Способ термомеханической обработки металлических изделий

Авторы патента:

C21D8 - Изменение физических свойств путем деформации в сочетании или с последующей термообработкой (закалка кованых или прокатанных изделий без дополнительного нагрева C21D 1/02)

C21D5 - Термообработка литейного чугуна

1. СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ .МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ, преимущественно чугуна, включающий нагрев трением в интервале А, температура солидуса при одновременном механическом давлении инструмента и охлаждение, отли«чающийся тем, что, с целью повышения износостойкости путем получения в поверхностном слое структуры аустенита с равномерно распределенными карбидами, нагрев и охлаждение производят циклически , при этом в каждом цикле температуру контактной зоны повышают на 30-65 0, охлаждение ведут до 600500 С , а давление на инструмент увеличивают на 0,4-0,6 МПа. 2.Способ по п.1,отличающий с я тем, что давление инструментом продолжают в процессе охлаждения . 3.Способ по ПП.1 и 2, отличающийся тем, что суммарное давление осуществляют в пределах 4-8 МПа. (Л 4.Способ по ПП.1,. 2 и 3, о т л ичающийся тем, что количество циклов составляет 5-10.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) 01) 4(.51) С 21 D 8/00; С 21 D 5/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ5

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

H АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3432078/22-02 (22) 05.05.82 (46) 23 01 85е Бюл Р 3 (72) С.И.Соболевский и В.П.Колпак (7l) Днепропетровский металлургический институт (53) 621. 785,79(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Ф 652231, кл. С 21 D 5/00, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР

В 667596, кл. С 21 D 8/00, 1975..(54)(57) 1. СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОИ

ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЖЙ, пре. имущественно чугуна, включающий нагрев трением в интервале Ас вЂ” темпе( ратура солидуса при одновременном механическом давлении инструмента и охлаждение, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости путем получения в поверхностном слое структуры аустенита с равномерно распределенными карбидами, нагрев и охлаждение производят циклически, при этом в каждом цикле тем" нературу контактной зоны повышают на

30-650С, охлаждение ведут go 600500 С, а давление на инструмент увеличивают на 0,4-0,6 МПа.

2. Способ по п.l, о т л и ч а юшийся тем, что давление инструментом продолжают в процессе охлаждения.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л ивЂ” ч а ю шийся тем, что суммарное давление осуществляют в пределах

4-8 MIla.

4. Способ по пп. l,. 2 и 3, о т л и. ч а ю шийся тем, что количество циклов составляет 5-10.

1 l 1 357

Изобретение относится к способам т ермо мех аниче ской о бр абот ки ме таллических изделий и может быть использовано при обработке штампового инст румента. 5

Известен способ термообработки из. делий из высокохромистых чугунов типа ИЧХ12М, включающий многократную закалку (нормализацию) при последовательном увеличении температуры нагрева под каждую последующую закалку

Температура повышается следующим образом: первую закалку ведут с 750 С, б вторую - с 8500С, третью - с 950 С.

В результате такой обработки струк- IS тура чугуна представляет собой матрицу в виде мартенсита и карбидов, типа Ме С (1).

Однако в результате такой обработки невозможно получить структуру, 20 соответствующую требованиям, предъявляемым к структуре материалов для работы в условиях трения и изнашивания. Износостойкая структура должна состоять из вязкой матрицы с равно- 25 мерно распределенными карбидами равноосной формы. Мартенситная структу" ра довольно хрупкая и чугуны с подобной структурой плохо работают в условиях ударного нагружения. 30

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ по-. верхностной термомеханической обработки стали с содержанием углерода

0,6Х включающий нагрев трением при давлении 700-900 кгс/мм со скоростью (2-3)х10 C/с с последующим охлаждением со скоростью (3-5)х10 С, В результате обработки на поверхнос- 40 ти детали формируется ферритно-перлитная структура с высокой плотностью дислокаций, зафиксировав которую резким охлаждением получают поверхностный слой с высокой тв рдостью и из- 45 носостойкостью t2) .

Горяченаклепанное состояние ферритно-перлитной структуры не может обеспечить надежную работу упрочненных изделий в условиях ударных нагру- 0 жений, поскольку повышенная плотность дислокаций (,10 -10 см ) s сочетании с последующим резким охлаж дением ведут, в известной степени, к повышению хрупкости и недостаточной иэносостойкости. Высокие удельные давления, применяемые в известном способе, могут привести к массо»

79 переносу в зоне контактного трения, появлению задиров и т.д., что снижает качество обрабатываемой поверхности

Цель изобретения - повышение иэносостойкости путем получения в поверхностном слое структуры аустенита с равномерно распределенными карбидами.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу термомеханической обработки металлических изделий, преимущественно чугуна, включающему нагрев трением в интервале А вЂ” темс1 пература солидуса при одновременном ме хан иче ском давлении ин струмент а и охлаждение, нагрев и охлаждение производят циклически, при этом в каждом цикле температуру контактной зоны повышают на 30-65 С, охлаждео ние ведут до 600-500 С, а давление на инструмент увеличивают на 0,40,6 МПа, Давление инструментом продолжают в процессе охлаждения.

Суммарное давление осуществляют в пределах 4-8 МПа.

Количество циклов составляет 5-10, Сущность способа состоит в следующем.

Обрабатываемый инструмент (деталь) зажимают в специальном патроне и прижимают к вращающемуся со скоростью 2 м/с ролику из стали Ст.3. Нагрев инструмента производят эа счет тепла трения до 740-1150 С. Обработо ку проводят при ступенчатом увеличении температуры с шагом 30-65ОС. Давление инструмента на вращающийся ролик увеличивают с шагом 0,4-0,6 MIIa в пределах 4-8 МПа.

По достижении необходимой температуры поверхностным слоем обрабатываемой детали, находящейся под давлением, в зону трения подают порцию воды (Pll = 0,075 МПа), что приводит к охлаждению упрочняемого слоя до 500-.600 С. Обработку повторяют

5 10 раэ.

При определенных параметрах трения создаются условия для структурно термической активации поверхностного слоя, приводящего к значительному увеличению диффузионной поверхности. атомов и сокращению времени обработки. Использование трения необходимо для термомеханического воздействия на поверхность обрабатываемой детали, Э 113577 которое приводит к дроблению хрупкой составляющей половинчатого чугунавЂ” карбидов (Ne C) и механическому наклепу аустенита в нагретом состоянии.

При удельных давлениях менее. 4 ИПа

-не происходит .активация поверхностЭ ных слоев обрабатываемой детали и скорость структурных изменений невелика из-за малой диффузионной подвиж. ности атомов. При давлениях, меньших 1р

4 ИПа, достичь температуры фазовых превращений не удается и чугун оста ется в области существования феррита и цементита графита). Таким образом при использовании давлений, меньших

4 MIIa, не реализуются физические основы, заложенные при проектировании предлагаемого способа термической обработки чугуна, т.е. не осуществляется термический и механический наклеп аустенита, так как матрица чугуна не переходит в аустенитное состояние.

Повышение удельного давления свыше 8 ИПа приводит к схватыванию трущихся поверхностей и переносу материала (контртела1 на обрабатываемый чугун. Если увеличить давление с шагом, меньшим 0,4 ИПа (0,1-0,2 ИПа), то для достижения условий структурно. термической активации при трении, ° при которой константы диффузии увеличиваются на 5-10 порядков, необхо« димы большие временные затраты. Если увеличить давление с большим шагом . (0,8-1,0 ИПа и более), то при повы35 шенных давлениях (6-7 ИПа) температура контактной эонь1 после очередного цикла охлаждения настолько быст ро увеличивается, что контроль темпе ратуры методически осуществить невозможно.

Повышение контролируемой температуры приповерхностного слоя свыше

1150 С приводит к сильному разогреВу пОВерхнОстнОГО слОя и пОтере прОч 45 ности (происходит осадка обрабатываемого материала). При давлении 4 ИПа и достижении температуры приповерхностного слоя обрабатываемой детали, О находящейся под давлением, 740 С в зону трения подается порция воды (Р11 О = 0,075 ИПа), что приводит к н о охлаждению рабочего слоя до 500600 С.

Охлаждение поверхностного слоя до 55 температур ниже 500 С приводит к поО лучению структуры со значительными остаточными напряжениями, для снятия которых необходимы термические выдержки. В противном случае остаточные напряжения, сосредоточенные в тон ких поверхностных слоях обрабатываемого иэделия, будут приводить к быстрому разрушению этого слоя и уменьшению износостойкости обрабатываемого материала. При остановке процесса

Охлаждения выше 600 С не обеспечиваО ется термический наклен переохлажденного аустенита. В этом случае необходимо увеличивать удельное давление при обработке для увеличения механического наклепа. Если Охлаждение поверхностного слоя после подачи охладителя прервать при 650-680 С, то о это приводит в конечном итоге к падению твердости поверхности обрабатывае мой детали и снижению износостойкости. Давление в течение всей обработки не снимается, а охлаждение инструмента происходит с помощью воды, по даваемой в зону контакта. В противном случае при снятии давления происходи-. ло бы дополнительное охлаждение при » поверхностного слоя и подача охлади теля в зону контакта не имела бы смысла. Если же охлаждение приповерх. ностного слоя происходит лишь путем снятия при прилагаемой нагрузки, то скорость охлаждения в этом случае будет недостаточной для получения же. лаемого эффекта. Совмещение охлаждения поверхностного слоя водой и снятием нагрузки приводит к настолько интенсивному отводу тепла, что осуществить контроль температуры охлаждения поверхностного слоя (500-600 С о невозможно. При реализации такой схемы охлаждения (совместное охлаж» дение водой и за счет снятия нагрузки во время трения в приповерхностном слое обрабатываемого изделия происходят фаэовые превращения .(распад аустенита), что приводит к поте ре иэносостойкости.

Применение более 10 циклов нагрев охлаждение не рационально, так как при большем количестве циклов износостойкость чугуна практически не иэ меняется из-sa того, что, вероятно, аустенитная матрица в процессе пре дыдущих циклов набрала оптимальную плотность дислокаций, увеличение или уменьшение которой не способствует повышению износостойкости.

Пример. Проводят обработку пб предлагаемому и известному спо1135779

Износ г/м 10

Пь известному способу

Однократный нагрев при давлении 8 ИПа с последующим охлаждением водой при снятом давлении

По предлагаемому способу

gt20 С; 6 Р 0 4 MIIa; и 10; t = 933 С, P „-= 8 Mila =30 С; ЬР=04 ИПа; п=10; й, „= 1050 С; P „= 8 Mila

gt=65 С; ЬР 0,5 MIIa; а =6; t „=I IOOttC; P „=7 МПаз

g t=l00 С; g P=0,6 МПа; п=5, и „=1150 С; P „=7 МПа

gt 120 С ; 6P=0,6 МПа; n=4, t „=1150 С; P „=6,5 Mila о

По режиму 2, но tð 330 С

По режиму 3, но t„„„= 310 С

По режиму 4, но, = 360 С р

По режиму 5,но toxA 410 С

По режиму б,но 1 „„ = 375 С о

По режиму 2, но ярд„ = 665 С

По режиму. З,но 1р»„ = 685 С

По режиму 4, но 1р „ = 650 С о

По режиму 5, но р „= 665 С

По режиму 6, но 1р„„655 С

3,!4

2,12

1,71

1,65

1,88

1,97

2,36

2,02

1,71

1,97

2,17

2,27

113

1,97

1,72

1,90

2,11.

17 По режиму 2, но при охлаждении давление снимают

18 По режиму 3, но при охлаждении давление снимают

19 По режиму 4, но при охлаждении давление снимают

2,73

2,02

1,91 собам на машине трения по схеме ро" лик - колодка.

Обрабать1ваемое изделие (колодка из половинчатого чугуна состава:

С 3,84; Si 2,11; Мп 3,4; Cr 2,2;

S 0,05431 Р 0,046; HRC 46,5) прижимается к вращающемуся со скоростью

2 м/с ролика из Ст.3. Нагрев чугуна проводят за счет тепла трения. Обработку проводят по режимам, приведенным в таблице. Равномерность распределения карбидов в структуре оценивается путем подсчета количества карбидов в 10 произвольных объемах (размером 2х2 мм) микрошлифа изделия до и после обработки. Проведенные подсчеты показывают, что если до об работки в некоторых микрообъемах колебания количества карбидов достигали +703 то после обработки по оптимальным режимам эта цифра составляет +18 25Х.

Сравнительные испытания на износ проводят по режиму: сухое трение скольжения чугуна по стали при давлении 2,5 МПа и скорости скольжения

2 м/с, путь трения 5000 м.

Проведенные испытания на износ

5 подтверждают, что оптимальными параметрами термомеханической обработки являются: шаг увеличения температуры приконтактной зоны 30-65 С; шаг увео личения давления 0,4-0,6 МПа; инlО тервал повышения температуры 7401150 С; интервал изменения давления

4-8 МПа; количество циклов нагреввЂ” охлаждение 5-10.

В результате проведения обработок по оптимальным режимам в рабочем

1 ! (поверхностном) слое половинчатого чугуна образуется аустенитная структура с равномерно распределенными

20 карбидами (цементитом) равноосной формы, .что повышает износостойкость иэделий примерно в 2 раза.

Ожидаемый экономический эффект составляет 25 тыс. руб. в геж.

1135779

Продолжение таблицы

Износ г/м 10

Режим Условия обработки чугуна

2,26

° 26

1,78

4,78

3,36

П р и м е ч а н и е: При проведении обработки по режимам 2-6 температура о охлаждения в каждом цикле составляет 500 600 С, при проведении обработки по режимам 24-27 последний цикл охлаждения с 950 С проведен до комнатной темпеО ратмиры.

Редактор Н;Яцола

По режиму 5, но при охлаждении давление снимают

По режиму 6, но при охлаждении давление снимают

Ilo режиму 2, но охлаждение проводят снятием нагрузки

По режиму 3, но охлаждение проводят снятием нагрузки

По режиму 4, но охлаждение проводят снятием нагрузки

По режиму 5, но охлаждение проводят снятием нагрузки

По режиму 6, но охлаждение проводят снятием нагрузки

По режиму 3, но еще 5 циклов нагрева до 1050 С и охлаждения до 570 С при Р = 8 МПа

Lt=40 С; IMP=0,6 МПа; п=10, t „=1140 С, P 10 МПа о

Трехкратная нормализация (закалка) с температур 750, 850 и

950 С с охлаждением до 500-600 С