Способ комбинированной химико-термической обработки деталей машин из теплостойких сталей


 


Владельцы патента RU 2532777:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) (RU)

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способу комбинированной химико-термической обработки деталей машин. Способ комбинированной химико-термической обработки деталей машин из теплостойких сталей включает циклическую цементацию деталей и закалку. Перед циклической цементацией проводят предварительные термообработку и механообработку, включающие нормализацию при температуре 950°С, высокий отпуск при температуре 670°С, закалку от температуры 1010°С, высокий отпуск при температуре не менее 570°С и пластическую деформацию методом осадки при температуре не менее 700°С со степенью деформации 50…80%. Циклическую цементацию проводят с чередованием циклов насыщения и диффузионной выдержки, при этом осуществляют не менее 12 циклов продолжительностью не менее 30 минут. Количество циклов зависит от необходимой толщины диффузионного слоя, а соотношение времен насыщения и выдержки составляет от 0,1 до 0,2. После упомянутой цементации проводят высокий отпуск, закалку в масло, обработку холодом при температуре -70°С и трехкратный отпуск при 510°С. Затем осуществляют ионно-плазменное азотирование в диапазоне температур 480…500°С в течение не менее 10 часов при следующих параметрах: напряжение на катоде при катодном распылении - 900 В, в режиме насыщения - 400 В, плотность тока 0,20…0,23 мА/см2, состав газовой среды - азотоводородная смесь с 95% азота и 5% водорода, расход газовой смеси до 10 дм3/ч, давление в камере при катодном распылении - 13,3 гПа, при насыщении - 5…8 гПа. Обеспечивается повышение износостойкости приповерхностных слоев теплостойкой стали, формирующихся в результате цементации и азотирования, и увеличение долговечности узлов трения скольжения из материала с таким составом приповерхностного слоя. 1 пр.

 

Область техники

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способу комбинированной химико-термической обработки (ХТО) деталей машин, используемого для повышения износостойкости деталей узлов трения скольжения, изготовленных из теплостойких сталей.

Уровень техники

Известны способы химико-термической обработки, позволяющие повысить износостойкость стальных деталей и содержащие операции комбинированной химико-термической обработки, включающей цементацию и азотирование. Так, техническое решение «Вакуумный способ карбонитрирования», содержащееся в патенте США №7112248 (МПК C23C 8/30; C23C 8/32; C23C 8/34, опубл. 2006-09-26), предполагает проведение комбинированной обработки с нагревом в вакууме до температуры выше температуры аустенизации (A3), подачу углеродосодержащего газа с выдержкой в этой атмосфере, последующей выдержке в вакууме при той же температуре, снижением температуры ниже уровня A3 и последующее азотирование при этой температуре.

Данный способ позволяет повысить износостойкость, однако для высоких показателей в эксплуатации желательно снизить хрупкость приповерхностных слоев стали, возникающую в результате пересыщения диффузионной зоны углеродом и азотом и возникновения в результате этого больших внутренних напряжений.

Известен также способ химико-термической обработки «Производство из обычного стального сплава компонентов шестерней и/или валов с исключительно высокой прочностью», изложенный в патенте США №7384488 (МПК C21D 1/06; C21D 1/76; C21D 7/06; C21D 9/28; C21D 9/32; C22C 38/00; C22C 38/18; C22C 38/44; C23C 8/32; C23C 8/34; C23C 8/56; C23C 8/76; C23C 8/80, опубл. 2008-06-10), который является близким техническим решением к предлагаемому. Основными признаками данного способа являются следующие технологические операции: нагрев детали в вакууме до температуры 915°C, подача углеродосодержащего газа и выдержка в этих условиях, включая диффузионный период, снижение температуры до 850°C и подача азотосодержащего газа (NH3) и выдержка в этих условиях, закалка на масло (120°C) и низкотемпературный отпуск (180°C).

Важным преимуществом данного способа является наличие отпуска на завершающей стадии обработки, что позволяет снять значительную часть внутренних напряжений.

Однако в процессе диффузионного насыщения поверхностных слоев углеродом и азотом в данном варианте использованы далеко не все возможности для повышения концентрации этих элементов, что является основным недостатком данного способа.

Повышение уровня насыщения диффузионной зоны может быть достигнуто рядом дополнительных приемов.

Одним из таких приемов является циклическая обработка, когда этапы насыщения поверхностных слоев реакционным газом (в данном случае углеродом) и этапы выдержки чередуются с периодической последовательностью.

Преимущества термоциклической обработки выявлены, например, в техническом решении, содержащемся в статье «Закономерности формирования диффузионных слоев и решение диффузионной задачи при термоциклической нитроцементации стали» (журнал "Металловедение и термическая обработка металлов", №1, 2013, С. 34-38) (прототип). Использование термоциклирования позволяет существенно повысить твердость (и особенно микротвердость) поверхностных слоев стали.

Однако и в этом решении используются не все важные резервы повышения механических свойств, а именно резервы повышения износостойкости. В частности, поскольку диффузия происходит, в основном, по границам зерен, для ускорения и повышения эффективности диффузии может быть использована пластическая деформация, позволяющая измельчить зерно и, таким образом, увеличить диффузионную проницаемость обрабатываемого материала. Кроме того, эффективность процесса химико-термической обработки существенно возрастает, если цементацию и азотирование разделяют во времени и проводят при соответствующих им специфических условиях, что отвечает понятию «комбинированная обработка». Такая комбинированная обработка возможна для теплостойких сталей, температура отпуска которых при Цементации превосходит температуру азотирования.

Наиболее близким аналогом предложенного изобретения является способ комбинированной химико-термической обработки деталей машин из теплостойких сталей, включающий циклическую цементацию деталей и закалку (US 20120111454 А1, МПК C23C 8/22, опубл. 10.05.2012, формула).

Однако, в данной патентной заявке не рассматривается в должной постановке и степени подробности задача существенного повышения износостойкости приповерхностных теплостойкой стали, формирующихся в результате цементации и азотирования, и соответствующее увеличение долговечности узлов трения скольжения из материала с таким составом приповерхностного слоя.

Раскрытие изобретения

Задача предлагаемого изобретения способа - существенное повышение износостойкости приповерхностных слоев материала, а именно - теплостойкой стали, формирующихся в результате цементации и азотирования, и соответствующее увеличение долговечности узлов трения скольжения из материала с таким составом приповерхностного слоя.

Для решения указанной задачи и достижения технического результата способ комбинированной химико-термической обработки деталей машин из теплостойких сталей включает циклическую цементацию деталей и закалку. При этом перед циклической цементацией проводят предварительные термообработку и механообработку, включающие нормализацию при температуре 950°C, высокий отпуск при температуре 670°C, закалка от температуры 1010°C, высокий отпуск при температуре не менее 570°C и пластическую деформацию методом осадки при температуре не менее 700°C со степенью деформации 50…80%. Циклическую цементацию проводят с чередованием циклов насыщения и диффузионной выдержки, при этом осуществляют не менее 12 циклов продолжительностью не менее 30 минут. Количество циклов зависит от необходимой толщины диффузионного слоя, а соотношение времен насыщения и выдержки составляет от 0,1 до 0,2. После упомянутой цементации проводят высокий отпуск, закалку в масло, обработку холодом при температуре -70°C и трехкратный отпуск при 510°C. Затем осуществляют ионно-плазменное азотирование в диапазоне температур 480…500°C в течение не менее 10 часов при следующих параметрах: напряжение на катоде при катодном распылении - 900 В, в режиме насыщения - 400 В; плотность тока 0,20…0,23 мА/см2; состав газовой среды - азото-водородная смесь с 95% азота и 5% водорода; расход газовой смеси до 10 дм3/ч; давление в камере при катодном распылении - 13,3 гПа, при насыщении - 5…8 гПа.

Осуществление изобретения

Комбинированную химико-термическую обработку деталей машин проводят в соответствии с изложенной в разделе «Раскрытие изобретения» последовательностью и параметрами режимов технологических операций.

Важно подчеркнуть, что предварительные операции позволяют активировать материал детали и повысить его диффузионную проницаемость, что, в особенности, относится к операциям отпуска и деформации.

Необходимую толщину диффузионного слоя достигают на стадии цементации, благодаря циклической обработке и измельчению зерна в результате пластической деформации на предварительной стадии обработки. Ионно-плазменное азотирование имеет возможность регулирования своих параметров технологического процесса для оптимизации механических свойств приповерхностного слоя, отвечающего за износостойкость детали.

Пример реализации способа.

Для теплостойких сталей (например, из класса стали ВКС-10) оптимальные конкретные величины и диапазоны величин параметров технологических операций получены следующие:

на этапе предварительной подготовки к химико-термической обработке: нормализация при температуре 950°C, высокий отпуск при температуре 670°C, закалка от температуры 1010°C, высокий отпуск при температуре не менее 570°C, пластическая деформация методом осадки при температуре не менее 700°C и со степенью деформации 50…80%.

Установлено, что на стадии цементации число циклов насыщения и диффузионной выдержки должно составлять не менее 12, каждый цикл по продолжительности должен составлять не менее 30 минут, а соотношение времен насыщения и выдержки - от 0,1 до 0,2.

После цементации детали обрабатывают термически, проводя высокий отпуск, закалку на масло, обработку холодом при температуре (-70°C) и трехкратный отпуск при 510°C.

Окончательный этап комбинированной химико-термической обработки завершают стадией ионно-плазменного азотирования в диапазоне температур 480…500°C при следующих параметрах: напряжение на катоде при катодном распылении - 900 В, в режиме насыщения - 400 В; плотность тока 0,20…0,23 мА/см2; состав газовой среды - азото-водородная смесь с 95% азота и 5% водорода; расход газовой смеси до 10 дм3/ч; давление в камере при катодном распылении - 13,3 гПа, при насыщении - 5…8 гПа, время обработки ионно-плазменным азотированием - не менее 10 часов.

Проведены длительные испытания при реверсивном трении скольжения со средней относительной скоростью скольжения v=0,19 м/с и давлением в контакте р=10 МПа пар трения скольжения деталей (например, из стали ВКС-10), обработанных различными способами, в том числе и предложенным. Испытания показали техническое преимущество использования предлагаемого способа - снижение интенсивности изнашивания деталей узлов трения скольжения до 50 раз по сравнению с необработанным состоянием поверхности детали. Интенсивность изнашивания Ih в необработанном состоянии составляет в среднем 10-9, после вакуумной цементации 0,9 10-10, после азотирования 0,3 10-10, а после комбинированной обработки 0,2 10-10.

Способ может быть использован в составе набора технологических операций при изготовлении деталей машин, испытывающих высокие контактные нагрузки, а также участвующих в трении скольжения и подверженных интенсивному изнашиванию.

При этом сочетание ряда признаков, а именно проведение предварительной термической обработки и пластической деформации, циклически повторяемой операции цементации с варьированием стадий насыщения и выдержки, а затем ионно-плазменное азотирование позволяют получить новый синергетический эффект, состоящий в формировании диффузионной зоны повышенной толщины и твердости и многократном (до 50 раз) повышении износостойкости обрабатываемых деталей (по сравнению с их необработанным состоянием).

Способ может быть использован в составе набора технологических операций при изготовлении деталей машин, испытывающих высокие контактные нагрузки, а также участвующих в трении скольжения и подверженных интенсивному изнашиванию.

При этом сочетание ряда признаков, а именно проведение предварительной термической обработки и пластической деформации, циклически повторяемой операции цементации с варьированием стадий насыщения и выдержки, а затем ионно-плазменное азотирование позволяют получить новый синергетический эффект, состоящий в формировании диффузионной зоны повышенной толщины и твердости и многократном (до 50 раз) повышении износостойкости обрабатываемых деталей (по сравнению с их необработанным состоянием).

Способ комбинированной химико-термической обработки деталей машин из теплостойких сталей, включающий циклическую цементацию деталей и закалку, отличающийся тем, что перед циклической цементацией проводят предварительные термообработку и механообработку, включающие нормализацию при температуре 950°С, высокий отпуск при температуре 670°С, закалку от температуры 1010°С, высокий отпуск при температуре не менее 570°С и пластическую деформацию методом осадки при температуре не менее 700°С со степенью деформации 50…80%, а циклическую цементацию проводят с чередованием циклов насыщения и диффузионной выдержки, при этом осуществляют не менее 12 циклов продолжительностью не менее 30 минут, при этом количество циклов зависит от необходимой толщины диффузионного слоя, а соотношение времен насыщения и выдержки составляет от 0,1 до 0,2, после упомянутой цементации проводят высокий отпуск, закалку в масло, обработку холодом при температуре -70°С и трехкратный отпуск при 510°С, затем осуществляют ионно-плазменное азотирование в диапазоне температур 480…500°С в течение не менее 10 часов при следующих параметрах: напряжение на катоде при катодном распылении - 900 В, в режиме насыщения - 400 В, плотность тока 0,20…0,23 мА/см2, состав газовой среды - азотоводородная смесь с 95% азота и 5% водорода, расход газовой смеси до 10 дм3/ч, давление в камере при катодном распылении - 13,3 гПа, при насыщении - 5…8 гПа.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке, в частности к азотированию стальных изделий, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения машин.
Изобретение относится к способу нанесения тонкопленочного покрытия на металлические изделия и может найти применение при изготовлении режущего инструмента, изделий триботехнического назначения, высоко нагруженных деталей машин и механизмов.
Изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке металлов и сплавов, в частности к ионному азотированию в плазме тлеющего разряда, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей сложной конфигурации, режущего инструмента и штамповой оснастки.

Изобретение относится к химико-термической обработке стального и твердосплавного инструмента и может найти применение в различных отраслях машиностроения, горной, строительной, металлообрабатывающей и станкостроительной промышленности.

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке, а именно - к процессам нитроцементации инструментальных сталей в плазме тлеющего разряда.

Изобретение относится к способу обработки, по меньшей мере, одной детали из магнитомягкого материала согласно ограничительной части п. .

Изобретение относится к химико-термической обработке. .

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для термической обработки сталей, преимущественно при плазменном упрочнении деталей машин и обрабатывающего инструмента.

Изобретение относится к области нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия.
Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия из нитрида или карбонитрида титана, кремния, алюминия, молибдена и железа при их содержании, в мас.%: титан 63,94, кремний 0,93, алюминий 9,72, молибден 24,18, железо 1,23.

Изобретение относится к нанесению износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия.
Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия из нитрида или карбонитрида титана, алюминия, кремния, молибдена и железа при их содержании в мас.%: титан 66,35, алюминий 10,26, кремний 0,97, молибден 21,18, железо 1,24.

Изобретение относится к металлообработке и может быть использовано для изготовления режущих инструментов, преимущественно типа лезвий, предназначенных для ручного использования.

Изобретение относится к области деталей с покрытием и их получению. Многослойное покрытие содержит по меньшей мере один слой типа А, причем слой типа А, по существу, состоит из (AlyCr1-y)X, где Х - один элемент группы, состоящей из N, CN, BN, NO, CNO, CBN, BNO и CNBO, y описывает стехиометрический состав фракции металлической фазы, по меньшей мере один слой типа В, причем слой типа В, по существу, состоит из (AluCr1-u-v-wSivMew)X, где Х означает один элемент группы, состоящей из N, CN, BN, NO, CNO, CBN, BNO или CNBO, причем Me обозначает один элемент группы, состоящей из W, Nb, Mo и Та, или смесь двух или более составляющих этой группы, u, v и w описывают стехиометрический состав фракции металлической фазы, причем отношение толщины указанного слоя типа А к толщине указанного слоя типа В больше 1.

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий, а именно износостойких защитных покрытий на инструменты, такие как фрезы, режущие пластинки, литьевые формы и аналогичные инструменты.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к металлообработке. Режущая пластина содержит основу из твердого сплава и нанесенный на нее износостойкий слой из наноструктурного карбида вольфрама и наноструктурного карбида ниобия с размером зерен 20-50 нм, при их следующем соотношении, мас.%: наноструктурный карбид вольфрама 90, наноструктурный карбид ниобия остальное.
Изобретение относится к области металлообработки, в частности к созданию покрытий для режущих инструментов. В двухслойном износостойком покрытии на рабочей части режущего инструмента верхний слой выполнен из твердого аморфного алмазоподобного углерода толщиной 0,3-0,5 мкм и твердостью 70-100 ГПа, а нижний слой, расположенный на поверхности рабочей части инструмента, выполнен из карбида титана с содержанием углерода 30-45 ат.% толщиной 1-1,5 мкм и твердостью 25-40 ГПа.

Изобретение относится к способу обеспечения защитного, пассивирующего или герметизирующего слоя на органическом электронном устройстве или его компоненте путем осаждения слабо ускоренных частиц методом распыления пучка ионов или плазмы либо методом прямого осаждения пучка ионов или плазмы.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способу ионоазотирования деталей машин с использованием импульсов электромагнитного поля. Обеспечивают подачу в камеру для азотирования реакционного газа, его нагрев с одновременным генерированием в камере переменного электромагнитного поля посредством соленоида. Внутри соленоида располагают обрабатываемую деталь с направлением вектора магнитной индукции перпендикулярно обрабатываемой поверхности детали и изменением в процессе азотирования его величины с формированием прямоугольных импульсов, длительность и периодичность которых обеспечивает ускорение движения и внедрения ионов азота в обрабатываемую поверхность за счет вертикального фронта нарастания напряженности магнитного поля. Устройство для осуществления упомянутого способа содержит камеру для азотирования детали, устройство для подачи реакционного газа в упомянутую камеру на обрабатываемую деталь, нагревательное устройство и устройство для генерирования электромагнитного поля. Устройство для генерирования электромагнитного поля выполнено в виде расположенного вокруг упомянутой камеры соленоида, обеспечивающего генерирование импульсного электромагнитного поля с прямоугольными импульсами с направлением вектора магнитной индукции перпендикулярно обрабатываемой поверхности находящейся внутри него детали. Обеспечивается одновременное ускорение процесса азотирования и повышение механических свойств приповерхностных слоев материала, формирующихся в результате одновременного азотирования и воздействия как на ионы азота, так и на материал обрабатываемой детали импульсами сравнительно маломощного магнитного поля. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх