Спосіб комбінованого низькотемпературного іонно-плазмового азотування матеріалів

Спосіб комбінованого низькотемпературного іонно-плазмового азотування матеріалів, що 3 Задачею корисної моделі є інтенсифікація процесів хіміко-термічної обробки матеріалів, зокрема низькотемпературного іонно-плазмового азотування, без застосування додаткового дорогого обладнання, заощадження часу і енерговитрат при проведенні термодифузійної обробки. Поставлена задача вирішується тим, що за відомим способом азотування в середовищі 75 % об. азоту і 25 % об. аргону при температурах 500... 560 °C (нижче точки Ас1) згідно з корисною моделлю, проводять попередню термоциклічну обробку "маятниковим" або середньотемпературним способами при швидкостях нагрівання 6,8...8,6 °C/с і оптимальному для кожного виду сталі числі циклів термообробки. Відомо, що в результаті термоциклічної обробки (ТЦО) сталей розмір величини зерна з 5 балів зменшується до 11... 12 балів і, відповідно, суттєво збільшується загальна довжина границь між зернами. Разом з тим, дифузія по границях зерен проходить з набагато більшою швидкістю, аніж в об'ємі зерна. Крім того, подрібнення зерна при ТЦО супроводжується підвищенням густини дислокацій, вакансій, локальних спотворень кристалічної ґратки та іншими дефектами кристалічної будови, що також веде до збільшення коефіцієнта дифузії азоту. При цьому, іонно-плазмове азотування проводиться при температурах нижче температури Ас1 що унеможливлює ріст зерен перліту і, отже, зберігається початкова протяжність міжзеренних границь і таким чином забезпечується висока стабільність коефіцієнта дифузії азоту в поверхневі шари стальних виробів, як на початку, так і в кінці процесу азотування. Приклад 1. Вироби із сталі 45 для досягнення швидкостей нагрівання в інтервалі 6,8...8,6 °C/с поміщали в попередньо прогріту до температури 1100 °C піч. Експериментальний підбір температури печі, необхідний для забезпечення відповідної швидкості нагріву, проводили шляхом побудови кривої нагріву зразка, знятої за допомогою термопари. В подальшому швидкість та температуру нагріву поверхонь виробів контролювали за часом їх перебування в печі. Аналогічно, для забезпечення швидкості охолодження в інтервалі 2...6 °C/с, знімали криву охолодження зразків. При "маятниковій" ТЦО вироби нагрівали до температури на 30...50 °C вище точки Ас1 і охолоджували до температури на 50...70 °C нижче точки Аr1 з числом циклів обробки 4...6. При середньотемпературній обробці зразки охолоджували до температури Аr1 на повітрі, а далі у воді. 66973 4 Наступне низькотемпературне іонно-плазмове азотування проводили при температурах 500 і 560 °C в середовищі: 75 % об. азоту і 25 % об. аргону та при тиску 90 і 200 Па на протязі 6 год. Для отримання порівняльних даних проводили іонноплазмове азотування зразків сталі 45 після нормалізації. Результати визначення мікротвердості і кавітаційно-ерозійної зносостійкості сталі 45 в 3 %-му розчині хлориду натрію до і після іонноплазмового азотування відомим і запропонованим способом приведених в таблиці показують, що твердість зросла в 1,1...1,86 рази, а кавітаційна стійкість в 1,1...1,7 разів при азотуванні після "маятникової" ТЦО і, відповідно, в 1,1...1,35 разів твердість та в 1,1...1,6 разів кавітаційна стійкість при азотуванні після середньотемпературної ТЦО. Приклад 2. Вироби із сталі 40Х піддавали "маятниковій" і середньо-температурній ТЦО при температурах на 50...70 °C вище точки Ac1 і охолоджували до температур на 30...50 °C нижче точки Аr1 при "маятниковій" ТЦО на повітрі, а при середньотемпературній ТЦО після охолодження на повітрі, остаточне охолодження проводили у воді. Число циклів термообробки приймали в межах 7...9. Іонно-плазмове низькотемпературне азотування проводили аналогічно, за наведеними у прикладі 1 режимами (таблиця 2). Металографічний аналіз показав, що в результаті "маятникової" ТЦО вдалося подрібнити зерно перліту сталей 45 і 40Х з початковим розміром в 4 бали до величини 10... 11 балів, величина зерна фериту при цьому не змінюється. Після середньотемпературної ТЦО структура зразка являє собою зернистий сорбітоподібний перліт. При "маятниковому" способі ТЦО проходить подрібнення перліту, а ферит залишається без змін. У результаті запропонованого комбінованого способу іонно-плазмового азотування сталі 40Х (таблиця 2) мікротвердість підвищується в середньому в 2...З рази, а кавітаційна стійкість в 1,9...2,2 рази залежно від виду ТЦО, числа термоциклів та режимів азотування. Отримані значення мікротвердості та кавітаційної стійкості сталі 40Х пояснюється високою, порівняно з нітридами заліза, твердістю, корозійною стійкістю нітридів хрому. Крім того, хром найбільш ефективно підвищує розчинність азоту в фериті [1], що підвищує його міцність і кавітаційну зносостійкість в цілому. 5 66973 6 Таблиця 1 Мікротвердість та кавітаційно-ерозійна стійкість сталі 45 Р=200Па, t=500 С =6 год. до азотув. після азотув. 230 330 17,2 10,4 Вид обробки Нормалізація Р=90Па, t=560 С =6 год. до азотув. після азотув. 230 370 17,2 9,8 Вид ТЦО Число циклів 4 225 16,8 360 10,1 225 16,8 450 9,4 Маятниковийй 5 215 16,6 380 9,9 230 16,6 580 7,2 6 215 16,4 440 9,7 230 16,2 690 5,8 4 220 16,7 701 11,2 230 17,0 870 6,6 5 224 16,8 790 6,8 228 17,2 865 6,2 6 240 16,7 770 6,8 232 17,0 870 6,3 Середньотемпературний 2 Чисельник - мікротвердість нітридної зони (HV); знаменник - втрати маси (мг/см ) Таблиця 2 Мікротвердість та кавітаційно-ерозійна стійкість сталі 40Х Р=200Па, t=500 С =6 год. до азотув. після азотув. 210 234 16,8 15,2 Вид обробки Нормалізація Р=90Па, t=560 С =6 год. до азотув. після азотув. 210 440 16,8 12,1 Вид ТЦО Число циклів 7 215 17,1 702 14,3 215 17,1 750 11,7 Маятниковий 8 210 17,6 548 14,2 218 17,4 890 6,4 9 210 17,0 651 12,1 214 17,2 830 6,7 7 220 16,7 701 11,2 230 17,0 870 6,6 8 224 16,8 790 6,8 228 17,2 865 6,2 9 240 16,7 770 6,8 232 17,0 870 6,3 Середньотемпературний 2 Чисельник - мікротвердість нітридної зони (HV); знаменник - втрати маси (мг/см ) Джерела інформації: 1. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Структура и прочность азотированных сплавов. - М.: Металлургия, 1982. 176 с. 7 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 66973 8 Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601