RU2367715C2 - Способ азотирования изделий из легированных сталей - Google Patents
Способ азотирования изделий из легированных сталей Download PDFInfo
- Publication number
- RU2367715C2 RU2367715C2 RU2007143277/02A RU2007143277A RU2367715C2 RU 2367715 C2 RU2367715 C2 RU 2367715C2 RU 2007143277/02 A RU2007143277/02 A RU 2007143277/02A RU 2007143277 A RU2007143277 A RU 2007143277A RU 2367715 C2 RU2367715 C2 RU 2367715C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- products
- atmosphere
- nitrogen
- nitriding
- heating
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 30
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 title claims description 25
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title claims description 7
- 239000010959 steel Substances 0.000 title claims description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 47
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 10
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims abstract description 10
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 claims abstract description 8
- JZQOJFLIJNRDHK-CMDGGOBGSA-N alpha-irone Chemical compound CC1CC=C(C)C(\C=C\C(C)=O)C1(C)C JZQOJFLIJNRDHK-CMDGGOBGSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 238000009738 saturating Methods 0.000 claims abstract description 7
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N iron oxide Inorganic materials [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 235000013980 iron oxide Nutrition 0.000 claims description 4
- VBMVTYDPPZVILR-UHFFFAOYSA-N iron(2+);oxygen(2-) Chemical class [O-2].[Fe+2] VBMVTYDPPZVILR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 3
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 abstract description 7
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 abstract 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 24
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 229910001337 iron nitride Inorganic materials 0.000 description 6
- -1 nitrogen ions Chemical class 0.000 description 6
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 5
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 3
- 229910000997 High-speed steel Inorganic materials 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 229910000669 Chrome steel Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CXOWYMLTGOFURZ-UHFFFAOYSA-N azanylidynechromium Chemical compound [Cr]#N CXOWYMLTGOFURZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 210000004907 gland Anatomy 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Abstract
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. Проводят нагрев изделий до заданной температуры насыщения в интервале 500-600°С и последующую выдержку в насыщающей атмосфере для диффузионного насыщения поверхности изделий азотом. Нагрев изделий до заданной температуры насыщения проводят в инертной атмосфере. После нагрева проводят выдержку в воздушной атмосфере с формированием на поверхностях деталей зоны из оксидов железа. Выдержку в насыщающей атмосфере проводят с получением диффузионного слоя в виде наночастиц из нитридов легирующих элементов и азота в твердом растворе альфа железа. Повышается твердость и износостойкость изделий за счет получения равномерно упрочненного слоя без коробления с сохранением исходных геометрических размеров. 2 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке, в частности к газовому азотированию изделий из легированных сталей с применением нанотехнологий, и может быть использовано для упрочнения изделий из легированных сталей, работающих в условиях повышенного износа.
Известен способ двухступенчатого азотирования легированных инструментальных сталей при температуре 520…560°С в атмосфере аммиака на первой стадии процесса с последующим разбавлением аммиака азотом на второй стадии процесса (см. А.С. СССР №120524, М. кл. С23С 11/16, опубл. 1977).
Известен способ азотирования легированных сталей при температуре 500…600°С в атмосфере аммиака, разбавленного продуктами его предварительного полного крекинга. Азотирование в такой атмосфере применяется для обработки быстрорежущих сталей и нитраллоев типа 38ХМЮА. Азотирование нитраллоев проводится в атмосфере 20% аммиака и 80% продуктов крекинга, быстрорежущих сталей - в атмосфере 30% аммиака и 70% продуктов крекинга (см. Сборник «Кратковременные процессы азотирования» НИИИНФОРМТЯЖМАШ №13, с.17…20, 1976).
Недостатками этих способов является то, что они не обеспечивают повышения износостойкости сталей, а также невысокая скорость процесса.
Наиболее близким к заявленному способу является, принятый в качестве прототипа, способ азотирования изделий из легированных сталей, включающий нагрев изделий до заданной температуры насыщения в интервале 500…600°С и последующую выдержку в насыщающей атмосфере для диффузионного насыщения поверхности изделий азотом (Ю.М.Лахтин. Химико-термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1985, с.162, строки 4-8, с.164, абзац 1 снизу, с.175, строки 5-1 снизу). Данный способ позволяет интенсифицировать процесс насыщения, а также повысить пластичность и сопротивление задиру поверхностной нитридной зоны обрабатываемых изделий.
Недостатком известного способа является образование вторичных хрупких нитридов железа Fe4N как на поверхности, так и внутри зерен упрочненного слоя. Это создает внутреннее напряженное состояние, вызывающее коробление покрытия с изменением геометрического размера изделия, что требует последующего шлифования. Кроме того, азотированный слой обладает недостаточной твердостью и износостойкостью.
Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение твердости и износостойкости поверхности изделий из легированных сталей, а также получение изделий с равномерным упрочненным слоем без коробления с сохранением исходных геометрических размеров.
Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе азотирования изделий из легированных сталей, включающем нагрев изделий до заданной температуры насыщения в интервале 500…600°С и последующую выдержку в насыщающей атмосфере для диффузионного насыщения поверхности изделий азотом, согласно изобретению нагрев изделий до заданной температуры насыщения проводят в инертной атмосфере, после нагрева проводят выдержку в воздушной атмосфере с формированием на поверхностях деталей зоны из оксидов железа, а выдержку в насыщающей атмосфере проводят с получением диффузионного слоя в виде наночастиц из нитридов легирующих элементов и азота в твердом растворе альфа железа.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что вначале изделия нагреваются до заданной температуры насыщения в интервале 500…600°С в инертной атмосфере, т.е. в отсутствии активного азота. Последующая выдержка изделий в воздушной среде при той же температуре ведет к окислению поверхностного слоя изделий с образованием окислов железа и формированию на поверхности металла буферной зоны. Последняя уменьшает энергию активации азота, участвующего в дальнейшем процессе азотирования. Причем присутствие кислорода воздуха приводит к значительному увеличению количества активных центров, через которые и происходит проникновение азота в металл. Именно это способствует формированию на поверхности металла более равномерного по структуре слоя, улучшающего качество поверхности. Дальнейший процесс насыщения поверхности металла азотом при заданной температуре приводит к образованию диффузионного слоя в виде наночастиц из нитридов легирующих элементов и азота в твердом растворе альфа железа, т.е. без образования хрупких нитридов железа, таким образом, уменьшая внутреннее напряженное состояние. Это позволяет получить оптимальное сочетание повышенной твердости и износостойкости поверхности изделий, а также равномерную толщину азотированного слоя, что способствует сохранению исходных геометрических размеров изделий без коробления.
Предлагаемый способ азотирования реализуется поэтапно следующим образом.
Вначале проводят нагрев изделий, загруженных в печь, до заданной температуры насыщения в интервале 500…600°С в инертной атмосфере, например, диссоциированного аммиака, которая не допускает процесса насыщения поверхности изделий азотом из-за отсутствия активного азота. Далее осуществляют выдержку изделий при этой же температуре в воздушной атмосфере, формируя на их поверхности буферную зону из оксидов железа. Последние на этапе собственно азотирования снижают энергию активации ионов азота с последующим получением на поверхности металла диффузионного слоя в виде наночастиц из нитридов легирующих элементов и азота в твердом растворе альфа железа. При этом толщина буферной зоны определяется эмпирически и контролируется датчиком в процессе выдержки. Условием создания буферной зоны является именно выдержка изделий в атмосфере воздуха при постоянной температуре в течение времени, необходимого для появления пленки заданной толщины. Определенная заданная толщина получаемой буферной зоны позволяет регулировать потерю энергии активации ионов азота (ионный радиус a=0,71 Å) на последующем этапе насыщения поверхностного слоя металла при прохождении через оксидный слой в такой степени, чтобы ее хватило только на образование нитридов металлов, а именно легирующих элементов, т.к. нитриды железа образуются при значительно большей энергии активации ионов азота, а оставшиеся ионы азота заняли пустоты в матрице. На третьем этапе проводят собственно азотирование при выдержке изделий в насыщающей атмосфере, содержащей, например, аммиак при той же температуре. После прохождения буферной зоны энергия активации ионов азота снижается. Это и позволяет получить упрочненный диффузионный слой в виде наночастиц из нитридов легирующих элементов и азота в твердом растворе альфа железа. Толщина упрочненного слоя зависит от времени выдержки изделий в атмосфере аммиака. На последнем этапе изделия охлаждают в инертной атмосфере до температуры изъятия изделий.
Выполнение способа проиллюстрировано на примерах.
Процесс азотирования проводился согласно прототипа и предлагаемого способа на образцах в виде колец с внутренним диаметром 20 мм и толщиной кольца 5 мм из хромистой стали 30ХМВС в интервале температур 500…600°С. Полученные результаты по изменению коэффициента трения в процессе износа образцов в качестве показателя их износостойкости и характеристики качества поверхностного слоя изделий показаны на графиках, а именно на фиг.1 - образца, изготовленного по технологии, предложенной в прототипе, а на фиг.2 - образцов, изготовленных по предлагаемой технологии. Время азотирования образцов, толщины азотированных слоев, значения твердости и показатели эллипсности в качестве характеристики геометрических размеров приведены в таблице.
Пример 1. Обработка колец из стали 30ХМВС по способу, изложенному в прототипе. Кольца нагревали в атмосфере аммиака до 520°С и первые 20 минут проводили выдержку в аммиаке с азотным потенциалом πN=3,6. Затем азотный потенциал снижали до значения πN=0,35 и выдерживали 40 минут. В результате получили азотированный слой, состоящий из нитридов легирующих элементов и вторичных нитридов железа Fe4N как на поверхности, так и внутри зерна. Изменение коэффициента трения в процессе износа и характеристики качества поверхности упрочненного слоя представлены на фиг.1. Значения твердости и эллипсности приведены в таблице.
Пример 2. Вели процесс азотирования колец по предлагаемой технологии при температуре 520°С в течение 45 минут. Получили упрочненный слой, близкий по толщине к слою прототипа, состоящий из наночастиц нитрида хрома CrN с ионным радиусом =1,31 Å и азота с ионным радиусом a=0,71 Å в твердом растворе альфа железа. Присутствие нитридов железа не обнаружено. Данный режим азотирования обеспечивает незначительные изменения коэффициента трения в процессе износа и равномерную поверхность упрочненного слоя образцов, на что указывает амплитуда колебаний коэффициента трения (см. фиг.2), а также высокую твердость и минимальную эллипсность по сравнению с образцами, азотированными по технологии прототипа (см. табл.).
| Таблица | |||||
| №примера | Температура азотирования, °С | Время азотирования, мин | Толщина азотированного слоя, мкм | Твердость, НV, ГПа | Эллипсность, мкм |
| 1. Прототип | 520° | 60 | 40 | 8,5…9,0 | 4,5-5,0 |
| 2. Предлагаемый способ | 520° | 45 | 38-40 | 13,0…13,5 | 1,5 |
| 3. Предлагаемый способ | 570° | 45 | 50-55 | 13,0…13,5 | 1,8 |
| 4. Предлагаемый способ | 600° | 45 | 55-60 | 13,0…13,5 | 2,0 |
Пример 3. Вели процесс по предлагаемой технологии при температуре 570°С в течение 45 минут. Данный режим азотирования обеспечивает увеличение толщины слоя, что связано с повышением температуры насыщения, так как с увеличением температуры увеличивается скорость азотирования, а твердость несколько уменьшается (см. табл.). С увеличением толщины упрочненного слоя незначительно увеличивается эллипсность (см. табл.). Порядок изменения коэффициента трения в процессе износа такой же, как и в примере 2 (см. фиг.2).
Пример 4. Вели процесс по предлагаемой технологии при температуре 600°С в течение 45 мин. Увеличение температуры азотирования привело к уменьшению твердости и к увеличению толщины слоя и соответственно к незначительному увеличению эллипсности (см. табл.). Изменения коэффициента трения соответствуют двум предыдущим образцам, указанным в примерах 2 и 3.
Из таблицы и при сравнении фиг.1 и фиг.2 следует вывод, что техническое решение поставленной задачи, а именно получение диффузионного слоя с равномерной структурой поверхности, повышение твердости и износостойкости изделий из легированных сталей при минимальном короблении и сохранении исходных геометрических размеров изделий, характеризующихся значениями эллипсности, достигается при азотировании в три этапа с получением упрочненного слоя в виде наночастиц из нитридов только легирующих элементов и азота в твердом растворе альфа железа при отсутствии образования хрупких нитридов железа.
Таким образом, азотирование изделий из легированных сталей по предлагаемому способу позволяет значительно повысить твердость и износостойкость поверхности изделий из легированных сталей, а также получить изделия с равномерным упрочненным слоем без коробления с сохранением исходных геометрических размеров.
Claims (1)
- Способ азотирования изделий из легированных сталей, включающий нагрев изделий до заданной температуры насыщения в интервале 500-600°С и последующую выдержку в насыщающей атмосфере для диффузионного насыщения поверхности изделий азотом, отличающийся тем, что нагрев изделий до заданной температуры насыщения проводят в инертной атмосфере, после нагрева проводят выдержку в воздушной атмосфере с формированием на поверхностях деталей зоны из оксидов железа, а выдержку в насыщающей атмосфере проводят с получением диффузионного слоя в виде наночастиц из нитридов легирующих элементов и азота в твердом растворе альфа-железа.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007143277/02A RU2367715C2 (ru) | 2007-11-23 | 2007-11-23 | Способ азотирования изделий из легированных сталей |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007143277/02A RU2367715C2 (ru) | 2007-11-23 | 2007-11-23 | Способ азотирования изделий из легированных сталей |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007143277A RU2007143277A (ru) | 2009-05-27 |
| RU2367715C2 true RU2367715C2 (ru) | 2009-09-20 |
Family
ID=41022906
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007143277/02A RU2367715C2 (ru) | 2007-11-23 | 2007-11-23 | Способ азотирования изделий из легированных сталей |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2367715C2 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2519356C2 (ru) * | 2012-05-24 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" | Способ циклического газового азотирования штампов из сталей для горячего деформирования |
| RU2522872C2 (ru) * | 2012-06-13 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Способ азотирования деталей машин с получением наноструктурированного приповерхностного слоя и состав слоя |
| US10570497B2 (en) | 2016-06-20 | 2020-02-25 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Surface treatment method and surface treatment device |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001026857A (ja) * | 1999-07-15 | 2001-01-30 | Honda Motor Co Ltd | マルエージング鋼のガス窒化方法 |
| GB2383800A (en) * | 2001-07-25 | 2003-07-09 | Nsk Europ Technology Co Ltd | Performance enhancement of steel auxiliary bearing components |
-
2007
- 2007-11-23 RU RU2007143277/02A patent/RU2367715C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001026857A (ja) * | 1999-07-15 | 2001-01-30 | Honda Motor Co Ltd | マルエージング鋼のガス窒化方法 |
| GB2383800A (en) * | 2001-07-25 | 2003-07-09 | Nsk Europ Technology Co Ltd | Performance enhancement of steel auxiliary bearing components |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ЛАХТИН Ю.М. Химико-термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1985, с.162, 164, 175. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2519356C2 (ru) * | 2012-05-24 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" | Способ циклического газового азотирования штампов из сталей для горячего деформирования |
| RU2522872C2 (ru) * | 2012-06-13 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Способ азотирования деталей машин с получением наноструктурированного приповерхностного слоя и состав слоя |
| US10570497B2 (en) | 2016-06-20 | 2020-02-25 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Surface treatment method and surface treatment device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007143277A (ru) | 2009-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103003459A (zh) | 氮化用钢及氮化处理部件 | |
| MX2014012432A (es) | Miembro de acero nitrurado y proceso de manufactura del mismo. | |
| WO2009113477A1 (ja) | 転動部品及びその製造方法 | |
| RU2367715C2 (ru) | Способ азотирования изделий из легированных сталей | |
| JP2005090680A (ja) | 転がり軸受部品およびその製造方法 | |
| JP2016194156A (ja) | 浸炭窒化部品および浸炭窒化部品の製造方法 | |
| JPH0649619A (ja) | 合金鋼および高融点金属を処理する方法および装置 | |
| JP5417229B2 (ja) | 摺動部品の製造方法 | |
| Mu et al. | The Kinetics and Dry‐Sliding Wear Properties of Boronized Gray Cast Iron | |
| JP6587886B2 (ja) | 窒化鋼部材の製造方法 | |
| Ota et al. | Surface modification of carbon steel by atmospheric-controlled IH-FPP treatment using mixed chromium and high-speed steel particles | |
| CN107858632A (zh) | 一种高钴基合金材料零件渗氮方法 | |
| CN107429377A (zh) | 钢部件的氮化处理方法 | |
| US20100139812A1 (en) | Case hardening titanium and its alloys | |
| KR102360999B1 (ko) | 탄소강 침탄 방법 | |
| Caliari et al. | An investigation into the effects of different oxy-nitrocarburizing conditions on hardness profiles and corrosion behavior of 16MnCr5 steels | |
| JP2010222648A (ja) | 炭素鋼材料の製造方法および炭素鋼材料 | |
| JP5548920B2 (ja) | エッジ部を有するワークの浸炭方法 | |
| JP2015232164A (ja) | 転がり軸受の製造方法及び熱処理装置 | |
| JP2002275526A (ja) | 鋼材料の製造方法 | |
| JP2011012305A (ja) | 窒化部材およびその製造方法 | |
| Kwietniewski et al. | Carburizing and Carbonitriding | |
| US11155912B2 (en) | Method and arrangement for processing articles | |
| JP2544160B2 (ja) | 浸炭軸受体及びその製造方法 | |
| JP2010222649A (ja) | 炭素鋼材料の製造方法および炭素鋼材料 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171124 |