Спосіб внутрішнього азотування феритної корозійно-стійкої сталі

 

Винахід відноситься до галузі металургії, а саме до хіміко-термічної обробки, зокрема до азотування сталей в газовому середовищі, і може бути використане для зміцнення сталевих деталей, що працюють при відносно високих температурах (500-700°С), у тому числі в корозійному середовищі.

Відомі способи низькотемпературного азотування сталей, при яких процес азотування ведуть при температурах Т=500-600°С. Однак таке азотування в основному використовується для підвищення властивостей поверхні деталей, оскільки в процесі його проведення на поверхні утворюється шар сполук (нітридів), що володіє підвищеними експлуатаційними характеристиками (Ю.М.Лахтин, Б.Н.Арзамасов. Хіміко-термічна обробка металів, М.: Металургія, 1985, с.141). При цьому підвищуються такі властивості поверхні, як твердість і зносостійкість, проте дані методи не дозволяють отримати ефект зміцнення по всьому об'єму виробу.

Азотування при високій температурі дозволяє істотно скоротити час самого процесу азотування, оскільки при більш високій температурі зростає дифузійна рухливість елементів (Ю.М.Лахтин, Б.Н.Арзамасов. Хіміко-термічна обробка металів, М.: Метбработкой) дозволяє отримувати не тільки шар з виділеннями нітридів на поверхні, але і отримувати достатньо глибокі шари з виділеннями нітридів. Для тонколистових виробів таке азотування по суті є наскрізним. При цьому крім ефекту зміцнення поверхні досягається ефект підвищення міцності та жароміцності з-за присутності стійких нітридів у всьому об'ємі матеріалу. Зокрема, таке азотування використовується для тугоплавких металів і сплавів на їх основі, хромонікелевих сплавів, легованих титаном (Патент РФ №2148675). Такі матеріали використовуються для виробів, що працюють при високих температурах (понад 1000°С), а ефект підвищення жароміцності досягається формуванням нітридів легуючих елементів, стійких до розпаду при високій температурі (як правило, нітридів титану). Недоліком даних методів азотування є те, що в ряді випадків не вдається досягати рівномірної структури нітридів по всьому перерізу, оскільки на поверхні залишається шар з більш грубими виділеннями нітрідной фази. Подальша термічна обробка може призвести до розчинення таких нітридів, але на їх місці можуть залишатися пори, які знижують характеристики міцності сталі. Крім цього, незважаючи на те, що зазначені матеріали призначені для роботи при конатериалов.

Найбільш близьким до заявленого способу є прийнятий як прототип спосіб азотування, описаний в патенті США №4464207, згідно з яким азотування в аміаку піддають тонколистову сталь товщиною 0,25 мм феритного класу, що містить хром в кількості 10-30%, титан в кількості 0,5-2,25% і вуглець в кількості 0,03%. При цьому процес азотування ведуть при температурах в діапазоні 830-950°C протягом 1 години або менше, після чого проводять нагрівання при температурі близько 1000°C для розчинення сформувалися при азотуванні нітридів хрому і утворення більш стійких до високої температури нітридів титану. При цьому домагаються, що структура сталі складається з частинок нітридів, відстань між якими становить менше 2 мкм. При цьому домагаються ефекту підвищення межі текучості як мінімум на 10000 psi (~70 МПа) в порівнянні з вихідним станом при кімнатній температурі і температурі 540°C. Недоліками даного способу є переважне використання нестандартної марки сталі (з пониженим вмістом вуглецю і підвищеним вмістом титану), а також переважне використання середовища, що містить водень для витримки після азотування, що призводить до подорожчання отримує�жкп, після нього дозволяє досягти відносно високого збільшення міцності при кімнатній і підвищеній температурах (межа плинності зростає на величину ~70 МПа).

Технічним завданням, на вирішення якої спрямоване дане винахід, є істотне підвищення жароміцності до температур ~700°C економно-легованих феритних сталей стандартних марок, що містять вуглець в кількості до 0,2% ваг., хром в кількості 12-25% ваг., титан в кількості 0,5-3% ваг., спрощення процесу азотування і термообробки.

Поставлена технічна задача вирішується тим, що процес високотемпературного внутрішнього азотування виробів завтовшки до 2 мм з феритної сталі, що містить вуглець в кількості до 0,2 ваг.%, хром в кількості 12-25 вагу.%, титан в кількості 0,5-3 вес.%, ведуть при температурі 1000-1200°C в середовищі чистого азоту протягом 1-4 годин з подальшим охолодженням на повітрі, далі проводять відпал при температурі 500-900°C у безкисневому середовищі (у вакуумі або в середовищі інертного газу) протягом 1-5 годин з охолодженням з піччю, при цьому утворюється структура, яка містить дрібнодисперсні нітриди хрому, стійкі до температури 700°C, а також нітриди титану більш великого розміру, стійкі до більш ви�рочности зростає на величину до 2 і більше разів при кімнатній температурі, так і при температурі 700°C. Для азотування використовують сталі, які містять вуглець в кількості до 0,5% ваг., хром в кількості 12-25% ваг., титан в кількості 0,5-3% ваг., але переважно сталі з високим вмістом хрому (вище 20%), оскільки зв'язування хрому в нітриди призводить до зниження корозійної стійкості сталі.

Спосіб реалізується наступним чином.

Виробу з товщиною стінки до 2 мм знежирюють і поміщають в реактор (наприклад, кварцовий посудину), розташований в печі, в який далі запускається газ - чистий азот. Азотування ведуть при температурах в діапазоні 1000-1200°C протягом 1-4 годин в середовищі азоту, далі вироби виймаються з реактора і охолоджуються на повітрі. Після цього проводять відпал при температурах 500-900°C у безкисневому середовищі протягом 1-5 годин з охолодженням з піччю. Метою відпалу після азотування є позбавлення від мартенсіту, що утворюється в процесі охолодження після азотування, освіта тієї частини нітридів, які не встигли утворитися в процесі азотування та охолодження, а також гомогенізація з метою рівномірного розподілу виділень нітридів по всьому перерізу зразка. В процесі азотування і відпалу утворюються наскрізна структура, що складається з крейду�е більше 1-3 мкм, рівномірно розподілених в матриці по всьому перерізу без утворення шару грубих нітридів на поверхні. Нітриди стабілізують структуру при підвищених температурах, забезпечуючи ефективне дисперсійне зміцнення при температурах аж до 700°C. Таким чином в результаті цієї обробки виходить жароміцний матеріал, здатний працювати при температурах до 700°C.

Приклад 1. Смуги сталі 08Х17Т у відпаленому стані товщиною 0,5 мм знежирюють ацетоном і спиртом і поміщали в реактор (кварцовий посудину), розташований в печі типу СНОЛ, нагрітої до температури 1150°C, в який далі запускали газ азот частотою 99,999 зі швидкістю 0,2 л/хв. Азотування проводили при температурі 1150°C протягом 3 годин, після чого смуги виймали з реактора і охолоджували на повітрі. Після цього проводили відпал при температурі 600°C у вакуумі протягом 3 годин з охолодженням з піччю.

Після азотування проводили дослідження мікроструктури та фазового складу методами оптичної і просвічує електронної мікроскопії, мікрорентгеноспектрального аналізу і методу рентгенівської дифракції. Мікроструктура сталі після такої обробки являла собою виділення нітридів хрому товщиною 100-300 нм з ра твердому розчині. Структура була повністю однорідною по всьому перерізу зразка, шарів з більш грубими виділеннями нітридів у поверхонь матеріалу не спостерігалося. Ефект зміцнення стали був досягнутий за рахунок спільної дії азоту в твердому розчині і освіти виділень нітридів (дисперсійне зміцнення). Нітриди виявилися стійкими до розпаду аж до температури 700°C, що було підтверджено механічними випробуваннями. Механічні випробування проводили на плоских зразках, вирізаних з смуг товщиною 0,5 мм по ГОСТ 1497-84 при температурах 20 і 700°C. Механічні властивості зразків сталі у вихідному (до азотування) стані і після азотування і термічної обробки представлені в таблиці 1.

Таблиця 1.
Механічні властивості сталі 08Х17Т до і після азотування з термічною обробкою
Стан сталіТемпература випробувань 20°CТемпература випробувань 700°C
Межа текучості σ0,2, МПаМежа текучості σ0,2, МПаМежа міцності σв, МПаВідносне подовження δ, %
Початкове310-330440-46026-3270-9080-10075-80
Після азотування і т/о570-590980-100017-20180-200230-25050-56

З таблиці видно, що пропоноване азотування з термічною обробкою призводить до збільшення межі текучості майже в 2 рази, а межі міцності дещо більше ніж у 2 рази при кімнатній температурі, приблизно такі ж співвідношення зберігається і при температурі випробувань 700°C, при якій в тому числі сталь зберігає дуже високу пластичність, що перевищує 50%.

Вимірювання мікротвердості до і після азотування з термічною обробкою показало, що у вихідному стані мікротвердість сталі 08Х17Т знаходиться на рівні 180-200 одиниць HV, а після азотування з термиче�ня виробів завтовшки до 2 мм з феритної сталі, містить вуглець в кількості до 0,2 ваг.%, хром в кількості 12-25 вагу.%, титан в кількості 0,5-3 вес.%, відрізняється тим, що азотування ведуть при температурі 1000-1200°С в середовищі чистого азоту протягом 1-4 годин з подальшим охолодженням на повітрі, далі проводять відпал при температурі 500-900°С у безкисневому середовищі протягом 1-5 годин з охолодженням з піччю.



 

Схожі патенти:

Спосіб зміцнення титанових сплавів в газовому середовищі

Винахід відноситься до металургії, а саме до способів зміцнення металів азотування, і може бути використане при виготовленні деталей з титанових сплавів, що працюють при циклічних навантаженнях

Спосіб хіміко-термічної обробки сталей в порошкових сумішах

Винахід відноситься до галузі металургії, а саме до способів хіміко-термічної обробки сталей, і може бути використане в машинобудуванні для зміцнення сталевих дрібнорозмірних деталей та інструменту

Спосіб хіміко-термічної обробки деталей пар тертя сталей

Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до хіміко-термічної обробки деталей з формуванням дифузійних та поверхневих шарів з підвищеною зносостійкістю та високою прирабативаемостью в умовах тертя металу об метал, і може бути використане в машинобудуванні

Спосіб термічної і хіміко-термічної обробки сталевих виробів у вакуумі

Винахід відноситься до галузі термічної і хіміко-термічної обробки і може бути використане в машинобудуванні та інших галузях промисловості для поверхневого зміцнення деталей машин ріжучого інструменту з конструкційних складнолегованих і інструментальних сталей, що працюють при високих контактних напругах і в умовах підвищеного зносу

Спосіб азотування виробів в тліючому розряді з ефектом порожнистого катода

Винахід відноситься до області хіміко-термічної обробки і може бути використане в машинобудуванні та інших галузях промисловості для високотемпературного азотування сталевих деталей машин
Винахід відноситься до хіміко-термічної обробки металів і сплавів і може бути використане для зміцнення поверхні робочих органів технологічного обладнання харчових виробництв транспортної та споживчої тари для пакування харчових продуктів

Спосіб виготовлення тонких, важкорозчинних покриттів (варіанти)

Винахід відноситься до способів виготовлення стабільних поверхневих покриттів за рахунок катодного розпилення, напилення, осадження з ванних або MOCVD і може знайти застосування при захисті та модифікації поверхонь, у тому числі з прихованими структурами, а також при нанесенні функціональних шарів, зокрема, в геліотехніці і техніці матеріалів

Спосіб обробки сталевих виробів

Винахід відноситься до металургії, а саме до хіміко-термічній обробці, і може бути використане для поверхневого зміцнення виробів і підвищення їх експлуатаційної стійкості

Спосіб комбінованого борирования вуглецевої сталі

Винахід відноситься до металургії, зокрема до хіміко-термічній обробці, і може бути використане в машинобудуванні для поверхневого зміцнення деталей машин, виготовлених з вуглецевої сталі

Спосіб зміцнення різального і формотворчого інструменту з теплостійких хромистих сталей

Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до хіміко-термічної обробки деталей і інструментів, і може знайти застосування в машинобудуванні, інструментальної промисловості

Спосіб циклічного газового азотування штампів з сталі для гарячого деформування

Винахід відноситься до галузі металургії, а саме до хіміко-термічної обробки, зокрема до циклічного газового азотування легованих сталей із застосуванням нанотехнологій, і може бути використане при виготовленні штампів з сталі для гарячого деформування, що працюють при високих температурах в умовах гарячого деформування, пресування і ударних навантажень. Проводять нагрівання в інтервалі температур T=550-590 o c, потім здійснюють попеременную подачу повітря і аміаку при подачі повітря, більшій часу подачі аміаку, протягом циклу з утворенням протягом кожного циклу парів води, які забезпечують отримання на поверхні згаданих штампів оксидних плівок, що мають електричний заряд, і забезпечують формування структури, що складається з шару наночастинок нітридів заліза і монолітного шару металокераміки у вигляді оксикарбонитридов. Потім здійснюють витримку і подальше охолодження разом з піччю. В окремих випадках здійснення винаходу при об'ємі печі 0,5 л час циклу становить 50 с. Забезпечується зниження теплопровідності поверхні штампів з сталі для гарячого деформування та підвищення їх разгаростойкости і теплостійкості. 1 з.п. ф-ли,

Спосіб азотування деталей і пристрій для його здійснення

Винахід відноситься до хіміко-термічної обробки і може бути використане для легування азотом поверхонь деталей складної форми, у тому числі що мають закриті порожнини. Спосіб азотування сталевих деталей в газостате в середовищі молекулярного азоту включає попереднє вакуумування камери газостата до 30-60 кПа, пропускання азоту через поглинач, підвищення тиску азоту в камері зі швидкістю 0,01-0,06 МПа/с до досягнення заданого тиску і нагрівання до температури 750-1100°C зі швидкістю 1-40°C/хв. Поглинач забезпечує очищення від кисню і азоту вуглецевмісних домішок до досягнення їх концентрації не більше 0,3% за масою. Після завершення азотування проводять охолодження під тиском азоту, при якому був завершений процес азотування, до температури в інтервалі 350°C - температура навколишнього середовища, після чого скидають тиск до атмосферного азоту. Азотування проводять з використанням пристрою, в камері якого встановлений контейнер, що складається зі склянки і закриває його аксіального з ним ковпака. Стакан має верхню і нижню порожнини, які розділені горизонтальною перегородкою з отворами. До дна ковпака перпендикулярно йому пристикувався трубка, �ль у вигляді порошкового матеріалу. В стінках трубки в місцях контактування з поглиначем виконані бічні отвори для більш рівномірного просування газу через поглинач. Забезпечується підвищення стабільності процесу легування азотом поверхні деталей, а саме стабільний вміст азоту в азотований шарі і глибина азотованого шару на всій поверхні кожної деталі. 2 н. і 1 з.п. ф-ли, 2 іл., 1 пр.

Спосіб виготовлення листа електротехнічної сталі з орієнтованою структурою зеренной

Винахід відноситься до галузі металургії. Для підвищення щільності магнітного потоку здійснюють нагрів сляба зі сталі, що містить, мас.%: Si від 0,8 до 7, кислоторастворимий Al від 0,01 до 0,065, C 0,085 або менше, N 0,012 або менше, Mn 1,0 або менше, S еквівалентно Seq., визначаються рівнянням «Seq.=[S]+0,406·[Se], де [S] представляє вміст S, [Se] представляє вміст Se, 0,015 або менше, інше Fe і неминучі домішки, гарячу прокатку сляба, відпал, холодну прокатку, обезуглероживающий відпал для первинної рекристалізації, нанесення покриття і заключний відпал для вторинної рекристалізації. Між початком обезуглероживающего відпалу і протіканням вторинної рекристалізації в заключному відпалі виконують азотирующую обробку (стадія S7). Кінцева температура гарячої прокатки (стадія S2) становить 950°C або нижче, при цьому охолодження листа починають більше 2 секунд після завершення остаточної прокатки, а намотування в рулон проводять при температурі 700°C або нижче. Швидкість нагріву сталевої гарячекатаної стрічки в межах температурного діапазону від 800°C до 1000°C при відпалі (стадія S3) становить 5°C/сек і вище, а швидкість охолодження протягом часу від завершення остаточної прокатки аж д
Винахід відноситься до обробки поверхні металевого матеріалу і може бути використане при зміцненні внутрішньої поверхні довгомірних прецизійних циліндрів свердловинних насосів, що працюють в умовах абразивного зносу. При обробці на зовнішню поверхню деталі наносять захисний медесодержащий шар товщиною від 0,01 мм до 0,1 мм, а дифузійне насичення внутрішнього азотування поверхні здійснюють на глибину не більше 0,35 мм Забезпечується спрощення способу азотування довгомірної порожнистої сталевої деталі і підвищення точності геометричних розмірів азотованої деталі. 1 пр.

Спосіб виробництва листа з електротехнічної сталі з орієнтованим зерном

Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до виробництва листа з електротехнічної сталі

Столові та/або сервірувальні прилади, виготовлені з нержавіючої сталі феритного з мартенситних поверхневим шаром

Винахід відноситься до столових приладів і/або сервировочним приладів

Спосіб низькотемпературного азотування сталевих деталей

Винахід відноситься до галузі металургії і машинобудування, а саме до комбінованих способів поверхневого зміцнення металів, і може бути використане при виготовленні деталей, які працюють в умовах зношування і знакозмінних навантажень

Спосіб іонного азотування сталі

Винахід відноситься до області хіміко-термічної обробки, а саме вакуумному іонно-плазмового азотування, і може бути використане в різних галузях машинобудування для підвищення надійності і довговічності широкого асортименту деталей машин та інструменту

Спосіб виготовлення колінчастих валів

Винахід відноситься до машинобудування і може бути використане у виробництві двигунів внутрішнього згоряння

Спосіб обробки сталевих виробів в газоподібному середовищі

Винахід відноситься до галузі металургії, а саме до способів зміцнення металів в газоподібних середовищах, і може бути використане в машинобудуванні для поверхневого зміцнення деталей машин
Up!