RU2528537C1 - Ion-plasma nitration of long-sized steel part - Google Patents
Ion-plasma nitration of long-sized steel part Download PDFInfo
- Publication number
- RU2528537C1 RU2528537C1 RU2013133525/02A RU2013133525A RU2528537C1 RU 2528537 C1 RU2528537 C1 RU 2528537C1 RU 2013133525/02 A RU2013133525/02 A RU 2013133525/02A RU 2013133525 A RU2013133525 A RU 2013133525A RU 2528537 C1 RU2528537 C1 RU 2528537C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- minutes
- hydrogen
- cooling
- nitrogen
- temperature
- Prior art date
Links
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title claims description 11
- 239000010959 steel Substances 0.000 title claims description 11
- 238000006396 nitration reaction Methods 0.000 title abstract 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 44
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 32
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 28
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 12
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims abstract description 6
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 claims description 25
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 6
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 abstract description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 4
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 3
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 2
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N calcium nitrate Chemical compound [Ca+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N potassium nitrate Inorganic materials [K+].[O-][N+]([O-])=O FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000010333 potassium nitrate Nutrition 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005496 tempering Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области химико-термической обработки и может быть использовано при ионно-плазменном азотировании стальных изделий, например для обработки цилиндров скважинных насосов.The invention relates to the field of chemical-thermal treatment and can be used in ion-plasma nitriding of steel products, for example, for processing borehole pump cylinders.
Известен способ изготовления деталей из конструкционных сталей (патент RU №2250273, МПК C23C 8/26, опубл. 20.042006 г.), включающий улучшение, черновую обработку, стабилизирующий отпуск, окончательную механическую обработку, которую ведут путем двухкратной чистовой механической обработки с промежуточным и окончательным отпуском в селитровой ванне при температуре 520-540°C в течение 0,25-0,5 ч. Двухступенчатое газовое азотирование ведут с выдержкой в атмосфере аммиака сначала при температуре 510-515°С, затем при 540-545°C проводят в постоянном магнитном поле напряженностью 100-150 Э в течение 1-2 ч с последующим охлаждением со скоростью 20-30°C/мин.A known method of manufacturing parts from structural steels (patent RU No. 2250273, IPC C23C 8/26, publ. 20.042006), including improvement, roughing, stabilizing tempering, final machining, which is carried out by double finishing with intermediate and final vacation in a saltpeter bath at a temperature of 520-540 ° C for 0.25-0.5 hours. Two-stage gas nitriding is carried out with exposure to ammonia, first at a temperature of 510-515 ° C, then at 540-545 ° C magnetic field e.g. 100-150 field intensity E for 1-2 hours, followed by cooling at 20-30 ° C / min.
Недостатком известного изобретения является то, что данный вид азотирования неприемлем для обработки длинномерных трубных деталей, при котором неизбежен процесс коробления деталей, что приводит к необходимости введения последующих дополнительных операций правки и хонингования. Для достижения нормативных требований азотированные цилиндры с высокой твердостью покрытия подвергаются правке и хонингованию, что недопустимо. В результате нарушается азотированная рабочая поверхность и резко снижается ее коррозионная стойкость. Недостаток заключается также в длительности процесса азотирования.A disadvantage of the known invention is that this type of nitriding is unacceptable for processing long pipe parts, in which the process of warping parts is inevitable, which leads to the need for the introduction of subsequent additional editing and honing operations. To achieve regulatory requirements, nitrided cylinders with high coating hardness are straightened and honed, which is unacceptable. As a result, the nitrided working surface is violated and its corrosion resistance is sharply reduced. The disadvantage is also the duration of the nitriding process.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ ионно-вакуумного азотирования длинномерной стальной детали в тлеющем разряде (патент RU №2419676, МПК C23C 8/36, опубл. 27.05.2011 г.), включающий нагрев детали при температуре 400-500°C, изотермическую выдержку в течение 20-30 мин, предварительное азотирование при температуре 480-510°C в течение 60-120 мин, окончательное азотирование при температуре на 20-50°C выше температуры предварительного азотирования в течение 8-16 часов и охлаждение до 350-400°C в течение 40-60 мин.The closest in technical essence to the proposed is a method of ion-vacuum nitriding of a long steel part in a glow discharge (patent RU No. 2419676, IPC C23C 8/36, publ. 05.27.2011), which includes heating the part at a temperature of 400-500 ° C , isothermal exposure for 20-30 minutes, preliminary nitriding at a temperature of 480-510 ° C for 60-120 minutes, final nitriding at a temperature of 20-50 ° C above the temperature of preliminary nitriding for 8-16 hours and cooling to 350 -400 ° C for 40-60 minutes
При данной химико-термической обработке длинномерных стальных деталей в связи с прекращением охлаждения деталей в печи при температуре 350-400°C и при выгрузке их из печи происходит ускоренное остывание до температуры окружающей среды. Вследствие чего возможны возникновения внутренних напряжений. Поэтому не удается избежать деформаций длинномерной детали, особенно тонкостенных длинных цилиндров, к которым предъявляются повышенные требования по обеспечению прочности и износостойкости. Другим недостатком является то, что подачу азотсодержащей газовой среды осуществляют в течение всего цикла, что ведет к увеличенному расходу газа. Кроме того, при контакте горячего металла с воздухом на нем происходит образование окислов (посинение поверхности металла).In this chemical-thermal treatment of long steel parts, due to the cessation of cooling of parts in the furnace at a temperature of 350-400 ° C and when they are unloaded from the furnace, accelerated cooling to ambient temperature occurs. As a result, internal stresses are possible. Therefore, it is not possible to avoid deformations of a long part, especially thin-walled long cylinders, which are subject to increased requirements for ensuring strength and wear resistance. Another disadvantage is that the supply of a nitrogen-containing gas medium is carried out throughout the cycle, which leads to an increased gas flow. In addition, when hot metal comes into contact with air, oxides form on it (blue surface of the metal).
Технической задачей предлагаемого изобретения является сохранение геометрических размеров длинномерных стальных деталей за счет отсутствия деформации деталей после азотирования и сохранение поверхности металла от образования окисной пленки.The technical task of the invention is the preservation of the geometric dimensions of long steel parts due to the absence of deformation of the parts after nitriding and preservation of the metal surface from the formation of an oxide film.
Поставленная техническая задача достигается тем, в способе ионно-плазменного азотирования длинномерной стальной детали, включающем нагрев детали, изотермическую выдержку, предварительное азотирование, окончательное азотирование и охлаждение, согласно изобретению процесс охлаждения осуществляют последовательно, начиная с температуры 530°C до 370-390°C в течение 100-140 минут в плазме тлеющего разряда, далее до 240-260°C проводят в течение 100-140 минут и окончательное охлаждение до 140-160°C в течение 100-140 минут проводят в печи без воздействия плазмы, подачу ионизирующих газов осуществляют циклически, причем при нагреве до температуры 200-220°C ведут подачу газовой смеси водород, азот, метан в течение 15-20 минут, далее до температуры нагрева 400-440°C в течение 100-140 минут и при изотермической выдержке в течение 20-40 минут осуществляют подачу водорода, при дальнейшем нагреве до 480°C подают водород в течение 20-30 минут, предварительное азотирование ведут с участием водорода и азота в течение 100-140 минут, а окончательное азотирование ведут с участием азота, водорода и метана в течение 14-16 часов, охлаждение с температуры 530°C - 370-390°C ведут в среде азота и водорода в течение 120 минут и дальнейшее охлаждение до 150-170°C в течение 240 минут ведут с участием только азота.The technical problem is achieved by the fact that in the method of ion-plasma nitriding of a long steel part, including heating the part, isothermal exposure, preliminary nitriding, final nitriding and cooling, according to the invention, the cooling process is carried out sequentially, starting from a temperature of 530 ° C to 370-390 ° C for 100-140 minutes in a glow discharge plasma, then to 240-260 ° C is carried out for 100-140 minutes and the final cooling to 140-160 ° C for 100-140 minutes is carried out in a furnace without plasma exposure, The ionization of gases is carried out cyclically, and when heated to a temperature of 200-220 ° C, a gas mixture of hydrogen, nitrogen, methane is fed for 15-20 minutes, then to a heating temperature of 400-440 ° C for 100-140 minutes and at isothermal holding for 20-40 minutes, supply hydrogen, with further heating to 480 ° C, hydrogen is supplied for 20-30 minutes, preliminary nitriding is carried out with the participation of hydrogen and nitrogen for 100-140 minutes, and the final nitriding is carried out with the participation of nitrogen, hydrogen and methane for 14-16 hours, cooling from a temperature of 530 ° C to 370-390 ° C, they are conducted in an atmosphere of nitrogen and hydrogen for 120 minutes, and further cooling to 150-170 ° C for 240 minutes is carried out with the participation of only nitrogen.
Охлаждение обрабатываемых деталей по вышеуказанной схеме позволяет выполнить процесс охлаждения в замедленном мягком режиме, что исключает резкое остывание деталей с ускоренным формированием микрокристаллической структуры металла, ведущее к появлению внутренних напряжений и, как следствие, деформации. Контакт металла с воздухом при извлечении деталей при температуре 140-160°C не ведет к образованию оксидной пленки на поверхности. Таким образом, замедленное охлаждение длинномерной детали до температуры 140-160°C позволяет получить необходимую геометрическую точность без последующей механической обработки правки и хонингования. Цикличность подачи газовой смеси ведет к ее экономному расходованию.The cooling of the workpieces according to the above scheme allows the cooling process to be performed in slow slow soft mode, which eliminates the sharp cooling of the parts with the accelerated formation of a microcrystalline metal structure, leading to the appearance of internal stresses and, as a consequence, deformation. The contact of metal with air when removing parts at a temperature of 140-160 ° C does not lead to the formation of an oxide film on the surface. Thus, delayed cooling of a long part to a temperature of 140-160 ° C allows you to obtain the necessary geometric accuracy without subsequent machining of dressing and honing. The cyclical flow of the gas mixture leads to its economical consumption.
Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.
Технологический процесс химико-термической обработки азотируемых длинномерных стальных деталей представлен в следующей последовательности. Обрабатываемые длинномерные детали помещают в вакуумную камеру и осуществляют их нагрев в плазме тлеющего разряда. При нагреве с температуры 200-220°C ведут подачу газовой смеси водород, азот и метан в течение 15-20 минут. Далее нагрев ведут до температуры 400-440°C в течение 100-140 минут и осуществляют подачу водорода. Затем осуществляют изотермическую выдержку в течение 20-40 минут с подачей также водорода. Предварительное азотирование ведут с участием водорода и азота в течение 100-140 минут, а окончательное азотирование в среде азота, водорода и метана в течение 14-16 часов при температуре 520-540°C. Процесс охлаждения ведут последовательно. Охлаждение деталей осуществляют с температуры 520-540°C до 370-390°C, окончательное охлаждение до температуры 150-170°C проводят в печи без воздействия плазмы в течение 200-280 минут только в среде азота.The technological process of chemical-thermal treatment of nitrided long steel parts is presented in the following sequence. The processed lengthy parts are placed in a vacuum chamber and they are heated in a glow discharge plasma. When heated from a temperature of 200-220 ° C, a gas mixture of hydrogen, nitrogen and methane is fed for 15-20 minutes. Next, the heating is carried out to a temperature of 400-440 ° C for 100-140 minutes and hydrogen is supplied. Then carry out isothermal exposure for 20-40 minutes with the supply of hydrogen as well. Preliminary nitriding is carried out with the participation of hydrogen and nitrogen for 100-140 minutes, and the final nitriding in a medium of nitrogen, hydrogen and methane for 14-16 hours at a temperature of 520-540 ° C. The cooling process is carried out sequentially. The parts are cooled from a temperature of 520-540 ° C to 370-390 ° C, the final cooling to a temperature of 150-170 ° C is carried out in a furnace without plasma exposure for 200-280 minutes only in a nitrogen atmosphere.
Пример. Предлагаемым способом обрабатывали цилиндры скважинных насосов из стали 38Х2МЮА длиной 4277 мм, внутренний диаметр 31,75 мм, наружный диаметр 40,75 мм. Цилиндры загружали в печь в специальной оснастке по 48 штук. В начале процесса для вытеснения атмосферного воздуха из объема печи подавали газ (водород, азот, метан) при температуре 210°C в течение 18 минут. Далее нагрев печи до температуры 420°C осуществляли только в среде водорода в течение 120 минут с последующей изотермической выдержкой 30 мин. Нагрев до температуры 480°C осуществляли также с подачей водорода в течение 25 минут. Затем предварительное азотирование вели дополнительно с участием азота в течение 120 минут. Окончательное азотирование выполняли в среде азота, водорода и метана в течение 16 часов при температуре 530°C. После 16-часовой выдержки проводили последовательное охлаждение. Охлаждение с температуры 530°C до t 380°C проводили с участием азота и водорода в плазме тлеющего разряда в течение 120 минут. Дальнейшее охлаждение с t 380°C до t 250°C проводили в течение 120 минут и окончательное охлаждение до температуры 150°C в течение 120 минут осуществляли без воздействия плазмы только в среде азота. При температуре 150°C осуществляли выгрузку цилиндров из печи.Example. The proposed method processed the cylinders of borehole pumps made of steel 38Kh2MYuA with a length of 4277 mm, an inner diameter of 31.75 mm, an outer diameter of 40.75 mm. Cylinders were loaded into the furnace in a special snap of 48 pieces. At the beginning of the process, gas (hydrogen, nitrogen, methane) was supplied at 210 ° C for 18 minutes to displace atmospheric air from the furnace volume. Further, the furnace was heated to a temperature of 420 ° C only in a hydrogen atmosphere for 120 minutes, followed by an isothermal exposure of 30 minutes. Heating to a temperature of 480 ° C was also carried out with a supply of hydrogen for 25 minutes. Then preliminary nitriding was carried out additionally with the participation of nitrogen for 120 minutes. The final nitriding was carried out in an atmosphere of nitrogen, hydrogen and methane for 16 hours at a temperature of 530 ° C. After 16 hours, sequential cooling was performed. Cooling from a temperature of 530 ° C to t of 380 ° C was carried out with the participation of nitrogen and hydrogen in a glow discharge plasma for 120 minutes. Further cooling from t 380 ° C to t 250 ° C was carried out for 120 minutes and final cooling to a temperature of 150 ° C for 120 minutes was carried out without plasma exposure only in a nitrogen atmosphere. At a temperature of 150 ° C, the cylinders were unloaded from the furnace.
В результате получили технологический процесс азотирования с увеличением выхода годных цилиндров по геометрическим характеристикам с 98% до 99,7%, с полным отсутствием окисного посинения поверхности цилиндров и с полным соответствием азотированного слоя предъявляемым требованиям.As a result, we obtained a nitriding process with an increase in the yield of suitable cylinders in geometric characteristics from 98% to 99.7%, with a complete absence of oxide blue surface of the cylinders and with a complete compliance of the nitrided layer with the requirements.
Таким образом, использование предлагаемого способа азотирования длинномерной стальной детали позволяет за счет замедленного охлаждения до температуры, незначительно превышающей температуру окружающей среды, обеспечить сохранение требуемых геометрических характеристик обработанной детали и исключить оксидирование поверхности деталей. Благодаря этому обеспечивается бездеформационное и качественное упрочнение, что благоприятно влияет на эксплуатационные характеристики, и повышается экономическая эффективность производства.Thus, the use of the proposed method of nitriding of a long steel part allows, due to delayed cooling to a temperature slightly higher than the ambient temperature, to ensure the preservation of the required geometric characteristics of the machined part and to eliminate oxidation of the surface of the parts. Due to this, deformation-free and high-quality hardening is ensured, which favorably affects the operational characteristics, and the economic efficiency of production is increased.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013133525/02A RU2528537C1 (en) | 2013-07-18 | 2013-07-18 | Ion-plasma nitration of long-sized steel part |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013133525/02A RU2528537C1 (en) | 2013-07-18 | 2013-07-18 | Ion-plasma nitration of long-sized steel part |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2528537C1 true RU2528537C1 (en) | 2014-09-20 |
Family
ID=51582975
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013133525/02A RU2528537C1 (en) | 2013-07-18 | 2013-07-18 | Ion-plasma nitration of long-sized steel part |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2528537C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5855745A (en) * | 1997-04-23 | 1999-01-05 | Sierra Applied Sciences, Inc. | Plasma processing system utilizing combined anode/ ion source |
| UA77613C2 (en) * | 2005-12-08 | 2006-12-15 | Univ Nat Transp | Method for forming wear resistant coating |
| US7465478B2 (en) * | 2000-08-11 | 2008-12-16 | Applied Materials, Inc. | Plasma immersion ion implantation process |
| RU2370570C1 (en) * | 2008-01-09 | 2009-10-20 | Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования "Томский государственный университет" | Method of ion-plasma treatment of steel and hard alloy parts |
| RU2419676C1 (en) * | 2009-11-12 | 2011-05-27 | Закрытое акционерное общество "Торговый дом ПКНМ" | Procedure for ion-vacuum nitriding long-length steel part in glow discharge |
-
2013
- 2013-07-18 RU RU2013133525/02A patent/RU2528537C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5855745A (en) * | 1997-04-23 | 1999-01-05 | Sierra Applied Sciences, Inc. | Plasma processing system utilizing combined anode/ ion source |
| US7465478B2 (en) * | 2000-08-11 | 2008-12-16 | Applied Materials, Inc. | Plasma immersion ion implantation process |
| UA77613C2 (en) * | 2005-12-08 | 2006-12-15 | Univ Nat Transp | Method for forming wear resistant coating |
| RU2370570C1 (en) * | 2008-01-09 | 2009-10-20 | Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования "Томский государственный университет" | Method of ion-plasma treatment of steel and hard alloy parts |
| RU2419676C1 (en) * | 2009-11-12 | 2011-05-27 | Закрытое акционерное общество "Торговый дом ПКНМ" | Procedure for ion-vacuum nitriding long-length steel part in glow discharge |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107245691B (en) | Surface strengthening method for metal material composite heat treatment | |
| CN101648334A (en) | Manufacturing technique of austenitic stainless steel cold-rolled plate with good surface performance | |
| RU2419676C1 (en) | Procedure for ion-vacuum nitriding long-length steel part in glow discharge | |
| CN113999953B (en) | Chemical heat treatment method of high-hardness 38CrMoAl nitrided steel | |
| RU2528537C1 (en) | Ion-plasma nitration of long-sized steel part | |
| JP2013221199A (en) | Method for producing bearing ring of rolling bearing | |
| RU2013118075A (en) | METHOD FOR COMBINED CHEMICAL AND THERMAL TREATMENT OF MACHINE PARTS FROM HEAT RESISTANT STEELS | |
| CN111593296A (en) | Martensitic stainless steel surface hardening agent and preparation method and application method thereof | |
| CN101805882A (en) | Process for controlling deformation of gas nitrocarburizing part | |
| KR101719452B1 (en) | Surface treatment method of hot forging mold and the hot forging mold | |
| CN106755860B (en) | A kind of combined processing surface modifying method of water jet shot-peening and plasma nitriding | |
| KR20130010257A (en) | Surface treatment method for plastic injection mold using plazma ion nitriding | |
| JP6171910B2 (en) | Manufacturing method of ferrous metal parts | |
| CN109266998A (en) | A kind of metal die high temperature resistant processing method | |
| RU2291227C1 (en) | Construction-steel parts surface hardening method | |
| RU2677908C1 (en) | Alloyed steel parts chemical-heat treatment method | |
| KR101414253B1 (en) | pressure nitriding heat treatment process | |
| CN106756759B (en) | Tough nitriding layer of a kind of ferrous alloy surface height and preparation method thereof | |
| RU2455386C1 (en) | Method to process long steel part | |
| CN110819936A (en) | Corrosion-resistant soft nitriding process method in ammonia-nitrogen-carbon dioxide atmosphere | |
| SE540497C2 (en) | Method of treating a workpiece comprising a titanium metal and object | |
| RU2684033C1 (en) | Method and device for processing metal articles | |
| Sakhanko et al. | Modern technologies of hardening of machine parts | |
| CN101280408A (en) | Manufacturing method of ceramet corrugated roller | |
| JPH0657400A (en) | Method for nitriding steel parts |