Способ цианирования изделий

 

Изобретение относится к химико-термической обработке стали и может быть использовано при цианировании поверхности металлоизделий, в частности стальных труб. Способ предусматривает нагрев изделий до аустенитного состояния в смеси науглераживающих и азотирующих газов с выдержкой при этой температуре, охлаждение до 500-600^oC со скоростью, предотвращающей распад аустенита и дальнейшее цианирование при этой температуре при изотермическом фазовом превращении аустенита, и последующее охлаждение.

Изобретение относится к химико-термической обработки стали и может быть использовано при цианировании (нитроцементации) поверхности металлоизделий, в частности стальных труб.

Известен способ цианирования в смеси науглераживающих и азотирующих газов, например, светильного и аммиака (Мозберг Р.К. Материаловедение, Таллин: Валгус, 1976, с. 302-305), заключающийся в насыщении поверхности металлоизделий углеродом и азотом при 500^oC600^oC.

Недостатком данного способа является то, что при указанной температуре имеет место, практически, только азотирование. При этом глубина азотированного слоя незначительна, так как известно, что наиболее интенсивное насыщение азотом и углеродом происходит в период фазовых превращений, и не исключена возможность продавливания упрочненного слоя при воздействии нагрузки на поверхность изделий. Все это снижает эксплуатацию характеристики изделий.

Известен способ упрочнения труб (а.с. СССР N 1172294, кл. C 23 C 9/00, 1985), преимущественно внутренней поверхности высокотемпературной газовой цементацией, при котором полость трубы заполняют углеродсодержащей газообразной смесью, нагревают до температуры оплавления поверхностного слоя при непрерывном вращении, производят при этой температуре дополнительную цементацию в потоке природного газа, а затем осуществляют закалку с температурой на 20^oC30^oC выше температуры кристаллизации расплавленного слоя.

Данному способу присущи следующие недостатки: необходимость дополнительного нагрева для проведения обработки и незначительная глубина упрочненного слоя.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ступенчатое цианирование [1]. Суть его заключается в том, что газовое цианирование выполняют в два этапа: первый этап выполняют при 550^oC, при которой происходит боле интенсивное азотирование по сравнению с насыщением углеродом, на втором этапе осуществляют более интенсивное насыщение углеродом при 860^oC.

Однако в указанном способе происходит недостаточно интенсивное насыщение поверхности изделия азотом. Наиболее эффективное азотирование стальных изделий, как известно (Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1966, с. 236), происходит при фазовом превращении.

При указанном режиме газового цианирования не обеспечивается и высокая дисперсность нитридов, что ухудшает эксплуатационные характеристики изделий. При стабильном фазовом состоянии азотирование поверхности изделия малоэффективно из-за низкой диффузии азота. Подслой под азотированным слоем по указанному способу имеет низкую твердость, что может привести к его продавливанию. Для устранения продавливания необходимы дополнительные технологические операции - закалка и отпуск.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в увеличении твердости изделий за счет более интенсивного насыщения поверхности азотом и повышении эксплуатационных характеристик изделий.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе цианирования стальных изделий, включающем нагрев изделий до аустенитного состояния в смеси науглераживающих и азотирующих газов с выдержкой при этой температуре и охлаждение, согласно изобретению, охлаждение изделий осуществляют до 500^oC60^oC со скоростью, предотвращающей распад аустенита, и при этой температуре производят дальнейшее цианирование при изотермическом фазовом превращении аустенита.

Для осуществления способа стальные изделия из углеродистой стали нагревают до температуры образования аустенита 900^oC950^oC, подвергают газовому цианированию, например в смеси светильного газа и аммиака, охлаждают до 500^oC600^oC со скоростью, предотвращающей структурные изменения в стали или допускающей незначительное выделение феррита в переходной зоне распада, подвергают изотермическому цианированию при 500^oC600^oC в смеси азота- и углеродсодержащих газов и затем охлаждают.

При 500^oC600^oC происходит структурное превращение аустенита, переход его в тростит, обладающий высокой твердостью, HRc = 40^oC42.

Заявляемое техническое решение обеспечивает высокую твердость и износостойкость поверхности стальных изделий за счет насыщения ее углеродом в аустенитном состоянии и, кроме того, азотом и дополнительно углеродом в состоянии фазовых превращений.

Установлено (Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1966, с.236), что в момент фазовых превращений диффузия протекает быстро и интенсивно. При этом при 500^oC600^oC образуются мелкодисперсные нитриды. Такая соответствующая максимальной эффективности степень дисперсности остается неизменной при температуре ее получения, потому что преимущественно только один из компонентов обладает при этом температуре достаточной способностью к диффузии. Коагуляция и связанное с ней снижение твердости наблюдаются только при более высоких температурах.

Образование при изотермическом распаде аустенита тростита обеспечивает высокопрочную подложку азотированного мелкодисперсного слоя. При этом повышаются эксплуатационные характеристики изделий.

Способ осуществляют следующим образом.

Стальные изделия нагревают до 900^oC950^oC (выше критической точки при нагреве Ac₃) в среде газовой смеси науглераживающих и азотирующих газов, выдерживают заданное время, затем охлаждают до 500^oC600^oC со скоростью, предотвращающей фазовые изменения в стали, и продолжают цианирование при изотермическом фазовом превращении аустенита при 500^oC600^oC.

Пример. Предлагаемым способом была изготовлена труба размером 57,60·6,80 мм длиной 5 м низкоуглеродистой стали марки 22ГЮ с упрочненной методом цианирования внутренней поверхностью. Трубу после очистки поверхности подвергают индукционному нагреву до 900^oC950^oC, подавая одновременно внутрь трубы смесь светильного газа и аммиака, продолжительность нитроцементации (цианирования) при 900^oC950^oC 2,5 ч, глубина науглероженного слоя составляет 0,7 ^oC 0,8 мм. После высокотемпературной обработки трубу быстро охлаждают водо-азотной смесью до 500^oC600^oC и дальнейшую нитроцементацию производят при изотермическом режиме в течение 4,5 ^oC 5 ч. При данном режиме химико-термической обработки обеспечивается глубина азотированного слоя 0,4 ^oC 0,45 мм. В процессе изотермической обработки труб при 500^oC600^oC и науглероженном слое происходит образование тростита с высокой твердостью, что исключает необходимость дополнительной закалки и отпуска труб.

Цианирование по заявленному способу обеспечивает глубину азотированного слоя 0,4 ^oC 0,45 мм (по сравнению с прототипом 0,30 мм) за равное время обработки.

Предлагаемый способ увеличивает глубину азотированного слоя в результате диффузии азота и условиях фазового превращения, обеспечивает высокую твердость науглероженного подслоя за счет изотермического распада аустенита и в результате повышает эксплуатационные характеристики изделий.

Формула изобретения

Способ цианирования стальных изделий, включающий нагрев изделий до аустенитного состояния в смеси науглераживающих и азотирующих газов с выдержкой при этой температуре и охлаждение, отличающийся тем, что охлаждение изделий осуществляют до 500 - 600^oС со скоростью, предотвращающей распад аустенита, и при этой температуре производят дальнейшее цианирование при изотермическом фазовом превращении аустенита.