Способ химико-термической обработки стальных изделий

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л С 23 С 4/00, 8/06

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ (21) 5018701/02 (22) 24.07.91 (46) 23.08.93. Бюл, М 31 (71) Днепропетровский химико-технологический институт (72) В.Д.Пархоменко, M.Â.Êðûæàíîåñêèé, С.В.Окара, Э.Д.Будюк и А,Л.Лысенко (73) Днепропетровский химико-технологический институт (56) Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали, M. . Машиностроение, 1976, с, 140.

Авторское свидетельство СССР

N. 913741, кл. С 23 С 8/36, 1979, (54) СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

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 аэотосодержащей плазмы со среднемассовой температурой струи

6000-10000 К с последующим охлаждением, согласно изобретению, обработку осуществляют при скорости истечения плазменной струи 500 — 700 м/с эа несколько термических циклов, причем в первом термическом цикле проводят закалку поверхностного слоя, а последующие циклы — с нагревом.. Ы „ 1836483 АЗ (57) 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 а 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. 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 прирабатываемость трущихся поверхностей. Для интенсивного протекания процесса аэотирования 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 аэотирования.

1836483

Изобретение выбранное нами в качест- сена. Повышение скорости плазменной ве прототипа; позволяет поставлять к по- струи до 500 м/с позволяет увеличить аэоверхности диссоциированный и тонасыщающую способность атмосферы до ионизированный азот. Однако нагрев значения обеспечивающего образование струей азотсодержащей плазмы с такой вы- 5 нитридного слоя эа время воздействия сокой температурой происходит быстро, не струи с поверхностью детали. Увеличение более 5 с, в результате чего. способ не обес- скорости истечения плазменной струи бопечивает подвод достаточного количества лее 700 м/с не дает увеличения степени диссоциированногр и ионизированного азотирования, так как лимитирующей стааэота к поверхностидутали, при указанных "0 дией азотирования становятся процессы в нем скоростях истечения плазменной диффузии азота и зародышеобразования в струи и достаточное время воздействия поверхностном слое детали. Для интенсиплаэменной струи для протекания диффу- фикации азотирования в первом термичезии, ском цикле проводится закалка с нагревом

С целью увеличения времени воздейст- "5 поверхностного слоя деталей выше точки вия плазменной струи на деталь в предлага- Ас3 стали и охлаждением со скоростью выемом способе химико-термическую ше критической(по прототипу), что создает обработку проводят в несколько термиче- множество центров зародышеобразования ских циклов, представляющих собой прохо- нитридов, за счет усложнения структурного ды плазменной струи с нагревом 20 состояния, вследствие дробления зерна и поверхностного слоя детали до температур мартенситного превращения в поверхност h

775 — 975 К. Понижение температуры нагре- ном слое, а также азотирования поверхноа поверхностного слоя детали ниже 775 К стного слоя без образования я -фазы в приводит к существенному понижению ко- процессе первого термического цикла. Та. эффициентов диффузии азота в железе и 25 ким образом, предлагаемый способ обеспеснижению активности адсорбционных про- чивает выполнение изложенных выше цессов при взаимодействии с плазменной условий интенсификации азотирования при струей в Кнудсеновском слое (О роли слоя плазменной обработке с целью повышения

Кнудсена в теории гетерогенных химиче- износостойкости поверхностногослоядетаских реакций и в течениях с реакциями на 30 лей: поверхности. Увеличение температуры вы- — обеспечение достаточного количества ше 975 К приводит к уменьшению толщины диссоциированногои ионизированногоазое -фазы и уменьшению твердости, а следо- та на поверхности детали повышением сковательно иэносостойкости детали в реэуль- рости истечения плазменной струи до тате фазовых превращений. Прямое 35 500 — 700 м/с; применение. многостадийной обработки — обеспечение активной адсорбции азоплазменной струей не приводит к образова- та поверхностью предотвращением образонию сплошного нитридного слоя, так как вания оксидной пленки с помощью после первого термического цикла (прохо- охлаждения инертным газом до температуда) в результате взаимодействия с атмосфе- 40 ры 425 — 475 К и скоростью истечения плазрой на поверхности иэделия образуется менной струи 500-700 м/с; оксидная пленка, которая препятствует ад- — обеспечение достаточного для протесорбции атомов и ионов азота, Продолжи- кания диффузии времени воздействия дистельность устранения оксидной пленки с социированной и иониэированной использованием восстановительной атмос- 45 азотосодержащей среды на деталь многоферы при таких температурах превышает кратными термическими циклами; время обработки плазменной струей,. Поэ- — обеспечение активизации образоватому охлаждение производят струей инерт- ния нитридов с помощью закалки в первом ного газа до температуры 425-475 К, при термическом цикле; которой оксидная пленка не образуется. 50 — обеспечение высокой скорости диффуПри температуре 475 — 500 К начинается про- . зии без снижения износостойкости выбоявление цветов побежалости. Достаточное ром оптимального температурного режима количестводиссоциированного и ионизиро- азотирования 775 — 975 К, ванного азота, характеризуемое азотонасы- Пример, Эксперименты проводились щающей способностью атмосферы, может 55 на экспериментальной установке Днепробыть достигнуто за счет увеличения скоро- петровского химико-технологического инссти потока азотосодержащей атмосферы титута, В качестве образцов были выбраны (Азотный потенциал, азотонасыщающая детали из сталей Ст 20Х и Ст 45 диаметром способность и т,д„что приводит к активиза- 50 мм, Для испытания нового способа,химицииадсорбционных процессов в слое Кнуд- ко-термической обработки выбраны следу1836483

Номер опыта

Температура нагрева поверхностного слоя детали, К

Способ

Скорость плазменной струи, м/с

Ко-во термических циклов

Температура охлаждения поверхности инертным газом, К

Средняя величина износа после

700 тыс, циклов

Глубина азотированного слоя, фаза, мкм

Наличие первого закалочного термоцикла

Увеличение износост. по сравнению с прототипом

Ст Ст

20Х 45

Ст Ст

20Х 45

10-бкг

1200 300

Известный

То же

Предлагаемый

То же

0 26 14

0 0 есть

3.

775

500

-100

42 30

46 36

100

52 28

15 9 нет есть

425

875 600

450

120 14 8 есть ющие режимы: ток плазмотрона косвенного действия — 300A, напряжение- 220 В, плазмообразующий газ-азот, среднемассовая температура плазменной струи — 8000 К, расстояние от среза плазмотрона до детали 5

-(5 — 10) 10 м, скорость перемещения плазменной струи -(1,0 — 2,5) 10 м/с, охлаждение осуществлялось струей азота со скоростью — 20 м/с и расходом 8 л/мин.

Результаты экспериментов приведены 10 в таблице.

Испытания образцов проводились на машине СМЦ-2, позволяющей проводить испытания материалов на износ при трении качения и трении скольжения при нормаль- 15 ных температурах.

Из анализа данных таблицы видно, что при осуществлении химико-термической обработки по прототипу износостойкость деталей соответствовала износостойкости 20 при закалке (1) или износостойкости исходного нетермоупрочненного материала (2).

Образование нитридного слоя не происходило. Крайне незначительно было повышение износостойкости нитридного слоя на 25 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, 30

12). С увеличением температуры поверхностного слоя, скорости плазменной струи глубина нитридного слоя повысилась до

100-150 мкм и износостойкость увеличилась от 30 до 50 (3, 4, 5). При температуре 35 нагрева поверхностного слоя выше 975 К или в отсутствии закалки, нитридный слой составляет 60 мкм, а износостойкость увеличивается на 14 — 15ф, (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 иэносостойкости 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 иэ а -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.

1836483

Продолжение таблицы

Ко-во термических циклов

Номер опыта

Способ

Ст Ст

20Х 45

10-6кг

Ст Ст

20Х 45

О и и

° 4 и и

I и и

Составитель И.Пойменова

Техред M,Ìîðråíòýë Корректор С,Патрушева

Редактор С.Кулакова

Заказ 3011 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

6

9

11

12

13

5

5

5

5

3

Температура нагрева поверхностного слоя детали, К

975

Скорость плазменной струи, м/с.700

700

Температура охлаждения поверхности инертным газом, К

475

Наличие первого закалочного термоцикла есть есть есть есть нет есть есть есть есть есть

Глубина азотированного слоя, фаза, мкм

5

200

Средняя величина износа после

700 тыс. циклов

13 7

24 12

24 12

13 7

22 12

22 12

13 7

24 12

18 10

13 7

Увеличение износост. ПО сравнению с прототипом

50 50

8 14

8 14

50 50

15 . 14

15 14

50 50

8 14

30 28

50 50