Способ химико-термической обработки металлических изделий

 

Изобретение относится к металлургии и молет быть использовано при газовой химико-термической обработке. Сущность способа: металлические изделия нагревают до температуры диффузионного насыщения, выдерживают при этой температуре с одновременной подачей насыщающей среды, во время выдерлки на обрабатываемые изделия воздействуют упругими волнами звукового пиля частотой 40-f600 Гц, уровнем звукового давления 100-170 дБ, временем звукового воздействия 3-5 мин и паузами между звуковым воздействием 3-5 мин. Способ позволяет увеличить стойкость изделий и интенсифицировать процесс насыщения. 2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 С 23 С 8/26 С 21 1) 1/09

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР 1 опиодник изоБретения :::-:::::-:::::-::::::;:-:-:::::, - ::::

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) СПОСОБ ХОП!КО-ТЕРИИЧЕСКОЙ ОБРАR0TEH 1БТЛЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение относится к метал- .

1 (21) 4892210/02 (22) 22.10.90 (46) 07.08.92. Бюл. Р 29 (71) Центральный научно-исследовательский технологический институт (72) И.С.Ушаков (56) Лвторское свидетельство СССР

P 876785, кл. С 23. С 11/18, 1979.

Лвторское свидетельство СССР

1420987, кл. С 23 С 8/26, 1986.

Лвторское свидетельство СССР

Р 1531503, кл, С 23 D 7/62, !977.

Изобретение относится к металлур- . гии и может быть использовано при га« зовой химико-термической обработке металлических изделий.

Известны способы газовой химикотермической обработки, включающие помещение в замкнутую герметичную «амеру с газовой насыщающей средой изделий, их нагрев, выдержку и последующее охлаждение, обеспечивающие форми.рование диффузионных слоев с определенньпии параметрами по толщине, структуре и свойствам. Приведенные решения касаются таких процессов, как газовая цементация, газовая нитроцементация, газовое азотирование, газовая карбо.нитрация.

Недостатками способов газовой химико-термической обработки являются ! черезмерно большая длительность процес„„Я „„1752826 А1

2 лургии и может быть использовано при газовой химико-термической обработке.

Сущность способа: металлические изделия нагревают до температуры диффузионного насьпцения, вьщерживмают при этой температуре с одновременной подачей насыщающей среды, во время выдержки на обрабатыкваемые изделия воз- действуют упругими волнами звукового поля частотой 40-1600 Гц, уровнем звукового давления" 100-170 дБ, временем звукового воздействйя 3-5 мин и паузами между звуковйм воздействием

3-5 мин. Способ позволяет увеличить стойкость изделий и интенсифицировать процесс насьпцения. 2 табл.

1 а

° °

° а са насыщения, (иногда до нескольких десятков часов), отсутствие необходи-, мой гомогенности структуры диффузион-, ного слоя, существенное понижение прочностных и особенно пластических (Л характеристик за счет обеднения леги- Я руюг ими элементами, диффундирующими от сердцевины к поверхности, и образования на неи в результате взаимо- . О, действия с насьпцающими элементами вы-, сококонцентрированных .фаз, в т.ч. хрупких, например р,-вава (при авета-,р а ровании, карбонитрации) .

° ииий

Приведенные недостатки отрицательно влияют на срок службы обрабатываемых изделий, повышают трудоемкость их изготовления, увеличивают энергоемкость процесса обработки, способствуют повышенному расходу насыщающих реагентов.

3., 52826 4;

17

Известен способ обработки поверхности изделий, включающий помещение в замкнутую рабочую камеру с газовой средой изделия, стальных шариков и порошка легирующего элемента (например, карбонила молибдена), приведение в движение шариков (ф 0,95-2,5 мм) до столкновения с обрабатываемой по верхностью изделия с помощью ультразвукового поля (f 17 3 кГц), создаваемого .в рабочей камере при колебаниях одной из ее стенок с заданной амплитудой смещения (60 мкм).

Дпя реализации этого способа необходимо иметь магнитострикционный ультразвуковой преобразователь, ультразвуковое волновое устройство, гене ратор, специальный конический концентратор, специальную камеру с под-. вижной стенкой. Данный способ обеспечивает повьппение стойкости и увеличение срока службы изделий в 1,5-2 раза и является эффективным для упрочне;Hия (с одновременным восстановлением)

I деталей форм ЛПД и обработки внутренней поверхйости труб с целью повышения .их долговечности.

Недостатками известного способа являются слишком малая толщина упрочненного слоя {не превышает 0,01 мм), невозможность получения глубоких диффузионных слоев, так как какая-либо и1 тенсификация диффузии невозможна из-за низкой температуры (не превышает комнатную) на обрабатываемом изделии, невозможность обработки окончательно изготовленных изделий с ост рыми кромками, йевозможность выполнения многократных переточек изделий(а частности, инструмента) из-за малого диффузионного слоя, имеющее мес- то повьппение прочностных и пластичес-, ких характеристик поверхностного.деформированного слоя быстро утрачивается под воздействием температуры изза снятия наклепа, ухудшение шероховатости поверхности, особенно при ис- ,пользовании шариков диаметром более

1,5 мм, необходимость использования дорогостоящего оборудования и аппара туры, малая эффективность способа при обработке изделий сложной формы и невозможность обработки иэделий с от-.-; верстиями диаметром менее .3 мм, процесс не представляется возможным интенсифицировать (или сделать это очень трудно) за счет повышения тем гературы и применения активной насы-: щающей среды, так как рабочая камера не может быть герметизирована.

Наиболее близким к изобретению является способ азотирования стальных иэделий, заключающийся в нагреве из- делий, выдержке в азотсодержащей среде и охлаждении.

Недостатками этого способа являют- ся большая длительность процесса насьпцения, отсутствие необходимой гомогенности структуры диффузионного слоя.

Целью изобретения является увеличение стойкости изделий и интенсификация процесса насьпцения °

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу химико-термической обработ я осуществляют нагрев металлических изделий до температуры

О диффузионного насьпцения, выдержку при этой температуре с одновременной по-,: дачей в зону насыщения, представляю- щей собой замкнутый объем насыщающей среды, и охлаждение, причем на насы25 щающую среду и обрабатываемые метал) лические изделия воздействуют упругими волнами звукового ноля с частотой, 40-1600 Гц, уровнем звукового давле- " ния 100-170 дБ, временем звукового воздействия 3-5 мин и паузами между звуковым воздействием 3-5 мин.

Звуковое поле генерируется газовьм акустическим излучателем, который работает от сета сжатого воздуха при перепаде давлений 0,2-4,0 атм. Газо-. вый акустический излучатель.размеща»; ется на крышке стандартной электрической печи .

Созданное в рабочем пространстве печи гомогенное звуковое поле указан;ных параметров обеспеЧивает возникновение мощных радиацианных давлений и акустическйх потоков, которые одно+ временно возбуждают насьпцающую среду, резко повьппая ее активность, и приводят к образованию на поверхности об- . рабатываемого изделия, как и по всемУ его объему, большого количества точечных и линейных дефектов (вакансии, 5О дислокации), обеспечивающих благоприятные условйя для протекайия диффузионных процессов с одновременныи ." дислокационныМ старением высоколеги1-,. рованного пересыщенного твердого ра- створа и выделением из него высоко;- .. дисперсной упрочняющей фазы.

При частотах ниже нижнего и выше верхнего указанных пределов не дости-, гается устойчивый резонанс в насыщаю1752826 6 ниже нижнего рор и вне структурный резо- раме, риче ской нанс в обрабатываемой влетали, а при Собственно муфель, обрабатываемое частоте выше верхнего предела струк- I изделие и насыщающую среду можйо рас-, турный резонанс практически Неуправ- сматривать как самостоятельные коле-5 ляем. -: -: . : бательные системы. При этом вполне . Отмеченные особенности создания допустимой представляется возможность резонансных явлений в подсистемах перекачки энергии .от внешнего источ: :(насыщающая среда, обрабатываемое из- 1О ника в одну из подсистем и затем делие) в отдельных случаях уменьшают германентпо в другие, диффузионную подвижность насыщающих При подобной сложной колебательной . атомов, ухудшают условия массопереМо-

\ системе можно предположить, что одна са, а в других слУчаЯх могут пРиво- или даже вср поцсистемы не будут гардить Даже к заметномУ снижению пРоч" 15 монировать по частоте 1е ду собой. ностных ч пластических характеристик ч

Учитывая, что резонанс представляупрочнент<ых слоев„ ет собой кардинальное усиление амплиПри звуковом давлении ни,".<е 100 дБ /

",-уды вь.:.ужденных колебаний осциллятоскорость протекания диффузионных про- ра прй приближении его =обственной цессов. практически постоянная и имеет 20 частоты к частоте излуучателя, необхонедостаточные:значения для существен- димо рассматривать спектры частот- ного ускорения формирЬвания упрочненвсех подсистем. . ных слоев по сравнению с прототипом. .При р=.ссмотоении механизма волно-.

При звуковом давлении более 170 дБ вогъ ":-оздействия особое внимание слескорость формирования диффузионных 25 дует уделять резонансу .структур, кото- слоев продолжает возрастать, но по рые имеют место на поверхности. обрасравпению с отмеченным интервалом батываемого материала„ так как каждая

1 1 " дБ) прирост незна <игелен и из нт, х имеет собственно частоту. не носит монотойного характера.

* Учитывая, что резонанс структур мсжзт

При времени звукового воздействия оказывать существенное влияние на менее 3 мин механические свойства взаимную реакционную диффузию, т,е, диффузионных слоев не досloraRT MBK Ba пе ерас ре на перераспределение углерода и легисимальных значений, при превышении, щих эле,е рующих элементов между твердым раст-выдержки происходит резкое снижение „-оро . и ка r вором и карбидной фазои,,особое внимеханических свойств до значений в ир мание следует обрацать на обер-.сны

:исходном состоянии.

° тех насыщающих атомов, которые предИаксимальный уровень механических aBJr ставляют наиболыий интерес, т.е. свойств формируется нри паузах 3-, можнс „ егп можне предположить, что за счет изме5-мин. При увеличении пауз дальней- . нрни „.т, пения ча=.тоты излучателя можно подобшего увеличения свойств не происхо- 4 „ать такие ать такие условия, при которых один дит. ПРи меньшей паУзе УРовень меха- иэ . ас пцаюпв<х эле ент в б нических свойств такой же„ как и при дать наиáîë сй о дать наи ольшсй подвижностью, а друпауэе 3-5 мин, однако расход насыщаю- гие - з ачитэл гие - значительно меньшей или совсем щей среды резко возрастает.

Р -Д Р -- Р - " . не будут обладать способностью к мас- сопереносу. При этом условии можно дпя- случая химико-термической oá- . заключить, что прецлагаемой химикоработки комплексным насьш, нием метал- термической ббработкой даже с исполь лами и неметаплами, осуществляемой в зеванием сложных насьнцающиХ сред можпечи типа СОЦИО с использованием низ-, но добиться протекания диффузионных, кочастотного газового акустического .щ, процессов т<ребуемого элемента и фор,излучателя, осциллятором (колеблющей-.,: мирования на поверхности заданных ся системой) являются герметически .:,:. структур и фаэ. ; закрытый муфель (в основном его стен- В частности, если добиться резо; ки), обрабатываемое изделие и насы,:.: нансной частоты азота с подсистемой,, щающая среда (газовая), представляю-: представляющей обрабатываемое изде55 щая собои в качестве основных диффУн- лие, то наиболее вероятно, что на по:дирующих элементов атомы азот а, угле- верхности обрабатываемого объекта бу"рода и молибдена. В целом вся .колеба дет образовываться Я -фаза, Если пос", тельная система, включающая осцнлля- ле образования с,-фазы вывести на ре17528?6 зонансную частоту атомы углерода или молибдена то можно не только усилить их диффузионную подвижность, но и одновременно разрушить плотную сетку

E-фазы.

При рассмотрении механизма диффузии следует иметь в виду,что резонанс может наступить не только при полном совпадении частот осциллятора и генератора, но и при их кратном или дробном соотношении.

На основании изложенного можно бьг ло бы выбрать для исследования следующий вариант обработки: добиться резонанса обрабатываемого иэделия с целью появления на его поверхности точечных и линейных дефектов, способ, ствуюцих протеканию диффузионных про- зп цессов, а также на поверхности обрабатываемых изделий резонанса структур для перевода их в метастабильное (неравновесйое) состояние, кроме того, параметрического резонанса (сначала 25 возбудить муфель и через него изделие и насыщаюцую среду), добиться резонанса насыщающей газовой смеси, .создав условие, при котором в обрабатываемую поверхность диффундируют по- ЗП следовательно молибден, углерод, азот, а затем и в целом тройной комплекс углерод-азот-молибден, Учитывая, что колебательная система является нелинейной (для которой характерен постоянный приток энергии извне), создать условия, при которых могут иметь место стабильные автоколебания одной из подсистем или всех вместе.

Лналиэируя причины повышения коэффициента диффузии для предлагаемой химико-термической обработки, можно предположить,,что поверхность насыщаемого металла находится под влияни- 45 ем частотных циклических на*ряжений от звуковых в0лн. В этом случае возможно заметное повышение твердости обрабатываемого изделия .-Однако это повышение может иметь место до известt 50 ного уровня. Затем между процессами генерирования и аннигиляции дислока- . ций может наступить равновесие, за которым последует разупрочнение (известный процесс возврата), объясняемое диффузией с участием вакансий при движении перегибов на дислокацию, причем концентрация вакансий предполагается аномально высокой.

Рассмотрим известны» уралн ннн йИ

Л = Л exp(- -- — ) о RT

l $S

/! = P ехр(- -- — ), о о R где, — коэффициент диффузии на -ышзюцего элемента,,П вЂ” коэффициент начальной диффуо зии, зависящий от типа кристаллической решетки йасышающего элемента, (p — коэффициент начальной диффу— о эии

Ь И вЂ” энтальпия, Q S — энтропия, R — газовая постоянная;

Т вЂ” температура процесса, Энтальпия Л И характеризуется, н первую очередь, энергией образования вакансий и энергией перескока атома в вакансию, тогда предэкспоненциальный множитель Р можно выразить через о

Д, как функцию частоты перескока атомов, Отсюда следует, что увеличение числа вакансии должно повышать энтропию и при этом должен повышаться коэффициент начальной диффузии Д,>.

В случае предлагаемой химико-термической обработки, когда в осцилляторе процесс образования точечных и линейных дефектов носит непрерывньп1 характер, возможность наступления разупрочнения является маловероятной.

Если при гармонических колебаниях, для которых характерна малая амплитуда, может иметь место структурныи резонанс, приводящий к появлению дислокаций и образованию вакансий, то при обертонных колебаниях следует дополнительно ожидать возникновения новых фаз с колебательным движением.

При выполнении предлагаемой химикотермической обработки следует иметь в виду,что колебательная система любой атомной решетки представляет со1 бой подсистему осциллятора и является механически неустойчивой (даже несмотря на то, что атомы в кристаллических решетках, при условии равенства .волнового вектора нулю колеблются синфазно и, в целом, частоты смещений акустических колебаний кристаллической решетки стремятся к нулю). В связи с этим для интенсификации диффузионных процессов, происходящих как в. газовой насыщающей среде, так и в

1752826

10 насыщающем металле, эффективным может оказаться создание комплекса резонансных частот вплоть до фазового и структурного резонанса. В теоретическом плане процесс предлагаемой химико-термической обработки может быть достаточно усилен, если в подсистемах осциллятора и, особенно, в кристаллах обрабатываемого металла вызвать про- 10 дольные колебания, которые по значениям гораздо более поперечных.

П р и и е р 1. Обработка по известному способу — газовое аэотирование. 15

Обработку проводят в шахтной печи

С1;Д 71-04.06/9,5. Насыщающая среда т диссоциированный аммиак и молекулярный азот в соотношении 1:3. Степень диссоциации аммиака 25-30%, расход насыщающей среды 10 л/мин. Избыточное давление 40 мм вод.ст. Длительность обработки 40 ч. Температура насьпцения

540+10 С.

Насыщаемый образец размером 10 10 25 н55 мм с чистотой обработки 1,25 из стали 40Х с твердостью 2900-3000 ИПа.

В результате обработки на поверхности получен диффузионный слой, ха. рактеризующийся глубиной азотирования 30 0,28-0,31 мм, твердостью поверхности

8600-9000 ИПа (H 5o) наличие хрупкой . б;фазы — отдельные следы толщиной

10-15 мкм.

Пример 2, Обработка по известному способу — газовая цементаЦИЯ

Обработку проводят в шахтной печи

С1 1Цп-04. 06/9, S. Насыщающая средагазообразные продукты разложения 40 синтина, расход синтина 110 — ."

1 20 кап/мин в течение первого часа насыщения и 70-80 кап/мин в течение всего последующего процесса, температура насыщения 920-,940 С, длительность обработки 4 ч. Используемые образцы аналогичны указанным в примере f

После цементации выполняют двойную закалку при 850-, 860 С с охлаждением: в масле и последующий низкотемперао турный отпуск при 170-190 С в течение

2-2,5 ч.

Полученнь|е свойства упрочненного слоя; глубина цементации 0,3-0,4 мм, твердость поверхности 7800-8600 ИПа (H б) нЯличие сетки карбидов - от. " дельные следы разорванной сетки.

Пример 3. Обработка по известному способу — поверхностно-плас- тическое деформированне в порошковой насьппающей среде с наложением мощного ультразвука.

Способ включает помещение в замкнутую рабочую камеру с газовой средой лабораторных образцов, характеристика которых дана в примере 1, стальных шариков диаметром 2 мм и порошка карбонила молибдена дисперсностью 1-5 мкм.

Замкнутая рабочая камера имеет нижнюю подвижную стенку-основание.

Иарики приводятся в движение до столкновения с обрабатываемой поверхностью образца с помощью ультразвукового поля с частотой 17,3 кГц. Нижняя стенка колеблется с амплитудой смещения 60 мкм. Способ реализуют с использованием магнитострикционного преобразователя, генератора и специального конического концентратора.

Длительность обработки 10 мин, температура обработки комнатная. ,постигаемые параметры упрочненного слоя: толщина упрочненного слоя 40-:

50 мкм, глубина диффузии С 3-,5 мкм, глубина диффузии Мо 1 мкм, твердость поверхности 3600-3880 281а (Н ).

Пример 4. Обработка по иэвестному способу — комплексное насыщение металлами и неметаллами.

Процесс выполняют в электропечи

С1П91-04.06/9,5 при 500-550 С.

Газообразная среда насыщения — продукт разложения карбамида и карбонила молибдена, расход насыщающей порошковой смеси 300-350 r/÷, длительность обработки 5 ч, избыточное давление

80-100 мм вод.ст. Характеристйка об-, разцов аналогична укаэанной в примере 1. Насыщающая среда подается с помощью дозатора роторного типа.

Характеристика упрочненного слоя: толщина диффузии 0,3-0,35 мм, твердость поверхности 8600-10500 ИПа (H ), наличие Я-фазы — отсутствует.

lI р и м е р 5. Обработка по предлагаемому способу.

Выполняют процессы газовой химикотермической обработки: цементации, азотирования и комплексного насыщения металлами и неметаллами лабораторных образцов, указанных в примере 1. Технологические режимы указанных процес- сов химико-термической обработки со-, ответствуют приведенным в примерах

1, 2, 4.

175?8

11сключением является то,что с целью, ускорения Формирования диффузионного . слоя и улучшения его эксплуатационных характеристик в рабочем пространстве печи создают звуковое поле с частотой

40-1600 Гц. При этом уровень звукового давления 100- 170 дБ., перепад давления 0,25-.4,0 атм, общая длитель- . ность звуковой. обработки 10 мин. . 10

С помощью частотомера выходят на резонансную частоту и добиваются диф-.. ференцированного резонанса в каждой подсистеме осциллятора.

Полученные параметры упрочненного 1 слоя: толщина дифйузии 0,35-0,4 мм, 1S твердость поверхности 9500-11500 NIa (Н ), наличие Я -фазы или сетки карбидов - нет., В целом повышается конструктивная прочность и пластические характерис20 тики (КС на 257) .

Пример 6. Обработка по известному способу (прототипу) - газовое азотирование. - . . 25

Обработку проводят в шахтной печи, Насыщающая среда. - диссоциированный аммиак и молекулярный азот в соотношении 1:3. Степень диссоциации ПН ., 25-303, расход насьпцающей среды

10 л/мин. Избыточное давление

40 мм вод.ст. Длительность обработки 30 мин. Температура насьпцения 540 С.

Насьпцаеиые объекты: образцы из стали Р6И5 размером 8/ 8 к70 мм и 10х м10п55 мм с чистотой обработки 1,25, подвергнутые закалке на зерно балла

10 и трехкратному отпуску при 560 С

3 раза каждый, имеющие твердость

64 IIRC; сверла из стали Р6И5 ф 5, .

Фрезы коНцевые с затылованньм зубом из стали Р6И5 ф 18, 8 = 5 мм.

В результате обработки на пЬверхности получаю1 диффузионный слой, характеризующийся следующими параметра 5

Глубина аэотирования, мм .. 0,03-0,035

Твердость поверх1 ности, ИПа . 9500-11000 (Й5„,) И

IIIIa 2500

I."С, мДж/м О, 25

Стойкость инструмента при обрадот- ке деталей из материала ЗОХГ(:А с твер достью ЗХНКС указана в табл. 1. М

Пример 7. Обработка по предлагаемому способу — волновое азотиро-, 26

12 ванне. Насыщаемые объекты указаны в примере б.

Условия обработки:

Частота звукового поля, Гц 1000-1600

Уровень звукового давления, дБ

Перепад давленйя, атм †. : 0,25-4

Длительность обработки, мин 5

Температура насьицения, .С 540

В результате обработки на поверх- ности получен диффузионный слой„ характеризующийся следующими параметрами:

Р °

Глубина азотирован100-170 ного слоя, мм 0,35-0,040

Твердость,, КПа, .000- t 2400 (Н з.о)

Хрупкость" Я-фаза отсутствует к гэ ИПа : 2800

КС, мДж!и . . 0,32

Стойкость инструмейта при обработке деталей из стали ЗОХГСЛ с твердостью ЗОНКС указана в табл . 2.

Таким образом, иэ приведенных; примеров; 1 - 7 следует, что :.. предлагаемый способ обеспечивает кардинальное ускорение Формирования дифФузионных слоев с получением более высокого комплекса их своиств, может быть использован практически на всех предприятиях, где имеется термический участок, отделение или цех.

Формула из обр етения :

Способ химико-термической обработ-,, ки металлических иэделий, включающий нагрев до температуры диффузионного насьпцения, выдержку при этой темпера туре с одновременной подачей насьпцаю щей среды и охлаищение, о т л и « ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения стойкости изделий и интен-; сификации процесса насыщения, выдержку осуществляют под периодическим воздействием упругих волн низкочастотного звукового покя, геиерируе-».. мых.газовым акустическим излучателем„ с частотой 40-1 .600 Гц, уровнем звуко-/ вого давления,100-170 дБ, временем

-звукового воздействия. 3-5 мин и паузами между звуковым воздействием 35 мине

14

1752826

Та блица 1

Режимы резания

Стойкость мин

Ин струмент

Скорость, м/мин

Подача

Сверла

Фрезы

0,07 мм/об

50

0,10 мм/зуб. 5

Таблица 2

Глубина, Режимы резания

СтойИнструмент кость, мин

Скорость, м/мин

Подача

Сверла

Фрезы

0,07 мм/об

0,10 мм/зуб. 5

250

М ъ »»

Составитель Г.Дудик р,ак р Н.Гунько Техред ц,Коргентал КорректоР ЭТУШ. ца Н Т

»»»»»»Ю»»

/ . Заказ 2137 Тираж... Подписное

ВНЯЯПЯ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, 3Ьсква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

» »»»»» ЮФ» В»» В» ЙВ

»

»»»МВВ »» Ю» В Фю

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина,1 01