Способ химико-термической обработки стальных деталей и автоматическая линия для его осуществления

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в машиностроении . Целью изобретения является повышение износостойкости, коррозионной стойкости изделий и повышение производительности . Способ включает предварительное окисление при 350-400° С в воздушной атмосфере, насыщение в азотсодержащей среде при температуре 570-680° С, изотермическую выдержку при температуре 400-500° С в защитной атмосфере , с последующим нагревом до температуры насыщения в нитроокисляющей атмосфере. Для осуществления этого способа применяется автоматическая линия, содержащая загрузочный тамбур, камеры химико-термической обработки и закалки, после камеры химико-термической обработки установлены камера оксидирования и камера изотермической выдержки, герметически связанные между собой и подключенными соответственно к источникам защитной и нитроокисля ющей сред. Все это позволяет повысить качество деталей при массовом производстве. 2 с. 3 з. п. ф-лы, 1 ил., 2 табл. (Л С

COl03 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИ !ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

s С 21 D 1/78

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4333402/02 (22) 23.11.87 (46) 15. 31,92 .Бюл, ¹ 42 (71) Московский автомобильный завод им.

И.А.Л ихачева (72) А.Г.Божков, В.К,Седунов, Г.П.Долотов, В,В.Новиков, Б.Д.Притоманов, Г.Б.Петров и

Ю.К,Евсеев (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1356523, кл. С 23 С 8/26, 1986, (54) СПОСОБ ХИМИКΠ— ТЕРМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в машиностроении. Целью изобретения является повышение износостойкости, коррозионной стойкости изделий и повышение производиИзобретение относится к л1еталлургии и предназначено для повышения стойкости стальных деталей против износа и коррозии и может быть использовано в машиностроении, например, в автомобильной промышленности для деталей двигателя и коробки перемены передач автомобилей с бензиновым и дизельным двигателем (вилка переключения передач, детали клапана демультипликатора, компрессионное кольцо, шатун и т. д.), работающих в условиях износа и износа-коррозионного разрушения.

Цель изобретения — повышения иэносостойкости и коррозионностойкости и увеличение производительности.

„„Я2„„1?75481 Al тзльности. Способ включает предварительное окисление при 350-400 С в воздушной атмосфере, насыщение в азотсодержащей среде при температуре

570 — 680 С, изотермическую выдержку при температуре 400-5000 С в защитной атмосфере, с последующим нагревом до температуры насыщения в нитроокисляющей атмосфере. Для осуществления этого способа применяется автоматическая линия, содержащая загрузочный тамбур, камеры химико-термической обработки и закалки, после камеры химико — термической обработки установлены кал1ера оксидирования и камера изотермической выдержки, герл етически связанные между собой и подключенными соответственно к источникам защитной и нитроокисля ющей сред, Все это позволяет повысить качество деталей при массовом производстве. 2 с, 3 з. и, ф — лы, 1 ил., 2 табл.

На чертеже показана автоматическая линия для осуществления способа химико— термической обработки деталей в массовом производстве, план.

Линия содержит последовательно размещенные и связанные между собой загрузочным механизмом 1 переходный тамбур

2, камеру 3 предварительного нагрева в окислительной среде, камеру 4 химико — термической обработки, связанную заслонкой

5 с камерой 6 изотермической выдержки. К камере 6 присоединена камера 7 оксидирования. С заслонкой 8 эти камеры разделены перегородкой 9. После камеры 7 оксидирования установлена камера 10 охлаждения, соединенная с масляным баком 11, Камера

1775481

15

35

50 имеет патрубак 12, соединенный с источником защитной среды, а камера 7 имеет патрубок 12, соединенный с источником нитроокислительной среды.

Предлагаемый способ осуществляют на автоматической линии следующим образом.

Детали, размещенные на приспособлениях, поступают по транспортеру (на чертеже не показан) в камеру 3 предваритЕльного нагрева в воздушной среде, где происходит подготовка поверхности для дальнейшего насыщения, далее через тамбур 2 механизмам 1 детали поступают в камеру 4 химико— термической обработки. В камере химико — термической обработки поверхность насыщается азотом и углеродом в среде 50 эндагаза+50 О/ аммиака. После выдержки в камере 4 химико-термической обработки детали поступают в камеру 6 изотермической выдержки, отделенную от камеры 4 заслонкой 5, Изотермическая выдержка в течение 5—

20 мин при температуре 400 — 500 С в защитной атмосфере обусловлена тем, что да

400 С нитрид железа (Fe4N) и нитрокарбидные фазы, образовавшиеся при насыщении, устойчивы.

Начиная с 400 С и выше, нитридные и нитрокарбидные частицы диссоциируют с образованием молекулярного азота по реакции

2Fe4N = 8Fe+ йг (1).

В результате на поверхности формируется пористый слОЙ.

Применяемая защитная атмосфера должна предотвращать возможность окисления поверхности деталей при изотермической выдержке. Наличие кислорода камеры изатермическай выдержки при температуре ниже 500 С приведет к образованию окисла низшего порядка — FeO, что значительно ухудшит эксплуатационные характеристики поверхности.

Изменяя состав защитной атмосферы, . вазмо>кна регулирование пористости поверхности.

Различная степень развитости паристасти поверхности необходима для получения оптимальных свойств поверхности для различных условий эксплуатации деталей (например, более развитая пористость улучшает трибологические свойства поверхности, менее развитая увеличивает коррозионную стойкость).

В качестве защитной атмосфере возможно использование любого нейтрального .газа(азот, аргон, неон и т. и.), Применяя только нейтральный газ (использовали азот, как наиболее дешевый). можно получить наиболее развитую пористость, а значит лучше триболагические свойства поверхности.

Выдержка менее 5 мин не обеспечивает равномерной пористости на всех поверхностях, а более 20 мин приводит к потере прочности нитридного слоя.

Добавление к нейтральному газу любого азотосодержащего вещества, которое при температуре 400 — 500 С диссоциирует с образованием атомарного азота, позволяет замедлять хад реакции по уравнению (1), т. е, появляется возможность регулировать развитость пористости слоя.

Количество аэотосадержащего вещества увеличивают также с увеличением длительности изотермической выдержки, которая может быть увеличена по технологическим соображениям (но не более 20 мин).

Как наиболее дешевый, в качестве азотосодержащего вещества, применяли эммиак. Соотношение азота и аммиака составило от 9: 1 до 9,95: 0,05.

Введение аммиака свыше 10 приводит к прекращению реакции (1), т. е. к прекращению диссоциации нитридных интрокарбидных фаз.

После изотермической выдержки в камере 6 поднимается заслонка 9 и детали поступают в камеру 7 оксидирования.

8 камере оксидирования происходит дальнейшая обработка поверхности в течение 5 — 20 мин в нитраокисляющей среде и нагреве да температуры насыщения, что приводит к образованию равномерной по всем поверхностям плотной окисной пленки, состоящей из Рез04.

Атмосфере в камере оксидирования. должна обеспечивать получение плотной и равномерной акиснай пленки на всех поверхностях детали при длительности оксидирования от 5 до 20 мин.

В качестве такой атмосферы возможно использование любого окисляющего газа (смесь азота и кислорода, аргона и кислорода, СОг и т. и.) с добавками вещества, обеспечивающего образование на поверхности детали атомарного азота (например аммиака, азотнокислого натрия, триэтаноламина и т. и.).

Наличие атомарного азота необходимо для замедления процесса образования окиснай пленки. Образующаяся окисная пленка при таких условиях окисления обладает меньшими внутренними напряжениями, чем при быстром окислении (прототип), а значит менее склонна к трещиноабраэованию.

1775481

Как наиболее дешевая нами была взята азота — кислорода-аммиачная среда при соотношении ее компонентов, мас. в %:

Кислород 0,2 — 22,0

Аммиак 0,05 — 3,0

Азот Остальное

Нейтральный газ (в частности азот) применяется как раэбавитель окислительной атмосферы, Содержание кислородом менее 0,2 %, а аммиака более 3 % iå приводит к образаванию на поверхности окиснай пленки, а при содержании кислорода свыше 22 % и аммиака ниже 0,05 % приводит к значительному уменьшению толщины химического соединения (нитридных фаз) и получению окисной пленки с низкой коррозионной

СТОЙ КОСТЫО, Нагрев до температуры насыщения проводят для получения окисной пленки необходимого химического состава (получения создинения РезОл наиболее термодинамически выгодны именно при температурах насыщения), а также для получения из у-фазы азотистого мартенсита, образующегося при последующем быстром охлаждении с температур выше 590 С. Азотистый мартенсит повышает твердость под я- фазой, улучшая эксплуатационные характеристики.

Время выдержки при оксидировании получено из условия получения равномерной окисной пленки на всех поверхностях детали при выбранном составе окисляющей атмосферы. Выдержка менее 5 мин не обеспечивает окисной пленки необходимой толщины, а более 20 мин в образующейся окисной пленке появляются трещины, что влечет за собой потер о коррозионно-стойких свойств.

Далее детали поступают з камеру 10 охлаждения, где детали резко охлаждаются горячей водой (Т =- 95 С) методом душевания. После охлаждения детали поступают в маслянный бак 11, где осуществляется отпуск при температуре масла 120 — 140 С.

Для повышения изнасостойкости свойств масло содержит серу в количестве 0,5 — 10 %.

Для увеличения срока слу>кбы масла в него были добавлены xriop и азатосадержащие присадки в количестве 1 %, После масляного бака 11 детали поступают на загрузочно — разгрузочный транспортер.

П р» м е р. Обрабатываемые детали

{клапан, коромысло клапана, вилка переключения и т, д.) подвергали обработке r«o следу ощим режимам;

1 режим, Нагрев до 370 С в окисл»тельной среде (воздух) с выдержкой 20 ми : t. Ha15

35- 6 режим. Атмосфера в камере изотермической выдер>кки содержит 99,95 % азота и

50

5

25 сыщение при температуре 630 С в газовой смеси. содержащей 50 jo NH3 + 50 % эндогаза, выдержка 5 ч. !зотермическая выдержка при температуре 450 С в газовой смеси, содержащей 96 % технического азота+ 4 % аммиака в течение 8 мин, Нагрев в течение 7 л1ин до температуры 610 С в газовой смеси, содержащей 76 % технического азота + 23 % кислорода + 1 % аммиака.

Охлаждение горячей водой П = 95 С) методом душевания и отпуск в масле с содержа- нием серы 2 % при температуре 130 С в течение 30 мин. Далее меняли только соотношение подаваемых газов в камере изотермической выдержки и камере оксидирования.

2 режим. Атмосфера в камере изотермической выдержки содержит 90 j азота и 10 % аммиака, а в камере оксидирования

96,8 % азота, 0,2 % кислорода и 3 % аммиака.

3 режим. Атмосфера в камере изотермической выдержки содержит 99 % азота и 1

;ь аммиака, а в камере оксидиравания

76,95 % азота, 23 % кислорода и 0,05 аммиака.

4 режим. Атмосфера в камере изатермической выдержки содержит 100 % азота, а в камере оксидиравания 76,5 % азота, 23 % кислорода и 0,5 % аммиака.

5 режим. Атмосфера в камере изотермической выдержки содержит 88 % азота и

12 % аммиака, в камере оксидирования

79 % азота, 20 % кислорода и 1 % аммиака.

0,05 % аммиака, в камере оксидирования 79

% азота, 20 % кислорода и 1 % аммиака.

7 режим. Атмосфера в кал1ере изотермической выдержки содержит 97 % азота и 3 % аммиака, в камере оксидиравания

79,98 % азота, 20 % кислорода и 0,02 % аммиака.

8 режим. Атмосфера в камере изотермической выдержки 97 % азота и 3% аммиака, в камере оксидирования 93 % азота, 4 % кислорода и 4 % аммиака.

В отличии ат предлагаемого способа способ по прототипу осуществил только в камерных печах, Детали нагревали в воздушной атмосфере при температуре 370 С с выдержкой 20 мин, далее нагрев до 630 С D газовой смеси, содержащей 50 % КНз+ 50 % эндогаза, выдержка 5 ч, перед охла>кдением детали выдерживали в окислительной атмосфере, содержащей 20 % кислорода и 80 % азота(1: 4) в течение 7 сек, охлаждение в воде и отпуск в масле с содержанием серы 2 % пои температуре 130 С в течение 30 мин.

1775481

Испытания на корроэионную стойкость проводили следующим образом.

Струя солевого раствора (3 %) из пульверизатора направлялась под углом 45, расположенный на расстоянии 200 мм от сопла, при этом исключалось непосредственное попадание раствора на испытываемые детали.

Испытания проводились при температуре 24-26 С. Определение очагов коррозии устанавливали внешним осмотром детали невооруженным глазом при естественном освещении.

Результаты испытаний на коррозионную стойкость представлены в табл. 1.

Испытания на износостойкость проводились по методу оценки истирающей способности поверхности при трении (- ГОСТ

23.204-78) на машине Шкода — Савина при нагрузке 5 к .

Длительность одного испытания (образование одной лунки) продол>калось в течение 3000 оборотов диска машин. Размеры диска: диаметр 30 мм, толщина 2,5 мм. Скорость вращения диска при испытании была равна 860 оборотов/мин. Охлаждением служила жидкость 0,5 %-ный раствор KzCrOa в дистиллированной воде. Скорость подачи охлаждающей жидкости составляла

0,8 л/мин. На каждом образце истиралось по 5 лунок.

Результаты испытаний представлены в табл. 2.

Анализ результатов испытаний на коррозионную стойкость и износостойкость свидетельствует, что составы атмосфер в камере изотермической выдержки и в окислительной камере выбраны правильно.

Например, при наличии в камере изотермической выдержки только нейтрального газа (азота) увеличивается износостойкость с незначительным ухудшением коррозионной стойкости, которая все же выше коррозионной стойкости деталей, обработанных по прототипу.

Получение более равномерной по толщине и менее склонной к трещинообразованию окисной пленки в сочетании с равномерной микропористостью поверхности приводит к повышению иэносокоррозионных свойств поверхности s 1,2-1,3 раза по сравнению с прототипом при реализации предложенного способа на автоматическим агрегате непрерывного действия, что резко увеличивает производительность и крайне необходимо в условиях массового производства. сти, перед оксидированием осуществляют иэотермическую выдержку при 400-500 С в защитной атмосфере, а оксидирование ведут в нитроокисляющей среде.

2. Способ по и. 1, о т л и-ч а ю шийся тем, что в качестве защитной атмосферы используют азот и аммиак при следующих соотношениях компонентов, мас. %:

Азот 90,0-99,5

Аммиак 0,05-10,0

3. Способпо п.1,отличающийся тем, что в качестве защитной атмосферы используют азот., 4. Способ по и. 1, отличающийся тем, что в качестве нитроокисляющей среды используют азот. кислород и аммиак при следующем соотношении компонентов, мас. %:.

Кислород 0,2-22,0

Аммиак 0,05 — 3,0

Азот Остальное

5. Автоматическая линия для химикотермической обработки стальных деталей, содер>кащая последовательно размещенные и связанные между собой механизмом

35

40 перемещения загрузочный тамбур, камеру предварительного нагрева, камеру химикотермической обработки, камеру закалки и узел оксидирования, отличающаяся тем, что, с целью повышения проиэводи45 тельности, она снабжена камерой изотермической выдержки с патрубком подачи защитной среды, герметично соединенной с камерой химико-термической обработки, а узел оксидирования выполнен в виде каме50 ры с патрубком подвода нитроокислительной среды, герметично соединенной с камерами изотермической выдержки и закалки.

Формула изобретения

1. Способ химико-термической обработки стальных деталей, включающий нагрев и выдержку при 350-400 С на

10 воздухе, последующий нагрев и выдержку при 570-680 С в азотсодержащей среде, - последующее оксидирование и отпуск, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения износостойкости и коррозионной стойко1775481

Способ

Деталь

Вилка

Защелка

Предлагаемый

По известному способу (и рототипу) Режим обработки

Вилка перекл. передач

Защелка

Клапан

Вилка перекл. передач

Клапан

Защелка

Вилка перекл. передач . Клапан

Защелка

Вилка перекл. передач

Клапан

Защелка

Вилка перекл. перед

Клапан

Защелка

Вилка перекл.

Клапан

Защелка

Вилка перекл. передач

Вилка перекл. передач

Количество исследуемых деталей

Таблица 1

Результаты

Через 108 ч испытаний коррозии нет

Через 108 ч испытаний коррозии нет

Через 108 ч испытаний коррозии нет

Через 108 ч испытаний появились точки коррозии

Через 108 ч испытаний коррозии нет

Через 108 ч испытаний появились точки коррозии

Через 56 ч появились точки коррозии

Через 36 ч появились точки коррозии

Через 82 ч появились точки короозии

1775481

Т аблица 2

Составитель И.Петров

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор Л.Лукач

Редактор А,Бер

Производственно-издательский комбинат "Патен-", r. Ужгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 4О22 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5