RU2291227C1 - Construction-steel parts surface hardening method - Google Patents

Abstract

FIELD: chemical and heat treatment processes, namely nitriding parts of construction steels in gas medium, possibly in machine engineering and other branches of industry.

SUBSTANCE: method comprises steps of preliminary heat treatment including stages of normalizing, tempering, quenching, annealing and controlling microstructure of part before nitriding; stabilizing tempering after preliminary mechanical working and then nitriding part surface at temperature 530°C during stages of heating, soaking and cooling in dissociated ammonium medium; denitriding surface layer of part at temperature 530 - 550°C and performing dehydrogenation annealing.

EFFECT: increased rigidity and wear resistance, lowered fragileness of surface layer of parts of construction steels.

1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к химико-термической обработке, а именно к азотированию деталей из конструкционных сталей в газовой среде, и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности.The invention relates to chemical-thermal treatment, namely to nitriding of parts from structural steels in a gaseous environment, and can be used in mechanical engineering and other industries.

Из уровня техники известен способ азотирования деталей (авторское свидетельство № 1199831, опубликовано 23.12.1985 г., МПК: С 23 С 8/26), включающий насыщение в среде аммиака при нагреве до температуры на 10-15°С выше α-γ- превращения в системе железо-азот, выдержке и охлаждении ниже α-γ- превращения в системе железо-азот, нагрев до 500-520°С, выдержку и окончательное охлаждение, причем с целью увеличения ударной вязкости и теплостойкости дополнительно производят предварительный нагрев до 500-520°С, выдержку и охлаждение до 420-450°С. К недостаткам данного способа следует отнести то, что он используется преимущественно для азотирования деталей из штамповой стали с карбидным упрочнением.The prior art method for nitriding parts (copyright certificate No. 1199831, published December 23, 1985, IPC: C 23 C 8/26), which includes saturation in the environment of ammonia when heated to a temperature of 10-15 ° C above α-γ- transformations in the iron-nitrogen system, holding and cooling below α-γ- transformations in the iron-nitrogen system, heating to 500-520 ° С, holding and final cooling, and in order to increase the impact strength and heat resistance, preheating to 500- 520 ° С, holding and cooling to 420-450 ° С. The disadvantages of this method include the fact that it is used mainly for nitriding parts made of stamped steel with carbide hardening.

Известен способ формирования износостойкого покрытия на поверхности изделий из конструкционной стали (патент № 2131480, опубликован 1999.06.10 МПК: С 23 С 14/06, C 23 C 14/48), включающий ионно-плазменное азотирование в среде реактивного газа - азота, очистку поверхности детали и нанесение нитрида титана из плазменной фазы, причем азотирование, очистку поверхности и нанесение нитрида титана осуществляют в одной вакуумной камере в плазме дугового и газового разряда с накаленным катодом в едином цикле, образуя на поверхности деталей трехслойную структуру. При этом азотирование проводят при давлении реактивного газа 5·10^-3-2·10^-2 мм рт.ст., отрицательном напряжении смещения на деталях 300-1000 В и плотности ионного тока 2-8 мА/см² в течение 30-90 минут, очистку проводят в плазме инертного газа - аргона - при давлении 3·10^-4-7·10^-4 мм рт.ст. и плотности тока 3-5 А/см^-2, а нанесение нитрида титана осуществляют со скоростью 2 мкм/ч в течение 60-90 минут при одновременной работе генератора газоразрядной плазмы и дугового испарителя при отрицательном напряжении смещения на детали 300-600 В, токе электродугового испарителя 50-200 А, давлении реактивного газа 3·10^-4-2·10^-3 мм рт.ст. К недостаткам данного способа можно отнести необходимость наличия дорогостоящего оборудования для осуществления ионно-плазменного азотирования.A known method of forming a wear-resistant coating on the surface of structural steel products (patent No. 2131480, published 1999.06.10 IPC: C 23 C 14/06, C 23 C 14/48), including ion-plasma nitriding in a reactive gas-nitrogen medium, purification the surface of the part and applying titanium nitride from the plasma phase, and nitriding, cleaning the surface and applying titanium nitride is carried out in a single vacuum chamber in an arc and gas discharge plasma with a glowing cathode in a single cycle, forming a three-layer structure on the surface of the parts. In this case, nitriding is carried out at a pressure of reactive gas of 5 · 10 ^-3 -2 · 10 ^-2 mm Hg, a negative bias voltage on the parts of 300-1000 V and an ion current density of 2-8 mA / cm ² for 30-90 minutes, the cleaning is carried out in a plasma of an inert gas - argon - at a pressure of 3 · 10 ^-4 -7 · 10 ^-4 mm Hg and a current density of 3-5 A / cm ^-2 , and the deposition of titanium nitride is carried out at a speed of 2 μm / h for 60-90 minutes with the simultaneous operation of a gas-discharge plasma generator and an arc evaporator with a negative bias voltage on the part of 300-600 V, current electric arc evaporator 50-200 A, reactive gas pressure 3 · 10 ^-4 -2 · 10 ^-3 mm RT.article The disadvantages of this method include the need for expensive equipment for ion-plasma nitriding.

Известен способ поверхностного упрочнения стальных деталей (авторское свидетельство № 1763517, опубликовано 23.09.1992, МПК: С 23 С 8/22, С 23 С 8/26), сущность которого заключается в азотировании или низкотемпературной цементации и последующей закалке в интервале температур, верхний предел которого составляет 650°С, а нижний ограничивают температурой эвтектоидного α→λ- превращения согласно диаграмме железо - азот. К недостаткам данного способа можно отнести невозможность его использования для изготовления деталей для высокоточного приборостроения в связи с тем, что после упрочнения необходима низкотемпературная закалка.A known method of surface hardening of steel parts (copyright certificate No. 1763517, published on 09/23/1992, IPC: С 23 С 8/22, С 23 С 8/26), the essence of which is nitriding or low-temperature cementation and subsequent quenching in the temperature range, the upper the limit of which is 650 ° C, and the lower limit is limited by the temperature of the eutectoid α → λ-transformation according to the iron-nitrogen diagram. The disadvantages of this method include the impossibility of its use for the manufacture of parts for high-precision instrumentation due to the fact that after hardening requires low-temperature hardening.

Наиболее близким по технической сущности является способ двухступенчатого газового азотирования деталей из конструкционных сталей (патент RU № 1721119, опубликован 23.03.1992 г., МПК: С 23 С 8/06), который и выбран в качестве прототипа. Целью изобретения является интенсификация процесса насыщения, повышение износостойкости и сохранение размеров деталей. Изделие подвергают двухступенчатому азотированию в среде диссоциированного аммиака, первую ступень проводят при 500-520°С в течение 0,5-2,0 ч, а вторую при 540-560°С в течение 0,5-3,0 ч, причем нагрев, выдержку и охлаждение ведут в постоянном магнитном поле.The closest in technical essence is the method of two-stage gas nitriding of parts from structural steels (patent RU No. 1721119, published 03/23/1992, IPC: C 23 C 8/06), which is selected as a prototype. The aim of the invention is to intensify the saturation process, increase wear resistance and preserve the size of parts. The product is subjected to two-stage nitriding in a medium of dissociated ammonia, the first stage is carried out at 500-520 ° C for 0.5-2.0 hours, and the second at 540-560 ° C for 0.5-3.0 hours, and heating , exposure and cooling are in a constant magnetic field.

Недостатком данного способа является необходимость наличия дополнительного оборудования для создания магнитного поля.The disadvantage of this method is the need for additional equipment to create a magnetic field.

Технический результат изобретения заключается в повышении твердости и износостойкости и снижении хрупкости поверхностного слоя деталей из конструкционных сталей.The technical result of the invention is to increase the hardness and wear resistance and reduce the fragility of the surface layer of parts made of structural steels.

Технический результат достигается за счет того, что способ упрочнения поверхностного слоя деталей из конструкционных сталей содержит предварительную термическую обработку, включающую нормализацию, отпуск, закалку, отпуск, а также контроль микроструктуры перед азотированием, стабилизирующий отпуск после предварительной механической обработки. После чего проводят азотирование поверхности при температуре 530°С, включающее нагрев, выдержку и охлаждение в среде диссоциированного аммиака, время выдержки в зависимости от толщины азотируемого слоя составляет 1,5-30 часов, затем проводят деазотирование поверхности при температуре (530-550)°С и обезводораживающий отжиг.The technical result is achieved due to the fact that the method of hardening the surface layer of parts made of structural steels includes preliminary heat treatment, including normalization, tempering, hardening, tempering, as well as control of the microstructure before nitriding, stabilizing the tempering after preliminary machining. After that, nitriding of the surface is carried out at a temperature of 530 ° C, including heating, exposure and cooling in dissociated ammonia, the exposure time depending on the thickness of the nitrided layer is 1.5-30 hours, then the surface is nitrided at a temperature of (530-550) ° C and dehydrating annealing.

Конструкционным сталям (например, марки 38Х2МЮА) свойственны некоторые дефекты металлургического характера (столбчатый излом, наличие феррита и т.д.). Для устранения этих дефектов и получения высокого качества азотированного слоя производится предварительная термическая обработка заготовок, включающая следующие операции: нормализацию, отпуск, закалку, отпуск на твердость HRC 28-32. Эти операции позволяют получить оптимальную сорбитоообразную микроструктуру и размер зерна для азотирования.Structural steels (for example, 38Kh2MYuA grade) are characterized by some metallurgical defects (columnar fracture, the presence of ferrite, etc.). To eliminate these defects and to obtain a high quality nitrided layer, preliminary heat treatment of the workpieces is performed, which includes the following operations: normalization, tempering, hardening, tempering hardness HRC 28-32. These operations make it possible to obtain an optimal sorbitol-like microstructure and grain size for nitriding.

Азотирование связано с большими объемными изменениями, уменьшить которые призван стабилизирующий отпуск. Стабилизирующий отпуск проводят при температуре (550±10)°С с последующим медленным охлаждением деталей после предварительной механической обработки, что позволяет устранить их возможные деформации при азотировании. Стабилизирующий отпуск производят для снятия внутренних напряжений после предварительной механической обработки с целью избежания коробления деталей при азотировании. Припуск на деталях под механическую обработку должен быть не менее 0,5 мм на сторону. Детали выдерживают при температуре (550±10)°С в течение 3-4 часов, охлаждают.Nitriding is associated with large volume changes, which stabilizing tempering is designed to reduce. Stabilizing tempering is carried out at a temperature of (550 ± 10) ° C, followed by slow cooling of the parts after preliminary mechanical treatment, which eliminates their possible deformations during nitriding. Stabilizing tempering is performed to relieve internal stresses after preliminary mechanical treatment in order to avoid warping of parts during nitriding. The allowance on the parts for machining should be at least 0.5 mm per side. Details are kept at a temperature of (550 ± 10) ° С for 3-4 hours, cooled.

Азотирование производят с целью насыщения поверхности стальных деталей азотом для повышения твердости и износостойкости. Выдержать детали в среде разложенного аммиака при температуре азотирования (530±10)°С в течение времени, необходимого для получения заданной глубины азотированного слоя. Азотирование фосфатированных деталей производится в среде диссоциированного аммиака со степенью диссоциации 30-40% при температуре несколько выше оптимальной. Выбор температуры азотирования определяется требованиями к толщине и твердости слоя. Время выдержки при азотировании отсчитывается с момента достижения в печи заданной температуры и назначается в зависимости от требуемой глубины слоя и температуры процесса азотирования. Хрупкость может быть вызвана поверхностным обуглероживанием перед азотированием и перегревом при предварительной термической обработке. Наиболее часто хрупкость наблюдается у конструкционной стали 38Х2МЮА, содержащей алюминий на верхнем пределе. Контроль после азотирования производится по следующим параметрам: глубина слоя, твердость поверхности, хрупкость азотированного слоя. Проверяют визуально поверхность деталей. Азотированная нефосфатированная поверхность должна быть матово-серого цвета, азотированная фосфатированная - темного до черного. Наличие цветов побежалости не является браковочным признаком. Детали не должны иметь трещин, шелушения, сколов и затеков олова на азотированных поверхностях.Nitriding is carried out in order to saturate the surface of steel parts with nitrogen to increase hardness and wear resistance. Maintain parts in decomposed ammonia at a nitriding temperature of (530 ± 10) ° C for the time required to obtain a given depth of the nitrided layer. Nitriding of phosphated parts is carried out in a medium of dissociated ammonia with a degree of dissociation of 30-40% at a temperature slightly higher than optimal. The choice of nitriding temperature is determined by the requirements for the thickness and hardness of the layer. The exposure time during nitriding is counted from the moment the furnace reaches the set temperature and is assigned depending on the required layer depth and temperature of the nitriding process. Fragility can be caused by surface carburization before nitriding and overheating during preliminary heat treatment. Most often, brittleness is observed in structural steel 38Kh2MYuA containing aluminum at the upper limit. The control after nitriding is carried out according to the following parameters: layer depth, surface hardness, brittleness of the nitrided layer. Visually check the surface of the parts. The nitrided non-phosphated surface should be matte gray, the nitrided phosphated surface should be dark to black. The presence of discoloration is not a defect. Details should not have cracks, peeling, chips and smudges of tin on nitrided surfaces.

С целью снижения хрупкости применяют деазотирование для удаления избыточного (не связанного с легирующими элементами) азота нагревом азотированных изделий в течение 0,4-1,5 часов (в зависимости от глубины азотируемого слоя) при температуре (530-550°)С в атмосфере полностью диссоциированного аммиака. Степень диссоциации аммиака не менее 60%.In order to reduce brittleness, deitrogenation is used to remove excess (not associated with alloying elements) nitrogen by heating nitrided products for 0.4-1.5 hours (depending on the depth of the nitrided layer) at a temperature of (530-550 ° C) in the atmosphere completely dissociated ammonia. The degree of dissociation of ammonia is not less than 60%.

Деазотирование приводит, с одной стороны, к интенсивному удалению азота из поверхностных слоев путем взаимодействия его с водородом, а с другой стороны, к диффузии его вглубь. Снижение концентрации азота в поверхностном слое приводит к уменьшению хрупкости азотированного слоя без изменения его твердости.Deitrogenation leads, on the one hand, to the intensive removal of nitrogen from the surface layers by its interaction with hydrogen, and, on the other hand, to its deep diffusion. A decrease in the concentration of nitrogen in the surface layer reduces the brittleness of the nitrided layer without changing its hardness.

Далее производят отжиг с целью обезводораживания азотированных поверхностей. Выдерживают детали при температуре (170±10)°С в течение 3-4 часов, охлаждают на воздухе.Next, annealing is performed to dehydrate nitrided surfaces. Maintain parts at a temperature of (170 ± 10) ° C for 3-4 hours, cool in air.

Применение предлагаемого способа позволяет повысить твердость и износостойкость и снизить хрупкость поверхностного слоя деталей из конструкционных сталей.The application of the proposed method improves the hardness and wear resistance and reduce the fragility of the surface layer of parts made of structural steels.

Эффективность применения данного способа подтверждена практическими примерами при изготовлении зубчатых колес из конструкционной стали марки 38Х2МЮА. При этом использовался способ упрочнения поверхностного слоя деталей из конструкционных сталей, включающий нагрев, выдержку и охлаждение в среде диссоциированного аммиака. Производилась предварительная термическая обработка, включающая нормализацию, отпуск, закалку, отпуск, контроль микроструктуры перед азотированием, стабилизирующий отпуск после предварительной механической обработки. После чего проводили азотирование поверхности при температуре 530°С, время выдержки в зависимости от толщины азотируемого слоя составляло 1,5-30 часов, а также деазотирование поверхности при температуре (530-550)°С, при этом время выдержки составило 0,4-1,5 часа, затем детали подвергали обезводораживающему отжигу.The effectiveness of the application of this method is confirmed by practical examples in the manufacture of gears from structural steel grade 38X2MUA. In this case, a method of hardening the surface layer of parts made of structural steels was used, including heating, holding and cooling in dissociated ammonia. Preliminary heat treatment was carried out, including normalization, tempering, hardening, tempering, microstructure control before nitriding, stabilizing tempering after preliminary machining. After that, the surface was nitrided at a temperature of 530 ° С, the exposure time depending on the thickness of the nitrided layer was 1.5-30 hours, and the surface was also nitrided at a temperature of (530-550) ° С, while the exposure time was 0.4- 1.5 hours, then the parts were subjected to dehydrating annealing.

Данные, полученные в результате экспериментов, отражены в таблице.The data obtained as a result of the experiments are shown in the table.

Claims (1)

Способ упрочнения поверхностного слоя деталей из конструкционных сталей, включающий азотирование поверхности детали путем нагрева, выдержки и охлаждения в среде диссоциированного аммиака, отличающийся тем, что производят предварительную термическую обработку, включающую нормализацию с отпуском, закалку с отпуском, контроль микроструктуры перед азотированием, механическую обработку, стабилизирующий отпуск, затем проводят азотирование поверхности при температуре 530°С и времени выдержки 1,5-30 ч в зависимости от толщины азотируемого слоя и последующее деазотирование поверхности при температуре 530-550°С с выдержкой 0,4-1,5 ч, а затем детали подвергают обезводороживающему отжигу.The method of hardening the surface layer of parts made of structural steels, including nitriding the surface of the part by heating, holding and cooling in dissociated ammonia, characterized in that they carry out preliminary heat treatment, including normalization with tempering, quenching with tempering, control of the microstructure before nitriding, machining, stabilizing tempering, then nitriding the surface at a temperature of 530 ° C and holding time of 1.5-30 hours, depending on the thickness of the nitrided layer I and subsequent denitrification surface at a temperature of 530-550 ° C with a delay of 0.4-1.5 hours, and then subjected details obezvodorozhivayuschemu annealed.