Способ химико-термической обработки стальных изделий Советский патент 1993 года по МПК C23C4/00 C23C8/06 

10

С

Область применения: для получения азотированных покрытий на стальных деталях. Сущность способа: поверхность обрабатывают струей азотсодержащей плазмы со среднемассовой температурой струи 6000-10000 К с последующим охлаждением. Обработку осуществляют при скорости истечения плазменной струи 500-700 м/с за несколько термических циклов, причем в первом термическом цикле проводят закалку поверхностного слоя, а последующие циклы - с нагревом поверхностного слоя в пределах 775-975 К и охлаждением до температуры 425-475 К струей инертного газа. 1 табл.

Изобретение относится к химико-термической обработке (ХТО) поверхностей деталей и может быть использовано для получения азотированных покрытий на стальных деталях.

Целью изобретения является повышение износостойкости за счет образования сплошного нитридного слоя на поверхности деталей.

Достигается это тем, что в известном способе химико-термической обработки стальных деталей, включающем обработку поверхности струей азотосодержащей плазмы со среднемассовой температурой струи 6000-10000 К с последующим охлаждением, согласно изобретению, обработку осуществляют при скорости истечения плазменной струи 500-700 м/с за несколько термических циклов, причем в первом термическом цикле проводят закалку поверхностного слоя, а последующие циклы - с нагревом

поверхностного слоя в пределах 775-975 К и охлаждением до температуры 425-475 К струей инертного газа.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Для деталей работающих на износ при малых контактных нагрузках требуется азотированный слой с развитой нитридной зоной, состоящей из -фазы и обеспечивающий высокую прираба- тываемость трущихся поверхностей. Для интенсивного протекания процесса азотирования необходимо обеспечить достаточное количество диссоциированного и ионизированного азота на поверхности детали; его активную адсорбцию поверхностью; достаточное время воздействия диссоциированной и ионизированной азотсодержащей среды для протекания диффузии в детали; оптимальный температурный режим азотирования.

С Сл

о

00 CJ

со

Изобретение выбранное нами в качестве прототипа, позволяет поставлять к поверхности диссоциированный и ионизированный азот. Однако нагрев струей азотсодержащей плазмы с такой высокой температурой происходит быстро, не более 5 с, в результате чего способ не обеспечивает подвод достаточного количества

диссоциированного и ионизированного азота к п6вёр хй 6 сти детали, при указанных в нем скоростях истечения плазменной струи и достаточное время воздействия плазменной струи для протекания диффузии,

С целью увеличения времени воздействия плазменной струи на деталь в предлага- емом способе химико-термическую обработку проводят в несколько термических циклов, представляющих собой проходы плазменной струи с нагревом поверхностного слоя детали до температур .775-975 К. Понижение температуры нагрева поверхностного слоя детали ниже 775 К приводит к существенному понижению коэффициентов диффузии азота в железе и снижению активности адсорбционных процессов при взаимодействии с плазменной струей в Киудсеновском слое (О роли слоя Кнудсёна з теории гетерогенных химических реакций и в течениях с реакциями на поверхности. Увеличение температуры выше 975 К приводит к уменьшению толщины Ј -фазы и уменьшению твердости, а следовательно износостойкости детали в результате фазовых превращений. Прямое применение многостадийной обработки плазменной струей не приводит к образованию сплошного нитридного слоя, так как после первого термического цикла (прохода) в результате взаимодействия с атмосферой на поверхности изделия образуется оксидная пленка, которая препятствует адсорбции атомов и ионов азота. Продолжительность устранения оксидной пленки с использованием восстановительной атмосферы при таких температурах превышает время обработки плазменной струей. Поэтому охлаждение производят струей инертного газа до температуры 425-475 К, при которой оксидная пленка не образуется. При температуре 475-500 К начинается проявление цветов побежалости. Достаточное количество диссоциированного и ионизированного азота, характеризуемое азотонасы- щающей способностью атмосферы, может быть достигнуто за счет увеличения скорости потока азотосодержащей атмосферы (Азотный потенциал, азотонасыщающая способность и т.д., что приводит к активизации адсорбционных процессов в слое Кнуд

сена. Повышение скорости плазменной струи до 500 м/с позволяет увеличить азо- тонасыщающую способность атмосферы до значения обеспечивающего образование

нитридного слоя за время воздействия струи с поверхностью детали. Увеличение скорости истечения плазменной струи более 700 м/с не дает увеличения степени азотирования, так как лимитирующей стадией азотирования становятся процессы диффузии азота и зародышеобразования в поверхностном слое детали. Для интенсификации азотирования в первом термическом цикле проводится закалка с нагревом

5 поверхностного слоя деталей выше точки АсЗ стали и охлаждением со скоростью выше критической (по прототипу), что создает множество центров зародышеобразования нитридов, за счет усложнения структурного

0 состояния, вследствие дробления зерна и мартенситного превращения в поверхностном слое, а также азотирования поверхностного слоя без образования Ј -фазы в процессе первого термического цикла. Та5 ким образом, предлагаемый способ обеспечивает выполнение изложенных выше условий интенсификации азотирования при плазменной обработке с целью повышения износостойкости поверхностного слоя дета0 лей:

-обеспечение достаточного количества диссоциированного и ионизированного азота на поверхности детали повышением скорости истечения плазменной струи до

5 500-700 м/с;

-обеспечение активной адсорбции азота поверхностью предотвращением образования оксидной пленки с помощью охлаждения инертным газом до температу0 ры 425-475 К и скоростью истечения плазменной струи 500-700 м/с;

-обеспечение достаточного для протекания диффузии времени воздействия дис- социированной и ионизированной

5 азотосодержащей среды на деталь многократными термическими циклами;

-обеспечение активизации образования нитридов с помощью закалки в первом термическом цикле;

0 - обеспечение высокой скорости диффузии без снижения износостойкости выбо ром оптимального температурного режима азотирования 775-975 К.

При м е р. Эксперименты проводились

5 на экспериментальной установке Днепропетровского химико-технологического института. В качестве образцов были выбраны детали из сталей Ст 20Х и Ст 45 диаметром 50 мм. Для испытания нового способа ими- ко-термической обработки выбраны следующие режимы: ток плазмотрона косвенного действия - 300 А, напряжение - 220 В, плаз- мообразующий газ-азот, среднемассовая температура плазменной струи - 8000 К, расстояние от среза плазмотрона до детали -(5-10), скорость перемещения плазменной струи -(1,0-2,5) м/с, охлаждение осуществлялось струей азота со скоростью - 20 м/с и расходом 8 л/мин.

Результаты экспериментов приведены в таблице.

Испытания образцов проводились на машине СМЦ-2, позволяющей проводить испытания материалов на износ при трении качения и трении скольжения при нормаль- ных температурах.

Из анализа данных таблицы видно, что при осуществлении химико-термической обработки по прототипу износостойкость деталей соответствовала износостойкости при закалке (1) или износостойкости исходного нетермоупрочненного материала (2). Образование нитридного слоя не происходило. Крайне незначительно было повышение износостойкости нитридного слоя на азотированной поверхности при скоростях истечения плазменной струи ниже 500 м/с или температуре нагрева поверхностного слоя ниже 775 К, или при температуре охлаждения инертным газом более 475 К (6, 7, 12). С увеличением температуры поверхностного слоя, скорости плазменной струи глу- бина нитридного слоя повысилась до 100-150 мкм и износостойкость увеличилась от 30 до 50% (3, 4, 5). При температуре

нагрева поверхностного слоя выше 975 К или в отсутствии закалки, нитридный слой составляет 60 мкм, а износостойкость увеличивается на 14-15% (9, 10). Если скорость истечения плазменной струи более 700 м/с или температура охлаждения -инертным газом ниже 425 К, то дальнейшего увеличения глубины нитридного слоя и износостойкости не происходит (8, 11).

Таким образом, положительный эффект достигнут только при одновременном соблюдении всех отличительных признаков технического решения в совокупности. Предлагаемое техническое решение позволяет получать сплошной азотированный слой состоящий из Ј -фазы толщиной 100- 150 мкм и за счет этого повысить износостойкость на 30-50%.

Формула изобретения Способ химико-термической обработки стальных деталей, включающий обработку поверхности струей азотосодержащей плазмы со среднемассовой температурой струи 6000-10000 К с последующим охлаждением, отличающийся тем, что, обработку осуществляют при скорости истечения плазменной струи 500-700 м/с за несколько термических циклов, причем после первого термического цикла проводят закалку поверхностного слоя детали, а последующие циклы осуществляют нагревом поверхностного слоя в пределах 775-975 К и охлаждением до температуры 425-475 К струей инертного газа,

Продолжение таблицы