способ азотирования стальных изделий

Формула изобретения

Способ азотирования стальных изделий, включающий помещение изделия в емкость, заполненную азотосодержащей средой, подачу на изделие, являющееся катодом, и анод постоянного напряжения для создания между изделием и анодом электрического поля и осуществление процесса насыщения поверхности изделия азотом, отличающийся тем, что в качестве анода и азотосодержащей среды используют раствор электролита из следующего ряда веществ: раствор нашатыря, раствор аммиака, а перед процессом насыщения поверхности изделия азотом осуществляют плавное изменение напряжения в интервале 15-150 В, насыщение проводят при повышении напряжения в интервале 150-315 В, при этом азотирование проводят при атмосферном давлении.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке, в частности к азотированию стальных изделий, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин.

Известен способ азотирования стальных деталей в тлеющем разряде (ионное азотирование), которое проводят в разреженной азотосодержащей атмосфере, а именно в атмосфере аммиака (NН₃) при подключении обрабатываемых деталей к отрицательному электроду - катоду. Анодом является контейнер установки [1]. Между катодом - деталью, и анодом возбуждается тлеющий разряд, и положительные ионы газа, бомбардируя поверхность катода, нагревают ее до температуры насыщения. Процесс ионного азотирования реализуется в две стадии: первая - очистка поверхности катодным распылением, вторая - собственно насыщение. Катодное распыление проводят в течение 50-60 мин при напряжении 1100-1400 В и низком давлении 0,13·10²-0,26·10 ² Па. В процессе катодного распыления температура поверхности детали не превышает 250°С. Температура азотирования 470-580°С, давление 1,3·10²-13·10² Па, рабочее напряжение 400-1100 В, продолжительность процесса от 1 до 24 ч.

Недостатком способа ионного азотирования является низкая скорость процесса насыщения поверхностных слоев металла азотом, а также низкое давление азотсодержащей атмосферы, создание которого требует дополнительного оборудования.

Известен способ азотирования стали в тлеющем разряде, принятый в качестве прототипа, при котором обрабатываемое изделие помещают в герметичный контейнер и присоединяют к отрицательной клемме источника постоянного напряжения [2]. Над поверхностью изделия устанавливают изолированный от него анод. Из контейнера откачивают воздух до разрежения 0,01 мм рт.ст. и одновременно нагревают контейнер до 250°С. Затем заполняют контейнер азотом или аммиаком и смесью азота с водородом до давления 0,1-0,2 мм рт.ст. и подают на электроды напряжение 1100-1400 В. При этом в газе между катодом (изделием) и анодом возникает аномальный тлеющий разряд. В аномальном тлеющем разряде при таком давлении газа плотность тока разряда может достигать 0,1 А/см², а энергия ионов, бомбардирующих катод, - до 1 кэВ. Под действием интенсивной бомбардировки поверхности катода столь высокоэнергетичными ионами происходит распыление окисных пленок и загрязнений на поверхности катода. Этим осуществляется быстрая (за 5-60 мин) очистка поверхности изделия. Далее изделие подвергается азотированию. Напряжение на электродах понижают до 600-900 В, давление газа в контейнере повышают до 6-8 мм рт.ст., а температуру повышают до 470-580°С. При этом плотность тока разряда снижается до 0,5-20 мА/см² и уменьшается энергия ионов, бомбардирующих катод. Но в результате повышения давления газа увеличивается скорость насыщения поверхности изделия азотом. В этом режиме и осуществляют азотирование в течение нескольких часов.

Недостатком способа азотирования в тлеющем разряде является низкая скорость процесса насыщения поверхностных слоев металла азотом, например для стали 30ХМЮА она составляет всего 500 мкм за 14 ч. Низкая скорость азотирования в тлеющем разряде обусловлена низким рабочим давлением газа. Действительно, как растворимость газов в металле, так и скорость диффузии газа в металле, так и скорость хемосорбции газа растут с ростом давления газа. Поэтому применение в известном способе низкого давления (6-8 мм рт.ст.) крайне отрицательно сказывается на скорости азотирования. Но в известном способе давление газа не может быть поднято выше, потому что тлеющий разряд может существовать только при низких давлениях газа.

Технической задачей, решаемой изобретением, является увеличение скорости процесса азотирования, а также упрощение самого процесса азотирования.

Решение поставленной технической задачи решается тем, что изделие в качестве катода помещают в емкость с анодом, заполненную азотосодержащей средой, затем на катод и анод подают постоянное напряжение, создавая между изделием и анодом электрическое поле, и осуществляют затем процесс насыщения поверхности изделия азотом, согласно изобретению в качестве азотосодержащей среды и одновременно анода используют раствор электролита, при этом процесс азотирования ведут при атмосферном давлении, а к катоду и аноду подводят напряжение в интервале 15-315 В, причем процесс азотирования ведут в два этапа - подготовительный и собственно азотирование, при этом подготовительный этап проводят при плавно изменяемом напряжении в интервале 15-150 В, а процесс собственно азотирования ведут после образования газовой рубашки между изделием и электролитом при напряжении в интервале 150-315 В.

На решение поставленной задачи направлено также и то, что в качестве раствора электролита используют растворы из следующего ряда веществ: раствор нашатыря, раствор аммиака.

Решение поставленной технической задачи достигается за счет получения высокой напряженности электрического поля между анодом и катодом, которые в процессе азотирования разделены образующейся вблизи поверхностей газовой рубашкой.

В результате подведенного к катоду и аноду постоянного напряжения на границе "изделие-электролит" под действием электрического поля идет процесс активизации заряженных частиц электролита, воздействующих на поверхность изделия, что приводит к росту температуры в зоне контакта, а в дальнейшем - к созданию газовой рубашки, содержащей азот. Последний образует химическое соединение FeN₂, которое адсорбируется на поверхности. Далее при диссоциации химического соединения FeN₂ образуются ионы азота, которые диффундируют вглубь металла, в результате чего у изделия получается упрочненная поверхность, состоящая из зон химических соединений и твердого раствора азота в стали.

Способ реализуется следующим образом.

Изделие, например, из стали 38Х2МЮА помещают в емкость с анодом, заполненную азотосодержащей средой. В качестве последней может использоваться, например, раствор нашатыря. Затем на катод и анод подают постоянное напряжение. При этом между изделием и анодом создают электрическое поле. Далее ведут процесс насыщения поверхности изделия азотом из раствора электролита-нашатыря, в частном случае. Согласно изобретению в качестве азотосодержащей среды и одновременно анода используют взятый раствор электролита. При этом процесс азотирования ведут при атмосферном давлении, а к катоду и аноду подводят напряжение в интервале 15-315 В. Причем процесс азотирования ведут в два этапа - подготовительный и собственно азотирование. Подготовительный этап проводят, плавно изменяя напряжение в интервале 15-150 В, а процесс собственно азотирования ведут после образования газовой рубашки между изделием и электролитом при напряжении в интервале 150-315 В. В качестве раствора электролита можно, например, использовать также раствор аммиака.

При подключении постоянного напряжения к аноду и катоду на границе «изделие-электролит» появляется электрическое поле, которое вызывает ускоренное, упорядоченное движение заряженных частиц. Соударение заряженных частиц электролита с поверхностью изделия приводит к повышению температуры поверхности последней, в результате чего в зоне контакта катода с анодом образуется газовая рубашка. Последняя состоит из паров воды, свободных электронов, водорода, различных радикалов и ионов, один из которых содержит азот. Так как теплопроводность у газовой рубашки ниже, чем у жидкости-элетролита, то возникает значительное повышение температуры поверхности катода, т.е. изделия. При этом зона контакта электролита с поверхностью изделия, характеризующаяся наличием газовой рубашки, характеризуется также высокой напряженностью электрического поля, что объясняется малым расстоянием между анодом и катодом - порядка 50-100 мкм, а значение напряженности напрямую зависит от значения разности потенциалов.

Соударения положительно заряженных ионов, образованных в электролите, о поверхность изделия приводят к вылету с поверхности изделия свободных электронов и распылению ионов железа. Отрицательно заряженные частицы при соударении с анодом в виде электролита вызывают образование отрицательно заряженных ионов азота. При встрече положительно заряженных ионов железа и отрицательно заряженных ионов азота возможно образование химического соединения FeN ₂, который может адсорбироваться на поверхности изделия. При диссоциации химического соединения FeN₂ образуются ионы азота, которые диффундируют вглубь металла. В результате у изделия получается упрочненная поверхность, состоящая из зон химических соединений и твердого раствора азота в стали.

Процесс азотирования ведут в два этапа - подготовительный и собственно азотирование, при этом подготовительный этап необходим для подготовки к этапу собственно азотирования. Проведение подготовительного этапа в плавном режиме изменения напряжения в интервале 15-150 В дает возможность избежать короткого замыкания между катодом и анодом и активизировать молекулы электролита вследствие процесса электролиза при повышении температуры в результате соударения заряженных частиц электролита с поверхностью изделия.

Появление азотированного слоя наблюдается начиная с 20 секунд ведения химико-термической обработки, процесс отличается высокой скоростью. При снятии напряжения газовая рубашка захлопывается и детали резко охлаждаются - происходит нитрозакалка. Полученные образцы обладают высокой твердостью.

Данная химико-термическая обработка проводится при атмосферном давлении, что позволяет значительно упростить процесс азотирования без использований специального оборудования и способствует получению на поверхности изделия нитридных слоев с Е-фазой, повышающей коррозионную стойкость изделия.

Результаты испытаний в сравнении с прототипом приведены в таблице, в которой дан ряд примеров.

Пример 1. Обработка изделий по способу, изложенному в прототипе

Обработка изделия велась при созданном на аноде и катоде постоянном напряжении в 600-900 В и давлении 0,01 мм рт.ст. в течение 840 мин. Значение различных характеристик процесса и прочностных характеристик приведены в таблице.

Пример 2. Обработка изделий по предлагаемому способу

Обработка изделий из стали 38Х2МЮА проводилась при подведенном к аноду - электролиту и катоду - изделию постоянном напряжении в интервале 15-150 В на подготовительном I этапе, а на этапе собственно азотирования - в интервале 150-315 В и при нормальном атмосферном давлении. Минимальная длительность процесса обработки на этапе собственно азотирования составляет 5 мин, что позволяет получить достаточный по толщине нитридный слой на I поверхности изделия, обладающий значительной прочностью. Значительная разница в длительности процесса обработки свидетельствует о больших скоростях процесса азотирования по предлагаемому способу. Значения различных характеристик процесса и прочностных характеристик приведены в таблице. В качестве раствора электролита используется раствор нашатыря.

Пример 3. Обработка изделий по предлагаемому способу. Обработка изделий из стали Ст.3 проводилась при таких же условиях, как при обработке по предлагаемому способу для стали 38Х2МЮА. Значения различных характеристик процесса и прочностных характеристик приведены в таблице. В качестве раствора электролита используется раствор нашатыря.

Таблица 1
Результаты исследований свойств образцов исследуемого сплава, обработанных по предлагаемому способу и по способу, изложенному в прототипе.
№ примера	Напряжение, В	Напряженность электрического поля, кВ/м	Расстояние между катодом и анодом, мкм	Время процесса, мин	Толщина азотирован-ного слоя, мкм	Поверхностная твердость НV, МПа	Давление процесса, мм рт.ст.
1. Прототип 38Х2МЮА	600	12	5-104	840	500	9800	6
2. Предлагаемый способ 38Х2МЮА	50	500	100	-	-	-	760
100	1000	100	-	-	-	760
150	1500	100	5	200	10300	760
200	2000	100	5	400	6500	760
250	2500	100	3	250	5000	760
315	3150	100	1	600	-	760
3. Предлагаемый способ Ст.3	50	500	100	-	-	-	760
100	1000	100	-	-	-	760
150	1500	100	5	200	4500	760
200	2000	100	5	400	2500	760
250	2500	100	3	250	-	760
315	3150	100	1	600	-	760

Из таблицы следует вывод, что техническое решение поставленной задачи, а именно упрощение процесса азотирования, а также увеличение скорости процесса азотирования по сравнению со способом-прототипом, достигается при нормальном атмосферном давлении с высокой скоростью, зависящей от значения приложенного к аноду и катоду напряжения в пределах 15-315 В. При этом реализация изобретения не потребует устройств, необходимых для ведения процесса обработки при пониженном давлении, например герметичной ванны и вакуумных насосов и др. оборудования. В интервале 15-150 В ведется плавное повышение напряжения - этот подготовительный период характеризуется процессом электролиза, при этом процесс азотирования не идет. Далее, при дальнейшем повышении напряжения происходит образование газовой рубашки и начинается процесс азотирования. Начиная с напряжения 315 В при дальнейшем увеличении напряжения происходит распыление материала изделия, т.е. процесс азотирования прекращается. При напряжении ниже 15 В процесс активации частиц электролита практически полностью отсутствует.

Таким образом, изобретение позволяет значительно повысить скорость процесса азотирования и упростить сам процесс азотирования.

Источники информации:

1. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М., Металлургия, 1993, 448 с.

2. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование в тлеющем разряде. НИИИнформтяжмаш, № 8, М., 1974 (прототип).