RU2082820C1 - Method of nitrocementation of steel - Google Patents

Abstract

FIELD: metal working and mechanical engineering. SUBSTANCE: invention relates to surface strengthening of machine parts using environmentally harmless technologies. Method includes determining critical rate of hardening of diffusion layer in order to properly select hardening medium when hardening parts; nitrocementation of parts at temperature below A with adding triethanolamine into furnace; and hardening of parts followed by light annealing. Method makes it possible to avoid using high temperatures (above 900 C), retain viscous kernel, and obtain high hardness and wear resistance of diffusion layer with its being sufficiently deep. Method is e.g. applicable when manufacturing parts for production treble in oil production industry. Method does not require non-standard equipment. EFFECT: enhanced efficiency of procedure. 2 cl, 3 tbl

Description

Изобретение относится к машиностроению и может использоваться при поверхностном упрочнении деталей машин с применением экологически чистых технологий. The invention relates to mechanical engineering and can be used for surface hardening of machine parts using environmentally friendly technologies.

Известны способы нитроцементации стали в среде продуктов пиролиза триэтаноламина с добавками аммиака или других веществ. Способы предусматривают одновременное насыщение стали углеродом и азотом. Known methods of nitrocarburizing steel in the environment of the products of the pyrolysis of triethanolamine with the addition of ammonia or other substances. The methods include the simultaneous saturation of the steel with carbon and nitrogen.

Применение углеродсодержащих газов с добавками аммиака от 1% до 50% (Шубин Р.П. Гринберг М.Л. Нитроцементация деталей машин. М. Машиностроение, 1975, с. 207). При этом после нитроцементации выполняется закалка. The use of carbon-containing gases with ammonia additives from 1% to 50% (Shubin R.P. Grinberg M.L. Nitrocementation of machine parts. M. Mechanical Engineering, 1975, p. 207). In this case, after nitrocarburizing, quenching is performed.

Низкотемпературная нитроцементация ("азотирование") с применением триэтаноламина (Лахтин Ю.М. Коган Я.Д. Азотирование стали. М. Машиностроение, 1976). Ориентация при этом делается на получение и сохранение поверхностной ε фазы. Закалка не применяется, в результате твердость поверхностного слоя мала (500 800 HV). Low-temperature nitrocarburizing ("nitriding") using triethanolamine (Lakhtin Yu.M. Kogan Y.D. Steel nitriding. M. Engineering, 1976). In this case, orientation is made on obtaining and maintaining the surface ε phase. Hardening is not applied; as a result, the hardness of the surface layer is low (500 800 HV).

Получение достаточно высокой твердости (Тарасова А.Н. Вакуумная нитроцементация мелкоразмерного инструмента из быстрорежущих сталей в муфельных малоэнергоемких печах. МиТОМ, 1994, N 4, с. 6). Однако, помимо три этаноламина в смесь добавляют моноэтаноламин и кубовые остатки регенерации этилового спирта. Obtaining a sufficiently high hardness (Tarasova AN, Vacuum nitrocarburizing of a small-sized tool from high-speed steels in muffle low-energy furnaces. MiTOM, 1994, N 4, p. 6). However, in addition to the three ethanolamines, monoethanolamine and bottoms of ethanol recovery are added to the mixture.

Известна газовая цементация с применением в качестве жидкого карбюризатора триэтаноламина (Шубин Р.П. Гринберг М.Л. Нитроцементация деталей машин. М. Машиностроение. 1975, с. 32). Однако при этом из-за высокой температуры (880^oC и выше) процесс энергоемок, приводит к окислению арматуры, муфеля печи и нагревателей, на деталях образуется отслаивающийся толстый слой сажи, что приводит к необходимости большого припуска (до 0,4 мм) на пескоочистку и механическую обработку. После высокотемпературной цементации необходима лишняя операция, например нормализация для измельчения зерна сердцевины детали.Known gas cementation using triethanolamine as a liquid carburizer (Shubin R.P. Greenberg M.L. Nitrocarburizing machine parts. M. Mechanical Engineering. 1975, p. 32). However, due to the high temperature (880 ^o C and above), the energy-intensive process leads to the oxidation of fittings, the furnace muffle and heaters, a peeling thick soot layer is formed on the parts, which leads to the need for a large allowance (up to 0.4 mm) on sand cleaning and machining. After high-temperature cementation, unnecessary operation is necessary, for example, normalization for grinding grain core parts.

За прототип принят способ газовой нитроцементации с применением триэтаноламина в качестве жидкого карбюризатора без добавки аммиака (Шубин Р.П. и Гринберг М.Л. со ссылкой на Гугель С.М.). Недостатки прототипа - применяется высокая температура выше A₃, не регламентируется скорость закалки диффузионного слоя, которая отличается от критической скорости закалки стали.The prototype adopted a method of gas nitrocarburizing using triethanolamine as a liquid carburizer without the addition of ammonia (Shubin R.P. and Grinberg M.L. with reference to Gugel S.M.). The disadvantages of the prototype - applies a high temperature above A ₃ , is not regulated by the rate of hardening of the diffusion layer, which differs from the critical rate of hardening of steel.

Задача изобретения расширить технологические возможности газовой нитроцементации с применением триэтаноламина, без добавки аммиака. The objective of the invention to expand the technological capabilities of gas nitrocarburizing using triethanolamine, without the addition of ammonia.

Задача достигается снижением температуры нитроцементации и обеспечением скорости закалки, равной или большей критической скорости закалки диффузионного слоя. The objective is achieved by lowering the temperature of nitrocarburizing and providing a quenching rate equal to or greater than the critical quenching rate of the diffusion layer.

Для реализации способа сначала на образцах, например диаметром 6 и длиной 16 мм, выполняют серию процессов нитроцементации по одинаковому режиму, но с разной скоростью закалки, для чего используют известную скорость охлаждения подобных стальных образцов в нескольких закалочных средах, затем находят по твердости критическую скорость закалки диффузионного слоя (Карпов Л. П. О критической скорости закалки. // МиТОМ, 1992, N 12, с. 3 5) и выбирают закалочную среду. Нитроцементацию проводят при температуре ниже A₃ стали, но выше 750^oC с выдержкой, достаточной для получения слоя заданной глубины с учетом снимаемого затем технологического припуска. Затем закаливают детали. При необходимости сохранения вязкой сердцевины ее не закаливают. Для этого после нитроцементации садку подстуживают в печи до температуры ниже A₁ стали, но выше A₁ диффузионного слоя, насыщенного азотом. Эта нижняя температура ограничивается еще и требованием обеспечить горящий факел - сжигание отходящих продуктов пиролиза триэтаноламина. В любом случае скорость охлаждения при закалке должна обеспечить закалку диффузионного слоя. При закалке в воде до теплого состояния, например методом окунания (во избежание трещин диффузионного слоя).To implement the method, first on samples, for example, with a diameter of 6 and a length of 16 mm, a series of nitrocarburizing processes is carried out in the same mode, but with a different quenching rate, for which a known cooling rate of similar steel samples in several quenching media is used, then the critical quenching speed is found by hardness diffusion layer (Karpov L.P. On the critical quenching rate. // MiTOM, 1992, N 12, p. 3 5) and choose a quenching medium. Nitrocarburization is carried out at a temperature below A ₃ steel, but above 750 ^o C with a shutter speed sufficient to obtain a layer of a given depth, taking into account then removed technological allowance. Then the parts are hardened. If it is necessary to maintain a viscous core, it is not tempered. For this, after nitrocarburizing, the cage is stirred in a furnace to a temperature below A ₁ steel, but above A _{1 a} diffusion layer saturated with nitrogen. This lower temperature is also limited by the requirement to provide a burning torch - burning of waste products of triethanolamine pyrolysis. In any case, the cooling rate during quenching should ensure the hardening of the diffusion layer. When quenching in water to a warm state, for example, by dipping (to avoid cracking of the diffusion layer).

Обработку холодом после закалки проводят при необходимости дополнительного повышения твердости слоя. В любом случае после закалки выполняют отпуск стали. Cold treatment after hardening is carried out if necessary to further increase the hardness of the layer. In any case, after quenching, steel tempering is performed.

Способ проверен практически при изготовлении шиберов задвижек фонтанной арматуры из стали 38Х2МЮА (два примера). Размер шибера пластина 25х80х200мм, вес 2 кг. Критическая скорость закалки диффузионного слоя в этом случае равна менее 500^oC/с, поэтому шиберы закаливали в воде комнатной температуры. Один пример приведен со сталью 18ХГ. Во всех примерах расход подача в печь триэтаноламина был равен 60-80 капель/мин.The method has been tested practically in the manufacture of gate valves for gates of steel valves 38Kh2MYuA (two examples). The size of the gate plate 25h80h200mm, weight 2 kg. The critical rate of hardening of the diffusion layer in this case is less than 500 ^o C / s, therefore, the gates were quenched in water at room temperature. One example is given with steel 18HG. In all examples, the feed rate of triethanolamine into the furnace was 60-80 drops / min.

Пример 1. Выполнялась нитроцементация шибера в печи СШЦМ 6,6/9И4 при 800^oC 8 ч с последующей закалкой после подстуживания садки в печи до температуры 700^oC.Example 1. Nitrocementation of a slide was carried out in an SSHCM 6.6 / 9I4 furnace at 800 ^° C for 8 hours, followed by quenching after the charge was cooled in the furnace to a temperature of 700 ^° C.

Твердость на поверхности шибера после закалки составляет 60-61 H C_Э, трещин не обнаружено. После обработки холодом и низкого отпуска 180^oC 4 ч твердость поверхности 63-64 H C_Э. После ступенчатой шлифовки по 0,05 мм каждой ступени (их 9) и 1,5 2,0 мм десятой ступени проверена твердость по трем зонам ступеней шибера и сердцевины (см. табл. 1).The hardness on the surface of the gate after quenching is 60-61 HC _E , no cracks were found. After processing with cold and low tempering 180 ^o C 4 h surface hardness 63-64 HC _E. After step grinding by 0.05 mm of each step (there are 9 of them) and 1.5 to 2.0 mm of the tenth step, hardness was checked for three zones of the gate and core steps (see Table 1).

Хрупкость отсутствует. При контроле на микрошлифе толщина диффузионного слоя равна 0,6 0,7 мм. Поверхностная твердость 890-927 HV. Люминесцентным методом трещин не обнаружено. Деформация на просвет не более 0,05 мм. There is no fragility. When monitoring on a microsection, the thickness of the diffusion layer is 0.6 0.7 mm. Surface hardness 890-927 HV. No cracks were detected by the luminescent method. Deformation to the clearance of not more than 0.05 mm.

При номере поверхностной твердости не менее 670 HV и глубине слоя 0,2-0,5 мм имеется запас глубины слоя на шлифовку (7х0,05=0,35 мм). With a surface hardness number of at least 670 HV and a layer depth of 0.2-0.5 mm, there is a margin of layer depth for grinding (7x0.05 = 0.35 mm).

По глубине диффузионного слоя проникновение азота составляет до 0,45 мм (анализ на рентгеновском микроанализаторе "Superprobe"-733"). Размер зерна сердцевины почти не изменяется или несколько растет на 0,5-1 номер (ГОСТ 5639-82). The penetration of nitrogen in the depth of the diffusion layer is up to 0.45 mm (analysis on a Superprobe-733 "X-ray microanalyzer). The grain size of the core remains almost unchanged or slightly increases by 0.5-1 number (GOST 5639-82).

Сравнительные испытания износостойкости азотированного шибера и после нитроцементации в триэтаноламине с закалкой показали износостойкость после нитроцементации. Износ поверхности образцов при вращении на станке "Нерис" со скоростью 200 об/мин на шкурках за первый опыт испытаний и второй (см. табл. 2) составил: после азотирования 0,351 и 0,81 мм, а после нитроцементации с закалкой 0,112 и 0,67 мм. Comparative tests of the wear resistance of a nitrided gate and after nitrocarburizing in triethanolamine with quenching showed wear resistance after nitrocarburizing. The wear of the surface of the samples during rotation on the Neris machine at a speed of 200 rpm on the skins for the first test experience and the second (see Table 2) amounted to: after nitriding 0.351 and 0.81 mm, and after nitrocarburizing with quenching 0.112 and 0 , 67 mm.

Пример 2. Выполнялась нитроцементация такого же шибера как описано в примере 1, но в другой печи Ц-105, выдержка при 800^oC нитроцементации увеличена и равна 10 ч вместо 8 ч. Закалка непосредственно после выдержки. Поверхностная твердость равна 831 HV и 64,5 HRC_Э. Хрупкость поверхности по ступеням балл 1 (отсутствует). Толщина диффузионного слоя равна 0,65 0,7 мм. Трещин не обнаружено. Твердость HV30 по ступеням шлифовки показана в табл.3.Example 2. Carried out nitrocarburizing the same gate as described in example 1, but in a different furnace C-105, the shutter speed at 800 ^o C nitrocarburizing increased and equal to 10 hours instead of 8 hours. Quenching immediately after exposure. Surface hardness is 831 HV and 64.5 HRC _E. The fragility of the surface in steps of grade 1 (absent). The thickness of the diffusion layer is 0.65 0.7 mm No cracks were found. The hardness of the HV30 in the grinding steps is shown in Table 3.

Пример 3. Из стали 18ХГ изготовлены образцы диаметром 90 и толщиной 27 мм. Торцы образцов шлифованы. Нитроцементация в триэтаноламине выполнена в печи СШЦМ-6,6/9И4 по режиму 800^oC 10 ч с непосредственной закалкой. Предварительно на образцах стали 18ХГ определили критическую скорость закалки диффузионного слоя, которая равна 380 390^oC/с. Средняя скорость охлаждения таких же образцов в воде с температурой 20^oC равна 490^oC/с, поэтому охлаждение образцов ⌀ 90х27 после нитроцементации выполнено в воде.Example 3. Samples with a diameter of 90 and a thickness of 27 mm were made from 18KhG steel. The ends of the samples are polished. Nitrocarburization in triethanolamine was carried out in an SSHCM-6.6 / 9I4 furnace at a regime of 800 ^o C for 10 hours with direct quenching. Previously, the critical rate of quenching of the diffusion layer, which is equal to 380 390 ^o C / s, was determined on samples of 18KhG steel. The average cooling rate of the same samples in water with a temperature of 20 ^o C is 490 ^o C / s, therefore, the cooling of samples ⌀ 90x27 after nitrocarburizing was performed in water.

Поверхностная твердость равна 61HPC_Э, по ступеням шлифовок через 0,05 мм: 58; 55; 50,5; 51; 49; 50; 50; 50 HRC_Э. Твердость сердцевины равна 44 HRC_Э.The surface hardness is 61HPC _E , according to the steps of grinding through 0.05 mm: 58; 55; 50.5; 51; 49; fifty; fifty; 50 HRC _E. The hardness of the core is 44 HRC _E.

Таким образом, глубина диффузионного слоя составляет более 0,4 мм, а глубина коррозионностойкой части слоя 0,1 мм. Thus, the depth of the diffusion layer is more than 0.4 mm, and the depth of the corrosion-resistant part of the layer is 0.1 mm.

Claims (2)

1. Способ нитроцементации стали, включающий насыщение стали в среде продуктов пиролиза триэтаноламина, подаваемого в печь с непосредственной закалкой и низким отпуском, отличающийся тем, что нитроцементацию проводят при температуре ниже критической А₃ для стали, но выше 750^oС, а закалку ведут со скоростью охлаждения, равной или большей критической скорости закалки диффузионного слоя.1. The method of nitrocarburizing steel, including saturation of steel in the environment of the products of the pyrolysis of triethanolamine fed to the furnace with direct quenching and low tempering, characterized in that nitrocarburizing is carried out at a temperature below critical A ₃ for steel, but above 750 ^o C, and quenching is carried out with cooling rate equal to or greater than the critical rate of quenching of the diffusion layer. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после закалки проводят обработку холодом. 2. The method according to claim 1, characterized in that after quenching, a cold treatment is carried out.

Images