Способ химико-термической обработки поверхности металлических деталей



Способ химико-термической обработки поверхности металлических деталей
Способ химико-термической обработки поверхности металлических деталей
Способ химико-термической обработки поверхности металлических деталей
Способ химико-термической обработки поверхности металлических деталей

 


Владельцы патента RU 2416674:

Загорский Александр Валерьевич (RU)
Загорский Валерий Куприянович (RU)
Загорский Ярослав Валерьевич (RU)

Изобретение относится к упрочняющей химико-термической обработке металлических деталей концентрированными источниками энергии и может быть использовано при изготовлении деталей из конструкционных материалов. Способ включает сканирование поверхности с оплавлением электрической короткой дугой длиной до 1 мм обратной полярности дисковым вращающимся охлаждаемым электродом, насыщение расплавленной поверхности ионизированной плазмой электрода и охлаждение расплавленного металла. Расплавление поверхности ведут при плотности мощности в дуге 104-105 Вт/см2 с непрерывно-последовательным проплавлением по ходу сканирования канала тороидальной формы с локальным объемом V=1,0-150 мм3 с обеспечением отношения единичной площади теплоотвода к объему расплавленного металла, ограниченного этой площадью, в пределах 0,4-4, при этом время высокотемпературного воздействия на локальный объем обеспечивают в пределах сек, где L - длина оплавленной зоны, υ1 - скорость упрочнения, при отношении шага сканирования к толщине электрода в пределах 0,7-1,2. Повышается износостойкость обрабатываемых деталей и снижается время высокотемпературного воздействия. 4 ил.

 

Изобретение относится к упрочняющей химико-термической обработке металлических деталей концентрированными источниками энергии и может быть использовано для придания специальных свойств, таких как износостойкость, циклическая прочность, коррозионная стойкость и др. на поверхности деталей, изготовленных из различных конструкционных материалов.

Известен способ упрочнения поверхности металлических изделий, включающий нагрев поверхности изделия до температуры плавления электрической, короткой дугой обратной полярности длиной до 1 мм неплавящимся дисковым вращающимся электродом, который принудительно охлаждают жидким теплоносителем, и насыщение обрабатываемой поверхности ионизированной плазмой электрода с охлаждением расплавленного металла в массу детали [1].

Недостатком известного способа является недостаточная интенсивность закалочных процессов и ограничения в связи с этим возможности получения наноразмерных и высокодисперсных структур, обеспечивающих повышение служебных свойств, таких как износостойкость, циклическая прочность, пластичность, вязкость, твердость, и др.

Известен способ упрочнения поверхности стальных изделий малой массы, включающий непрерывно-последовательный нагрев поверхности изделия до плавления электрической, короткой дугой обратной полярности угольным электродом и охлаждение, при этом упрочнение проводят за несколько заходов, а после каждого захода осуществляют дополнительное охлаждение [2].

Недостатком приведенного способа является дискретность процесса упрочнения в связи с необходимостью промежуточного охлаждения основной массы детали между заходами и недостаточная эффективность закалочных процессов локальной зоны оплавления.

Цель изобретения - повышение износостойкости и других служебных свойств за счет интенсификации закалочных процессов расплавленного металла в массу детали путем увеличения плотности мощности, скорости упрочнения, скорости охлаждения, локальности нагрева, уменьшения площади теплоотвода и снижения времени высокотемпературного воздействия.

Указанная цель достигается тем, что способ химико-термической обработки поверхности металлических деталей, включающий сканирование поверхности с оплавлением электрической короткой дугой длиной до 1 мм обратной полярности дисковым вращающимся охлаждаемым электродом, насыщение расплавленной поверхности ионизированной плазмой электрода и охлаждение расплавленного металла, отличается тем, что оплавление поверхности ведут при плотности мощности в дуге 104-105 Вт/см2, с непрерывно-последовательным проплавлением по ходу сканирования канала тороидальной формы с локальным объемом V=1,0-150 мм3, с обеспечением отношения единичной площади теплоотвода к объему расплавленного металла, ограниченного этой площадью, в пределах 0,4-4, при этом время высокотемпературного воздействия на локальный объем обеспечивают в пределах τ=L/ν1=0,02-0,4 сек, где L длина оплавленной зоны, ν1 скорость упрочнения, при отношении шага сканирования к толщине электрода в пределах 0,7-1,2. Разработанная совокупность технологических параметров осуществления способа упрочнения, на примере обработки угольными электродами с насыщением поверхности углеродом, позволяет получать многослойное строение упрочненной зоны с наноразмерным и высокодисперсным строением структуры аустенитно-мартенситного композита, и связанную с этим новую совокупность физико-механических, триботехнических, коррозионных и др. свойств поверхностного слоя.

Легирование углеродом, который является стабилизатором аустенитного состояния, при высоких скоростях охлаждения в массу детали боле (15-20)·103 град/сек, способствовало стабилизации первичного аустенита (до 80% в оплавленной зоне) и сохранении углерода в твердом растворе, остальное мартенсит. Карбиды в структуре упрочненного слоя отсутствуют.

Повышение плотности мощности электрической дуги до 104-105 Вт/см2 при одновременном увеличении скорости обработки способствует тому, что эпюра распределения температур становится более узкой и остроконечной. Это свидетельствует о повышении локальности нагрева, сужении зоны термического влияния, уменьшении времени высокотемпературного воздействия, интенсивности нагрева основной массы детали и соответственно о увеличении скорости охлаждения [3].

Результатами указанной интенсификации режимов упрочнения является повышение твердости упрочняемой поверхности и дисперсности структур в наноразмерном диапазоне и получение новой совокупности свойств с одновременно высокой пластичностью, вязкостью, износостойкостью, циклической прочностью и др.

Увеличение скорости обработки способствует снижению времени высокотемпературного воздействия на расплавленный локальный объем V, которое поддерживается в пределах τ=L/ν1 где L - длина оплавленной зоны (см. фиг.2), ν1-окружная скорость упрочнения, что позволило увеличить локальность оплавляемой зоны ограничиваемой объемом V=L×B×h=1,0-150 мм3 (см. фиг.2, 3) и, как следствие, уменьшить величину и время распространения тепловых потоков разогревающих массу обрабатываемой детали, увеличить градиенты температур , способствующих интенсификации закалочных процессов, где В ширина, h глубина оплавленной зоны.

Ограничение локального объема за счет размеров проплавляемого канала в пределах 1,0-150 мм3 позволило увеличить площадь теплоотвода S, приходящуюся на единицу объема V расплавленного металла, что способствует в значительной мере повышению интенсивности закалки, обеспечивающей получение многослойных наноразмерных и высокодисперсных структур в зоне упрочнения глубиной 0,1-3 мм.

С уменьшением поперечных размеров проплавляемого канала увеличивается отношение поверхности теплоотвода к объему расплавленного металла, ограниченного этой поверхностью.

Это дает возможность увеличить скорости охлаждения более (15-20)·103 град/сек в тонких поверхностных слоях в сравнении с прототипом и довести их до уровня, обеспечивающего получение наноразмерных структур.

Форма оплавленной зоны в осевом и радиальном сечении наиболее близка к тору (см. фиг.3). Известно, что площадь тора S=9,87 D×d, а объем тора 2,467 D×d2, где D средний диаметр тора (он соизмерим с диаметром упрочняемой детали), d диаметр поперечного сечения тора (он же диаметр вписанной окружности в оплавленную зону), отсюда при изменении ширины оплавленного канала В (см. фиг.2, которая пропорциональна диаметру d), от 10 до 1,0 мм отношение площади к объему расплавленного металла, ограниченного этой площадью, изменяется , т.е. в 10 раз.

Одновременное увеличение скорости обработки, плотности мощности, площади теплоотвода при уменьшении времени высокотемпературного воздействия, уменьшении линейных размеров оплавляемой зоны способствуют увеличению локальности высокотемпературного воздействия, уменьшению теплоотвода в массу упрочняемой детали и снижению ее температуры, что положено в основу увеличения интенсивности закалочных процессов.

Ограничения отношения шага обработки А к толщине электрода С величиной связано с требованием получения однородности свойств упрочняемой поверхности. При уменьшении шага менее 0,7 толщины электрода происходит падение основного показателя упрочненной поверхности-твердости вследствие отпуска предыдущих витков при сканировании последующего. При увеличении шага обработки более 1,2 падение твердости уменьшается, но растет неоднородность ее распределения вдоль образующих, начинают расти промежутки с пониженной твердостью.

Шаг может быть увеличен кратно числу заходов при многозаходном сканировании с перекрытием зоны оплавления в указанных пределах Сопоставительный анализ получаемых свойств с прототипом показывает, способ отличается тем, что оплавление поверхности ведут при плотности мощности в дуге 104-105 Вт/см2, с непрерывно-последовательным проплавлением по ходу сканирования канала тороидальной формы с локальным объемом V=1,0-150 мм3, с обеспечением отношения единичной площади теплоотвода к объему расплавленного металла, ограниченного этой площадью, в пределах 0,4-4, при этом время высокотемпературного воздействия на локальный объем обеспечивают в пределах τ=L/ν1=0,02-0,4 сек, где L - длина оплавленной зоны, ν1 - скорость упрочнения, при отношении шага сканирования к толщине электрода в пределах 0,7-1,2, соответствует критерию изобретения «Новизна».

Электронная микроскопия методом фольг при увеличениях в ×200000 подтвердила наноразмерное строение упрочненной зоны [4].

На фиг.1 представлен общий вид устройства для осуществления способа, на котором показаны основные элементы, с помощью которых осуществляется сканирование поверхности. На фиг.2, 3 показана зона оплавления с размерами B×L×h. На фиг.3, 4 показана форма и размеры оплавляемой зоны в радиальном и осевом сечениях.

Упрочняемая деталь 1 крепится во вращателе 2 с регулируемой скоростью вращения. Вращающийся дисковой электрод 3, охлаждаемый жидким теплоносителем (радиаторы для охлаждения полотна электрода, прижимаемые с боков к электроду, условно не показаны), подводится к вращающейся детали, на которые подается напряжение от источника питания дуги с заданными параметрами напряжения и тока, электрод в осевом направлении движется с заданным шагом А.

Источники информации

1. Патент №1835127 по кл. С23С 8/52 «Способ упрочнения поверхности металлических изделий».

2. Патент №2025538 по кл. С23С 8/00, 8/22 «Способ упрочнения поверхности стальных изделий малой массы».

3. Загорский В.К., Загорский В.Я. Расчет температурных полей детали при электродуговом нагреве. - «Горный вестник», 2000. Сборник научных статей Южно-Уральского отделения АГН, посвященный 300-летию приказа рудокопных дел.

4. 3агорский Я.В., Загорский В.К. Попова С.В. Механизм упрочнения деталей машин электрической дугой. Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, оснастки, от нано- до макроуровня. Материалы 11-й Международной научно-практической конференции 14-17 апреля 2009 г., часть 2.

Способ химико-термической обработки поверхности металлических деталей, включающий сканирование поверхности с оплавлением электрической короткой дугой длиной до 1 мм обратной полярности дисковым вращающимся охлаждаемым электродом, насыщение расплавленной поверхности ионизированной плазмой электрода и охлаждение расплавленного металла, отличающийся тем, что расплавление поверхности ведут при плотности мощности в дуге 104-105 Вт/см2 с непрерывно-последовательным проплавлением по ходу сканирования канала тороидальной формы с локальным объемом V=1,0-150 мм3 с обеспечением отношения единичной площади теплоотвода к объему расплавленного металла, ограниченного этой площадью, в пределах 0,4-4, при этом время высокотемпературного воздействия на локальный объем обеспечивают в пределах с, где L - длина оплавленной зоны, υ1 - скорость упрочнения, при отношении шага сканирования к толщине электрода в пределах 0,7-1,2.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области термической обработки. .

Изобретение относится к изготовлению подложки со слоем легированного углеродом оксида титана, которая действует как реагирующий на видимый свет фотокатализатор. .

Изобретение относится к многофункциональному материалу со слоем легированного углеродом оксида титана и действующему как реагирующий на видимый свет фотокатализатор.

Изобретение относится к области термической обработки и может быть использовано при изготовлении деталей конструкций и машин. .

Изобретение относится к машиностроению, может быть использовано в автотракторостроении, станкостроении, нефтяной и химической промышленности и других отраслях, где возникает необходимость высокой надежности деталей, работающих в тяжелых условиях нагружения и является усовершенствованием способа по заявке N 4735676/02.

Изобретение относится к агрегатам экологически чистого процесса цементации. .

Изобретение относится к области цементации и может быть использовано, например, в машиностроении, нефтехимии, металлургии авиастроении и автомобилестроении и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к машиностроению и химии, конкретно к металлообработке и эксплуатации машин и механизмов, в том числе двигателей внутреннего сгорания. .

Изобретение относится к технологии термической обработки высокочистого железа

Изобретение относится к устройству и способу науглероживания для обработки предмета и может быть использовано при поверхностной обработке стали

Изобретение относится к технологии химико-термической обработки металлов с использованием концентрированных потоков энергии
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении шестерен, крестовин, втулок, зубчатых колес и т.д., в том числе работающих при температуре до 500°C и испытывающих при эксплуатации динамические нагрузки и износ. Для обеспечения более высокого комплекса прочностных и пластических характеристик, значений ударной вязкости, а также эффективного упрочнения поверхности деталей получают отливки из стали с содержанием углерода 0,2-0,28 мас.%, хрома 3,5-4,5 мас.%, затем отливки подвергают термической обработке путем закалки с температуры 850-870°C в масло и последующего отпуска при 600-620°C. Полученные отливки механически обрабатывают по заданным техническими условиями поверхностям и проводят низкотемпературную химико-термическую обработку деталей, например азотирование или карбонитрацию. Упрочненный слой детали обладает повышенной теплостойкостью и износостойкостью с микротвердостью поверхности не менее 850HV.

Группа изобретений относится к способу упрочнения стальных деталей, устройству для осуществления способа и упрочненным в соответствии с этим способом стальным деталям. Осуществляют нагрев деталей до температуры от 950 до 1200°C, при этом 30-100% поверхности каждой детали нагревают с помощью прямого теплового излучения, падающего под пространственным углом 0,5π-2π нагревательного устройства. Воздействуют на детали содержащим углерод газом и/или содержащим азот газом при температуре от 950 до 1200°C и давлении ниже 100 мбар. Выдерживают детали в атмосфере упомянутого газа при давлении ниже 100 мбар при температуре от 950 до 1200°C. В случае необходимости проводят одно- или многократное повторение предыдущих двух этапов и осуществляют охлаждение деталей. Устройство для упрочнения стальных деталей, содержащее две или больше камер науглероживания, по меньшей мере одну камеру охлаждения и передаточную систему для манипулирования стеллажами для деталей. Камера охлаждения выполнена с возможностью соединения с каждой из камер науглероживания через одну или несколько вакуумных заслонок. Каждая камера науглероживания имеет приемный элемент для стеллажа и по меньшей мере два нагревательных элемента, которые расположены так, что отдаваемое ими излучение попадает на поверхность каждой из деталей под средним пространственным углом от 0,5π до 2π. Обеспечивается упрочнение деталей с уменьшенным термическим искривлением, уменьшение проскальзывания или потерь на трение обработанных деталей. 4 н. и 36 з.п. ф-лы, 11 ил., 2 пр.

Изобретение относится к изготовлению кольца подшипника. Для упрощения изготовления колец подшипника, повышения твердости, износостойкости, усталостной прочности способ включает стадию формирования кольца подшипника по меньшей мере из одной стальной полосы, имеющей концы, в по меньшей мере один кольцевой сегмент и стадию стыковой сварки оплавлением концов указанного по меньшей мере одного кольцевого сегмента для изготовления кольца. Способ также включает стадию науглероживания по меньшей мере части поверхности указанной по меньшей мере одной стальной полосы, прилегающей к поверхности, которую сваривают встык оплавлением, перед указанной стыковой сваркой оплавлением. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 11 ил.
Наверх