Способ химико-термической обработки изделий из железа и его сплавов

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ. СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоввтскииСоциалистическихРеспублик нн 956619(61) Дополнительное к авт. сеид-ву(22) Заявлено 1111 ф 0 (21)3002462/22-02 1 с 1 М К з с присоединением заявки НоС 23 С 11/10 Государственный комитет СССР но делам изобретений и открытий(53 УДК 621. 785.062 5 (088.8) Дата опубликования описания 0709,82 В.Б.Брик, И.Н.Бойчук, Г .Н.Закутин иМ.Т.Левчукь,ф(71) Заявитель Институт технической теплофиэики АН Украинской.ССР(54) СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЖЕЛЕЗА И ЕГО СПЛАВОВИзобретение относится к способам химико-термической обработки (ХТО) иэделий изжелеза и сплавов на его основе и может быть использовано в машиностроении, приборостроении и дру гих областях техники для повышения антикоррозиоиных, прочностных и других эксплуатационных свойств изделий.Известны различные виды ХТО материалов, к которым относится как нанесение на поверхность металлических покрытий - алитирование, хромирование, борирование и др , так и насыщение поверхности изделий неметаллическими элементами - цемевтация, азотирование,.нитроцементация. Большинство процессов ХГО включает обогащение поверхностных слоев изделия неметаллами и металлами иэ активной среды, для чего используют газовые, жидкие и твердые среды.Наиболее удобной и широко применимой дляхимико-термической обработки является газовая среда ее состав легко регулировать, она быстро прогревается до заданной температуры, позволяет сразу проводить закалку без повторного нагрева) и т.д. При этом изделие нагревают дотемпературы, при которой процесснасыщения поверхности данным элементом протекал бы достаточно интенсивноОднако верхний предел температуробычно ограничен из-эа возможностипротекания в материале процессов,приводящих, к необратимым структурным изменениям и снижению механических свойств изделий.Такую же опасностьпредставляетддительность процесса ХТО при заданной температуре. Все это приводитк необходимости интенсификации.химико-термической обработки,оОдним из способов интенсификации ХТО в газовой среде является 20 способ, по которому карбюризатор подают непосредственно на лопастикрыльчатки вейтилятора. При распылении крыльчатки обеспечивается интенсивное и равномерное распределение карбюратора в печном пространстве, при этом возрастает скорость прогрева карбюризатора и егореакций с атмосферой зоны насы. щения С 1 3.Однако процесс насыщения обрабатйВаеьых деталей остается еще956619 достаточно длительным, так как требует нагрева всей детали.Наиболее близким к предлагаемо- му по технической сущности и достигаемому результату является способ по которому поверхность изделия пбд вергают многократному импульсному нагреву струей насыщающего газа, истекающей с надкритической скоростью (сверхзвуковой), которая попадает непосредственно на поверхность обра батываемого иэделия.,Предварительный нагрев струей позволяет проводить необходимую степень диссоциации жид-. ких сред с целью получения насыщаю- щего газа оптимальных составов. При 15 этом струя газа является источником энергии и насыщающей средой одновременно, поэтому обработке могут подвергаться изделия различной фОрмы. Скорость процесса насыщения по описанному способу увеличивается за счет ускорения диффузионных процессов в поверхностном слое в условиях больших знакопеременных градиентов температур, что приводит к к повышению эффективности процесса в целом(23.Однако этот способ требует эмпирического подбора длительности прогрева изделия (например, в случае цементации железа температура насыщения составляет 900-950 ОС) при надкритической (сверхзвуковой) скорости истечения газовой струи, что усложняет его реализацию.Недостатком указанного способа является также то, что он не позво- З 5 ляет производить нагрев изделия до высоких температур (температуры обработки изделий по известному способу не превышают 650 ОС) .Цель изобретения - интенсификация 40 процесса ХТО иэделий из железа и сплавов на его основе.Поставленная цель достигается тем, что струю насыщающего газа предварительно нагревают до температуры существования О -модификации.Цементация железа и сплавов на его основе обычно происходит при 900-950 С (реже температура достигает 1150 С, так как при этой температуре происходит быстрый рост зерна, приводящий к снижению температуры перехода металла в хрупкое состояние). Несмотря на сравнительно высокие температуры, процесс ХТО происходит в области г -Ре, обладающей наиболее плотной ГЦК структурой и имеющей относительно низкие эначенюя эффективных коэффициентов диффузии. Данные о режимах и глубине слоя насыщения, а также о размере зерна65 приведены в таблице. Таким образом, дальнейшее повьгшение температуры не представляется целесообразным, необходимо радикальное возрастание коэффициента диффузии, значительно превышающее то,к 9 торое следует из экспоненциальной зависимости О =. 0(-О/йТ). Такая возможность для железа и сплавов на его основе имеется, поскольку железо обладает уникальной последовательностью полиморфных превращений; ОЦК-ГЦК-ОЦК. При 1400 С в железевновь образуется рыхлая ОЦК структура, и значения эффективных коэффициентов диффузии в этой областиОЦКРе существенно возрастают, чтоприводит к интенсификации процессаХТО. Таким образом, интенсификацияпроцесса ХТО и увеличение значений, эффективных коэффициентов диффузии при переходе у -Ре (ТЦК) вс-Ре (ОЦК) происходит не толькоза счет возрастания температуры, нотакже за счет перехода иэ плотноупакованной ГЦК структуры в рыхлуюОЦК структуру. Необходимо отметить,что резкое увеличение коэффицнентадиффузии и интенсификация процессаХТО при переходе из-Ее в д-Гене сопровождается ростом зерна, так как при этом происходит фазовая перекристаллизация, которая мржет приводить даже к измельчению аустенитного зерна, причем дополнительноеизмельчение (фрагментация) зеренпроисходит при обратном с(-т Ге переходе (при охлаждении). П р и м е р. Испытания проводят на образцах технического железа и стали 12 Х 2 НЗИА. Новый способ ХТО был апробирован на экспериментальной установке, включающей герметичную рабочую камеру в которую помещали исследуемые образцы размером 10 х 10 х 5 мм, и систему подачи насыщающего газа. Последняя состоит из баллона с насыщающим газом (природный газ 92-97 СН), змеевика, где газ может нагреваться до заданной температуры, и сопла для подачи газа на образец. Подача осуществляется таким образом, что газ из сопла попадает непосредственно на поверхность образца с заданной температурой и заданным расходом, Таким образом, нагрев поверхности образца производится за счет энергии струи газа. Испытания нового спосОба ХТО проводят в два этапа. В первом (режим 1) разогрев поверхности образцов доводят до 1410 С, т.а. до температуры существования высокотемпературной Р -модификации. Во втором - до 1150 С (для технического железа) и до 1300 С (для стали 12 Х 2 НЗМА).956619 Техническоежелезо,марка Модификация Глубинаслоямм Балл зерна Длительностьнасыщения Температура насыщения, ОС Режим Исход- Посленый ХТО 0,1 7 0,12 7 0,05 7 0,06 7 1.410 Ст,12 Х 2 НЗМА 1350 Ст.12 Х 2 НЗМА 15 1300 Формула изобретения Составитель Н.ШепитькоФТехред М. Надь Корректор А.Дзятко Редактор Л.Авраменко Тираж 1053 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Заказ 6526/8 Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4 Как следует из приведенныХ данных, новый способ химико-технической обработки, предусматривающий насыщение в. газовой среде СН 4 в области высокотемпературной рыхлойс -модификации технического железа и сплавов на его основе, приводит к значительному увеличению скорости насыщения по сравнению с насыщением в области плотноупакованнойф в .модификации.Из таблицы также видно, что при насыщении в области сР -модификации за счет г ф о переходов практи чески не наблюдается роста зерен, в то время как при насыщении в облас.ти у -модификации наблюдается заметный рост зерна.Таким образом, хймико-термическая 35 обработка изделий из железа и сплавов на его основе в области высокотемпературной сР-модификации с ОЦК структурой является благоприятной, так как достигаются чрезвычайно высо О кие скорости диффузии насыщения,поскольку процесспроисходит при высоких температурах в решетке с рыхлой структурой, что ведет к значитель 1ному сокрацению длительности ХТО(в 10 и более раз ), и предотвращается аномальный рост аустенитного зернаиз-за йрохождениядГЦК ОЦК)перехода, причемобратный переход может привести даже к измельчению(фрагментации) зерна. Способ химико-термической обработки изделий из железа и его сплавов,включающий обработку поверхности изделия струей насыщающего газа, истекающей с надкритической скоростью,отличающийся тем, что, сцелью интенсификации процесса насыщения, газовую струю предварительнонагревают до температуры существования высокотемпературной сР-модификации железа и его сплавов.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1Авторское свидетельство СССР .9 268467, кл. С 23 С 9/00, 1970.2, Авторское свидетельство СССРВ 620511, С 23 С 11/10, 1978;