Способ закалки стальных деталей

Изобретение относится к области металлургии, в частности к вакуумной термической обработке деталей, и может найти применение в машиностроении общего назначения, приборостроении, самолетостроении и космической технике. Для улучшения качества обрабатываемых деталей при сохранении экологической чистоты процесса, повышения уровня эксплуатационных свойств наиболее нагруженных и дорогостоящих деталей космических аппаратов осуществляют нагрев деталей до температуры закалки 1020÷1060°C в однокамерной вакуумной электропечи, затем их выдерживают при рабочем вакууме 7,5×10^-5÷3,75×10^-5 мм рт.ст. и быстро охлаждают в печи при подаче чистого газообразного азота под давлением 1100÷6000 бар.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к вакуумной термической обработке деталей, при их нагреве в вакуумной однокамерной электропечи, а именно к способу закалки стальных деталей в однокамерной вакуумной электропечи в среде газообразного азота, и может найти применение в машиностроении общего назначения, приборостроении, самолетостроении и космической технике.

Из уровня техники известен способ термической обработки стальных деталей (Патент RU №1064629), включающий нагрев до температуры 800÷850°C в вакууме 10^-3÷10^-5 мм рт.ст., окончательный нагрев до температуры закалки и выдержку при изменении давления путем введения аргона до 10^-2 мм рт.ст. и закалку в масле при давлении 8-760 мм рт.ст.

Недостатком известного способа является то, что закалка осуществляется охлаждением в масле, после чего требуется использование дополнительного оборудования для промывки деталей от индустриального масла и устройств вытяжки и улавливания испарений масла.

Известен способ изготовления стальных деталей (Патент RU №2109081), которым деталь, формообразованную из хромсодержащей среднеуглеродистой стали, подвергают химико-термической обработке в среде газообразного азота, затем осуществляют ее закалку и отпуск при температуре 510÷530°C в течение 1,5÷2 ч. Закалу осуществляют путем нагрева в соляной ванне при температуре 850÷900°C, с последующей выдержкой в течение 12÷18 мин до получения твердого раствора азота и охлаждением по режимам, предотвращающим образование остаточного аустенита.

Недостатком известного способа является то, что способ характерен длительным и трудоемким циклом изготовления, требующим большого количества единиц специального технологического оборудования. Требуется обязательная защита органов дыхания рабочего от вредных испарений солей при работе на соляных ваннах и наличие специальной вытяжки для улавливания вредных испарений солей.

Известен способ термической и химико-термической обработки стальных изделий в вакууме (Патент RU №2324001), в котором проводят азотирование и светлую закалку путем вакуумного нагрева в плазме повышенной плотности, формируемой между изделием и экраном за счет создания эффекта полого катода. Плазму повышенной плотности формируют из смеси при следующем соотношении компонентов, масс.%: азот 50÷80, аргон 10÷25. Азотирование проводят при температуре 700÷850°C. Светлую закалку осуществляют путем нагрева от температуры азотирования до температуры 900÷4000°C, выдержки 15÷30 мин и быстрого охлаждения в потоке гелия со скоростью, превышающей критическую скорость закалки стали. Затем осуществляют низкий отпуск при температуре 250÷350°C. Повышают контактную долговечность и износостойкость упрочненного слоя за счет регулировки структуры, твердости, износостойкости, шероховатости и закалочных дефектов.

Недостатком известного способа является то, что способ характерен длительным и трудоемким циклом изготовления, требующим большого количества единиц специального технологического оборудования.

Также известен способ термической обработки стальных деталей (ОСТ 92-1311-77), согласно которому рекомендуется следующий режим закалки в двухкамерной печи: обрабатываемые изделия нагреваются в камере нагрева печи до температуры закалки, охлаждаются в масле, или в безокислительной среде, или в вакууме уже в камере охлаждения печи, или на воздухе.

Данный способ выбран в качестве прототипа как наиболее близкий к способу по предлагаемому изобретению.

Недостатком известного способа является то, что для закалки деталей с применением масла требуется:

- дополнительное оборудование: закалочный бак с маслом, бак для горячей промывки деталей от масла;

- обеспечение мер по охране труда при работе на закалочном баке с маслом.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в разработке экологически чистого способа закалки стальных деталей, позволяющего исключить недостатки прототипа и получить детали с высокой объемной твердостью и минимальной деформацией.

Поставленная задача решается за счет того, что обрабатываемые детали нагревают до температуры закалки 1020÷1060°C в однокамерной вакуумной электропечи, затем их выдерживают при рабочем вакууме 7,5×10^-5÷3,75×10^-5 мм рт.ст. и быстро охлаждают в печи при подаче чистого газообразного азота под давлением 11006000 бар.

Осуществление способа.

Обрабатываемые стальные детали (например, из сталей марок 95X18, 20X13, 07Х16Н6, 03Х11Н8М2Ф и сплава марки 36НХТЮ) предварительно подвергают механической обработке и промывают от смазочно-охлаждающей жидкости, затем помещают в сетчатый контейнер, загружают в однокамерную вакуумную электропечь и нагревают до температуры закалки 1020÷1060°C. Затем стальные детали выдерживают при температуре закалки и рабочем вакууме 7,5×10^-5÷3,75×10^-5 мм рт.ст. и, в завершении, быстро охлаждают при подаче чистого газообразного азота под давлением 1100÷6000 бар. По завершению процесса охлаждения до 50°C, детали выгружаются из вакуумной печи.

В результате такой закалки поверхность деталей получается чистой, с металлическим блеском, с соответствующими механическими свойствами.

Можно сравнить два способа режима закалки и выделить преимущества предлагаемого режима и недостатки прототипа:

1. Продолжительность предлагаемого режима меньше режима прототипа, так как не требуются дополнительные операции:

- перемещения деталей из камеры нагрева в камеру охлаждения;

- перенос деталей из печи в закалочный бак с маслом;

- дополнительная горячая промывка от масла в промывочном баке.

2. Улучшаются условия труда термиста при сохранении экологической чистоты процесса, который выполняет загрузку и выгрузку садки (деталей) и визуальный контроль выполнения заданной программы на конкретную термическую обработку. Удобство в работе достигается наличием программного обеспечения вакуумной электропечи, которая автоматически точно выполняет запрограммированный режим термической обработки по разработанной программе.

3. В результате рекомендованного режима закалки достигается практически бездеформационная термическая обработка окончательно механически обработанных деталей.

Достигаемый технический результат заключается в улучшении качества обрабатываемых деталей при сохранении экологической чистоты процесса, повышении уровня эксплуатационных свойств наиболее нагруженных и дорогостоящих деталей космических аппаратов (КА). Предусматривается снижение трудоемкости механической обработки сложнопрофилированных деталей и сокращение цикла их изготовления, расширение технических возможностей применения такого способа закалки на другие сплавы. Предусматривается также снижение энергоемкости, стоимости и трудоемкости обработки.

Способ закалки стальных деталей, включающий нагрев до температуры закалки в вакууме, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что нагрев, выдержку и охлаждение производят в однокамерной вакуумной электропечи, при этом нагрев деталей под закалку ведут до температуры 1020÷1060˚C, выдержку при указанной температуре проводят в вакууме 7,5×10^-5÷3,75×10^-5 мм рт.ст., а охлаждение осуществляют в среде газообразного чистого азота под давлением 1100÷6000 бар.