RU2020188C1

RU2020188C1 - Method of metallic article nitrocementation

Info

Publication number: RU2020188C1
Authority: RU
Inventors: Б.И. Авилов; Б.М. Фиштейн; М.С. Степанов; П.К. Григоров; Б.Г. Карпенко; С.Н. Чуб
Original assignee: Научно-производственное акционерное общество "РостНИИТМ"
Priority date: 1990-02-08
Filing date: 1990-02-08
Publication date: 1994-09-30

Abstract

FIELD: chemical technology. SUBSTANCE: method involves addition of carbamide (4.5-13.5 g / 1 l free volume of converter) into sealed converter following by treatment of carbamide pyrolysis products in atmosphere at temperature 540-620 C. EFFECT: improved method of nitrocementation. 2 tbl

Description

Изобретение относится к области химико-термической обработки стальных изделий и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента, в частности, способом нитроцементации. The invention relates to the field of chemical-thermal treatment of steel products and can be used for surface hardening of machine parts and tools, in particular, nitrocarburizing method.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ химико-термической обработки, при котором насыщающая атмосфера создается непосредственно в печи при пиролизе азот- и углеродсодержащего вещества - карбамида СО(NH₂)₂.The closest to the proposed technical essence and the achieved result is a method of chemical-thermal treatment, in which a saturating atmosphere is created directly in the furnace during the pyrolysis of a nitrogen and carbon-containing substance - urea CO (NH ₂ ) ₂ .

Согласно этому способу, упрочняемые изделия помещают в термическую печь при температуре 580-620^oC, после чего создают насыщающую атмосферу путем равномерной подачи в печь с помощью специального дозирующего устройства карбамида, находящегося в состоянии поставки в виде гранул размером 1-2 мм. В процессе изотермической выдержки в азот- и углеродсодержащей атмосфере на поверхности изделия образуется диффузионный слой.According to this method, hardenable products are placed in a thermal furnace at a temperature of 580-620 ^o C, after which they create a saturating atmosphere by uniformly feeding urea into the furnace using a special dosing device in the form of granules 1-2 mm in size. In the process of isothermal exposure in a nitrogen and carbon-containing atmosphere, a diffusion layer forms on the surface of the product.

Недостатком данного способа обработки является низкая интенсивность образования диффузионного слоя, связанная с тем, что недостаточная скорость протекания абсорбционных процессов приводит к снижению концентрации насыщающего элемента на поверхности обрабатываемых изделий, что способствует уменьшению градиента концентрации диффундирующего элемента и соответственно уменьшению интенсивности диффузии. В то же время повышение концентрации азота на поверхности, осуществляемое регулирование параметров процесса обработки (температуры и подачи карбюризатора), приводит к образованию нитридных фаз, обладающих повышенной хрупкостью. Необходимость непрерывной подачи карбамида в печь приводит к нерациональному его использованию; кроме того, при реализации данного способа обработки требуется применение специальных дозирующих устройств. The disadvantage of this processing method is the low intensity of the formation of the diffusion layer, due to the fact that the insufficient rate of the absorption processes leads to a decrease in the concentration of the saturating element on the surface of the processed products, which helps to reduce the concentration gradient of the diffusing element and, accordingly, decrease the diffusion intensity. At the same time, an increase in the concentration of nitrogen on the surface, the regulation of the parameters of the processing process (temperature and feed of the carburizer), leads to the formation of nitride phases with increased fragility. The need for continuous supply of urea to the furnace leads to its irrational use; in addition, the implementation of this processing method requires the use of special metering devices.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. интенсификация процесса насыщения, снижение хрупкости диффузионного слоя на поверхности упрочняемых изделий, упрощение технологии процесса насыщения и уменьшение расхода карбамида. The aim of the invention is to remedy these disadvantages, i.e. intensification of the saturation process, reducing the fragility of the diffusion layer on the surface of hardened products, simplifying the technology of the saturation process and reducing the consumption of urea.

Поставленная цель достигается тем, что в способе нитроцементации стальных изделий, включающем обработку в атмосфере продуктов пиролиза карбамида, создается путем помещения карбамида одновременно с изделиями в герметичную реторту, причем содержание карбамида составляет 4,5-13,5 г на 1 л свободного объема реторты. This goal is achieved by the fact that in the method of nitrocarburizing steel products, including processing in the atmosphere of urea pyrolysis products, it is created by placing urea simultaneously with the products in an airtight retort, the urea content being 4.5-13.5 g per 1 liter of free volume of the retort.

При пиролизе карбамида и диссоциации аммиака протекают реакции

N

H

CO+0,5 N₂+0,5 H₂
Повышение по сравнению с атмосферным давления насыщающей атмосферы способствует интенсификации абсорбционных процессов на поверхности обрабатываемых изделий, на которой происходит более интенсивное возрастание концентрации насыщающего элемента, что приводит к увеличению градиента концентрации и соответственно ускорению диффузионных процессов. Кроме того, в соответствии с законом Сивертса, при повышении давления насыщающей среды увеличивается растворимость азота в металле, что предотвращает образование хрупких нитридных фаз на поверхности упрочняемых изделий.During pyrolysis of urea and dissociation of ammonia, reactions occur

N

H

CO + 0.5 N ₂ +0.5 H ₂
An increase in the saturation atmosphere pressure compared to atmospheric pressure contributes to the intensification of absorption processes on the surface of the processed products, on which a more intense increase in the concentration of the saturating element occurs, which leads to an increase in the concentration gradient and, accordingly, acceleration of diffusion processes. In addition, in accordance with the Sieverts law, with increasing saturation pressure, the solubility of nitrogen in the metal increases, which prevents the formation of brittle nitride phases on the surface of hardened products.

Пример конкретного выполнения. An example of a specific implementation.

Образцы из стали Р6М5 размером 25х25х10 мм подвергали нитроцементации с использованием предлагаемого способа. В реторту на ее дно помещали расчетное количество карбамида, а также образцы с помощью специального приспособления, обеспечивающего расстояние между карбамидом и образцами не менее 100 мм. При этом количество карбамида, необходимое для создания в печи требуемого давления, рассчитывали с использованием известного уравнения Менделеева-Клапейрона: PV =

RT, где Р - давление газов, V - объем реторты, m - масса карбамида, μ - молекулярная масса карбамида, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура. Применялись значения: V = 3х10^-3, м³, R = 8,314 Дж/моль К, μ = 60, Т = 813 К. Необходимое количество карбамида при этом равно: при Р = 1 атм 0,89 г/л, при Р = 5 атм 4,45 г/л, при Р = 10 атм 8,9 г/л, при Р = =15 атм 13,35 г/л, при Р = 20 атм 17,8 г/л.Samples of steel P6M5 measuring 25x25x10 mm were subjected to nitrocarburizing using the proposed method. The calculated amount of urea, as well as samples, were placed in the retort at its bottom using a special device that provided a distance between the urea and the samples of at least 100 mm. The amount of urea required to create the required pressure in the furnace was calculated using the well-known Mendeleev-Clapeyron equation: PV =

RT, where P is the gas pressure, V is the retort volume, m is the mass of urea, μ is the molecular mass of urea, R is the universal gas constant, and T is the absolute temperature. The values used were: V = 3x10 ^-3 , m ³ , R = 8.314 J / mol K, μ = 60, T = 813 K. The required amount of urea is equal to: at P = 1 atm 0.89 g / l, at P = 5 atm 4.45 g / l, at P = 10 atm 8.9 g / l, at P = 15 atm 13.35 g / l, at P = 20 atm 17.8 g / l.

Реторту после ее герметизации загружали в печь при температуре 540^oC. При этой температуре реторту выдерживали 20 мин и затем извлекали из печи.After sealing, the retort was loaded into the oven at a temperature of 540 ^° C. At this temperature, the retort was held for 20 minutes and then removed from the oven.

Результат обработки оценивали по микроструктуре, микротвердости, толщине и хрупкости диффузионного слоя. При этом использовали металлографический микроскоп МИМ-8 и микротвердомер ПМТ-3. Оценку хрупкости проводили при визуальном осмотре отпечатка, полученного при измерении микротвердости (шкала ВИАМ). Кроме того, определялась долговечность упрочненных деталей в эксплуатации - по стойкости режущего инструмента, обработанного предлагаемым способом, при этом использовали фрезы диаметром 88 мм из стали Р6М5, обрабатываемый материал - сталь 45Л. The processing result was evaluated by microstructure, microhardness, thickness and fragility of the diffusion layer. A MIM-8 metallographic microscope and a PMT-3 microhardness tester were used. The fragility was assessed by visual inspection of the fingerprint obtained by measuring the microhardness (VIAM scale). In addition, the durability of the hardened parts in operation was determined - by the resistance of the cutting tool processed by the proposed method, while milling cutters with a diameter of 88 mm were used from P6M5 steel, the material being processed was 45L steel.

Аналогичным образом были проведены эксперименты по нитроцементации при различном давлении газов в процессе обработки по предлагаемому способу, а также проводили нитроцементацию по известному способу. Результаты проведенных исследований приведены в табл.1 и 2. Similarly, experiments were carried out on nitrocarburizing at various gas pressures during processing by the proposed method, and nitrocarburizing was carried out according to a known method. The results of the studies are shown in tables 1 and 2.

При расходе карбамида менее 4,5 г/л не наблюдается существенного изменения свойств диффузионного слоя по сравнению с прототипом. Использование расхода свыше 13,5 г/л нецелесообразно вследствие того, что при этом необходимо применение особых мер безопасности, предусмотренных при работе с сосудами высокого давления, что затрудняет проведение обработки в обычных термических цехах и участках. When the urea consumption is less than 4.5 g / l, there is no significant change in the properties of the diffusion layer compared to the prototype. The use of a flow rate of over 13.5 g / l is impractical due to the fact that it is necessary to apply special safety measures provided for when working with pressure vessels, which complicates the processing in conventional thermal shops and sections.

Из данных табл.2 видно, что предлагаемый способ вследствие повышенной микротвердости и пониженной хрупкости диффузионного слоя обеспечивает увеличение стойкости обработанного инструмента по сравнению с известным способом. From the data of table 2 it can be seen that the proposed method due to the increased microhardness and reduced fragility of the diffusion layer provides an increase in the resistance of the processed tool in comparison with the known method.

Анализ приведенных данных позволяет сделать вывод о том, что предлагаемый способ обработки обладает необходимой технологичностью, характеризуется пониженным расходом карбамида, а диффузионный слой отличается повышенной интенсивностью формирования и пониженной хрупкостью, что способствует повышению эксплуатационных свойств упрочненных изделий. An analysis of the data presented allows us to conclude that the proposed processing method has the necessary manufacturability, is characterized by a reduced urea consumption, and the diffusion layer is characterized by an increased formation intensity and reduced brittleness, which contributes to an increase in the operational properties of hardened products.

Claims

METHOD OF NITROCEMENTATION OF STEEL PRODUCTS, mainly cutting tools, including processing in the atmosphere of urea pyrolysis products, characterized in that, in order to intensify the saturation process, increase operational stability by reducing the brittleness of the diffusion layer, simplify the process and reduce the consumption of urea, an atmosphere of urea pyrolysis products is created by placing urea simultaneously with the products in an airtight retort, the urea content being 4.5 - 13.5 g per 1 liter of free volume retorts.