[发明专利]改进由金属和合金制成的产品的机械性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及冶金领域，具体地涉及由金属(主要是钢及其合金)制成的产品的热化学表面处理。

背景技术

通过对产品表面层的硬化(例如，通过在氨或混合气体的气氛中在高温和高压下对产品渗氮的氮化物涂层)来改进金属和合金产品的机械性能的方法是已知的。通过产品表面预处理来获得硬化层的硬度和深度的增加，例如，借助于通过利用电子束技术(SU1707997，C23C14/48，1997)或借助于激光加热(RU2148676C1，C23C8/26，2000)使用成氮化物元素使产品表面合金化，并且在渗氮之后进行后续退火。通过在产品表面层中形成包含合金化元素的细分散氮化物的结构来实现硬化。通过氮化物沉积工艺的速度进而根据维持退火温度的精度和该过程的持续时间来确定硬化层的硬度和深度。

基于具体为通过对空气加压然后冷却然后在该温度下渗氮的初步热加工的方法(RU2133299C1，C23F17/00，1999)是已知的，该方法排除了在扩散通量沿垂直于形变方向取向时细部结构的再结晶。在扩散通量沿垂直于形变方向取向时，在存在热形变结构的材料中，氮扩散得更深入并且所形成的氮化物分布得更均匀且紧密。然而，该方法主要对于由低碳马氏体钢制成的产品的渗氮有效，而不适合低延展性的材料。

在改变化学反应动力学的催化剂(物质和化合物)存在下通过气体渗氮对金属和合金产品的硬化的方法是已知的。催化剂的结构以及其影响机理可以是各种各样的。

例如，在由RU2208659C1，C23C8/30，2003专利提出的方法中，为了表面氮处理的目的，使用高温球形催化剂用于饱和气体-空气混合物在工作空间内的受限流通以提供等温和扩散工艺的加速(所谓的“喷砂”效应)。

在由专利EP0408168，C23C8/02，1991和专利DE19652125，C23C8/24，1998提出的方法中，通过使用某些物质作为催化剂(该催化剂与表面氧化物相互作用并且有效地剥落工件表面并且有助于其塑化)来提供利用获得深硬化层来强化渗氮工艺。

当氨气的通量初步暴露于催化处理(RU2109080，C23C8/24，1998)时借助于各种化学组成的催化剂的方法是已知的，所述催化剂例如，基于氧化铝、氧化硅的化学组合物，或由在其组成中包含各种金属铂族的活性催化元素的金属及其合金制备。在由上述元素和化合物的催化处理下的含气体气氛获得关于氮化物对钢和合金产品的影响方面的特定活性，而对于本发明人的观点，不稳定的、高化学活性结构(氮自由基、氢自由基、氧化自由基、离子、离子自由基)为渗入到坚固金属基体并且与其反应的含气体介质中的活性组分。在渗氮过程期间引入特别影响气体反应物的转变的催化剂因子使得能够有目的的并且选择性地处理在这些工艺的过程中获得的最终产物和中间产物的所有光谱。上述方法能够改进钢和在其基础上获得的合金的低温表面浸渍(LTSI)的工艺(并且能够去除在LTSI工艺中产生的大量问题)，这是因为该方法在最接近铁-氮二元相图的条件下提供通过氮的金属饱和的过程，因此在受限的温度范围内实现了催化剂作为渗氮工艺的活化剂的能力。

发明内容

本发明的目的是改进机械性能，特别为增加由金属(主要为钢和在其基础上的合金)制成的产品的硬度和冲击强度。

技术效果为通过强化气体渗氮工艺来增加高强度而非粘性层的深度和均匀性。通过设计影响产品材料的基本上为新的机制来提供强化，所述基本上为新的机制使得氮离子能够渗入到显著大于常规深度的深度处。

附加效果为工业处理耐火材料和低延展性材料的产品以及大尺寸产品和具有不规则形状的产品的可能性。

以下面的方式解决该问题：采用一种改进由金属制成的产品的机械性能的方法，所述金属主要为钢及钢基合金，该方法包括：在催化剂存在的情况下在含有氮和/或其化合物的气氛中进行渗氮，在观察气压和温度影响情况的同时，将所述产品和所述催化剂同时暴露于热等静压，所述气压和温度影响使得能够在所述产品的体积中获得下述位错密度：所述位错密度满足使所述产品物质的一部分转变为狄拉克物质的正电子状态的条件。

使用催化剂，使得在所述气氛中能够形成高活性介质和/或化合物，所述高活性介质和/或化合物在所述产品的体积中形成正电子素的条件下引发过渡相的出现。在气静压腔(gasostat)中执行热等静压，并且对中空产品的渗氮从其内表面执行，而热等静压在100MPa至300MPa的气压和1500℃至2500℃的温度限制下实施。使用周期系的第I族元素作为催化剂。在对中空产品渗氮时，将催化剂置于产品的内部，并且在通过利用产品设计的元素执行热等静压。