Способ химико-термической обработки стальных изделий

 

Изобретение предназначено для получения коррозионного защитного покрытия черного декоративного цвета, например, на наружных поверхностях стрелкового оружия. Задачей изобретения является повышение однородности покрытия и сопротивляемости его механическому истиранию, а также повышение диффузной отражающей способности покрытия. Способ предусматривает насыщение поверхности стальных деталей одновременно азотом и углеродом в нагретой среде аммиака и природного газа или продуктов его неполного сгорания при 500-600^oC в течение 5-12 ч, оксимолибденирование проводят в атмосфере перегретых паров молибдената аммония при 450-600^oC в течение 15-50 мин, а после оксимолибденирования проводят охлаждение в масле. 2 з.п.ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к химико-термической обработке стальных изделий и может быть использовано для получения антикоррозионных защитных покрытий с устойчивым декоративным цветом. Изобретение может найти широкое применение в различных областях машиностроения для получения черного декоративного цвета на стальных изделиях, например на наружных поверхностях стрелкового оружия.

Известен способ химико-термической обработки стальных деталей (Патент РФ N 1780340, МКИ 6 C 23 C 8/26, 1995 г.). Согласно данному способу детали нагревают до температуры 350 - 400^oC в течение 10 - 30 минут в атмосфере воздуха, после чего их азотируют при температуре 570 - 590^oC в смеси аммиака и эндогаза, взятых в соотношении 1 : 4, затем отключают подачу аммиака, проводят выдержку в течение 1 - 2 ч с последующим охлаждением деталей в масле.

По данному способу предварительное окисление поверхности позволяет на стадии азотирования сформировать более толстый "белый" слой. Данная износоустойчивая фаза из-за невысокой поверхностной пористости на стадии охлаждения пропитывается недостаточно, и поэтому эффект повышения коррозионной стойкости низок. Кроме того, не гарантируются устойчивый декоративный цвет покрытия и его долговечность из-за неустойчивости к механическому истиранию.

Известен способ нанесения покрытия на изделия из нелегированной стали (Патент РФ N 1364242, МКИ 4 C 23 C 8/04, C 21 D 1/72, 1987 г.). По данному способу поверхности изделия насыщают в нагретой до температуры 550 - 720^oC газовой среде азота и углерода в течение 0,5 - 4 ч, после чего охлаждают в масле. В данном способе на стадии нитроцементации из-за перегрева среды (свыше 600^oC) формируются глубокие диффузионные зоны в ущерб коррозионно-стойким карбонитридным "белым" слоям ε-фазы. К тому же период стадии нитроцементации недостаточен для формирования значительной толщины слоя ε- фазы. Невысокая пористость слоя ε-фазы, полученная на данной стадии, на стадии охлаждения изделий в масле не позволяет получить достаточную прочность сцепления формирующегося слоя с ε-фазой. В конечном счете покрытие имеет низкую коррозионную стойкость при полном отсутствии гарантии получения однородного и долговечного декоративного покрытия.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ химико-термической обработки стальных изделий, включающий низкотемпературное насыщение поверхности изделий одновременно азотом и углеродом (карбонитрирование) и последующее оксимолибденирование, которое проводят в атмосфере паров молибденовокислого аммония при 550 - 620^o. При этом оксимолибденирование проводят до толщины слоя покрытия, равной 2 - 3 мкм (Патент РФ N 2055098, МКИ 6 C 23 C 12/00, 8/80; C 21 D 9/10, 1996 г.). Данному способу присущи те же недостатки, что и предшествующему.

Задачей настоящего изобретения является получение устойчивого коррозионно-декоративного покрытия на поверхности стальных изделий с высокой однородностью и повышенной сопротивляемостью к механическому истиранию, обладающего максимальной диффузной отражающей способностью.

Поставленная задача решается тем, что в способе химико-термической обработки стальных изделий, включающем одновременное насыщение поверхности азотом и углеродом и последующее оксимолибденирование, насыщение поверхности азотом и углеродом осуществляют в нагретой среде аммиака и природного газа или продуктов его неполного сгорания при температуре 500 - 600^oC в течение 5 - 12 ч, а оксимолибденирование проводят в атмосфере перегретых паров молибдената аммония при температуре 450 - 600^oC в течение 15 - 50 мин, после чего проводят охлаждение изделий в масле.

Для уменьшения эффекта коробления протяженных изделий и обеспечения более полной пропитки поверхностных пор рекомендуется охлаждение изделий проводить в подогретом до температуры 80 - 120^oC минеральном масле.

В результате экспериментальных исследований было установлено, что на толщину и пористость легированного молибденом слоя существенное влияние оказывают такие факторы, как объем рабочего пространства печи V_п, температура процесса оксимолибденирования T, расход молибдената аммония p, а также время процесса τ. Было экспериментально определено, что для формирования оптимального легированного слоя толщиной 3 - 7 мкм и пористостью 0,4 - 0,6 V_п = 0,2 м³, T = 600^oC, p = 0,07 г/мин. Процесс оксимолибденирования необходимо проводить не менее τ = 20 мин. Приняв указанные значения за базовые, с учетом степени влияния каждого параметра, эмпирическим путем была определена формула зависимости времени операции оксимолибденирования от вышеуказанных параметров: где p - расход соли молибдена, г/мин; T - температура процесса оксимолибденирования, ^oC; V_п - объем рабочего пространства термической печи, м³.

В предлагаемом изобретении технический результат достигается способом химико-термической обработки изделий в три этапа.

На первом этапе с целью создания двухфазного (ε+γʹ)-карбонитридного слоя осуществляется низкотемпературная химико-термическая обработка с насыщением поверхности одновременно азотом и углеродом. Толщина этого слоя должна быть не менее 15 мкм, слой обладает невысокой пористостью ε-фазы, находящейся на поверхности покрытия. Сформированные карбонитриды Fem(N, C)_n являются базовым материалом для последующих химических реакций при оксимолибденировании.

На втором этапе в процессе обработки в перегретых парах молибдената аммония на поверхности карбонитридного слоя формируется тонкая поверхностная пленка, легированная молибденом магнетита Fe₃O₄ с высокой плотностью мелких пор, простирающихся на глубину 3 - 7 мкм. Слой обладает высокой диффузной отражательной способностью.

На третьем этапе в процессе охлаждения оксимолибденированных изделий в подогретом масле осуществляется гарантированная пропитка микропор слоя легированного магнетита (то есть повышение коррозионной стойкости), а также создание поверхностного микрослоя окислов устойчивого черного цвета с максимальной диффузной отражательной способностью.

Пример реализации способа В качестве примера проводили обработку несущих деталей коробчатой формы стрелкового вооружения сварной конструкции, изготовленных из стали 30ХГСА. Термохимическую обработку проводили в шахтной муфельной печи с рабочим объемом V_п = 0,25 м³.

Осуществляли химико-термическую обработку изделий по известному способу (прототип) при T₁ = 580^oC в течение времени, равном τ₁ = 2 ч, в равно парциальной насыщенной газовой среде на основе аммиака и эндогаза, после чего проводили оксимолибденирование в атмосфере паров молибденовокислого аммония в течение времени τ = 20 мин с последующим охлаждением на воздухе (эксперимент N 1).

По предлагаемому способу обрабатывали три партии изделий. В каждой партии операцию насыщения поверхности изделий азотом и углеродом осуществляли при следующих режимах: T₁ = 580^oC, время операции -τ₁ = 6 ч, равно парциальный состав аммиака и эндогаза.

В первой партии операцию оксимолибденирования изделий проводили по следующим режимам: объем печи V_п = 0,25 м³, температура процесса T = 600^oC, расход молибдената аммония p = 0,7 г/мин, время насыщения (определялось расчетным путем по эмпирической зависимости) τ = 20 мин, охлаждение изделий проводили на воздухе (эксперимент N 2).

Во второй партии операцию оксимолибденирования проводили по следующим режимам: объем печи V_п= 0,25 м³, температура процесса T = 580^oC, расход молибдената p = 1,4 г/мин, время насыщения τ = 30 мин, охлаждение изделий проводили на воздухе (эксперимент N 3).

В третьей партии операцию оксимолибденирования проводили по режимам, аналогичным режимам для второй партии, после чего изделия охлаждали в подогретом до 80^oC минеральном масле марки U-2 (эксперимент N 4).

Для всех полученных партий изделий определялись следующие показатели: объемная пористость в покрытии W_п, которая рассчитывалась на основе металлографических исследований среднего размера пор D_ср. и расстояния между ними λ_ср по формуле
коррозионная стойкость, которая оценивалась по растворимости материала покрытия в растворе 4%-ной поваренной соли в дистилляте;
условия истирания поверхности обработанных деталей определяли путем полирования деревянным бруском с усилием прижатия 5 кг/см²;
отражательная способность покрытия определялась через заданные промежутки времени после механического истирания по отражению светового потока с использованием фотодиода. В нашем случае под относительной отражающей способностью понималось отношение текущего значения силы тока, протекающего через фотодиод, для изделий каждой партии к минимальному значению силы тока в четвертом эксперименте термохимической обработки.

Режимы термохимических процессов обработки и соответствующие показатели приведены в таблице.

Как видно из таблицы, по заявленной технологии получено покрытие на стальных изделиях, имеющее равномерный черный цвет без разводов.

Кроме того, данное покрытие обладает повышенным сопротивлением к механическому истиранию, стойко к коррозии и к тому же обладает максимальной отражающей способностью, что позволяет найти широкое применение способа при обработке изделий специального назначения.

Формула изобретения

1. Способ химико-термической обработки стальных изделий, включающий одновременное насыщение поверхности углеродом и азотом, после чего проводят оксимолибденирование, отличающийся тем, что насыщение поверхности стальных изделий одновременно азотом и углеродом осуществляют в нагретой среде аммиака и природного газа или продуктов его неполного сгорания при 500 - 600^oC в течение 5 - 12 ч, оксимолибденирование проводят в атмосфере перегретых паров молибдената аммония при 450 - 600^oC в течение 15 - 50 мин, а после оксимолибденирования проводят охлаждение в масле.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение осуществляют в подогретом до 80 - 120^oC минеральном масле.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность операции оксимолибденирования определяют по зависимости
где p - расход молибдената аммония, г/мин;
T - температура процесса оксимолибденирования, ^oC;
V_п - объем рабочего пространства термической печи, м³.

РИСУНКИ

Рисунок 1