Способ упрочнения поверхности стальных изделий

 

Использование: химико-термическая обработка металлов. Сущность изобретения: Поверхность стального изделия нагревают электрической короткой дугой обратной полярности угольным электродом, а затем охлаждают до температуры фазовых превращений. Создают давление до пластической деформации параллельно на двух граничных боковых наплывах шва нагрева раздельным инструментом. Таким образом осуществляется насыщение стали углеродом, пластическая деформация и закалка с повышением износостойкости изделия за счет повышения поверхностной твердости и снижения шероховатости. 1 з.п.ф-лы, 1 табл., 2 ил.

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

Известны способы упрочнения стальных изделий, включающие нагрев поверхности изделий до плавления, насыщение ее углеродом и закалку путем резкого охлаждения в среде хладагента (см. а.с. N 53326 кл. С 23 С 8/08; N 589286 кл. С 38 С 8/06; N 1104102 кл. С 7 патент Великобритании).

Недостатками известных аналогов являются низкие механические свойства, т.к. образуется крупнозернистая аустенитная и мартенситная структура металла в обрабатываемом слое, а также низкая чистота поверхности вследствие оплавления и образования волнистой поверхности.

Прототипом изобретения является способ упрочнения поверхности стальных изделий, включающий нагрев поверхности изделий до плавления электрической короткой дугой обратной полярности угольным электродом [1] Недостатком прототипа является недостаточная износостойкость упрочненной поверхности и ее низкое качество ввиду неоднородности микротвердости и шероховатости.

Цель изобретения повышение износостойкости изделия за счет повышения поверхностной микротвердости и снижения шероховатости поверхности.

Настоящая цель достигается тем, что после обработки поверхность охлаждают до температуры фазовых превращений, после чего сглаживающим инструментом создают давление до пластической деформации с одновременной закалкой поверхности, причем сглаживающий инструмент охлаждают хладагентом, давление до пластической деформации создают параллельно по границам поверхности нагрева со стороны обработанной и необработанной поверхности изделия раздельными инструментами.

На фиг. 1 показан общий вид устройства для упрочнения поверхности стальных изделий по способу. На фиг. 2 показан вид сверху на фиг. 1. Устройство включает в себя обрабатываемое стальное изделие 1 и установленный с зазором с ним дисковый угольный электрод 2, а после него по направлению вращения изделия 1, параллельно установлены два сглаживающих инструмента в виде упругих пластин 3, закрепленные в поворотной траверзе 4 болтом 5, установленной в резьбовых осях 6, на стойках 7 корпуса 8 зажатого в суппорте станка болтами 9. Через пазы сглаживающих пластины 3 болтами 10 прикреплены водяные радиаторы 11 с другой стороны пластины 3 опираются на регулируемую винтовую опору 12.

Способ осуществляют следующим образом. Изделие 1 приводят во вращение с линейной скоростью 2 10 м/мин. Электрод 2 приводят во вращение встречно поверхности изделия 1 и подают на него электрическое напряжение обратной полярности.

Между электродом 2 и поверхностью изделия 1 устанавливают короткую электрическую дугу с силой тока 100 1000 А. Устанавливают режим обработки до оплавления поверхности изделия 1, т. е. порядка 1540^oC. Здесь происходит интенсивное диффузионное насыщение расплавленной ванны углеродом и температура кристаллизации снижается до температуры плавления чугуна 1156^oC. После дуги контактной термопарой (на чертеже не показано) определяют зону охлаждения обработанной поверхности изделия 1 до температуры фазовых превращений 900 600^oС за счет внутреннего отвода тепла), где устанавливают сглаживающий инструмент, пластины 3, давление которых до получения пластической деформации (зеркальной поверхности) на изделии 1 устанавливается регулировочными винтовыми опорами 12. Одновременно через радиаторы 11 прокачивают воду.

При оплавлении поверхности изделия 1 под действием плазменного давления дуги в ванне расплавленного металла по границам нагрева формируются продольные швы по ширине "А" ванны и с высотой боковых наплывов "В". Особенно в условиях интенсивных режимов обработки. При движении пластин 3, каждая из них пластически деформирует наплывы "В" и выравнивает их. При этом происходит дополнительное измельчение структуры металла, образование мартенсита деформации из остаточного аустенита и механический наклеп. Одновременно сглаживающие пластины 3, имея низкую температуру, резко охлаждают деформированный слой поверхности изделия 1, что останавливает фазовые превращения, предотвращает рост кристаллов и стабилизирует пересыщенный твердый раствор углерода в железе аустенит и мартенсит, т.е. происходит моментальная закалка стали с увеличением дисперсности и микротвердости структурных составляющих. При пошаговом движении дуги по цилиндрической поверхности в направлении V (указано стрелкой) боковые наплывы шва со стороны обработанной и необработанной поверхности находятся в различных условиях термического воздействия. Боковой наплыв со стороны необработанной поверхности всегда нагревается первый раз, наплыв со стороны обработанной поверхности всегда нагревается вторично, что является причиной отпуска, снижения микротвердости и ее большого разброса по ширине шва А.

При вторичном тепловом воздействии по мере продвижения инструмента, когда наплыв располагается со стороны обработанной поверхности, происходит вторичный переплав металла, перекристаллизация и фазовые превращения в нижележащей зоне под расплавленной поверхностью. Исходное состояние структуры, а именно ее дисперсность, которая заложена при первом цикле плавления и деформации, оказывает существенное влияние за счет наследственности на процесс формирования структуры бокового наплыва со стороны обработанной поверхности при повторном плавлении и деформировании.

В результате раздельного двухциклового термического и совмещенного с ним механического воздействия, осуществленного поэтапно, удается повысить среднюю твердость за счет ее выравнивания в поперечном сечении "А" шва. При этом значительно повышается дисперсность переплавленной и нижележащей зоны, однородность упрочнения и чистота поверхности.

Водяные радиаторы 11, закрепленные болтами 10 в пазах, могут передвигаться к зоне нагрева, при этом они позволяют снимать излишки тепла, образующиеся при трении пружинных пластин 3 о поверхность детали 1. Пружинные пластины 3 зажаты в поворотной траверзе 4 с возможностью их продольного выдвижения к зоне плавления и крепятся болтами 5. Траверза может совершать вращательное движение вокруг резьбовых осей 6, закрепленных в стойках 7 корпуса 8, который закреплен в суппорте станка болтами 9.

Реализация способа поясняется примерами.

Пример 1. Заготовку изделия диаметром 100 мм из марки стали 38ХНМ (трубная заготовка) закрепляют в патроне токарного станка. Дисковый угольный электрод диаметром 150 мм, толщиной 5 мм устанавливают с зазором с поверхностью заготовки. Устанавливают линейную скорость движения поверхности заготовки 2 м/мин, шаг 3,5 мм и обрабатывают поверхность заготовки до плавления электрической короткой дугой обратной полярности силой тока 300 А, напряжением 23,0 В.

После обработки заготовку охлаждают, вырезают образцы поперек шва и изготавливают шлифы. Измеряют шероховатость поверхности и микротвердость поперек шва. Данные сведены в таблицу 1.

Пример 2. По примеру 1 после электрода термопарой определяют зону охлаждения поверхности до 900^oC, где устанавливают на суппорте цельный сглаживающий инструмент с усиливанием сглаживания 1000 Н до получения гладкой поверхности. Через рубашку сглаживающего инструмента прокачивают воду.

После обработки заготовку охлаждают, вырезают образцы поперек шва и изготавливают шлифы. Измеряют шероховатость поверхности и микротвердость поперек шва. Данные сведены в таблицу.

Пример 3. По примеру 2 устанавливают два раздельных сглаживающих инструмента по границам зоны нагрева. После обработки заготовку охлаждают, вырезают образцы поперек шва и изготавливают шлифы. Измеряют шероховатость поверхности и микротвердость поперек шва. Данные сведены в таблицу 1.

Из таблицы видно, что при применении сглаживающих инструментов шероховатость поверхности с 0,3 мм уменьшилась до 0,1 мм.

Из таблицы видно, что твердость упрочненной поверхности с применением сглаживающего инструмента повышает твердость поверхности без механической обработки на 200 600 МПа. При этом при обработке раздельными сглаживающими, по сравнению с цельным, твердость упрочнения поверхности по границам нагрева поверхности увеличилась на 115 270 МПа.

Таким образом, применение предлагаемого способа за счет повышения однородности структуры деформируемой поверхности и ее микротвердости позволяет повысить среднюю твердость и механические свойства обрабатываемой детали.

Формула изобретения

1. Способ упрочнения поверхности стальных изделий, включающий нагрев поверхности изделий до плавления электрической короткой дугой обратной полярности угольным электродом, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости изделия за счет повышения поверхностной микротвердости и снижения шероховатости поверхности, после обработки поверхность охлаждают до температуры фазовых превращений, затем сглаживающим инструментом создают давление до пластической деформации с одновременной закалкой поверхности, причем сглаживающий инструмент охлаждают хладагентом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что давление до пластической деформации создают по границам поверхности нагрева со стороны обработанной и необработанной поверхностей изделия раздельными инструментами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3