способ высокотемпературного азотирования деталей из коррозионно-стойких хромоникелевых сталей

Формула изобретения

Способ высокотемпературного азотирования деталей из коррозионно-стойких хромоникелевых сталей, включающий нагрев деталей до температуры 1100-1200°С, выдержку в насыщающем газе в течение 2-8 ч и охлаждение до комнатной температуры вместе с печью в атмосфере насыщающего газа, отличающийся тем, что в качестве насыщающего газа используют смесь аммиака с аргоном, в которой содержание аммиака задают в интервале 45-75%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии сталей, а именно к способам упрочнения металлов, и может быть использовано при изготовлении деталей из коррозионно-стойких сталей, работающих в условиях повышенного изнашивания.

Известен способ азотирования хромоникелевых сплавов при температуре 1200°С с выдержкой в среде чистого азота в течение 15 часов и последующим охлаждением и отжигом в среде аргона при 1200°С в течение 1,5-2,5 ч (см. Патент РФ №2148675, опубл. 10.05.2000). Недостатком этого способа является то, что он не обеспечивает повышения износостойкости сталей.

Наиболее близким к заявляемому способу является принятый в качестве прототипа способ химико-термической обработки хромоникелевых сталей в аммиаке при температуре 1100-1200°С в течение 2-8 часов с последующим старением при температуре 750-800°С в течение 16-25 часов (см. Лахтин Ю.М., Фетисова И.П. Влияние высокотемпературного азотирования на механические свойства жаропрочных сталей. - Защитные покрытия на металлах, 1971, №5, с.83-88). Существенным недостатком этого способа является снижение коррозионной стойкости и жаростойкости изделий после азотирования, что вызвано снижением концентрации хрома в твердом растворе при образовании большого количества нитридов хрома как на стадии азотирования в среде чистого аммиака, так и на стадии старения. Кроме того, длительное старение приводит к коагуляции упрочняющих нитридных фаз и, как следствие, к снижению твердости азотированного слоя.

Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение твердости и износостойкости азотированных хромоникелевых сталей при обеспечении высокого уровня их коррозионной стойкости.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе высокотемпературного азотирования деталей из коррозионно-стойких хромоникелевых сталей, заключающемся в том, что детали нагревают до температуры 1100-1200°С, выдерживают в насыщающем газе в течение 2-8 часов, а затем охлаждают до комнатной температуры вместе с печью в атмосфере насыщающего газа, согласно изобретению в качестве насыщающего газа используют смесь аммиака с аргоном, в которой процентное содержание аммиака задают в интервале 45-75%.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что при химико-термической обработке используют смесь аммиака с аргоном, процентное содержание аммиака в которой задается в интервале от 45 до 75%. При этом на поверхности изделий образуются диффузионные слои с повышенной концентрацией азота и достаточно высокой объемной долей упрочняющих нитридных фаз (нитридов хрома CrN), что приводит к повышению твердости и износостойкости поверхностного слоя. Задаваемый диапазон процентного содержания аммиака 45-75% позволяет регулировать количество выделяющихся нитридов хрома не выше того предела, с которого снижение концентрации хрома в твердом растворе начинает оказывать негативное влияние на коррозионную стойкость стали.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Процесс азотирования проводят, нагревая детали в печи до температуры 1100-1200°С в насыщающем газе, представляющем собой смесь аммиака и аргона, детали выдерживают в этой смеси в течение 2-8 часов и затем охлаждают до комнатной температуры вместе с печью в атмосфере насыщающей смеси. Содержание аммиака в насыщающей смеси поддерживают в интервале 45-75%, что позволяет получить оптимальное сочетание повышенной твердости и износостойкости азотированной поверхности деталей, толщины азотированного слоя при сохранении на достаточно высоком уровне показателей коррозионной стойкости. При содержании аммиака в газовой смеси менее 45% концентрация активного азота в смеси слишком низкая, поэтому на поверхности детали формируются тонкие слои с малой концентрацией растворенного азота и малой объемной долей упрочняющих нитридов хрома. Из-за этого твердость слоя и его износостойкость практически не повышаются по сравнению с необработанными деталями. При повышении концентрации аммиака в газовой смеси более 75% объемная доля упрочняющих нитридов хрома достигает своего предела, так как на поверхности образуется сплошная нитридная корка, которая препятствует проникновению активного азота вглубь стали. Поэтому рост толщины азотированного слоя замедляется, а увеличение твердости и износостойкости поверхности практически прекращается. Более того, из-за активного связывания хрома в нитриды и преимущественного образования высшего нитрида Cr₂N вместо CrN происходит сильное снижение концентрации хрома в твердом растворе, что ведет к понижению коррозионной стойкости стали.

Выполнение способа проиллюстрировано на примерах. Процесс высокотемпературного азотирования проводился согласно предлагаемого способа на деталях-образцах из коррозионно-стойкой стали 10Х18Н9Т при нагреве до температуры 1100°С и выдержке образцов в смеси аммиака с аргоном в течение 3-х часов. Характеристики механических свойств, толщины азотированных слоев и показатели коррозии после различных режимов обработки показаны в таблице.

Пример 1. Обработка деталей-образцов из стали 10Х18Н9Т по способу, изложенному в прототипе. Детали-образцы нагревали в среде чистого аммиака до температуры 1100°С, выдерживали в течение 3 часов, затем охлаждали в печи, после чего применяли старение в виде нагрева до 750°С, выдержке в течение 20 часов и охлаждении вместе с печью в атмосфере аммиака. Значения твердости, характеристики износостойкости и показатели коррозии приведены в таблице.

Пример 2. Детали-образцы нагревали в атмосфере аммиака с аргоном (содержание аммиака в смеси 35%) до температуры 1100°С, выдерживали в течение 3-х часов, затем охлаждали в печи в атмосфере насыщающей смеси. Данный режим азотирования хотя и дает высокие показатели коррозионной стойкости, но не обеспечивает получения высоких характеристик твердости и износостойкости, так как низка объемная доля нитридов хрома в азотированном слое. К тому же толщина азотированного слоя при таком режиме азотирования слишком мала.

Пример 3. Обработка сплава по предлагаемому способу. Детали-образцы нагревали в аммиачно-аргонной смеси, содержащей 45% аммиака, до температуры 1100°С, выдерживали в течение 3-х часов, затем охлаждали в потоке насыщающей смеси вместе с печью. После азотирования образуются достаточно протяженные слои с повышенной твердостью и износостойкостью, близкими к показателям для образцов, обработанных по прототипу, но обладающие существенно более высокими показателями коррозионной стойкости (2 балла - "весьма стойкие"). Это связано с сохранением концентрации хрома в твердом растворе при умеренном образовании нитридов хрома.

Пример 4. Обработка сплава по предлагаемому способу. Детали-образцы нагревали в аммиачно-аргонной смеси, содержащей 60% аммиака, до температуры 1100°С, выдерживали в течение 3-х часов, затем охлаждали в атмосфере насыщающей смеси вместе с печью. Данный режим азотирования обеспечивает достаточную толщину слоя, высокую твердость и износостойкость выше показателей деталей-образцов, обработанных по прототипу, при показателях коррозионной стойкости, оценивающихся 3 баллами - "весьма стойкие". Такой режим азотирования следует признать оптимальным.

Пример 5. Обработка сплава по предлагаемому способу. Детали-образцы нагревали в аммиачно-аргонной смеси, содержащей 75% аммиака, до температуры 1100°С, выдерживали в течение 3 часов, затем охлаждали в потоке насыщающей смеси вместе с печью. Данный режим азотирования обеспечивает повышенную толщину слоя, более высокую твердость и износостойкость, чем показатели для деталей-образцов, обработанных по прототипу, что связано с получением высокой объемной доли упрочняющих нитридов и отсутствием процессов коагуляции, свойственных старению. При этом по показателю глубинной коррозии образцы оцениваются 4 баллами - "стойкие".

Пример 6. Детали-образцы нагревали в смеси аммиака с аргоном (содержание аммиака в смеси 85%) до температуры 1100°С, выдерживали в течение 3-х часов, затем охлаждали в печи в атмосфере насыщающей смеси. Данный режим азотирования хотя и обеспечивает высокую твердость и износостойкость слоя, но приводит к падению коррозионной стойкости до уровня 6 баллов - "понижено стойкие", так как избыточное выделение нитридов хрома свыше критического количества снижает концентрацию хрома в твердом растворе, что резко уменьшает стойкость против коррозии.

Таким образом, обработка деталей из хромоникелевой стали по предлагаемому способу позволяет повысить твердость и износостойкость поверхности деталей при обеспечении существенно более высоких показателей стойкости к коррозии по сравнению со способом, описанным в прототипе.

Из таблицы следует вывод, что техническое решение поставленной задачи, а именно повышение твердости и износостойкости хромоникелевых сталей при обеспечении высоких показателей коррозионной стойкости, достигается при азотировании в смеси аммиака с аргоном при поддержании концентрации аммиака в смеси в интервале 45-75%.

Таблица.
Результаты исследований свойств образцов исследуемого сплава, обработанных по предлагаемому способу и по способу, изложенному в прототипе.
№ примера	Содержание аммиака в смеси, %	Толщина азотиров. слоя, мкм	Твердость, HV, МПа	Линейный износ, мм	Скорость корро-зии, мм/год	Балл корроз. стойкости
1. Прототип	100%	195	6000	0,35	0,23	6
2. Предлагаемый способ	35%	120	4500	0,62	0,003	2
3. Предлагаемый способ	45%	180	5500	0,38	0,004	2
4. Предлагаемый способ	60%	200	6550	0,25	0,006	3
5. Предлагаемый способ	75%	205	6700	0,22	0,011	4
6. Предлагаемый способ	85%	195	6700	0,19	0,18	6