SU1761812A1

SU1761812A1 - Method for heat treatment of steel alloyed with chromium and/or aluminium and oxidizing medium for realization thereof

Info

Publication number: SU1761812A1
Application number: SU904847685A
Authority: SU
Inventors: Виктор Николаевич Кусков
Original assignee: Тюменский индустриальный институт им.Ленинского комсомола
Priority date: 1990-07-12
Filing date: 1990-07-12
Publication date: 1992-09-15

Abstract

Сущность изобретени : В процессе термической обработки осуществл ют пассивацию стали в расплаве вакуумированной буры, содержащей 0,2-0,5 мас.% оксида железа (II), пропуска анодный ток дл поддержани потенциала в первые 15 минут в интервале 0,21-0,27 В, а затем - от 0,80 до 1,63 В. при 1050-1220 К в течение 1,5-3,0 часов с последующим охлаждением деталей на воздухе. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.The essence of the invention: In the process of heat treatment, the steel is passivated in the melt of an evacuated borax containing 0.2-0.5 wt.% Iron (II) oxide, the anode current is passed to maintain the potential in the first 15 minutes in the interval 0.21-0. , 27 V, and then - from 0.80 to 1.63 V. at 1050-1220 K for 1.5-3.0 hours, followed by cooling the parts in air. 1 hp f-ly, 1 tab.

Description

Изобретение относитс к области металлургии , а именно, к термической обработке стали, легированной хромом и/или алюминием, а также может быть использовано в машиностроительной, химической, нефт ной и других отрасл х народного хоз йства дл упрочнени деталей и снижени потерь от коррозии,The invention relates to the field of metallurgy, namely, to heat treatment of steel alloyed with chromium and / or aluminum, and can also be used in engineering, chemical, petroleum and other branches of the national economy to strengthen parts and reduce corrosion losses.

Известен способ термической обработки электротехнической стали, включающий отжиг в окислительной атмосфере при 1073...1123 К в течении 3...5 ч, в результате которого на поверхности стали образуетс защитна пленка и скорость дальнейшего окислени уменьшаетс Дл предупреждени обезуглероживани поверхности стальных изделий в процессе нагрева широко используют сол ные расплавы, содержащие буруThe known method of heat treatment of electrical steel, including annealing in an oxidizing atmosphere at 1073 ... 1123 K for 3 ... 5 h, as a result of which a protective film is formed on the steel surface and the rate of further oxidation is reduced to prevent the decarburization of the surface of steel products in the process. salt melts containing borax are widely used for heating

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, выбранным в качестве пртототипа, вл етс способ термообработки деталей из нержавеющих сталей, при котором образуетс поверхностна защитна пленка и обогащенный хромом подпленочный слой в результате термопассивации деталей при 473. 723 К в циркулирующей окислительной среде в течение 1,..5ч,The closest in technical essence and the achieved result, chosen as a prototype, is the method of heat treatment of stainless steel parts, which forms a surface protective film and chromium-enriched subfilm layer as a result of thermal penetration of parts at 473. 723 K in a circulating oxidizing medium for 1 .. 5h,

В качестве прототипа окислительной среды выбран известный состав дл защиты стали от окислени , который содержит 55 мас.% обезвоженной буры, 20 мас.% оксида никел , 10 мас.% талька и 15 мас.% этилового спирта.A known composition for protecting steel against oxidation, which contains 55% by weight of anhydrous borax, 20% by weight of nickel oxide, 10% by weight of talc and 15% by weight of ethanol, is chosen as the oxidative environment.

Основным недостатком известных способа и состава вл етс сравнительно невысока микротвердость подпленочного сло а также трудности отделени остатков расплава с поверхности стали после термообработки . Кроме того, дл создани термодинамически неустойчивого состо ни , обеспечивающего переход хрома из основного металла в подпленочный слой, необходима предварительна закалка деталей на твердый раствор, котора не только удлин ет и усложн ет процесс термической обработки, но и вл етс источником короблени и трещин Охлаждение после термопассивации осуществл етс строгоThe main disadvantage of the known method and composition is the relatively low microhardness of the subfilm layer as well as the difficulty of separating the residual melt from the surface of the steel after heat treatment. In addition, to create a thermodynamically unstable state that ensures the transition of chromium from the base metal to the subfilm layer, pre-hardening of parts on the solid solution is necessary, which not only lengthens and complicates the heat treatment process, but also is a source of distortion and cracks. thermal penetration is carried out strictly

(Л(L

VI ОVi o

0000

Ю YU

регламентированным образом, что также усложн ет технологию.in a regulated manner that also complicates the technology.

Цель изобретени - повышение производительности и качества термообработки за счет принудительного формировани защитной оксидной пленки и подпленочного сло , исключени предварительной операции закалки и регламентации охлаждени , увеличени микротвердости подпленочного сло .The purpose of the invention is to increase the productivity and quality of heat treatment by forcing the formation of a protective oxide film and the subfilm layer, eliminating the preliminary hardening operation and cooling regulation, and increasing the microhardness of the subfilm layer.

Поставленна цель достигаетс тем, что в процессе термической обработки стали, легированной хромом и/или алюминием, выполн ют нагрев, пассивацию в окислительной среде, охлаждение на воздухе и, согласно изобретению, в процессе пассивации через сталь пропускают анодный ток плотностью 0,6...11,5 А/дм , чтобы поддерживать потенциал обрабатываемых образцов в интервале от 0,21 до 0,27 В первые 15 мин и в интервале от 0,80 до 1,63 В - в последующем. При этом пассивацию осуществл ют в окислительной среде с пониженными окислительными характеристиками в течение 1,5...3,0 ч при температуре 1050...1220 К.This goal is achieved by heating, passivating in an oxidizing environment, air cooling and, according to the invention, anodic current of 0.6 density is passed through the steel during the heat treatment of steel alloyed with chromium and / or aluminum. .11.5 A / dm in order to maintain the potential of the processed samples in the range from 0.21 to 0.27 V for the first 15 minutes and in the range from 0.80 to 1.63 V in the following. In this case, passivation is carried out in an oxidizing environment with reduced oxidizing characteristics for 1.5 ... 3.0 hours at a temperature of 1050 ... 1220 K.

Поставленна цель достигаетс также тем, что в качестве окислительной электропровод щей среды используетс расплав вакуумированной буры, в который дл ускорени начальной стадии образовании пассивирующей пленки дополнительно ввод т 0,2...0,5 мас.% оксида железа (II).This goal is also achieved by using an evacuated borax melt as an oxidative electrically conductive medium, in which 0.2 ... 0.5 wt.% Iron (II) oxide is additionally introduced to accelerate the initial stage of the formation of a passivating film.

Поскольку расплав вакуумированной буры с добавкой оксида железа (II) предназначен дл достижени оптимальной скорости окислени поверхности стали, облегчени образовани пассивирующей пленки и пропускани электрического тока в процессе предлагаемого способа термической обработки, обеспечива выполнение цели изобретени , имеет место единый изобретательский замысел.Since the melt of the evacuated borax with the addition of iron (II) oxide is intended to achieve the optimal rate of oxidation of the steel surface, to facilitate the formation of a passivating film and the passage of electric current in the process of the proposed heat treatment method, ensuring that the purpose of the invention is fulfilled, a single inventive concept takes place.

Сравнение за вл емого способа с прототипом позволило установить его соответствие критерию новизна, т.к. получение защитной пленки и обогащенного легирующими элементами подпленочного сло осуществл етс не за счет предварительного создани термодинамически неустойчивого состо ни , а в результате принудительного направленного движени ионов под действием разности электрических потенциалов, что позвол ет регулировать степень обогащени подпленочного сло и получать более высокие концентрации легирующих элементов. Помимо хрома в подпленочный слой переводитс алюминий.Comparison of the proposed method with the prototype made it possible to establish its compliance with the novelty criterion, since The protective film and enriched with alloying elements of the underfilm layer are obtained not through the preliminary creation of a thermodynamically unstable state, but as a result of the forced directional movement of ions under the influence of the electric potential difference, which makes it possible to control the enrichment level of the undercoat layer and obtain higher concentrations of the alloying elements. In addition to chromium, aluminum is transferred to the subfilm layer.

Новым по сравнению с прототипом вл етс и введение в расплав оксида железаThe introduction of iron oxide into the melt is new compared to the prototype.

(II) вместо оксида никел , а также исключение талька (этиловый спирт необходим только на стадии подготовки состава дл нанесени на поверхность стали - в даль5 нейшем он улетучиваетс ).(Ii) instead of nickel oxide, as well as the elimination of talc (ethyl alcohol is necessary only at the stage of preparation of the composition for deposition on the surface of the steel - later it evaporates).

Обогащение поверхностной защитной пленки более пассивирующимис компонентами (в нашем случае хромом и алюминием ) известно, однако, об обогащенииThe enrichment of the surface protective film with more passivating components (in our case, chromium and aluminum) is known, however, about the enrichment

10 этими компонентами подпленочного сло не сообщаетс . Более того, в за вл емом способе хром и алюминий не просто концентрируетс в подпленочном слое, а вступают во взаимодействие с10 of these sub-layer components are not reported. Moreover, in the inventive method, chromium and aluminum are not simply concentrated in the subfilm layer, but interact with

5 присутствующими там элементами: углеродом , кислородом, железом - и образуют мелкодисперсные упрочн ющие фазы, что приводит к повышению микротвердости сло . Это позвол ет сделать вывод о соот0 ветствии за вл емого технического решени критерию существенные отличи .The five elements present there: carbon, oxygen, iron - and form fine hardening phases, which leads to an increase in the microhardness of the layer. This allows us to conclude that the technical solution meets the criterion of significant differences.

Введение оксида железа (II) в буру известно , однако именно за вл емый состав од- новременно обладает оптимальнойThe introduction of iron (II) oxide into bora is known, but it is precisely the claimed composition that simultaneously has the optimum

5 электропроводностью, с требуемой интенсивностью раствор ет оксиды железа, облегчает начальную стадию пассивации стали, достаточно хорошо удал етс в гор чей воде после термообработки, т.е. облада0 етсовокупностьютребуемых5, it dissolves iron oxides with the required intensity, facilitates the initial stage of steel passivation, is quite well removed in hot water after heat treatment, i.e. has the total required

характеристик, что позвол ет сделать выводcharacteristics, which allows to conclude

о соответствии за вл емой окислительнойabout compliance with the claimed oxidative

среды критерию существенные отличи .Wednesday criterion significant differences.

Примеры конкретного осуществлени Examples of specific implementation

5 предлагаемых изобретений сведены в таблицу . Во всех случа х нагрев образцов стали осуществл ли в печи сопротивлени с сили- товыми нагревател ми мощност ью 10 кВт и рабочим объемом 3 дм . Образцы представ0 л ли собой цилиндры высотой 20,5...30,0 мм и диаметром 10,9...11,8 мм. Токоподводы выполн ли из нержавеющей стали и защищали от соприкосновени с расплавом и атмосферой печи корундизовыми трубками5 proposed inventions are summarized in table. In all cases, the heating of the steel samples was carried out in a furnace with resistance with silicon heaters with a power of 10 kW and a working volume of 3 dm. The samples are cylinders with a height of 20.5 ... 30.0 mm and a diameter of 10.9 ... 11.8 mm. The current leads are made of stainless steel and protected from contact with the melt and furnace atmosphere by corundum tubes.

5 и замазкой из оксида алюмини и жидкого стекла. Навеску вакуумированной (при 1273 К и остаточном давлении 10 Па в течение 2,0...2,5 ч) буры с оксидом железа (II) массой 14... 17 г помещали в корундизовый тигель N;5 and putty from aluminum oxide and liquid glass. A weighed vacuum (at 1273 K and a residual pressure of 10 Pa for 2.0 ... 2.5 h) borax with iron oxide (II) weighing 14 ... 17 g was placed in a corundum crucible N;

0 4.0 4.

После достижени температуры пассивации в расплав погружали образец стали и два электрода (сравнени и рабочий), необходимые дл задани и поддержани потен5 циала термообработки с помощью потенциостата П-5848. Указанный потенци- остат способен поддерживать заданную величину потенциала до 4,0 В с точностью ±3,0%, максимально допустимый ток со- ставл ет 1,0 А. Электрод сравнени и рабочий электрод изготовл ли из обрабатываемой стали.After reaching the passivation temperature, a sample of steel and two electrodes (a comparison and a working one) were immersed in the melt. The indicated potential is capable of maintaining a predetermined potential value of up to 4.0 V with an accuracy of ± 3.0%, the maximum allowable current is 1.0 A. The reference electrode and the working electrode are made of treated steel.

После получасовой выдержки фиксировали потенциал обрабатываемого образца относительно электрода сравнени , который и принимали за начало отсчета. Затем в течение 15 мин анодно пол ризовали образец при с целью создани на его поверхности тонкой защитной оксидной пленки. После чего потенциал увеличивали до Дда и формировали подпленочный слой. После окончани времени обработки потен- циостат отключали, образцы извлекали из расплава и охлаждали на воздухе.After a half-hour exposure, the potential of the sample to be processed was fixed relative to the reference electrode, which was taken as the reference point. Then the sample was anodically polarized for 15 minutes with the aim of creating a thin protective oxide film on its surface. After that, the potential was increased to Dda and a film layer was formed. After the end of the treatment time, the potentiostat was turned off, the samples were removed from the melt and cooled in air.

Режимы термической обработки и характеристика образцов представлены в таблице .The heat treatment modes and characteristics of the samples are presented in the table.

Температурный интервал за вл емого способа термической обработки обусловлен соотношением скорости диффузии легирующих элементов в стали и скорости растворени образцов в расплаве. Превышение 1220 К приводит к значительному уменьшению размеров образца стали без увеличени толщины и микротвердости под- пленочного сло . Нижн граница температуры определ етс необходимостью повышени жидкотекучести буры после расплавлени .The temperature range of the proposed heat treatment method is determined by the ratio of the diffusion rate of alloying elements in steel and the rate of dissolution of the samples in the melt. Exceeding 1220 K leads to a significant decrease in the size of the steel sample without increasing the thickness and microhardness of the sub-film layer. The lower temperature limit is determined by the need to increase the fluidity of the borax after melting.

Потенциалы пассивации выбраны на основе изучени анодных пол ризационных кривых при высоких температурах большой группы сталей. При величинах пол ризации 0,21...0,27 В в большинстве случаев на поверхности стали образуетс оксидна пленка и начинает защищать металл от дальнейшего окислени , хот ее формирование еще не завершено. Область потенциалов от 0,80 до 1,63 В наиболее благопри тна дл диффузии легирующих компонентов в подпленочный слой. Выше 1,63 В начинает выдел тьс кислород, и при общей высокой плотности тока эффективность процесса снижаетс , В интервале пол ризаций от 0,27 до 0,80 В диффузи легирующих компонентов не прекращаетс , но обогащение подпленочного сло протекает с меньшей скоростью, чем в интервале от 0,80 до 1,63 В.The passivation potentials were chosen based on the study of anodic polarization curves at high temperatures of a large group of steels. At polarization values of 0.21 ... 0.27 V, in most cases, an oxide film forms on the surface of the steel and begins to protect the metal from further oxidation, although its formation is not yet complete. The potential range from 0.80 to 1.63 V is most favorable for the diffusion of alloying components into the subfilm layer. Above 1.63 V, oxygen begins to be emitted, and with a general high current density, the efficiency of the process decreases. In the polarization interval from 0.27 to 0.80 V, the diffusion of the alloying components does not stop, but the enrichment of the underfilm layer proceeds at a slower rate than in range from 0.80 to 1.63 V.

В таблице приведены данные о повышении микротвердости подпленочного сло в результате термической обработки по предлагаемому способу, что свидетельствует о по влении в нем упрочн ющих фаз в результате обогащени сло хромом и/или алюминием и взаимодействи легирующих с углеродом, кислородом и железом, которые присутствуют в этом слое (образцы №№ 1-8). Микротвердость защитной оксиднойThe table shows data on the increase in the microhardness of the subfilm layer as a result of heat treatment according to the proposed method, which indicates the occurrence of reinforcing phases in it as a result of enrichment of the layer with chromium and / or aluminum and the interaction of the alloying elements with carbon, oxygen and iron. layer (samples No. 1-8). Protective oxide microhardness

пленки достигала 23,8 ГПа. В прототипе (образцы №Ns 11 и 12) показатели упрочнени ниже. При несоблюдении условий предлагаемых изобретений (образцы N 9 и № 10)film reached 23.8 GPa. In the prototype (samples No. NS 11 and 12), the hardening indicators are lower. In case of non-compliance with the terms of the proposed inventions (samples N 9 and № 10)

упрочнение подпленочного сло находитс на уровне прототипа или менее.the hardening of the subfilm layer is at the level of the prototype or less.

Введение в буру оксида железа (II) смещает потенциал начала образовани защитной пленки на железе ARMKO с 0,28 до 0,21The introduction of iron (II) oxide into the drill shifts the potential of the beginning of the formation of a protective film on the ARMKO iron from 0.28 to 0.21

В при 1073 К, т.к. электролит обогащаетс ионами железа, что тормозит растворение оксида. Остатки расплава-прототипа и расплава с повышенным содержанием FeO (Ns 10) не до конца отдел ютс от детали в гор чей воде и приходитс прибегать к механическому их удалению. Предлагаемый расплав даже с учетом обогащени его железом в процессе термической обработки удовлетворительно отдел етс от детали вIn at 1073 K, because the electrolyte is enriched with iron ions, which inhibits the dissolution of the oxide. The remnants of the prototype melt and melt with a high content of FeO (Ns 10) are not completely separated from the part in hot water and must be resorted to their mechanical removal. The proposed melt, even taking into account its enrichment with iron during heat treatment, is satisfactorily separated from the part in

гор чей воде.hot water

Использование предлагаемого способа термической обработки стали и расплава позвол ет получать стабильную защитную пленку и подпленочный слой с повышеннойThe use of the proposed method of heat treatment of steel and melt allows to obtain a stable protective film and a subfilm layer with an increased

микротвердостью без предварительной операции закалки. Способ позвол ет обрабатывать литые, деформированные и обрабатываемые резанием детали. При этом в 1,6...4,3 раза повышаетс микротвердостьmicrohardness without prior hardening. The method allows machining of cast, deformed and machined parts. At the same time, microhardness increases by 1.6 ... 4.3 times.

сло , что исключает необходимость дополнительного введени легируюших элементов . За счет пассивирующей оксидной пленки повышаетс коррозионна стойкость деталей. Предлагаема технологи вл етс экологически чистой.layer, which eliminates the need for additional introduction of the alloying elements. Due to the passivating oxide film, the corrosion resistance of the parts increases. The proposed technology is environmentally friendly.

Claims

1. The method of heat treatment of steel, alloyed with chromium and / or aluminum, mainly low-alloyed,

including heating, passivation in an oxidizing environment, and air cooling, differing from the fact that, in order to increase the productivity of the process by eliminating the preliminary hardening operation and cooling regulation, improving the quality of processing by increasing the microhardness of the film layer, the passivation is carried out at a temperature of 1050 ... 1220 K for 1.5 ... 3.0 hours with the flow of anode current, which provides in the first 15 minutes the potential of the sample in the range of 0.21 ... 0.27 V, and at other times in the range of 0.80 ... 1.63 V.

2. An oxidizing medium for heat treatment of steel alloyed with chromium and / or aluminum, containing borax and ferromagnetic oxide, characterized in that it contains iron (II) oxide as a ferromagnet, and borax is evacuated in the following ratio of components, wt. .%:

iron (II) oxide vacuum borax

0.2-0.5; Rest.