Способ низкотемпературного азотирования стальных деталей


 


Владельцы патента RU 2415964:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский автомобильно-дорожный институт (государственный технический университет) (RU)

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к комбинированным способам поверхностного упрочнения металлов, и может быть использовано при изготовлении деталей, работающих в условиях изнашивания и знакопеременных нагрузок. Проводят предварительное поверхностное локальное легирование нитридообразующими элементами деталей с нанесенной на их поверхность обмазкой при лазерном нагреве до температуры Т=690-710°С с выдержкой в течение 3-4 часов. Затем осуществляют низкотемпературное азотирование при нагреве до температуры Т=570-590°С с выдержкой в течение 6-8 часов в среде аммиака. Получается равномерный по поверхности упрочненный слой, при этом длительность процесса азотирования стальных деталей сокращается, сохраняется высокой твердость слоя. 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к комбинированным способам поверхностного упрочнения металлов, и может быть использовано при изготовлении деталей, работающих в условиях изнашивания и знакопеременных нагрузок.

Ранее известен способ азотирования деталей из высоколегированных сталей в среде аммиака. Насыщение поверхностного слоя азотом проводят при 520°С в течение 24 часов (см. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. «Азотирование стали», Москва, «Машиностроение», 1976 г., с.256).

Недостатком известного способа является использование дорогостоящих высоколегированных сталей, при этом не обеспечивается достаточной толщины упрочняющего слоя и равномерного распределения твердости от поверхности вглубь.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является принятый в качестве прототипа способ низкотемпературного азотирования низкоуглеродистых сталей, в котором предусмотрено предварительное поверхностное легирование стальных деталей нитридообразующими элементами с помощью лазерного луча. Последующее азотирование проводят в среде аммиака при температуре 540°С в течение 28-30 часов с последующим охлаждением в печи (см. Чудина О.В. «Комбинированное поверхностное упрочнение стали (лазерное легирование + азотирование)», «Металловедение и термическая обработка металлов», Москва, 1994 г., №3, с.2-5).

Недостатком известного способа является неравномерное распределение твердости по поверхности и длительность процесса азотирования.

Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является получение упрочненного слоя, равномерного по поверхности, и сокращение длительности процесса азотирования стальных деталей при сохранении высокой твердости.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в способе низкотемпературного азотирования стальных деталей, заключающемся в предварительном поверхностном локальном легировании нитридообразующими элементами при лазерном нагреве деталей с нанесенной на их поверхность обмазкой и последующем низкотемпературном азотировании, включающем нагрев до заданной температуры, выдержку и охлаждение, согласно изобретению перед азотированном проводят процесс термодиффузионного насыщения легирующими нитридообразующими элементами при нагреве до температуры Т=690-710°С с выдержкой в течение 3-4 часов, а последующий процесс азотирования ведут при нагреве до температуры Т=570-590°С с выдержкой в течение 6-8 часов в среде аммиака.

Решение поставленной технической задачи достигается благодаря тому, что после проведения предварительного поверхностного локального легирования с использованием лазерного нагрева в поверхностном слое подготовленных стальных деталей образуются локальные зоны, легированные нитридообразующими элементами. В процессе термодиффузионного насыщения локальные легированные зоны становятся дополнительными источниками легирующих элементов наряду с содержащей легирующие элементы обмазкой. При этом диффузия легирующего элемента идет как на поверхности, так и вглубь детали, что приводит к получению равномерного упрочненного диффузионного слоя по поверхности. Процесс предварительного поверхностного локального легирования позволяет вести собственно процесс термодиффузионного насыщения при пониженном уровне нагрева Т=690-710°С и выдержке в течение 3-4 часов. Последующий процесс азотирования ведут при пониженной температуре нагрева Т=570-590°С и меньшей длительности выдержки в течение 6-8 часов именно благодаря предварительным подготовленным этапам поверхностного локального легирования нитридообразующими элементами с использованием лазерного нагрева и термодиффузионного насыщения теми же легирующими элементами с сохранением высокой твердости при формировании структуры, содержащей дисперсные нитриды легирующих элементов после азотирования.

Способ низкотемпературного азотирования стальных деталей заключается в предварительном поверхностном локальном легировании нитридообразующими элементами при лазерном нагреве деталей с нанесенной на их поверхность обмазкой и последующем низкотемпературном азотировании. Последнее включает нагрев до заданной температуры, выдержку и охлаждение. Согласно изобретению перед азотированном проводят процесс термодиффузионного насыщения легирующими нитридообразующими элементами при нагреве до температуры Т=690-710°С с выдержкой в течение 3-4 часов. Затем последующий процесс азотирования ведут в среде аммиака при нагреве до температуры Т=570-590°С с выдержкой в течение 6-8 часов с последующим охлаждением вместе с печью.

Таким образом, технология поверхностного упрочнения сталей является комбинированной и включает в себя три основных этапа:

1. лазерную обработку поверхности нитридообразующими легирующими элементами, такими как Cr, Ti, V, Al, Mo;

2. термодиффузионное насыщение теми же легирующими элементами;

3. низкотемпературное азотирование в среде аммиака.

Способ низкотемпературного азотирования стальных деталей реализуется следующим образом.

Перед лазерной обработкой на поверхность деталей наносится обмазка, состоящая из порошка легирующего элемента и связующего, например цапонлака или клея БФ-2. Затем на поверхность воздействуют лазерным лучом, в результате чего образуются локальные легированные участки модифицированной поверхности, которые являются дополнительным источником легирующих элементов при термодиффузионном насыщении, так как диффузия легирующего элемента идет как на поверхности, так и вглубь детали, в связи с этим получается равномерный упрочненный диффузионный слой по поверхности.

Термодиффузионное насыщение проводят в печи при пониженной температуре Т=690-710°С с выдержкой в течение 3-4 часов, с последующим охлаждением в печи до температуры Т=570-590°С, при которой проводят завершающий этап азотирования с выдержкой в течение 6-8 часов в среде аммиака с последующим охлаждением в печи до комнатной температуры. При этом формируется структура, состоящая из высоколегированного азотистого феррита и дисперсных нитридов легирующих элементов, находящихся в когерентной связи с α-фазой.

Предварительное поверхностное лазерное легирование позволяет снизить температуру процесса термодиффузионного насыщения до Т=690-710°С и сократить длительность насыщения до 3-4 часов. А за счет лазерной обработки и термодиффузионного насыщения сокращается и процесс азотирования до 6-8 часов. Получаемый упрочненный слой после лазерного легирования и термодиффузионного насыщения легирующими элементами составляет 120…150 мкм.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом опробован на деталях-образцах из стали 40, поверхность которых была предварительно легирована с использованием лазерного нагрева из нанесенной на поверхность обмазки, содержащей порошок хрома и связующее. Осуществимость и преимущества предлагаемого способа представлены ниже на примерах.

Примеры:

1. Обработка деталей-образцов из стали 40, предварительно легированных хромом с помощью лазерного нагрева, по способу, изложенному в прототипе. Детали-образцы нагревали в среде аммиака до температуры Т=540°С, выдерживали 28-30 часов, затем охлаждали в печи. Толщина упрочненного слоя составила 120…150 мкм, а микротвердость 17000…18000 МПа.

2. Обработка деталей-образцов из стали 40, предварительно легированных хромом с помощью лазерного нагрева без термодиффузионного насыщения по предлагаемому способу. Детали-образцы нагревали в печи до температуры Т=570-590°С и проводили азотирование в течение 7 часов в среде аммиака. Толщина упрочненного слоя 60…80 мкм, а микротвердость 17000…18000 МПа.

3. Обработка деталей-образцов из стали 40, предварительно легированных хромом с помощью лазерного нагрева с термодиффузионным насыщением по предлагаемому способу. Детали-образцы с локальными легированными участками и с нанесенной на них обмазкой нагревали до температуры Т=690-710°С, выдерживали 3-4 часа, затем охлаждали вместе с печью до температуры Т=570-590°С и подавали аммиак, азотирование проводили в течение 6 часов. Толщина упрочненного слоя 120…150 мкм, а значение микротвердости упрочненного слоя 17000…17600 МПа.

4. Обработка деталей-образцов из стали 40, предварительно легированных хромом с помощью лазерного нагрева с термодиффузионным насыщением по предлагаемому способу. Детали-образцы с локальными легированными участками и с нанесенной на них обмазкой нагревали до температуры Т=690-710°С, выдерживали 3-4 часа, затем охлаждали вместе с печью до температуры Т=570-590°С и подавали аммиак, азотирование проводили в течение 7 часов. Толщина упрочненного слоя 120…150 мкм, а значение микротвердости упрочненного слоя 17300…18000 МПа.

5. Обработка деталей-образцов из стали 40, предварительно легированных хромом с помощью лазерного нагрева с термодиффузионным насыщением по предлагаемому способу. Детали-образцы с локальными легированными участками и с нанесенной на них обмазкой нагревали до температуры Т=690-710°С, выдерживали 3-4 часа, затем охлаждали вместе с печью до температуры Т=570-590°С и подавали аммиак, азотирование проводили в течение 8 часов. Толщина упрочненного слоя 120…150 мкм, а значение микротвердости упрочненного слоя 17500…18000 МПа.

6. Обработка деталей-образцов из стали 40, предварительно легированных хромом с помощью лазерного нагрева с термодиффузионным насыщением по предлагаемому способу. Детали-образцы с локальными легированными участками и с нанесенной на них обмазкой нагревали до температуры T=690-710°С, выдерживали 3-4 часа, затем охлаждали вместе с печью до температуры Т=570-590°С и подавали аммиак, азотирование проводили в течение 9 часов. Толщина упрочненного слоя 120…150 мкм, а значение микротвердости упрочненного слоя 17500…18000 МПа.

Структура упрочненного слоя после азотирования представляет собой высоколегированный азотистый феррит и дисперсные нитриды хрома, находящиеся в когерентной связи с α-фазой.

Результаты исследований приведены в таблице

Из таблицы видно, что вновь заявляемый способ по сравнению с прототипом позволяет в результате получать высокую твердость поверхности при сокращении длительности процесса азотирования до 6-8 часов, что является оптимальным интервалом времени выдержки для азотирования. При выдержке более 8 часов твердость поверхности не меняется, проводить азотирование более 8 часов является не целесообразным, что влечет к повышенному расходу электроэнергии.

Из таблицы также видно, что после термодиффузионного насыщения легирующими элементами при температуре Т=690-710°С в течение 3-4 часов процесс азотирования сокращается до 6-8 часов при температуре Т=570-590°С за счет высокой концентрации легирующего элемента в поверхностном слое, при этом сохраняется высокая твердость 17000…18000 МПа и распределяется равномерно по поверхности.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет получить упрочненный слой, равномерный по поверхности, и сократить длительность процесса азотирования стальных деталей при сохранении высокой твердости.

Способ низкотемпературного азотирования стальных деталей, включающий предварительное поверхностное локальное легирование нитридообразующими элементами при лазерном нагреве деталей с нанесенной на их поверхность обмазкой и последующем низкотемпературном азотировании, включающем нагрев до заданной температуры, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что перед азотированием проводят процесс термодиффузионного насыщения легирующими нитридообразующими элементами при нагреве до температуры Т=690-710°С с выдержкой в течение 3-4 ч, а последующий процесс азотирования ведут при нагреве до температуры Т=570-590°С с выдержкой в течение 6-8 ч в среде аммиака.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области химико-термической обработки, а именно вакуумному ионно-плазменному азотированию, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения для повышения надежности и долговечности широкого ассортимента деталей машин и инструмента.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в производстве двигателей внутреннего сгорания. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам упрочнения металлов в газообразных средах, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке, в частности к газовому азотированию легированных сталей с применением нанотехнологий, и может быть использовано при изготовлении деталей из легированных сталей, работающих в условиях повышенного износа.

Изобретение относится к химико-термической обработке, а именно к азотированию деталей из конструкционных сталей в газовой среде, и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности.
Изобретение относится к области металлургии сталей, а именно к способам упрочнения металлов, и может быть использовано при изготовлении деталей из коррозионно-стойких сталей.

Изобретение относится к области химико-термической обработки и может быть использовано на предприятиях агрегато- и приборостроения, машиностроения и других отраслей промышленности при изготовлении пар трения.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при упрочнении коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания. .

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов и сплавов и может быть использовано для интенсификации и регулирования температурно-временных параметров процессов образования защитных (функциональных) диффузионных покрытий с заданными свойствами на металлических конструкционных материалах и изделиях.

Изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке и может найти широкое применение в машиностроении, повышая долговечность деталей машин.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству листа из электротехнической стали
Изобретение относится к обработке поверхности металлического материала и может быть использовано при упрочнении внутренней поверхности длинномерных прецизионных цилиндров скважинных насосов, работающих в условиях абразивного износа. При обработке на наружную поверхность детали наносят защитный медесодержащий слой толщиной от 0,01 мм до 0,1 мм, а диффузионное насыщение внутренней поверхности осуществляют азотированием на глубину не более 0,35 мм. Обеспечивается упрощение способа азотирования длинномерной полой стальной детали и повышение точности геометрических размеров азотированной детали. 1 пр.

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения плотности магнитного потока осуществляют нагрев сляба из стали, содержащей, мас.%: Si от 0,8 до 7, кислоторастворимый Al от 0,01 до 0,065, C 0,085 или менее, N 0,012 или менее, Mn 1,0 или менее, S эквивалентно Seq., определяемым уравнением «Seq.=[S]+0,406·[Se]», где [S] представляет содержание S, [Se] представляет содержание Se, 0,015 или менее, остальное Fe и неизбежные примеси, горячую прокатку сляба, отжиг, холодную прокатку, обезуглероживающий отжиг для первичной рекристаллизации, нанесение покрытия и заключительный отжиг для вторичной рекристаллизации. Между началом обезуглероживающего отжига и протеканием вторичной рекристаллизации в заключительном отжиге выполняют азотирующую обработку (стадия S7). Конечная температура горячей прокатки (стадия S2) составляет 950°C или ниже, при этом охлаждение листа начинают в пределах 2 секунд после завершения окончательной прокатки, а намотку в рулон проводят при температуре 700°C или ниже. Скорость нагрева горячекатаной стальной ленты в пределах температурного диапазона от 800°C до 1000°C при отжиге (стадия S3) составляет 5°C/сек или выше, а скорость охлаждения на протяжении времени от завершения окончательной прокатки вплоть до начала намотки в рулон составляет 10°C/сек или выше. 8 з.п. ф-лы, 3 ил., 4 табл.

Изобретение относится к химико-термической обработке и может быть использовано для легирования азотом поверхностей деталей сложной формы, в том числе имеющих закрытые полости. Способ азотирования стальных деталей в газостате в среде молекулярного азота включает предварительное вакуумирование камеры газостата до 30-60 кПа, пропускание азота через поглотитель, повышение давления азота в камере со скоростью 0,01-0,06 МПа/с до достижения заданного давления и нагрев до температуры 750-1100°C со скоростью 1-40°C/мин. Поглотитель обеспечивает очистку азота от кислорода и углеродсодержащих примесей до достижения их концентрации не более 0,3% по массе. После завершения азотирования проводят охлаждение под давлением азота, при котором был завершен процесс азотирования, до температуры в интервале 350°C - температура окружающей среды, после чего сбрасывают давление азота до атмосферного. Азотирование проводят с использованием устройства, в камере которого установлен контейнер, состоящий из стакана и закрывающего его аксиального с ним колпака. Стакан имеет верхнюю и нижнюю полости, которые разделены горизонтальной перегородкой с отверстиями. Ко дну колпака перпендикулярно ему пристыкована трубка, которая проходит через верхнюю полость стакана с деталями в нижнюю полость стакана, где расположен поглотитель в виде порошкового материала. В стенках трубки в местах контактирования с поглотителем выполнены боковые отверстия для более равномерного продвижения газа через поглотитель. Обеспечивается повышение стабильности процесса легирования азотом поверхности деталей, а именно стабильное содержание азота в азотированном слое и глубина азотированного слоя на всей поверхности каждой детали. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке, в частности к циклическому газовому азотированию легированных сталей с применением нанотехнологий, и может быть использовано при изготовлении штампов из сталей для горячего деформирования, работающих при высоких температурах в условиях горячего деформирования, прессования и ударных нагрузок. Проводят нагрев в интервале температур T=550-590oC, затем осуществляют попеременную подачу воздуха и аммиака при времени подачи воздуха, большем времени подачи аммиака, в течение цикла с образованием в течение каждого цикла паров воды, обеспечивающих получение на поверхности упомянутых штампов оксидных пленок, имеющих электрический заряд, и обеспечивающих формирование структуры, состоящей из слоя наночастиц нитридов железа и монолитного слоя металлокерамики в виде оксикарбонитридов. Затем осуществляют выдержку и последующее охлаждение вместе с печью. В частных случаях осуществления изобретения при объеме печи 0,5 л время цикла составляет 50 с. Обеспечивается снижение теплопроводности поверхности штампов из сталей для горячего деформирования и повышение их разгаростойкости и теплостойкости. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил., 6 пр.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке, в частности к азотированию сталей в газовой среде, и может быть использовано для упрочнения стальных деталей, работающих при относительно высоких температурах 500-7000С, в том числе в коррозионной среде. Высокотемпературному внутреннему азотированию подвергают изделия толщиной до 2 мм из ферритной стали, содержащей углерод до 0,2 вес.%, хром 12-25 вес.% и титан 0,5-3 вес.%. Азотирование проводят при температуре 1000-1200°С в среде чистого азота в течение 1-4 часов с последующим охлаждением на воздухе. Затем проводят отжиг при температуре 500-900°С в бескислородной среде в течение 1-5 часов с охлаждением с печью. Обеспечивается повышение прочности и жаропрочности сталей, работающих при температуре до 700°С, и упрощение процесса азотирования и термообработки. 1 пр., 1 табл.

Изобретение относится к способу обработки деталей из черных сплавов, содержащих по меньшей мере 80% железа по массе, или из нелегированной стали для кухонной утвари для защиты указанных деталей от царапин. Проводят первый этап азотирования или азотонауглероживания между 592 и 750°С так, чтобы способствовать созданию слоя азотистого аустенита между слоем нитрида и диффузионным слоем, этап обработки с оксидированием, предназначенный способствовать преобразованию по меньшей мере части азотистого аустенита в фазу повышенной твердости. Фазой повышенной твердости является азотистый браунит или азотистый мартенсит, при этом повышенная твердость является промежуточной между твердостью слоя нитрида и твердостью диффузионного слоя. Обеспечиваются улучшенные антипригарные, царапиностойкие свойства и стойкость к коррозии при пониженных затратах на производство. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 3 ил. .

Изобретение относится к области технологии химико-термической обработки металлических материалов и предназначено для термической обработки деталей пар трения. Способ химико-термической обработки деталей пар трения из стали мартенситного класса включает объемную закалку заготовок из стали и отпуск, механическую обработку и азотирование деталей на заданную глубину, проводимое в две ступени: первоначально при температуре 500-540°C в течение 10-20 часов, а затем при температуре 540-570°C в течение 20-40 часов. После отпуска заготовки нагревают со скоростью 30-50°C/час до температуры 450°C, выдерживают при температуре 450±10°C в течение 2-5 часов и охлаждают на воздухе. Обеспечивается повышение контактно-усталостной прочности деталей и увеличение работоспособности высоконагруженных деталей пар трения. 2 табл.

Изобретение относится к способу изготовления стального поршневого кольца (1′) с износоустойчивым покрытием (8, 9) для двигателя внутреннего сгорания, при котором формируют базовое тело (1), предназначенное для образования камеры (2) в двигателе внутреннего сгорания стороной рабочей поверхности (3). В области перехода боковой поверхности (5) базового тела (1) в рабочую поверхность (3) формируют фаску (7), при этом рабочую поверхность (3) и по меньшей мере части фаски (7) покрывают износоустойчивым покрытием (8, 9). Не покрытые износоустойчивым покрытием (8, 9) окружные области (4) и области боковых поверхностей (5, 6) базового тела (1) нитрируют с обеспечением в расположенной на стороне фаски боковой поверхности (5) участка (а) заданной ширины, не содержащего нитрационного покрытия (10), и затем сошлифовывают износоустойчивое покрытие (8, 9) с образованием в области перехода боковой поверхности (5) в рабочую поверхность (3) острой, не подвергнутой нитрированию, функциональной фаски (11). Компрессионное стальное поршневое кольцо с износоустойчивым покрытием для двигателя внутреннего сгорания изготовлено вышеуказанным способом. Обеспечивается изготовление имеющего износоустойчивое покрытие стального поршневого кольца с острой функциональной кромкой в рабочей поверхности. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 10 ил.
Наверх