Способ упрочнения поверхности стальных изделий

 

Использование: химико-термическая обработка поверхности стальных изделий. Сущность изобретения: поверхность изделия нагревают до плавления электрической короткой дугой обратной полярности и охлаждают до температур фазовых превращений, при которых осуществляют пластическую деформацию поверхности охлаждаемым инструментом. Непосредственно с температур деформации проводят обработку холодом. В результате предотвращается обезуглероживание поверхности, повышаются ее твердость и износостойкость. 1 табл.

Изобретение относится к химико-термической обработке стали и может быть использовано для упрочнения поверхностей стальных изделий.

Известен способ упрочнения поверхности стальных изделий, включающий нагрев поверхности изделий до плавления электрической короткой дугой обратной полярности угольным электродом и охлаждение [1].

Недостатком известного способа является невозможность получения требуемого соотношения структурных составляющих и повышение твердости путем предотвращения их обезуглероживания.

Цель изобретения - регулирование требуемого соотношения структурных составляющих и увеличение твердости поверхности путем интенсификации превращения аустенита в мартенсит и предотвращение их обезуглероживания.

Это достигается тем, что охлаждение ведут до температур фазовых превращений, а затем осуществляют пластическую деформацию поверхности охлаждаемым инструментом и непосредственно с температур деформации обрабатывают холодом.

Способ осуществляется следующим образом.

Деталь обрабатывают на режимах, обеспечивающих получение аустенитно-мартенситной структуры с содержанием остаточного аустенита 20...30%. Экспериментально на среднеуглеродистой стали 45 установлена зависимость процентного содержания остаточного аустенита, твердости и глубины упрочнения от тока дуги. При токе дуги 350 А содержание аустенита составляет 20%.

На этих режимах средняя температура обрабатываемой детали в зависимости от ее размеров находится в пределах 100...300^оС. После обработки массивных деталей время охлаждения с указанной температуры на воздухе составляет 2... 3 ч. За это время высокоуглеродистый остаточный аустенит и мартенсит, образовавшиеся в структуре стали, начинают обезуглероживаться и терять твердость. По данным микрорентгеноспектрального анализа содержание углерода в упрочненном слое составляет ≈2%.

При таком содержании углерода температура начала мартенситного превращения Мн находится в отрицательной области.

Пластическое деформирование, осуществленное по прототипу, приводит к стабилизации остаточного аустенита и подавлению мартенситного превращения.

Исследования износостойкости упрочненного слоя при кавитационном, гидроабразивном, абразивном износе и трении скольжения однозначно показали зависимость стойкости от твердости упрочненной поверхности, которая имеет максимальное значение при содержании в структуре аустенита ≈ 20%.

В этой связи для регулирования количества остаточного аустенита (мартенсита) и предотвращения их обезуглероживания, потери твердости и износостойкости становится очевидной необходимость совмещения основной закалки, осуществляемой в массу детали, с дополнительной обработкой холодом с температуры, получающейся при обработке.

Совмещенный таким образом процесс отличается от обычной закалки тем, что в данном случае обработка холодом осуществляется уже закаленной на максимальную твердость поверхности с температуры отпуска (100...300^оС).

Тем самым исключается стабилизация остаточного аустенита, протекающая после обычной закалки из-за остановки охлаждения, предотвращаются обезуглероживание, потеря твердости и обеспечивается необходимое соотношение остаточного аустенита и мартенсита.

Использование предлагаемого способа упрочнения позволяет совместить в одном цикле сверхскоростной нагрев, плавление, легирование углеродом, пластическое деформирование, закалку в массу и обработку холодом с температуры отпуска (100...300^оС).

Совмещение этих циклов обработки позволяет получить структуру остаточного аустенита в рядовых низкоуглеродистых, низколегированных сталях, разложить его на мартенсит в требуемых соотношениях.

Кроме того, сверхвысокие скорости нагрева и охлаждения, полученные за счет локализации процесса, высокие градиенты температур 1000 град/мм позволяют реализовать в полной мере дислокационный механизм упрочнения остаточного аустенита до предельных значений.

Использование предлагаемого способа упрочнения стальных изделий позволяет получить значительный экономический эффект.

П р и м е р. Обрабатываемую заготовку изделия из стали 45 диаметром 100 мм закрепляют в патроне токарного станка. Дисковый угольный электрод диаметром 150 мм и толщиной 5 мм, сглаживающий инструмент устанавливают на суппорте. Устанавливают линейную скорость движения поверхности заготовки V = 2 м/мин и обрабатывают до температуры плавления электрической короткой дугой обратной полярности. Одновременно устанавливают давление сглаживающего инструмента в зоне нагрева до получения гладкой поверхности. Через рубашку инструмента для отвода тепла от трения прокачивают хладоагент (воду).

1. Заготовку изделия обрабатывают силой тока I = 250 А, напряжением U = 20 В, после чего охлаждают на воздухе. Замедляют твердость. Данные приведены в таблице.

2. Заготовку изделия обрабатывают по п. 1, после чего охлаждают холодом. Замеряют твердость. Данные приведены в таблице.

3. Заготовку изделия обрабатывают силой тока I = 300 А, напряжением U = 22 В, после чего охлаждают на воздухе. Замеряют твердость. Данные приведены в таблице.

4. Заготовку изделия обрабатывают по п. 3, после чего охлаждают холодом. Замеряют твердость. Данные приведены в таблице.

5. Заготовку изделий обрабатывают силой тока I = 350 А, напряжением U = 25 В, после чего охлаждают на воздухе, замеряют твердость. Данные приведены в таблице.

6. Заготовку изделия обрабатывают по п. 5, после чего охлаждают холодом. Замеряют твердость. Данные приведены в таблице.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ, включающий нагрев поверхности изделий до плавления электрической короткой дугой обратной полярности угольным электродом и охлаждение, отличающийся тем, что охлаждение ведут до температур фазовых превращений, а затем осуществляют пластическую деформацию поверхности охлаждаемым инструментом и непосредственно с температур деформации обрабатывают холодом.

РИСУНКИ

Рисунок 1