов обеспечивает высокую износостойкост что повышает надежность и долговечность изделий.

1. СПОСОБ ОТЖИГА АЗОТИРО- . ВАННЬОХ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ, преиму-. щественно хрома и фго сплавов, включающий нагрев и выдержку,при .1100,1900° С в безокислительной среде, от лишающийся тем, что, с целью улучшения прирабатываемости азотированного слоя за счет создаг , ния поверхностного об -твердого раствора азота/в хроме, нагрев и выдержку осуществляют в в. присутствии титановой губки в количестве 0,02-0,2 г/см. 2. Способ по п. 1, отличающий с я тем, что выдержку в аргоне выбирают в зависимости от требуемой толщины oi -твердого раствора в соответствии с формулой 1-е Q,. CH плсмдадь образца, , гдеб. Ттолщина оС -твердого раствора на поверхности, мкм} CniM концентрация азота в нитриде CrgN, %; е толщина нитрида TIN на поверхности губки, мкм} . количество титановой губтт|. у ки, Г} S удельная поверхность титановой губки, 1коэффициент диффузии азота в хроме при выбранной температуре ртжига, с«концентрация азота в хроме, находящемся в равновесии с , %. .; .,