Способ химико-термической обработки металлических изделий Советский патент 1992 года по МПК C23C8/24 

Изобретение относится к химико-термической обработке, в частности к процессам диффузионного насыщения металлов азотом и углеродом, и может быть использовано для интенсификации и улучшения качества процессов азотирования и нитро- цементации.

Известны способы интенсификации процессов азотирования и нитроцемен- тации путем совершенствования состава насыщающей среды и устранения препятствий насыщению или выбора оптимального режима насыщения.

Известен, в частности, способ насыщения металлических изделий азотом, предусматривающий предварительную подготовку поверхности путем помещения изделий в атмосферу увлажненного газа, чтобы изменить химический состав поверхности, дезактивированной предшествующей обработкой. Мехобработка

или шлифование могут привести к образованию таких поверхностных окислов, что это будет препятствовать диффузии углерода и азота. Обработка изделий в паре, увлажненных в азоте или воздушной среде, снова активизирует их поверхность так, что дальнейшая обработка, например азотирование, проходит нормально. Однако не известно, приводит ли предварительная обработка в увлажненных средах к ускорению процессов азотирования (нитроцементации), что подтвердилось в результате проведенных экспериментов (см. табл. 2), предусматривающих предварительную обработку изделий паром, причем изделия имели шлифованную поверхность без зажога, т.е. на поверхности отсутствовали плотные окисные пленки, которые могут образоваться в случае нарушения режимов предварительной механической

XI

О

Ьь

ю

обработки и привести к дезактивации поверхности.

Наиболее близким к изобретению является способ азотирования, предусматривающий нанесение на деталь смеси из перекиси марганца Мп02, окиси титана ТЮа и анилина C2HsNH2 для связи, которая наносится на подлежащие азотированию детали методом окунания. Состав смеси обеспечивает ускорение азотирования, причем по отдельности Мп02, ТЮа и CaHgNHa никакого ускорения азотации не вызывают, что и было проверено опытным путем (см. табл. 2). Окислы марганца и титана по отношению к процессу азотирования выступают как инертные вещества, практически не ускоряя и не замедляя процесса насыщения. Вместе с тем имеет место, как и в случае азотирования (нитроцементации) традиционными способами (без применения какой-либо предварительной обработки поверхности), пересыщение поверхности металла азотом и углеродом, приводящее к образованию светлотравящегося слоя е -фазы (нитриды, карбонитриды типа MaN и Ma(N,C) большой толщины (более 3 мкм), что является нежелательным, так как придает излишнюю хрупкость азотированному (нит- роцементированному) слою.

Целью изобретения является ускорение процессов химико-термической обработки изделий за счет создания на поверхности высокого градиента концентрации азота и повышение качества диффузионного слоя за счет устранения пересыщения поверхностного слоя азотом.

Поставленная цель достигается тем, что процесс насыщения металлических изделий азотом (азотом и углеродом) в газовой среде при 500-800°С идет через нанесенный на поверхность слой окислов металлов толщиной 10-500 мкм с плотностью 1,1-3,5 г/см3. Окисным покрытием может быть, например, окись железа или смесь окиси железа с окислами алюминия или калия.

Перед началом процесса насыщения на поверхность обрабатываемого изделия наносится рыхлое покрытие в виде окислов металлов. Затем в герметично закрываемой печи создают азото- или азотоуглеродистую среду и ведут процесс насыщения при 500- 800°С в зависимости от марки стали или чугуна и технологии последующей обработки. Рыхлые окисные покрытия наносят на обрабатываемую поверхность любыми известными способами, например в виде присыпок или обмазок, смешивая окислы с небольшим количеством воды до кашеобразной консистенции или путем окисления насыщаемой поверхности металла в пересыщенной водяным паром газо-воздушной среде при 100-300°С в течение времени, достаточного для образования рыхлого покрытия толщиной более 10 мкм и др.

Указанные покрытия имеют главное отличие от плотных окисных пленок, присутствующих на пассивированной поверхности изделий или образовавшихся в процессе нагрева под азотирование или нитроцемента0 цию в том, что последние замедляют процесс насыщения азотом.

Окисное покрытие катализирует процесс диссоциации аммиака на своей поверхности, адсорбирует и насыщается

5 атомарным азотом, создавая высокий градиент концентрации его. Азот относительно свободно диффундирует в рыхлом окисном покрытии к упрочняемой поверхности, т.е. процесс диффузии азота в окисном покры0 тип не является лимитирующим, а покрытие является концентратором атомарного азота. При этом передача атомарного азота от ка ализатора к упрочняемой поверхности осуществляется без потерь, так как

5 ликвидируется газовая прослойка, которая имеет место в случае расположения катализатора в удалении от насыщаемой поверхности.

Вместе с этим, покрытие обеспечивает

0 повышение качества диффузионного слоя благодаря своему влиянию на более равномерное изменение концентрации азота по глубине диффузионного слоя, что проявляется главным образом в устранении пересы5 щения поверхностного слоя. Образование светлотравящейся составляющей (корочки) на поверхности толщиной более 2-3 мкм, приводящее к охрупчиванию слоя, не происходит.

0

П р и м е р 1. На рабочую поверхность инструмента и свидетелей стали Р6М5 и Х12М после термической обработки, шлифовки и обезжиривания наносится покры5 тие из окиси железа толщиной 40-60 мкм и плотностью 2,1-2,3 г/см . Инструмент и свидетели помещают в герметичный контейнер шахтной электропечи типа США - 5,7,5/6 с принудительной циркуляцией газо0 вой среды. Включают нагрев и в контейнер подают аммиак в количестве, обеспечивающем трехкратный обмен рабочего объема в 1 ч. По истечении 1 ч уменьшают подачу аммиака до рабочей 15-20 ед. по ротаметру

5 тип РН - 0,63. При температуре процесса 550 ± 5°С садку выдерживают 3 ч, при этом обеспечивается получение диффузионного слоя глубиной 0,1 мм на стали Р6М5, слой глубиной 0,1 мм на стал/i Х12М образуется при выдержке 4 ч.

В ходе отработки процесса насыщения контроль за нарастанием слоя осуществляется за счет свидетелей, вынимаемых через специальное отверстие в крышке печи, не прерывая процесс.

П р и м е р 2. На рабочую поверхность наносится покрытие толщиной 40-60 мкм и платностью 1,8-2,0 г/см3 из окислов железа, алюминия и калия в соотношении 4:1:1. Процесс обработки осуществляют знало- гично процессу по примеру 1.

П р и м е р 3. На рабочую поверхность наносится покрытие из смеси окислов железа и алюминия в соотношении 4:1 по массе при нескольких вариантах толщин и плотностей (см. табл. 1). Процесс обработки осуществляют аналогично процессу по примеру 1.

Указанные в примерах 2 и 3 конкретные соотношения окислов приведены по той причине, что они оказались наиболее удачными для увеличения интенсивности процесса азотирования среди проводимой серии экспериментов с покрытиями, включающими окислы железа, алюминия, ка-

ЛИЯ.

В табл. 1 приведены варианты выполнения способа по примеру 3.

Исследование структуры и глубины диффузионного слоя после обработки по предлагаемому способу показало, что в структуре на поверхности металла отсутствует хрупкая светлая составляющая или ее толщина составляет менее 2-3 мкм, а для получения одной и той же заданной глубины диффузного слоя требуется в 1,3-1,5 раза

меньше времени, чем при ведении процесса по известному способу.

В табл. 2 приведены результаты исследований времени выдержки и микроструктуры поверхностного слоя свидетелей из разных марок сталей, обработанных по известным и предлагаемому способам на глубину 0,1 мм с одинаковыми параметрами процесса азотирования: температура 550 ± 5°С, подача аммиака 15-20 ед. по ротаметру РН-0,63.

Таким образом, технико-экономический эффект при использовании предлагаемого способа получен в результате сокращения времени процесса для получения заданной глубины слоя и улучшения его качества.

Формула изобретения

1.Способ химико-термической обработки металлических изделий, включающий предварительное нанесение на поверхность изделий слоя окислов металла и насыщение их поверхности азотом в газовой среде при 500-800°С, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса и повышения качества диффузионного слоя за счет его охрупчивания, нанесение слоя окислов металла проводят толщиной 10- 500°С с плотностью 1,1-3.5 г/см3.

2.Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве окислов металла используют окислы железа или смесь окислов железа с окислами алюминия или калия.

Изобретение относится металлургии, в частности к химико-термической обработке стальных изделий, и может быть использовано в машиностроении. Цель интенсификация процесса и повышение качества диффузионного слоя. Способ включает предварительное нанесение на поверхность изделий слоя окислов металла толщиной 10-500 мкм с плотностью 1,1-3,5 г/см и насыщение их поверхности азотом в газовой среде при 100-800°С. При этом в качестве окислов металла используют окислы железа или смесь окислов железа с окислами алюминия или калия. Способ позволяет интенсифицировать процесс насыщения в 1,3-1,5 раза и улучшить качество диффузионного слоя за счет уменьшения глубины Ј- фазы. 1 з.п. ф- лы, 2 табл.

Таблица 1

Таблица 2