Способ упрочнения поверхностного слоя стальных деталей


 


Владельцы патента RU 2558020:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" (RU)

Изобретение относится к области технологии машиностроения, а именно к упрочнению поверхностного слоя стальных деталей. Осуществляют низкотемпературное азотирование детали, а затем проводят ее поверхностное пластическое деформирование. Поверхностное пластическое деформирование детали осуществляют ультразвуковым инструментом при частоте f=19-22 кГц и амплитуде ξm=2-20 мкм акустических колебаний и усилием его прижима к детали 25-100 H. В результате увеличивается толщина упрочненного слоя детали и повышается микротвердость ее поверхностного слоя. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области технологии машиностроения, а именно к комбинированным способам поверхностного упрочнения деталей, и может быть использовано при изготовлении деталей, работающих в условиях изнашивания и знакопеременных нагрузок, преимущественно имеющих форму тел вращения.

Известен способ ультразвуковой упрочняюще-чистовой обработки, который проводят деформирующими элементами в виде тел вращения, свободно установленными по торцу волновода [1].

Недостатком этого способа является недостаточная толщина упрочненного слоя, при этом не обеспечивается равномерное распределение микротвердости вглубь детали.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является принятое в качестве прототипа устройство, в котором реализуется способ упрочнения металлических поверхностей, при котором на вращающуюся деталь воздействуют деформирующим элементом, установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль его оси [2].

Недостатком известного способа является недостаточная толщина упрочненного слоя при сравнительно небольшом увеличении микротвердости.

Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является значительное увеличение толщины упрочненного слоя с повышением микротвердости.

Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что в способе упрочнения поверхностного слоя стальных деталей, заключающемся в поверхностно-пластическом деформировании при воздействии на деталь ультразвуковым инструментом при частоте f=19-22 кГц и амплитуде ξm=2-20 мкм акустических колебаний и

усилием прижима инструмента 25-100 H, согласно изобретению процесс упрочнения проводят комплексно в два этапа, причем на первом этапе осуществляют низкотемпературное азотирование, а затем на втором этапе проводят поверхностно-пластическое деформирование.

На решение поставленной технической задачи направлено также то, что низкотемпературное азотирование осуществляют при нагреве деталей до Т=500-520°C с выдержкой в течение 1 часа в среде 50% аммиака и 50% воздуха и последующим охлаждением.

Решение поставленной технической задачи достигается благодаря тому, что образовавшийся на этапе низкотемпературного азотирования слой в виде монолита керамики нитрида железа и расположенный под ним твердый раствор этих керамик в α-Fe на втором этапе допускает пластическое деформирование ультразвуковым инструментом без каких-либо заметных нарушений его целостности, поскольку обладает требуемой пластичностью для увеличения твердости.

Способ упрочнения поверхностного слоя стальных деталей заключается в поверхностно-пластическом деформировании при воздействии на деталь ультразвуковым инструментом при частоте f=19-22 кГц и амплитуде ξm=2-20 мкм акустических колебаний и усилием прижима инструмента 25-100 H. При этом процесс упрочнения проводят комплексно в два этапа, причем на первом этапе осуществляют низкотемпературное азотирование, а затем на втором этапе проводят поверхностно-пластическое деформирование. Процесс низкотемпературного азотирования ведут известным способом при нагреве деталей до T=500-520°C с выдержкой в течение 1 часа в среде 50% аммиака и 50% воздуха и последующим охлаждением [3].

Таким образом, способ упрочнения поверхностного слоя стальных деталей является комбинированным и включает в себя два основных этапа:

1. низкотемпературное азотирование в среде аммиака и воздуха;

2. ультразвуковое поверхностно-пластическое деформирование.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

На первом этапе осуществляют низкотемпературное азотирование при нагреве деталей до Т=500-520°C с выдержкой в течение 1 часа в среде 50% аммиака и 50% воздуха при последующем охлаждении деталей в насыщенной среде 50% аммиака и 50% воздуха. На втором этапе проводят поверхностно-пластическое деформирование охлажденных деталей при воздействии на деталь ультразвуковым инструментом при частоте f=19-22 кГц и амплитуде ξm=2-20 мкм акустических колебаний и усилием прижима инструмента 25-100 H.

Для сравнения заявляемого способа с прототипом были проведены исследования стальных деталей - образцов из стали 3. Цилиндрические образцы диаметром 10 мм и высотой 20 мм в зависимости от принятого плана исследования подвергались только химико-термической обработке (азотированию), только ультразвуковому деформированию или последовательно азотированию, а затем поверхностному пластическому деформированию ультразвуковым инструментом.

Поверхностный слой, образовавшийся в результате азотирования, в виде монолита керамики нитрида железа и расположенный под ним твердый раствор этих керамик в α-Fe, деформирован в результате последующего поверхностного пластического деформирования ультразвуковым инструментом с одновременным ростом микротвердости. При этом нарушений в поверхностном слое с увеличением глубины не наблюдается.

Результаты сравнительной оценки методов приведены в таблице.

Из таблицы видно, что в процессе низкотемпературного азотирования получен поверхностный слой толщиной до 25 мкм и микротвердостью 335 HV, который представляет собой монолит из керамики (70% Fe4N+30% Fe3O4), под монолитом - твердый раствор этих же керамик в α-Fe. Микротвердость на поверхности деталей после низкотемпературного азотирования возросла до 365 HV, причем с увеличением глубины она монотонно уменьшается вплоть до исходного значения Нµ=:220 HV при глубине 50 мкм.

Ультразвуковое поверхностно-пластическое деформирование позволило получить поверхностный слой толщиной до 50 мкм и микротвердостью 305 HV. Твердость на поверхности после поверхностно-пластического деформирования возросла до 330 HV, с увеличением глубины она монотонно уменьшается вплоть до исходного значения Hµ=220 HV при глубине 150 мкм.

Из таблицы также видно, что после комплексной обработки (низкотемпературное азотирование и последующее ультразвуковое поверхностно-пластическое деформирование) твердость образцов на поверхности возрастает до Hµ=472 HV. Одновременно с увеличением твердости на поверхности увеличивается и глубина упрочненного слоя до 300 мкм.

Благодаря комплексному проведению упрочнения стальных деталей, включающему на втором этапе ультразвуковое поверхностно-пластическое деформирование, становится возможным повысить микротвердость поверхностного слоя, полученного после азотирования на первом этапе и состоящего из монолита керамик за счет изменения структуры и форма зерен металла под действием деформаций. При этом наличие монолита высокой твердости и твердого раствора этих керамик в α-Fe позволяет увеличить глубину металла, подвергающегося активному воздействию эффектов от ультразвукового поверхностно-пластического деформирования до 250 мкм, что, в свою очередь, позволяет значительно повысить такие эксплуатационные характеристики как износостойкость, предел выносливости и коррозионная стойкость.

Таким образом, способ упрочнения поверхностного слоя стальных деталей ультразвуковым инструментом в комплексе с предварительным низкотемпературным азотированием обеспечивает значительное увеличение толщины упрочненного слоя с повышением микротвердости.

Источники информации

1. Патент СССР №1199598, МПК B24B 39/04, опубл. 1983 г.

2. Патент СССР №1192952, МПК B24B 39/04, опубл. 1983 г. (прототип).

3. Ю.М. Лахтин, Б.Н. Арзамасов. Химико-термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1985, с. 141-153.

1. Способ упрочнения поверхностного слоя стальных деталей, включающий поверхностное пластическое деформирование детали ультразвуковым инструментом при частоте f=19-22 кГц и амплитуде ξm=2-20 мкм акустических колебаний и усилием его прижима к детали 25-100 H, отличающийся тем, что упрочнение поверхностного слоя проводят в два этапа, на первом из которых осуществляют низкотемпературное азотирование детали, а затем на втором этапе - упомянутое поверхностное пластическое деформирование детали.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что низкотемпературное азотирование осуществляют при нагреве детали до Т=500-520°C с выдержкой в течение 1 часа в среде 50% аммиака и 50% воздуха и последующим охлаждением.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии объемного упрочнения и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности, где используется режущий инструмент, технологическая оснастка и др.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам поверхностного упрочнения с получением закалочных структур. Для повышения износостойкости деталей машин из закаливаемых металлов, преимущественно из железоуглеродистых сплавов, и создания на поверхности детали полностью или частично закаленного поверхностного слоя с однородными свойствами по его толщине инструментом в виде резца, имеющим режущую и деформирующую кромки послойно подрезают поверхностный слой детали с сохранением его механической связи с деталью по своей узкой стороне, при этом пластически деформируют подрезанные слои рабочими поверхностями инструмента, после чего подрезанные слои укладывают на деталь деформирующей кромкой инструмента.

Изобретение относится к термосиловой обработке маложестких осесимметричных заготовок типа «вал». Для повышения качества заготовок осуществляют силовое воздействие на заготовку за пределом действия закона упругости в пределах выбранного участка заготовки, управление пределом текучести при силовом воздействии производят путем регулирования температурного воздействия на участок заготовки, деформирование заготовки производят изгибом, заготовку перегибают знакопеременно, одновременно с деформированием изгибом ведут вращение заготовки с одновременной ее осевой подачей, причем изгибающий момент не должен быть приложен на расстоянии более пяти диаметров заготовки от места перегиба с фиксацией проработанного участка заготовки в поперечном направлении.

Изобретение относится к области термомеханической обработки и может быть использовано для изготовления ответственных элементов конструкций, крепежных изделий различного назначения.

Изобретение относится к металлургии, преимущественно к области термомеханической обработки низколегированных сталей, и может быть использовано для изготовления ответственных элементов конструкций, крепежных изделий различного назначения.

Изобретение относится к способам термосиловой обработки маложестких осесимметричных деталей типа «вал». Для повышения качества деталей осуществляют статическое силовое воздействие на вал в процессе полного цикла термообработки, который разделяют на подциклы, при этом один конец вала закрепляют жестко, а второй конец - с возможностью перемещения, в течение каждого из подциклов прикладывают силовое воздействие ко всему валу, производят нагрев вала в пределах участка, затем осуществляют закручивание в одну сторону данного участка с последующим его охлаждением, затем цикл повторяют для другого участка с его закручиванием в другую сторону за пределом действия закона упругости.

Изобретение относится к инструментальному производству, а именно изготовлению металлорежущего инструмента с применением наплавки. Способ изготовления наплавленного режущего инструмента включает механическую и термическую обработку корпуса, наплавку быстрорежущей сталью рабочего слоя, его поверхностное пластическое деформирование и высокотемпературный отпуск.

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и может найти применение при изготовлении закаленных тонколистовых деталей. Способ включает установку заготовки в полость штампа, электронагрев её в штампе и одновременное с нагревом растяжение изделия, последующее охлаждение в штампе, при этом растяжение осуществляют до напряжений, превышающих предел текучести материала изделия.

Изобретение относится к области металлургии конструкционных сталей и сплавов, а именно к термомеханической обработке аустенитных коррозионно-стойких хромоникелевых сталей.
Изобретение относится к технологии машиностроения и может быть использовано в производстве пружин из закаливаемых марок стали. Для повышения качества пружин и снижения энергозатрат осуществляют скоростной нагрев прутка до температуры выше точки Ac3 фазовых превращений, пластическую деформацию прутка винтовым обжатием с закручиванием в направлении сжатия витка пружины, немедленную горячую навивку пружины при температуре выше Ac3 с немедленной повитковой закалкой и отпуск с обеспечением анизотропно ориентированной структуры стали.

Изобретение относится к технологии обработки металлов давлением, в частности к упрочняющей обработке деталей машин поверхностным пластическим деформированием обкатными роликами.

Изобретение относится к машине для накатывания осей колесных пар единиц железнодорожного подвижного состава. Машина содержит два упорных центра для размещения каждого из обоих концов оси, устройство для привода оси, две пары накатных инструментов, установленных с возможностью перемещения в направлениях x, y, z машины, и устройства для зажима и продольной подачи накатных инструментов.

Изобретение относится к упрочнению поверхности металлических изделий. Осуществляют установку обрабатываемого изделия электрически изолированно на изоляторы с заземляющим проводом.

Изобретение относится к области металлообработки, а именно к устройствам для электромеханической обработки деталей машин, и может быть использовано для упрочнения внутренних цилиндрических поверхностей.

Изобретение относится к комбинированным методам чистовой обработки зубьев зубчатых колес. Обработку производят тремя свободно установленными на соответствующих неподвижных осях роликами, два из которых режущие, а один калибрующий, при принудительном вращении обрабатываемого зубчатого колеса.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам для накатывания сетчатых рифлений и упрочнения поверхностного слоя методом пластического деформирования.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к металлообработке, и может быть использовано при изготовлении металлических изделий с повышенной износостойкостью поверхности.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к финишной обработке деталей. Осуществляют вращение детали и воздействие на ее поверхность устройством для ультразвуковой финишной обработки с деформирующим элементом.

Изобретение относится к поверхностному пластическому деформированию деталей с помощью обкатных роликов. Ролик содержит два деформирующих элемента с профильным радиусом 0,5…5 мм, расположенных относительно друг друга со смещением в радиальном направлении на величину 0,01…0,1 мм как к оси ролика, так и от нее.

Изобретение относится к поверхностному пластическому деформированию деталей с помощью обкатных роликов. Ролик содержит деформирующий элемент, имеющий радиус постоянной величины, равный 1…10 мм, и цилиндрическую часть, расположенную со смещением в радиальном направлении относительно вершины деформирующего элемента на величину Δ=0,01…0,5 мм.

Изобретение относится к устройствам для электромеханической обработки деталей и может быть использовано для упрочнения наружных цилиндрических деталей с резьбой. Державка содержит расположенные друг напротив друга резьбовой инструмент с резьбовым роликом и упрочняющий инструмент с упрочняющим роликом. Каждый из указанных инструментов содержит цилиндр, шток, спиральную пружину, вилку, резьбовой ролик, токоподводящую ось и фланец. При этом шток каждого инструмента установлен в его цилиндре и на нем установлены флажок и спиральная пружина. Вилка каждого инструмента закреплена с торца штока, а его фланец установлен с торца цилиндра. Резьбовой и упрочняющий ролики установлены в своих вилках с помощью токоподводящих осей. В результате расширяются технологические возможности. 1 ил.
Наверх