Способ цементации стальных изделий

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке с использованием лазерного излучения, а именно к цементации, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, изготовленных, преимущественно, из хромникелевых сталей. Цель изобретения - повышение износостойкости обработанных изделий при работе в условиях сухого трения за счет снижения коэффициента сухого трения. Способ включает нагрев обрабатываемых изделий до температуры цементации токами высокой частоты, инжекцию порошка графита струей инертного газа в зону взаимодействия непрерывного лазерного излучения с обрабатываемой поверхностью, изотермическую выдержку обрабатываемых изделий при 650-1100°С в течение 0,005-2 ч и последующую закалку лучом непрерывного лазера без оплавления поверхности. Использование данного способа обеспечивает повышение эксплуатационной стойкости пар сухого трения в 1,5 раза по сравнению с обработкой по известному способу за счет снижения коэффициента сухого трения пара в 1,1-1,5 раза. 3 табл.

СООЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК . (У1) С 23 С 8/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

fl0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К А BTOPCHGMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4306405/31-02 (22) 18.09,87 (46) 07,12.90. Бюл. Ф 45 (71) Московский институт стали и сплавов (72) В.П.Полухин, М.Н.Крянина, А.М.Бернштейн, И.А.Иванов и Ю.M.Îáúåäêoâ (53) 621,785.532(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

11 812835, кл. С 21 1) 1/78, 1981.

СПОСОБ ЦЕМЕНТАЦИ(И СТАЛЬНЫХ ИЗАМЕЛИЙ (571 Изобретение относится к металлур/ гии, в частности к химико-термической обработке с использованием лазерного излучения, а именно к цементации, и

11ожет быть использовано в машиностро. 1ии для поверхностного упрочнения ей машин, изготовленных, преимутвенно, иэ хромникелевых сталей.

:.:Обретение относится к металлурв частности к химико-термичесобработке с использованием лазерного излучения, а именно цементации, и :ожет быть использовано в машинос1 рс е B.III для поверхностного упроше—

:;л, талей мa!I!I»I, изготовленных преи уще..твенно их хромоникелевых стаJlC:и °

Целью изобретения является повышение износостойкости обработанных изделий при работе в условиях сухого трения за счет снижения коэффициента сухого трения °

„„SU„„1611982 А 1

Це л ь из о бре те ни я — повыше н ие иэ но состойкости обработанных изделий при работе в условиях сухого трения sa счет снижения коэффициента сухого трения. Способ включает нагрев обрабатываемых изделий до температуры цементации токами высокой частоты, инжекцию порошка графита струей инертного газа в зону взаимодействия непрерывного лазерного излучения с обрабатываемой поверхностью, изотермическую выдержку обрабатываемых изделий при 650- 1100 С в течение 0,0052 ч и последующую закалку лучом непрерывного лазера без оплавления поверхности. 1!спользование данного способа Обеспечив11ет повышение экс»луатационной стойкости пар сухого трения в 1,5 раза по сравнению с обработкой по известному способу за счет снижения коэффициента сухого трения пара в 1,1-1,5 раза. 3 табл.

Способ осу1пествляют следующим образом.

Обрабатываемый образец или изделие поиp!1!àþò в инлуктор и токами высокой частоты (ТВЧ) нагревают до температуры иэотермической выдержки, "атем со стороны открытого торца индуктора

»Одв эдят инже;: гнруемый порошок и лазерный луч. ПГ11 этом детали и индук— тору, находя ц О1ся на движущемся столе, c(й ают неремеще1.1гэ относительно лазе.: .;. го луча. Пос..с окончания процесса цементации Ijpo!oäÿò иэотермно ческую выдержк, прн 650-1100 С в те1611982 чение 0,005-2 ч, затем индуктор отключают и снимают с движущегося стола, обрабатываемое изделие охлаждают на воздухе, после чего по достижении изделием комнатной температуры проводят закалку лазером без оплавления поверхности, при этом лазерный луч

; повторяет траекторию, имевшую место при лазерной цементации. Для лазерного воздействия используют СО -лазер

ЛТ1-2, движущийся стол имеет возможности одновременного перемещения по двум осям и вращения вокруг третьей оси. По окончании закалки как и по известному способу проводят îбра, ботку холодом погружением эакален ного изделия в жидкий азот на 30 мин и низкий отпуск при 160-200 С в низ— котемпературных печах (сушильных

20 шкафах) . Насыщение р асплавленного поверхностного слоя углеродом из ин; жектируемого порошка графита позволя, ет сформировать упрочненный слой глу, биной до 3 мм и содержанием углерода 25, до 4,5Х. Предварительный нагрев обI ðà6àòûHàåìîão изделия до проведения лазерной цементации позволяет достичь глубины упрочненного слоя (, 4,5 мм при содержании в нем углеро- 30 да 5,257.. При этом одновременно î6åñпечивается снижение мощности лазер—, ного луча в процессе цементации до (О, 03-0,8) 10о Вт м . Иэотермическая выдержка обрабатываемого иэделия пос— о ле лазерной цементации при 650-1100 С (цементованного слоя) обеспечивает .формирование структуры феррита и пластинчатого цементита в поверхностном слое, способствует распаду аусте- 40 нита. Последующая закалка лазером без оплавления поверхности приводит . к получению твердого (11 — 12 ГПа) по— верхностного слоя глубиной до 4,5 мм, состоящего иэ мартенсита и карбидов.

Изотермическая выдержка обрабатываемого изделия после лазерной цементации при 650 (цементованного слоя)- 1100 С вызывает протекание о процессов графитизации в насыщенном углеродом слое при содержании последнего свыше 2, 57, изоте рмическая выдержка при 650 (цементованносо слоя) — 1 1 00 С при содержании углерода .в цементаванном слое менее

2,57 является нецелесообразной. Фор\ мирование в результате иэотермичес. кой выдержки при 650 (цементованного слоя) — 1100 С и последующей закало ки лазером беэ оплавления поверхности твердой (10-13 ГПа) мартенситно-цементитной структуры поверхностного слоя с регламентированным количеством графита обеспечивает снижение коэффициента сухого трения при взаимодействии металлических поверхностей, что благоприятно сказывается на износостойкости цементованного слоя. Из данных, приведенных в табл. 1 следует, что, чем.выше температура изотермической выдержки; тем меньше должна быть ее длительность, эа счет чего обеспечивается ускорение всего процесса обработки.

П р и м .е р. Образцы размером

45х15 мм иэ стали 14XH3NA помещают в нагревательное индукционное устройства цилиндрической формы с открытым верхнем торцом и внутренним диаметром

50 мм, высотой 30 мм °

При помещении образца или детали в индуктор на его поверхности закрепляют незачехленную хромель-алюмелевую термопару так, чтобы спай термопары касался поверхности обрабатываемого иэделия. Лазерную обработку при нагреве на 1100 С проводят сразу же, после достижения поверхностью указанной температуры. Во всех остальных случаях нагрева стали на более низкие температуры (825 С и ниже) используют трехминутную выдержку перед началом лазерной цементации. Нагрев осуществляют индукционным способом, охлажцение — после отключения и снятия индуктора на воздухе. Таким образом, общее время пребывания обрабатываемого изделия при 1100 С не превыо шает 3,3 мин и полный (сквозной) прогрев изделий на глубину свыше 1О мм не происходит, .т.е. свойства сердцевины не претерпевают значимого ухудшения, На расстоянии 4 мм от верхней поверхности образца под углом к поверхности 60 располагают сопло для с инжекции порошка графита. Лазерную цементацию проводят при расплавлении поверхностного слоя излучением непрерывного СО -лазера ЛТ1-2 при

2 плотности мощности (0,3-1,8) 10 Втх J и, инжекции в эоиу расплава порошка графита ГЛ-1 в струе гелия при скорости перемещения поверхности образца относительно лазерного луча

7-12 ыч с расходе порошка 0,81,1 г"мин, расходе газа-носителя — f (14-18)x10 м мин . Время цемента1611982 рости относительного перемещения трущихся поверхностей 0,8+0,1 м с удс; ьной нагрузке 150 15 ИПа по

5 схеме диск (каладка) .

Пары трения изготавливают из стали 14ХНЗИА в различных вариантах химико-термической обработки (ХТО).

А:ХТО согласно известному способу, Б: Лазерная цементация по предлагаемому способу (табл. 2), Чистота поверхности пар трения перед началом испытаний соответствует 8 классу.

Результаты измерений коэффициента сухого трения приведены в табл.3.

Па предлагаемому способу обработаны детали паваратно-загрузочного механизма доменной калоши. Условия эксплуатации исключают смазку механизма (запыленность и рабочие темо пературы да 300 С). Основная причина выхода механизма иэ строя — эаклинивание трущихся частей и изгибание элементов конструкции. В ходе ускоренных испытаний детл:»», обработанные по предллглемаму способу, показали эксплултапианную стойкость в 1,5 раза. большую, чем абрлбатанные по известному

30 способу зл счет с»11жения коэффициента сухого трения плры в l, 1 — 1,5 раза.

55 ции поверхности образца площадью

535 мм составляет 8, 3-15 с. Темпе2 ратуру изотермической выдержки (и низкого отпуска) определяют с точностью +20 С. Лазерную закалку проо водят при плотности мощности (0,670,93) 10 Вт-м при скорости пере8 -2 мещения лазерного луча 15 мм. с

После выдержки в жидком азоте в течение 30 мин (после прекращения кипения азота) отпуск при 160-180 С проводят в электропечах в течение

2 ч. Характеристики упрочненных слоев, полученные при химико-термической обработке по предлагаемым режимам, представлены в табл. 1.

Из данных табл. 1 следует, что несоответствие параметров изотермической выдержки (температуры и времени) не приводит к получению удовлетворительного качества цементованнаго слоя. Так, отсутствие изотермической выдержки после цементации или снижение температуры да 600 С не приводит

0 к полному распаду остаточного аусте( нита в цементованном слое. Увеличение длительности изотермическай выдержки свыше 2-х часов не приводит к получению новых свойств упрочненнаro слоя, а лишь вызывает дополнительные непроизводительные расходы. Использование температуры изотермпческой выдержки свыше 1100 С приводит к протеканию абезуглероживания при любых, даже малых временах изатермической выдержки (табл. 1. ».6).

В результате прохождения полного цикла химико-термической обработки по предлагаемому способу получен поверхностный упрочненный слой глубиной 1,0-4,25 мм с содержанием углерода 0,70-5,257. и твердостью 5963 HRC. При обработке па известному способу достигается меньшая глубина 45 науглероживания слоя при более низком содержании в нем углерода (табл. 1).

Для получения более полной информации об изменении коэффициента су- 50 хого трения после осуществления химико-термической обработкй по предлагаемому способу произведены испытания на машине трения CNT-4 при скоФ а р tl у л л и э а б р е т е н и я

Способ пе ментлции стлль1111х изделий пре11мущестне»»о 11з храман»келсвых сталей, лк: ючл;ощий1 нагрев поверхности обрлблтывлсмаго изделия да температуры пеме11тапш;, собственно цементапию, изотермическую выдержку и закалку, о тл и ч лющий с я тем, чтд, с целью повышения износостайкасти абрлбатанных изделий зл счет снижения каэффип»ентл сухого трения, нагрев до температуры» лсыщения осуществляют токами высокой члстать1, насыщение осуществляют »у.тем инжекции порашка графита струей инертного газа в зону взаимодействия непрерывного лазерного излучения с поверхностью изатермическую выдержку проводят при 6501100 С 0,005-2,0 ч, а последующую закалку — лучам непрерывного лазера без оплавления поверхности.

1611982

Таблица 1

Режим работы

0,76-4,50

Мартенсит + карбиды + остаточный аустенит (до 15K) 5 9-63

0,5-3,0

Мартенсит + карбиды

0,72-4,10

0,75-4,40

0,72-5,20 .0,72-4,50

59-60

5 9-60

61-63

61-62

1,0-3,7

1, 0-3,7

1,0-3, 9

1,0-3„8

Мартейсит + карбиды + остаточный аустенит (до 15X) О, 73-4, 1О

0,73-4,10

0,73-4,10

57-59

57-59

57-59

1, 0-3,5

1,0-3 5

1, 0-3„5

Иартенсит + карбиды обезуглероживание

0,80-5,00

0,80-4,30

0,80-0,25

0,65-0,20

5 9-60

5 9-61

51-57

51-53

1,3-4, 1

1, 3-4,2

1,3-4,4

1,3-4, 4

1. Лазерная цементация при мощности излучения (О, 7-1, 8) 10 Вт я . м, скорости перемещения луча 7-12 ммт с, расходе порошка

-( графита 0,8-1,1 г мин

, 2. Нагрев до 650 С, выдержка 3 мин, лазерная цементация по п.1 при плотности мощности (0,3-0,8) ° 10 Вт » м, изотермическая выдержка (t) закалка лазером, обработка холодом, низкий отпуск:

0 054 ч

1 ч t=2÷

10 ч

3. То же, что по п.2, но изотермическая о выдержка при 600 С:

t=005÷ — 1 ч

2 ч

,,4 ° Нагрев до 825 С, выдержка 3 мин, лазерная. цементации по п.1, при плотности мощности лазерного излучения (0,15-0,50)» к10 Вт ° м изотермическая выдержка (Г) закалка лазером, обработка холодом, низкий отпуск:

005 ч

=05ч — 1 ч

2 ч

5. Нагрев до 11000сэ в. держка 3 мин, лазерная цементация bio п. 1 при плотности мощности лазерного луча (0,030, 10) -1Q Вт.м" изотермическая выдержка (t), закалка лазером, обработка холодом, Характеристики поверхностного слоя

Глубина, мм Твердость HRC Содержание Состояние поуглерода, верхности мас,X

1611982

Продолжение табл. 1

Режим работы

Характеристики поверхностного слоя

Глубина, мм Твердость HRC Содержание Состояние поуглерода, верхности мас, 7. низкий отпуск:

t = 0,005 ч

О 80 5 ° 25

61-63

1, 7-4,5

0,09-0,37

0,21 (при исходном

2,45) 30-42

1,7-4,5

2,9

1 ч

1 ч

23-27

1,7-4,5

t=2ч

6. То же, что по п.5, но изотермическая о выдержка при 1150 С

0,005 ч

О, 33 (при Обезуглероисходном живание

2,45) 38-46

1,8-4,0

Мартенсит + карбиды

0,8-0,9

0,9-1,1

ТаблицаЗ

Таблица2

Примечание

Пара трения Коэффициент сухо ro трения

Температура иэотермической вью держки, С

Вариант одержание углероа в цементованом слое (на поерхности), мас.7

Б1 0,8

Б2. 1,5

БЗ . 2 3

Б4 2,3

Б5 4,8

1100

Частичная графитиэация цементованного слоя

7. Обработка по известной схеме: газовая цементация при 930950 С 12 ч, изотермическая выдержка при

580-600 С 4 ч, закалка с печного нагрева от 780 С 30 мин в масло, обработка холодом, низкий отпуск

А-А

А- Б1

А- Б5

Б1-Б1

Б2-Б2

БЗ- БЗ

Б4-Б4

Б5-Б5

О, 19-0,22

О, 18-0,20

0,17-0,18

О, 18-0,20

0,17-0,18

0,15-0 16

О, 15-0, 16

0 14-0,16

Цементит + мартенсит + свободный графит

Резкое обезуглероживание