Спосіб обробки деталей із сталей, легованих тугоплавкими нітридоутворюючими елементами

Изобретение относится к химико-термической обработке (ХТО) поверхностей деталей и может быть использовано для получения азотированных покрытий на стальных деталях, легированных тугоплавкими нитридообразующими элементами. Известен способ азотирования металлических изделий в плазме тлеющего разряда[1]. Сущность способа заключается в том, что обрабатываемую деталь помещают в замкнутый объем с азотсодержащей атмосферой при разряжении 133,3-1333 Н/м . Между катодом (изделие) и анодом (корпус печи) подают напряжение 400-1000 В. Ионы газа, бомбардируя поверхность детали, нагревают ее до температуры, которая может варьироваться в пределах 700-800 К. Процесс азотирования длится от нескольких десятков минут до 24 часов. Для этого способа азотирования характерны следующие недостатки: длительность процесса (до 24 часов); те хнологическая сложность процесса, обусловленная необходимостью обработки ,под вакуумом в узком интервале давлений 133,3-1333 Н/м 2. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ азотирования металлических изделий, включающий обработку изделий плазменной струей со среднемассовой температурой 6000-10000 К, содержащей атомарный и ионизированный азот, истекающий из сопла плазмотрона со скоростью 50-300 м/с, которую перемещают относительно обрабатываемой поверхности со скоростью (2-10)*10-3 м/с и последующим охлаждением [2]. По этому способу азот нагревается в электродуговом плазмотроне косвенного действия до температуры 6000-1000 К, Образовавшийся атомарный ионизированный азот, обладающий высокой энергией и химической активностью, подают через сопло плазмотрона по нормали на поверхность стальной детали, которая нагревается со скоростью 600-1000 К/с. Взаимодействие химически активного атомарного и ионизированного азота с поверхностью детали и обеспечивает ее азотирование. Недостатком известного способа является невысокая твердость и износостойкость деталей, связанная с низкой степенью внутреннего азотирования поверхностного слоя деталей. Количество образующи хся нитридов незначительно и большинство из них является нитридами железа, прочность которых меньше прочности нитридов легирующи х элементов. Задачей изобретения является усовершенствование способа обработки деталей из сталей, легированных тугоплавкими нитридообразующими элементами путем обработки плазменной струей азота с добавлением водорода или аммиака при температуре нагрева поверхностного слоя выше 1200 К, но ниже температуры плавления детали, что позволяет повысить твердость и износостойкость деталей из сталей за счет внутреннего азотирования поверхностного слоя деталей. Предлагается способ обработки деталей из сталей, легированных тугоплавкими нитридообразующими элементами, включающий обработку поверхности азотсодержащей плазмой со среднемассовой температурой струи 6000-10000 К, в котором, согласно изобретению, обработку проводят плазменной струей азота с добавлением 2-10 об.% водорода или 3-15 об.% аммиака при скорости истечения плазменной струи 500-1500 м/с температура нагрева поверхностного слоя выше 1200 К, но ниже температуры плавления детали, причем обработку проводят циклически с закалкой в последнем цикле. Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Для обеспечения высокой твердости и износостойкости деталей, работающих при динамических нагрузках, необходимо проводить азотирование без образования нитридногослоя, с получением равномерно распределенных в металлической матрице нитридов легирующи х элементов, и имеющих твердость более высокую, чем нитриды железа [2]. Для интенсивного протекания процесса азотирования необходимо обеспечить: - достаточное количество диссоциированного и ионизированного азота на поверхности детали; - его активную адсорбцию поверхностью; -достаточное время воздействия диссоциированной и ионизированной азотсодержащей среды для протекания диффузии в детали; - оптимальный температурный режим азотирования. Изобретение, выбранное нами в качестве прототипа отчасти позволяет поставить к поверхности диссоциированный и ионизированный азот. Однако, нагрев струей азотсодержащей плазмы с такой высокой температурой при относительно низкой скорости истечения плазменной струи происходит быстро - не более 5 с, в результате чего не обеспечивается подвод достаточного количества диссоциированного и ионизированного азота к поверхности детали, для протекания диффузии. С целью увеличения времени воздействия плазменной струи на деталь в предлагаемом способе химикотермическую обработку проводят в несколько термических циклов, представляющих собой проходы плазменной струи с нагревом поверхностного слоя до температуры выше 1200 К, но ниже температуры плавления. Нитриды железа, образующиеся в процессе азотирования при температуре выше 1175 К, неустойчивы и разлагаются (Прокошкин Д.А. Химико-термическая обработка металлов - карбонитрация. М., Металлургия, 1984, с. 15). Поэтому при нагреве поверхностного слоя детали выше 1173 К азотирование происходит за счет образования нитридов легирующи х элементов. Понижение температуры нагрева поверхностного слоя детали ниже 1200 К приводит к образованию хрупкого нитридного слоя. Повышение температуры нагрева поверхностного слоя детали до температуры плавления приводит к его подплавлению с нарушением геометрии поверхности. Прямое применение многократной обработки плазменной струей не приводит к увеличению азотированного слоя, так как после первого термического цикла (прохода), в результате взаимодействия разогретой поверхности детали с атмосферой, на ней образуется оксидная пленка, которая препятствуе т адсорбции атомов и ионов азота (Леонидова М.Н., Шворуман Л.А., Шульц Л.А. Физико-химические основы взаимодействия металлов с контролируемым атмосферами. М., Металлургия, 1980, 263 с). Для устранения оксидной пленки в процессе последующи х термических циклов в плазмообразующий газ добавляют 2-10% водорода или 3-15% аммиака, которые создают восстановительную атмосферу. При концентрации водорода менее 2% или аммиака менее 3% в результате инжекции воздуха в плазменную струю происходит его нейтрализация и атмосфера плазменной струи становится нейтральной. При увеличении добавок водорода в плазмообразующий газ свыше 10% и аммиака свыше 15%, происходит его интенсивное выгорание в плазменной струе до указанных в изобретении концентраций. Достаточное количество диссоциированного и ионизированного азота, обуславливающее азотнасыщающую способность атмосферы, может быть достигнуто за счет увеличения скорости потока азотсодержащей плазменной струи в результате активации адсорбционных процессов в слое Кнудсена (Коган М.Н., Макашев Н.К. О роли слоя Кнудсена в теории гетерогенных химических реакций и в течениях с реакциями на поверхности. - Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. 1971, № 6, с. 3-11). Повышение скорости истечения плазменной струи до 500 м/с позволяет повысить азотнасыщающую способность атмосферы до величины, необходимой для образования нитридов легирующи х элементов за время взаимодействия струи с поверхностью детали. Увеличение скорости истечения плазменной струи более 1500 м/с не дает увеличения степени азотирования, так как лимитирующей стадией процесса становится скорость диффузии азота в металле. При обработке плазменной струей возникают температурные напряжения, величина которых значительно увеличивается при закалке. Азотирование приводит к повышению хрупкости. При многократных термических циклах это приводит к растрескиванию поверхностного слоя детали. Для устранения этого недостатка закалка производится только в последнем термическом цикле. Таким образом предлагаемым способом удалось решить изложенные ниже задачи для интенсификации азотирования при плазменной обработке с целью повышения твердости и износостойкости стальных деталей: - обеспечение подвода достаточного количества диссоциированного и ионизированного азота к поверхности детали за счет повышения скорости истечения плазменной струи до 500-1500 м/с; - обеспечение адсорбции поверхностью стали за счет восстановления оксидной пленки при каждом термическом цикле в результате добавления в плазмообразующий газ 2-10% водорода или 3-15% аммиака и высокой скорости истечения плазменной струи; - обеспечение достаточного времени воздействия диссоциированной и ионизированной азотсодержащей атмосферы на деталь для протекания диффузии обеспечивается многократными термическими циклами; - проведение процесса азотирования без образования сплошного нитридного слоя с получением тугоплавких нитридов легирующи х элементов за счет оптимального температурного режима азотирования выше 1200 К, но ниже температуры плавления обрабатываемой марки стали; - предотвращение трещинообразования в азотированном слое детали вследствие проведения закалки только в последнем термическом цикле. Пример исполнения. Эксперименты проводились на опытной установке Днепропетровского химико-технологического института. В качестве образцов были выбраны детали от стали 38ХМЮА и ШХ15, Для испытания нового способа химико-термической, обработки выбраны следующим режимы: ток плазмотрона косвенного действия 350 А, напряжение 220 В, плазмообразующий газ азот, а в качестве добавок - водород и сжиженный аммиак. Среднемассовая температура плазменной струи составляла 8000 К, расстояние от среза плазмотрона до детали (5-10)*10-3 м, скорость перемещения плазменной струи (2-2,5)*10-3 м/с. Результаты экспериментов сведены в таблицу. Из анализа таблицы видно, что при осуществлении химико-термической обработки по прототипу твердость и износостойкость деталей соответствовала твердости и износостойкости при закалке (эксп. 1). Не происходило увеличение твердости и износостойкости при содержании водорода менее 2%, скорости плазменной струи ниже 500 м/с и температуре поверхностного слоя менее 1200 К (эксп. 7, 8, 9). При температуре поверхностного слоя выше 1700 К происходило подплавление поверхности и нарушались геометрия образца (эксп. 12), а при проведении закалок в каждом циклическом цикле на поверхности образовывались трещины (эксп. 5). В случае отсутствия закалки во всех термических циклах твердость и износостойкость были значительно ниже, чем в образцах, обработанных по прототипу (эксп. 6). Не происходило улучшение контролируемых свойств образцов по сравнению с обработанными по указанным в изобретении параметрам в случае увеличения содержания водорода в плазмообразующей смеси выше 10%, скорости истечения струи более 1500 м/с (эксп. 10, 11). Увеличение количества термических циклов до 3 (эксп. 13) и увеличение до 10 (эксп. 14) давало несколько меньшее или большее увеличение твердости и износостойкости по сравнению с 5 термическими циклами в результате меньшей или большей степени азотирования, возрастающей с количеством циклов. Эксперименты № 2, 3,4 проводились в соответствии с формулой изобретения. Предлагаемое техническое решение позволяет проводить внутреннее азотирование сталей, легированных тугоплавкими нитридообразующими элементами, позволяющими увеличить твердость поверхностного слоя на 4-12% на стали 38ХМЮА и на 10-12% на стали ШХ15, а износостойкость на 16-21% и 22-30% соответственно.