改進(jìn)由金屬和合金制成的產(chǎn)品的機(jī)械性能的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及冶金領(lǐng)域，更具體地涉及由金屬主要是鋼及其合金制成的產(chǎn)品的熱化學(xué)表面處理，并且該方法可以用于為了增加產(chǎn)品的耐用性目的的產(chǎn)品硬化。一種改進(jìn)由金屬(主要是鋼和在其基礎(chǔ)上的合金)制成的產(chǎn)品的機(jī)械性能的方法包括在催化劑存在下在包含氮和/或其化合物的氣氛中對(duì)產(chǎn)品滲氮。在觀察氣壓和溫度影響情況的同時(shí)，使所述產(chǎn)品和所述催化劑同時(shí)經(jīng)歷熱等靜壓，所述氣壓和溫度影響使得能夠在所述產(chǎn)品的體積中獲得下述位錯(cuò)密度：所述位錯(cuò)密度滿足使所述產(chǎn)品物質(zhì)的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榈依宋镔|(zhì)的正電子狀態(tài)的條件。
【專(zhuān)利說(shuō)明】改進(jìn)由金屬和合金制成的產(chǎn)品的機(jī)械性能的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及冶金領(lǐng)域，具體地涉及由金屬（主要是鋼及其合金）制成的產(chǎn)品的熱 化學(xué)表面處理。

【背景技術(shù)】
[0002] 通過(guò)對(duì)產(chǎn)品表面層的硬化（例如，通過(guò)在氨或混合氣體的氣氛中在高溫和高壓 下對(duì)產(chǎn)品滲氮的氮化物涂層）來(lái)改進(jìn)金屬和合金產(chǎn)品的機(jī)械性能的方法是已知的。通過(guò) 產(chǎn)品表面預(yù)處理來(lái)獲得硬化層的硬度和深度的增加，例如，借助于通過(guò)利用電子束技術(shù) (SU1707997, C23C14/48,1997)或借助于激光加熱（RU2148676C1，C23C8/26, 2000)使用成 氮化物元素使產(chǎn)品表面合金化，并且在滲氮之后進(jìn)行后續(xù)退火。通過(guò)在產(chǎn)品表面層中形成 包含合金化元素的細(xì)分散氮化物的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)硬化。通過(guò)氮化物沉積工藝的速度進(jìn)而根據(jù) 維持退火溫度的精度和該過(guò)程的持續(xù)時(shí)間來(lái)確定硬化層的硬度和深度。
[0003] 基于具體為通過(guò)對(duì)空氣加壓然后冷卻然后在該溫度下滲氮的初步熱加工的方法 (RU2133299C1，C23F17/00，1999)是已知的，該方法排除了在擴(kuò)散通量沿垂直于形變方向取 向時(shí)細(xì)部結(jié)構(gòu)的再結(jié)晶。在擴(kuò)散通量沿垂直于形變方向取向時(shí)，在存在熱形變結(jié)構(gòu)的材料 中，氮擴(kuò)散得更深入并且所形成的氮化物分布得更均勻且緊密。然而，該方法主要對(duì)于由低 碳馬氏體鋼制成的產(chǎn)品的滲氮有效，而不適合低延展性的材料。
[0004] 在改變化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的催化劑（物質(zhì)和化合物）存在下通過(guò)氣體滲氮對(duì)金屬和 合金產(chǎn)品的硬化的方法是已知的。催化劑的結(jié)構(gòu)以及其影響機(jī)理可以是各種各樣的。
[0005] 例如，在由RU2208659C1，C23C8/30,2003專(zhuān)利提出的方法中，為了表面氮處理的 目的，使用高溫球形催化劑用于飽和氣體-空氣混合物在工作空間內(nèi)的受限流通以提供等 溫和擴(kuò)散工藝的加速（所謂的"噴砂"效應(yīng)）。
[0006] 在由專(zhuān)利 EP0408168, C23C8/02,1991 和專(zhuān)利 DE19652125, C23C8/24,1998 提出的 方法中，通過(guò)使用某些物質(zhì)作為催化劑（該催化劑與表面氧化物相互作用并且有效地剝落 工件表面并且有助于其塑化）來(lái)提供利用獲得深硬化層來(lái)強(qiáng)化滲氮工藝。
[0007] 當(dāng)氨氣的通量初步暴露于催化處理（RU2109080, C23C8/24,1998)時(shí)借助于各種 化學(xué)組成的催化劑的方法是已知的，所述催化劑例如，基于氧化鋁、氧化硅的化學(xué)組合物， 或由在其組成中包含各種金屬鉬族的活性催化元素的金屬及其合金制備。在由上述元素 和化合物的催化處理下的含氣體氣氛獲得關(guān)于氮化物對(duì)鋼和合金產(chǎn)品的影響方面的特定 活性，而對(duì)于本發(fā)明人的觀點(diǎn)，不穩(wěn)定的、高化學(xué)活性結(jié)構(gòu)（氮自由基、氫自由基、氧化自由 基、離子、離子自由基）為滲入到堅(jiān)固金屬基體并且與其反應(yīng)的含氣體介質(zhì)中的活性組分。 在滲氮過(guò)程期間引入特別影響氣體反應(yīng)物的轉(zhuǎn)變的催化劑因子使得能夠有目的的并且選 擇性地處理在這些工藝的過(guò)程中獲得的最終產(chǎn)物和中間產(chǎn)物的所有光譜。上述方法能夠改 進(jìn)鋼和在其基礎(chǔ)上獲得的合金的低溫表面浸漬（LTSI)的工藝（并且能夠去除在LTSI工藝 中產(chǎn)生的大量問(wèn)題），這是因?yàn)樵摲椒ㄔ谧罱咏F-氮二元相圖的條件下提供通過(guò)氮的金 屬飽和的過(guò)程，因此在受限的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了催化劑作為滲氮工藝的活化劑的能力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是改進(jìn)機(jī)械性能，特別為增加由金屬（主要為鋼和在其基礎(chǔ)上的合 金）制成的產(chǎn)品的硬度和沖擊強(qiáng)度。
[0009] 技術(shù)效果為通過(guò)強(qiáng)化氣體滲氮工藝來(lái)增加高強(qiáng)度而非粘性層的深度和均勻性。通 過(guò)設(shè)計(jì)影響產(chǎn)品材料的基本上為新的機(jī)制來(lái)提供強(qiáng)化，所述基本上為新的機(jī)制使得氮離子 能夠滲入到顯著大于常規(guī)深度的深度處。
[0010] 附加效果為工業(yè)處理耐火材料和低延展性材料的產(chǎn)品以及大尺寸產(chǎn)品和具有不 規(guī)則形狀的產(chǎn)品的可能性。
[0011] 以下面的方式解決該問(wèn)題：采用一種改進(jìn)由金屬制成的產(chǎn)品的機(jī)械性能的方法， 所述金屬主要為鋼及鋼基合金，該方法包括：在催化劑存在的情況下在含有氮和/或其化 合物的氣氛中進(jìn)行滲氮，在觀察氣壓和溫度影響情況的同時(shí)，將所述產(chǎn)品和所述催化劑同 時(shí)暴露于熱等靜壓，所述氣壓和溫度影響使得能夠在所述產(chǎn)品的體積中獲得下述位錯(cuò)密 度：所述位錯(cuò)密度滿足使所述產(chǎn)品物質(zhì)的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榈依宋镔|(zhì)的正電子狀態(tài)的條件。
[0012] 使用催化劑，使得在所述氣氛中能夠形成高活性介質(zhì)和/或化合物，所述高活性 介質(zhì)和/或化合物在所述產(chǎn)品的體積中形成正電子素的條件下引發(fā)過(guò)渡相的出現(xiàn)。在氣靜 壓腔（gasostat)中執(zhí)行熱等靜壓，并且對(duì)中空產(chǎn)品的滲氮從其內(nèi)表面執(zhí)行，而熱等靜壓在 lOOMPa至300MPa的氣壓和1500°C至2500°C的溫度限制下實(shí)施。使用周期系的第I族元素 作為催化劑。在對(duì)中空產(chǎn)品滲氮時(shí)，將催化劑置于產(chǎn)品的內(nèi)部，并且在通過(guò)利用產(chǎn)品設(shè)計(jì)的 元素執(zhí)行熱等靜壓。
[0013] 在滲氮工藝完成之后，通過(guò)退火實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的去雜質(zhì)和產(chǎn)品雜質(zhì)元素的純化。
[0014] 該方法的本質(zhì)可以進(jìn)行如下說(shuō)明。
[0015] 確定地是，在處理材料和飽和氣氛的穩(wěn)定相態(tài)中，滲氮是無(wú)效的，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)小 的可塑性和高的金屬變形阻力導(dǎo)致的低的氮擴(kuò)散，而在相變的條件下出現(xiàn)由氮而導(dǎo)致的堅(jiān) 固金屬基體的最強(qiáng)的飽和度。在這種情況下，氮擴(kuò)散得更深入，同時(shí)出現(xiàn)氮化物分布得更規(guī) 律且更密集。
[0016] 通過(guò)由熱等靜壓（在下文中稱(chēng)為HIP)影響產(chǎn)品和本催化劑來(lái)獲得產(chǎn)品材料的相 態(tài)不穩(wěn)定性的條件。HIP的特征在于該工藝使得能夠在不改變樣品的形狀的情況下設(shè)置大 的塑性變形。
[0017] 在塑性變形下，位錯(cuò)密度生長(zhǎng)，該位錯(cuò)為晶體結(jié)構(gòu)中主要類(lèi)型的缺陷、晶體中內(nèi)部 壓力的源。位錯(cuò)線，晶格的最大扭曲的位置。實(shí)際上，發(fā)生塑性變形是由于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和倍 增而引起的。金屬的可塑性和粘性是位錯(cuò)和在其上位錯(cuò)滑移的平面的充分性的結(jié)果，而變 形硬化是通過(guò)位錯(cuò)密度和位錯(cuò)交互作用的強(qiáng)化而導(dǎo)致的。
[0018] 與對(duì)于未扭曲晶體中的原子相比，靠近位錯(cuò)的原子從其平衡位置移出并且其移動(dòng) 到變形晶體中的新位置需要較少能量輸入。位錯(cuò)無(wú)法僅呈現(xiàn)作為熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。晶體高溫 變形對(duì)于在晶體的形成期間已經(jīng)出現(xiàn)的位錯(cuò)的滑移路徑中位錯(cuò)的開(kāi)始出現(xiàn)和增加是必要 的。在高溫變形的條件下，不僅位錯(cuò)密度增加，而且在晶體中的擴(kuò)散速度也增加，同時(shí)晶體 的化學(xué)穩(wěn)定性降低。在位錯(cuò)附近扭曲的區(qū)域越大，用于通過(guò)原子間鍵合的能量確定的位錯(cuò) 位移的能量勢(shì)壘越小。在這點(diǎn)上，在位錯(cuò)線附近晶體結(jié)構(gòu)變形，其中扭曲衰減與距離該線的 距離成反比。當(dāng)外部壓力達(dá)到對(duì)于開(kāi)始位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)（在位錯(cuò)附近原子之間的鍵的斷裂）所必 需的值時(shí)，真正的晶體變形開(kāi)始。
[0019] 此外，已知的是，僅在外部壓力的影響下，存在具有不為零的曲率的對(duì)稱(chēng)性的位 錯(cuò)，在位錯(cuò)中，從本發(fā)明所解決的任務(wù)的能量部分的角度來(lái)看，大多數(shù)透視圖為軸對(duì)稱(chēng)螺 旋。
[0020] 螺位錯(cuò)對(duì)應(yīng)于在晶體中的螺旋結(jié)構(gòu)的軸，其特征在于，扭曲與正常的平行面一起 形成關(guān)于位錯(cuò)的連續(xù)螺旋斜面旋轉(zhuǎn)。
[0021] 基于已知的帕斯卡定律，HIP假定將產(chǎn)品放置在其上作用有一定壓力的氣體（或 液體）介質(zhì)中，結(jié)果為該壓力在產(chǎn)品的表面上規(guī)則地分布，使得產(chǎn)品在多個(gè)方向被壓縮。 HIP的主要目的是增加產(chǎn)品具有封閉缺陷的密度。該技術(shù)使得產(chǎn)品的材料能夠獲得在許多 情況下大大超過(guò)例如在熱變形下可達(dá)到的水平的高強(qiáng)度和塑性。作為熱等靜壓對(duì)產(chǎn)品的影 響的結(jié)果，在其體積中，出現(xiàn)了導(dǎo)致違反在晶格中的二維周期性（導(dǎo)致位錯(cuò)密度的變化）的 張力，沿著該張力存在在體積中的飽和劑的擴(kuò)散。對(duì)于間隙原子容易移動(dòng)到拉伸（變形） 的晶格區(qū)域。扭曲的通道為易于擴(kuò)散的通道。
[0022] 對(duì)于金屬的變形過(guò)程的數(shù)學(xué)描述，利用材料的彈性行為的各種模型。該模型的重 要組成部分與彈性常數(shù)相關(guān)，并且在各向同性材料（金屬為各向同性材料）的情況下，剪切 模量G與熱力學(xué)狀態(tài)變量（壓力和溫度）相關(guān)。存在斯坦伯格（Steinberg)模型（Guinan Μ· W.和Steinberg D. J.,Pressure and temperature of the isotropic polycrystalline shear modulus for65elements. J. Phys. Chem. Solids, 1974,第 35 卷，第 1501 至 1512 頁(yè)）
[1]，其中剪切模量與溫度和壓力的相關(guān)性表示為以下公式：
[0023] G (P，T) = G〇 [ 1+AP/ δ 1/3-B (T-T0)]
[0024] 其中：G為剪切模量
[0025] G。為在通常條件P = 0, T = TQ = 300K下剪切模量的值，
[0026] A、B為取決于產(chǎn)品物質(zhì)性能的常數(shù)，并且在分析試驗(yàn)信息的結(jié)果中獲得，在 Steinberg D. J. , Cohran S. G. , Guinan M. W. A constitutive model for metals at high-strain rate. J. Appl. Phys.，1980，第 51 (3)卷，第 1498 至 1504 頁(yè)，Steinberg D. J.， Equation of state and strength properties of selected materials. LLNL report N〇.URCL-MA-106439，1966[2]中提出，
[0027] δ = p/p^為在熱力學(xué)狀態(tài)的正常條件和當(dāng)前條件下的產(chǎn)品材料的密度比。
[0028] 在單位長(zhǎng)度的范圍內(nèi)，位錯(cuò)的能量通過(guò)產(chǎn)生位錯(cuò)所必需的作用力來(lái)確定。
[0029] 對(duì)于螺位錯(cuò)：
[0030]

【權(quán)利要求】
1. 一種改進(jìn)由金屬制成的產(chǎn)品的機(jī)械性能的方法，所述金屬主要為鋼及鋼基合金，所 述方法包括在催化劑存在的情況下在含有氮和/或氮的化合物的氣氛中進(jìn)行產(chǎn)品滲氮，其 特征在于在觀察氣壓和溫度影響情況的同時(shí)，將所述產(chǎn)品和所述催化劑同時(shí)暴露于熱等靜 壓，所述氣壓和溫度影響使得能夠在所述產(chǎn)品的體積中獲得下述位錯(cuò)密度：所述位錯(cuò)密度 滿足使所述產(chǎn)品物質(zhì)的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榈依宋镔|(zhì)的正電子狀態(tài)的條件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中使用所述催化劑，使得在所述氣氛中能夠形成高 活性介質(zhì)和/或化合物，所述高活性介質(zhì)和/或化合物在所述產(chǎn)品的體積中形成正電子素 的條件下引發(fā)過(guò)渡相的出現(xiàn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在氣靜壓腔中執(zhí)行所述熱等靜壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中從中空產(chǎn)品的內(nèi)表面執(zhí)行對(duì)所述中空產(chǎn)品的滲 氮。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在lOOMPa至300MPa的氣壓和1500°C至2500°C的 溫度限值下實(shí)施所述熱等靜壓。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中使用周期系的第I族元素作為所述催化劑。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中將所述催化劑置于產(chǎn)品的內(nèi)腔中，并且將所述產(chǎn) 品設(shè)計(jì)的元素用于產(chǎn)生用于所述熱等靜壓的條件。
【文檔編號(hào)】C23C8/24GK104093875SQ201280066595
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月7日
【發(fā)明者】喬治·拉馬薩諾維奇·烏馬羅夫, 謝爾蓋·伊萬(wàn)諾維奇·博伊琴科, 希夫·維克拉姆·肯卡 申請(qǐng)人:索拉里斯控股有限公司