Способ электродиффузионной термообработки полой детали из стали

Авторы патента:

C23C10/26 - с диффундированием более чем одного элемента

Владельцы патента RU 2450084:

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тюменская государственная сельскохозяйственная академия" (RU)

Изобретение относится к металлургии, а именно к термической обработке стальных деталей. Проводят герметизацию нижнего торца обрабатываемой детали, внутрь детали помещают вспомогательный электрод и загружают солевой расплав до уровня на 2,5-3,5 мм ниже верхнего торца обрабатываемой детали. Нагрев детали осуществляют до 830-1190 К, анодную поляризацию проводят током плотностью от 0,1 до 25,0 А/дм² в солевом расплаве, являющемся электролитом, в течение 1,5-3,0 ч со вспомогательным электродом. После анодной поляризации солевой расплав выливают и охлаждают деталь. Повышается микротвердость и увеличивается толщина защитного слоя внутренней поверхности полых деталей. 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к металлургии, а именно к термической обработке стальных деталей.

Наиболее близким по технической сущности, выбранным в качестве прототипа является способ термической обработки стальных деталей [Патент РФ №2061089, кл. С23С 8/42, опубл. 1996], включающий нагрев до 830-1190 К, анодную поляризацию током плотностью от 0,1 до 25,0 А/дм² в солевом расплаве со вспомогательным электродом в течение 1,5-3,0 ч и охлаждение. В результате известной термообработки на наружной поверхности детали образуется равномерный слой толщиной 80-150 мкм с повышенными микротвердостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью, однако на внутренней поверхности детали с полостью толщина слоя меньше в 2-3 раза, а эксплуатационные характеристики понижены.

Известной причиной, препятствующей достижению технического результата, обеспечиваемого предлагаемым изобретением, является недостаточное упрочнение и повышение коррозионной стойкости внутренней поверхности полой детали из стали, что не обеспечивает длительного ресурса полых деталей с рабочей внутренней поверхностью.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение доремонтного ресурса стальной полой детали с рабочей внутренней поверхностью.

При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении микротвердости и увеличении толщины защитного слоя внутренней поверхности полой детали из стали.

Указанный технический результат достигается за счет обработки полой детали из стали способом, включающим в себя герметизацию нижнего торца обрабатываемой детали, помещение внутрь детали вспомогательного электрода и загрузку солевого расплава до уровня на 2,5-3,5 мм ниже верхнего торца обрабатываемой детали, нагрев до 830-1190 К, анодную поляризацию током плотностью от 0,1 до 25,0 А/дм² в солевом расплаве (электролите) в течение 1,5-3,0 ч со вспомогательным электродом, выливание солевого расплава и охлаждение.

В качестве солевого расплава (электролита) можно использовать, например, вакуумированный расплав тетрабората натрия с добавкой 0,2-0,5 мас.% оксида железа (II) [А.с. СССР 1761812, кл. С23С 8/10, опубл. 1992]. Возможно применение и других известных соляных расплавов, работоспособных при 830-1190 К [Смольников Е.А. Термическая и химико-термическая обработка инструментов в соляных ваннах. - М.: Машиностроение, 1989. - 312 с.].

Между заявленным техническим результатом и существенными признаками изобретения имеется следующая причинно-следственная связь: в процессе анодной поляризации полой детали током плотностью от 0,1 до 25,0 А/дм² в солевом расплаве при температуре 830-1190 К в течение 1,5-3,0 ч легирующие компоненты, входящие в состав стальной полой детали, направленно диффундируют именно на внутреннюю поверхность полой детали, способствуя формированию защитного слоя с увеличенной по сравнению с прототипом толщиной и повышенной микротвердостью благодаря наличию вспомогательного электрода внутри полой детали.

Перед осуществлением предлагаемого способа необходимо провести герметизацию нижнего торца обрабатываемой детали, поместить внутрь детали вспомогательный электрод и осуществить загрузку солевого расплава, являющегося электролитом, до уровня на 2,5-3,5 мм ниже верхнего торца обрабатываемой детали. Получение уровня солевого расплава менее 2,5 мм до верхнего торца детали приведет к переполнению и переливу его через верхний торец обрабатываемой детали в процессе обработки, что загрязняет установку. Понижение уровня солевого расплава более 3,5 мм до верхнего торца детали вызовет уменьшение высоты обработанной части детали, что не обеспечит максимальное увеличение ее доремонтного ресурса.

Герметизацию нижнего торца обрабатываемой детали можно провести несколькими способами: например, заглушкой с высокотемпературной замазкой из силиката натрия и порошкообразного оксида алюминия или зажимом в виде хомута, стяжки и т.п.

Введение электрода в полость анода и регулирование уровня электролита известно [Патент РФ №2080423, кл. С25D 5/14, опубл. 1997]. Однако в предлагаемом изобретении обрабатываемую деталь используют еще и в качестве емкости для солевого расплава, что исключает потребность во внешней электролитической ванне и сокращает расход солевого расплава.

Примеры осуществления предлагаемого способа электродиффузионной термообработки (ЭДТО) полой детали из стали приведены ниже.

Перед нагревом проводили герметизацию обрабатываемой детали, внутрь детали помещали вспомогательный электрод и загружали солевой расплав до уровня на 2,5-3,5 мм ниже верхнего торца обрабатываемой детали. Использовали вакуумированный расплав тетрабората натрия с добавкой 0,2-0,5 мас.% оксида железа (II). Деталь помещали в шахтную электропечь мощностью 2,5 кВт и рабочим объемом 1,6 дм³ и нагревали. По достижении необходимой температуры термообработки проводили анодную поляризацию током плотностью 0,1-25,0 А/дм². После требуемой продолжительности анодной поляризации установку отключали, извлекали из электропечи вспомогательный электрод и деталь, выливали из детали солевой расплав и охлаждали ее с требуемой скоростью (нормализация или закалка).

После охлаждения детали проводили экспресс-испытания и изготовляли микрошлифы для определения микротвердости и толщины слоя. Режимы и результаты осуществления предлагаемого способа приведены в таблице.

Таблица
Режимы и результаты обработки полых деталей по предлагаемому способу
№ опыта	Деталь (марка стали)	Режим обработки	Микротвердость внутренней поверхности, ГПа	Толщина защитного слоя, мкм	Доремонтный ресурс при экспресс испытаниях, ч
Т, К/т, ч*	плотность тока. А/дм²	исходная	после ЭДТО
1	Втулка (40Х)	1073/2	0,14	6,00	9,22	153	51,2
2	Кольцо упорное (30ХГСН2А)	1073/2	0,14	6,07	9,56	160	56,3
3	Кольцо (40Х)**	1073/2	0,14	6,00	6,00-9,12	0-153	39,7
4	Кольцо (40Х)***	1073/2	0,14	6,00	9,19	151	50,9
5	Втулка (40Х), прототип	1073/2	0,14	6,00	6,97	43	36,3
6	Кольцо упорное (30ХГСН2А), прототип	1073/2	0,14	6,07	7,05	48	37,8
Примечание. "Температура (числитель) и продолжительность (знаменатель) ЭДТО
**Уровень солевого расплава был на 4 мм ниже верхнего торца обрабатываемой детали
***Уровень солевого расплава был на 2 мм ниже верхнего торца обрабатываемой детали (произошло выплескивание солевого расплава внутрь электропечи)

Приведенные в таблице данные показывают, что предлагаемый способ позволяет повысить микротвердость защитного слоя внутренней поверхности полой детали из стали в 1,5-1,6 раза. При этом толщина защитного слоя по сравнению с прототипом увеличивается в 3,3-3,5 раза, а доремонтный ресурс деталей возрастет на 40-50%.

Отклонение от рекомендованного уровня солевого расплава приводит к негативным последствиям: 1) если уровень менее 2,5 мм (опыт №4), происходит выплескивание солевого расплава; 2) если уровень более 3,5 мм (опыт №3) - уменьшается ресурс обработанной детали, происходит перекос детали при последующей эксплуатации.

Способ электродиффузионной термообработки полой детали из стали, включающий нагрев до 830-1190 К, анодную поляризацию током плотностью от 0,1 до 25,0 А/дм² в солевом расплаве, являющемся электролитом, в течение 1,5-3,0 ч со вспомогательным электродом и охлаждение, отличающийся тем, что предварительно проводят герметизацию нижнего торца обрабатываемой детали, внутрь детали помещают вспомогательный электрод и осуществляют загрузку солевого расплава, являющегося электролитом, до уровня на 2,5-3,5 мм ниже верхнего торца обрабатываемой детали, а после обработки солевой расплав выливают.

Изобретение относится к области нанесения покрытий, а именно к восстановлению защитной способности поврежденных высокотемпературных кремнийсодержащих покрытий на элементах конструкций из жаропрочных конструкционных материалов.

Способ формирования на поверхности стального изделия наноструктурированного слоя // 2413037

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение работоспособности стальных изделий за счет изменения состава и структуры поверхностных слоев этих изделий, и может быть использовано для повышения работоспособности изделий, работающих в агрессивных средах, испытывающих при трении высокие контактные напряжения.

Способ восстановления жаростойких термодиффузионных алюминидных покрытий газотурбинных лопаток сложной конфигурации // 2365478

Изобретение относится к области восстановления жаростойких термодиффузионных алюминидных покрытий на газотурбинных лопатках сложной конфигурации. .

Инструмент для обработки металлов резанием и давлением // 2271265

Изобретение относится к инструментальным материалам, в частности, к инструменту для обработки металлов резанием или давлением с упрочняющими покрытиями. .

Способ упрочняющей обработки зубчатых колес с нанесением покрытия // 2213157

Изобретение относится к машиноприборостроению и может быть использовано на финишных операциях для упрочняющей обработки сложных геометрических поверхностей с одновременным нанесением композиционных покрытий из пластичных металлов.

Способ нанесения покрытий на металлические изделия // 2095463

Изобретение относится к химико-термической обработке металлов и может быть использовано в машиностроении для создания твердых износостойких покрытий на деталях машин и на инструменте, например покрытий, состоящее из хрома и карбида хрома, нанесенное на стальные матрицы и штампы.

Устройство для нанесения термодиффузионного покрытия // 1750265

Состав для обработки металлических изделий // 1693118

Изобретение относится к металлургическому и машиностроительному производству . .

Способ получения комбинированных антифрикционных покрытий на деталях из нержавеющей стали // 1668468

Изобретение относится к получению многокомпонентных антифрикционных покрытий и может быть использовано в машиностроении. .

Способ химико-термической обработки титана и его сплавов // 1391141

Способ обработки инструмента из стали или твердосплавного инструмента // 2451108

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение стойкости режущего и штампового инструмента за счет изменения состава и структуры их поверхностных слоев, и может быть использовано для увеличения эксплуатационного ресурса инструмента, увеличения производительности и качества обработки

Способ обработки твердосплавного инструмента // 2509173

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение стойкости твердосплавного инструмента, применяемого для обработки материалов резанием и давлением, и качества обработки деталей за счет изменения состава и структуры их поверхностных слоев. Наносят диффузионное покрытие путем насыщения поверхности инструмента из твердого сплава в эвтектическом расплаве свинец-литий с добавками меди, никеля и железа. Железо вводят в расплав в виде железных пластинок, которые располагают в расплаве вблизи поверхности инструмента, в количестве, необходимом для насыщения расплава железом до концентрации его по массе от 1 до 10% от общей массы расплава. Повышаются твердость, износостойкость и стойкостью к адгезионному схватыванию покрытий. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

Способ повышения износостойкости изделий из твердых сплавов // 2590433

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение износостойкости режущего, штампового инструмента, а также конструкционных изделий из твердого сплава за счет изменения состава и структуры их поверхностных слоев, и может быть использовано для увеличения стойкости изделий к механическому и коррозионно-механическому износам. Способ диффузионного насыщения изделия из твердого сплава в легкоплавком свинцово-висмутовом расплаве включает проведение предварительной кратковременной высокотемпературной цементации изделия и последующее диффузионное насыщение его поверхности в легкоплавком свинцово-висмутовом расплаве, содержащем титан в растворенном состоянии и в который вводят кобальт в порошковом или компактном виде. Упомянутую цементацию проводят при температуре 1150-1300°C в течение 10-20 мин. Легкоплавкий свинцово-висмутовый расплав для диффузионного насыщения содержит компоненты при следующем соотношении, мас. %: свинец 38-48, висмут 50-55, титан 1-5 и кобальт 1-2. Обеспечивается повышение износостойкости и эксплуатационного ресурса изделий из твердых сплавов в условиях воздействия на них высоких контактных напряжений, а также производительности технологического процесса. 1 табл., 3 пр.