Способ упрочнения металлических деталей и покрытие для них

Авторы патента:

Владельцы патента RU 2779651:

Общество с ограниченной ответственностью "Вологодский завод специальных подшипников" (RU)

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для получения высокопрочных и износостойких покрытий на кольцах, шариках и роликах подшипников. Деталь из стали, мас. %: вольфрам 8,5-9,5; хром 4,0-4,6; ванадий 1,4-1,7; углерод 0,7-0,8; марганец ≤0,40; кремний ≤0,40; никель ≤0,35; молибден ≤0,3; фосфор ≤0,03; сера ≤0,03; железо – остальное, после цикла термообработки и шлифования сушат при 100-120°С в течение 1-2 ч. После этого азотируют материал детали в среде аммиака при 500-600°С с выдержкой 15-30 ч. Затем подачу аммиака прекращают и материал выдерживают при 500-600°С в течение 60-120 мин. На поверхности, требующие защиту от азотирования, предварительно наносят защитное покрытие. Полученное покрытие включает азотированный слой глубиной 0,1-0,3 мм с твёрдостью 900-1100 HV. Технический результат: повышение прочности, твёрдости, износостойкости, выносливости материала деталей, улучшение технологичности упрочнения деталей. 2 н. и 1 з.п. ф-лы.

Техническое решение относится к области машиностроения, в частности, к термической и химико-термической обработке, и может быть использовано для получения высокопрочных и износостойких покрытий на металлических деталях, например, на кольцах, шариках и роликах подшипников, выполненных из марки стали с мас. %: вольфрам 8,5-9,5, хром 4,0-4,6, ванадий 1,4-1,7, углерод 0,7-0,8, марганец ≤0,40, кремний ≤0,40, никель ≤0,35, молибден ≤0,3, фосфор ≤0,03, сера ≤0,03, железо - остальное.

Известен способ нанесения покрытия на стальную полосу, содержащую, вес.%: С 0,04-1,0, Mn 9,0-30,0, Al 0,05-15,0, Si 0,05-6,0, Cr≤6,5, Cu≤4, Ti+Zr ≤0,7, Nb+V ≤0,5, остальное - железо и неизбежные примеси, включающий отжиг стальной полосы при температуре от 800 до 1000°С в атмосфере, содержащей N₂-H₂ с образованием в результате реакции с содержащимися в стали элементами в приповерхностной области полосы азотированного слоя, а затем нанесение на него электролитическим путем покрытий из цинка или цинкового сплава. Патент РФ на изобретение № 2544321, МПК: C21D 8/04; C22C 38/58; C23C 8/24; C23C 2/06; опубликован: 20.03.2015.

Известен способ низкотемпературного азотирования легированной стали 38ХМЮА в среде аммиака. Насыщение поверхностного слоя азотом проводят при температуре T=520°C в течение 24 часов (см. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б. Н. Химико-термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1985, с. 255).

Также известен способ термической обработки и азотирования стали Х12М, включающий закалку от 1000°С, отпуск при 520°С и азотирование стали при температуре 510-520°С в течение 8-12 ч.

Покрытия, полученные известными способами, характеризуются хрупкостью и недолговечностью. Кроме того, существующие методы азотирования не проводились ранее на изделиях из марки стали с мас. %: вольфрам 8,5-9,5, хром 4,0-4,6, ванадий 1,4-1,7, углерод 0,7-0,8, марганец ≤0,40, кремний ≤0,40, никель ≤0,35, молибден ≤0,3, фосфор ≤0,03, сера ≤0,03, железо - остальное.

Задачей заявляемого технического решения является разработка технологичного способа упрочнения рабочих поверхностей металлических деталей, выполненных из марки стали с мас. %: вольфрам 8,5-9,5, хром 4,0-4,6, ванадий 1,4-1,7, углерод 0,7-0,8, марганец ≤0,40, кремний ≤0,40, никель ≤0,35, молибден ≤0,3, фосфор ≤0,03, сера ≤0,03, железо - остальное.

Технический результат заявляемого технического решения проявляется в повышении прочности, твердости, износостойкости, выносливости материала деталей.

Технический результат достигается тем, что для упрочнения металлических деталей, выполненных из марки стали с мас. %: вольфрам 8,5-9,5, хром 4,0-4,6, ванадий 1,4-1,7, углерод 0,7-0,8, марганец ≤0,40, кремний ≤0,40, никель ≤0,35, молибден ≤0,3, фосфор ≤0,03, сера ≤0,03, железо - остальное, после цикла термообработки и шлифования материала детали производят его сушку при температуре 100-120°С в течение 1-2 часов, после чего проводят азотирование материала в среде аммиака при температуре 500-600°С с выдержкой от 15 до 30 часов, а затем подачу аммиака прекращают и материал выдерживают при температуре 500-600°С в течение 60-120 мин.

Технический результат достигается также тем, что покрытие для металлических деталей, выполненных из марки стали с мас. %: вольфрам 8,5-9,5, хром 4,0-4,6, ванадий 1,4-1,7, углерод 0,7-0,8, марганец ≤0,40, кремний ≤0,40, никель ≤0,35, молибден ≤0,3, фосфор ≤0,03, сера ≤0,03, железо - остальное, включает азотированный слой глубиной 0,1-0,3 мм, с твердостью 900-1100 HV.

Термическая обработка металлических деталей, в частности, деталей подшипников, таких как, кольца, шарики, ролики, выполненных из марки стали с мас. %: вольфрам 8,5-9,5, хром 4,0-4,6, ванадий 1,4-1,7, углерод 0,7-0,8, марганец ≤0,40, кремний ≤0,40, никель ≤0,35, молибден ≤0,3, фосфор ≤0,03, сера ≤0,03, железо - остальное включает в себя закалку и отпуск, в следствии чего повышается прочность изделия и, соответственно, твердость в пределах 60-65,0 HRC для данной марки стали. Этот процесс необходим для того, чтобы азотированный слой наносился на прочную поверхность и не продавливался во время работы.

Азотирование материала в среде аммиака при температуре 500-600°С с выдержкой от 15 до 30 часов с дальнейшим прекращением подачи аммиака и выдержкой при температуре 500-600°С в течение 1-2 часов позволяет получить азотированный слой с глубиной 0,1-0,3 мм, с твердостью 900-1100 HV (66-71 HRC), что повышает предел выносливости и износостойкости материала, в следствии чего увеличивается ресурс долговечности деталей в несколько раз. Температура азотирования подобрана таким образом, чтобы детали, выполненные из марки стали с мас. %: вольфрам 8,5-9,5, хром 4,0-4,6, ванадий 1,4-1,7, углерод 0,7-0,8, марганец ≤0,40, кремний ≤0,40, никель ≤0,35, молибден ≤0,3, фосфор ≤0,03, сера ≤0,03, железо - остальное не подвергались процессу переотпуска, который негативно сказывается на твердости деталей из данной марки стали. При температуре больше 600°С происходит переотпуск деталей, который негативно сказывается на твердости их материала. При температуре меньше 500°С увеличивается длительность процесса азотирования для достижения необходимой глубины и требуемой твердости азотированного слоя.

При азотировании менее 15 часов не происходит достаточного насыщения поверхности деталей азотом, толщина азотированного слоя будет недостаточной для достижения заявленного результата. При азотировании более 30 часов происходит перенасыщение поверхности деталей азотом, азотированный слой становится хрупким, что негативно влияет на долговечность деталей. При выдержке менее 1го часа распределение азота неравномерно в азотированном слое, как следствие будет повышена отпускная хрупкость, что негативно влияет на износостойкость и долговечность деталей. При выдержке более 2х часов концентрация азота на поверхности будет снижаться, твердость будет падать, что также снизит износостойкость и долговечность деталей.

Азотированный слой глубиной 0,1-0,3 мм, твердостью 900-1100 HV характеризует изделие оптимальными прочностными характеристиками при высокой технологичности способа. Азотированный слой глубиной менее 0,1 мм и твердостью менее 900 HV является недостаточным для стойкого упрочнения материала. При этом, слой глубиной более 0,3 мм и твердостью более 1100 HV не целесообразен для использования и трудоемок для упрочнения стали с указанным составом.

Предпочтительно, на поверхности, требующей защиту от азотирования, предварительно наносят защитное покрытие, например, в виде жидкого стекла, для исключения повреждения уязвимых участков материала, при этом, не усложняя технологию его упрочнения.

Заявляемый способ обработки металлических деталей, таких как, кольца, шарики или ролики подшипников, может быть произведен, в частности, с использованием вакуумной закалочной термической печи для азотирования или другом термическом оборудовании, обеспечивающем поддержание заявляемых технологических параметров.

Осуществление заявленного способа далее представлено на примере упрочнения кольца подшипника из марки стали с мас. %: вольфрам 8,5-9,5, хром 4,0-4,6, ванадий 1,4-1,7, углерод 0,7-0,8, марганец ≤0,40, кремний ≤0,40, никель ≤0,35, молибден ≤0,3, фосфор ≤0,03, сера ≤0,03, железо - остальное.

Кольцо подшипника прошло ступенчатый нагрев в вакууме в замкнутой камере вакуумной однокамерной закалочной термической печи, при первоначальной температуре нагрева до 645°С и выдержкой при данной температуре 7 минут, затем температура была повышена до 900°С с выдержкой при данной температуре 7 минут, после этого температура была повышена до 1080°С с выдержкой при данной температуре 4 минуты, после чего температура была повышена до 1200°С с выдержкой при данной температуре 2 минуты с охлаждением газообразным азотом при давлении 9-12 бар и последующим трехкратным отпуском при температуре 565-580°С в течение 2 часов.

Далее кольцо подшипника прошло два цикла шлифования, обезжиривание поверхности и нанесение жидкого стекла на поверхность, требующую защиту от насыщения азотом, после было просушено при температуре 105°С в течении 1,5 часов.

Далее провели азотирование кольца в печи для азотирования, согласно заявленному способу, в среде аммиака при 530°С в течение 24 часов. Затем прекратили подачу аммиака, при этом, кольцо подшипника было выдержано при температуре 530°С еще 2 часа.

В результате, на дорожке качения кольца подшипника был получен азотированный слой глубиной от 0,21 до 0,23 мм с твердостью 1030 HV, характеризующий кольцо высокими показателями прочности, износостойкости, выносливости и т. д.

Представленный пример реализации способа не исчерпывает возможные варианты исполнения и не ограничивает каким-либо образом объем заявленных технических решений. Возможны иные варианты исполнения и использования в объеме заявляемой формулы.

1. Способ упрочнения металлических деталей, выполненных из марки стали, мас. %: вольфрам 8,5-9,5, хром 4,0-4,6, ванадий 1,4-1,7, углерод 0,7-0,8, марганец ≤0,40, кремний ≤0,40, никель ≤0,35, молибден ≤0,3, фосфор ≤0,03, сера ≤0,03, железо – остальное, при котором после цикла термообработки и шлифования материала детали производят его сушку при температуре 100-120°С в течение 1-2 ч, после чего проводят азотирование материала в среде аммиака при температуре 500-600°С с выдержкой от 15 до 30 ч, а затем подачу аммиака прекращают и материал выдерживают при температуре 500-600°С в течение 60-120 мин.

2. Способ упрочнения металлических деталей, выполненных из марки стали, мас. %: вольфрам 8,5-9,5, хром 4,0-4,6, ванадий 1,4-1,7, углерод 0,7-0,8, марганец ≤0,40, кремний ≤0,40, никель ≤0,35, молибден ≤0,3, фосфор ≤0,03, сера ≤0,03, железо – остальное, по п. 1, отличающийся тем, что на поверхности, требующие защиту от азотирования, предварительно наносят защитное покрытие.

3. Покрытие для металлических деталей, выполненных из марки стали, мас. %: вольфрам 8,5-9,5, хром 4,0-4,6, ванадий 1,4-1,7, углерод 0,7-0,8, марганец ≤0,40, кремний ≤0,40, никель ≤0,35, молибден ≤0,3, фосфор ≤0,03, сера ≤0,03, железо – остальное, включающее азотированный слой глубиной 0,1-0,3 мм с твердостью 900-1100 HV.

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов, в частности к ионному азотированию, и может быть использовано в машиностроении, автостроении и арматуростроении. Устройство для азотирования в тлеющем разряде стальной детали содержит вакуумную камеру, регулируемый источник питания, экран и устройство для подачи азота.

Способ азотирования детали из легированной стали // 2777058

Изобретение относится к способу азотирования детали из легированной стали. Способ включает размещение детали в рабочей камере, активацию поверхности детали перед азотированием, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температуры азотирования и выдержку детали при этой температуре до формирования необходимой толщины азотированного слоя, при этом активацию поверхности детали перед азотированием проводят в два этапа, на первом этапе осуществляют поверхностное пластическое деформирование детали, обеспечивая от 1,1 до 1,2 раз превышение толщины измененного в результате поверхностного пластического деформирования слоя над толщиной формируемого азотированного слоя, а затем на втором этапе активации проводят высокоэнергетическую ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота, обеспечивающую формирование в поверхностном слое детали на глубину азотирования радиационных дефектов кристаллической структуры, обеспечивающих равновеликий процесс диффузии азота внутри зерен металла и по их границам, причем высокоэнергетическую ионно-имплантационную обработку поверхности детали проводят при энергии ионов от 20 до 24 кэВ, дозе облучения от 1,2⋅1017 см-2 до 1,3⋅1017 см-2, скорости набора дозы облучения от 0,7⋅1015 с-1 до 1,2⋅1015 с-1, а поверхностную пластическую деформацию проводят ультразвуковым инструментом при частоте f=17-20 кГц и амплитуде ξm=4-16 мкм акустических колебаний и усилием его прижима к детали 40-160 H, а в качестве метода азотирования используют ионное азотирование.

Способ подготовки гранулированного ферросилиция к тяжелосредной сепарации // 2757298

Изобретение относится к области обогащения полезных ископаемых и может быть использовано при подготовке как гранулированного, так и молотого ферросилиция для его применения в процессе тяжелосредной сепарации руд. Способ подготовки гранулированного ферросилиция к тяжелосредной сепарации включает нагрев ферросилиция до температуры 900-1100°С при давлении 1,25 атм и формирование на его поверхности защитной пленки путем воздействия азотсодержащей пассивирующей средой, после воздействия средой азота проводят охлаждение ферросилиция в среде азота до температуры 45°С в течение 40-60 минут.

Способ азотирования коррозионно-стойких и высоколегированных сталей // 2756547

Изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке стальных поверхностей, и может быть использовано в машиностроении для упрочнения деталей машин из коррозионно-стойких и высоколегированных сталей. Способ азотирования коррозионно-стойких и высоколегированных сталей включает нагрев изделий в потоке аммиака, выдержку в смеси аммиака и воздуха в две стадии.

Способ нанесения покрытия на поверхность стального изделия // 2754148

Изобретение относится к способам импульсно-лазерной модификации и ионно-плазменного упрочнения поверхности и может быть использовано, например, в энергетическом машиностроении для защиты рабочих лопаток влажнопаровых ступеней турбин от износа, вызванного каплеударной эрозией. Способ нанесения покрытия на поверхность стального изделия включает ионную очистку поверхности изделий и вакуумной камеры в среде инертного газа, ионное травление и ионно-плазменное азотирование поверхности изделия, причем до ионной очистки изделия текстурируют рельеф поверхности изделия импульсно-лазерной модификацией поверхности с использованием инфракрасного иттербиевого волоконного лазера с длиной волны 1064 нм и средней мощностью лазерного излучения не более 22,4 Вт с заданными глубиной впадин и высотой выступов 10÷30 мкм, шириной выступов и шириной впадин 40÷60 мкм, формируют бороздки с продольным направлением и параллельным отношением бороздок друг к другу, а глубину ионно-плазменного азотирования-упрочнения поверхности выбирают равной 30÷100 мкм.

Состав компаунда для азотирования деталей из легированных сталей // 2737796

Изобретение относится к составу термореактивной эпоксидной смеси для азотирования деталей из легированных сталей при осуществлении химико-термической обработки. Указанный состав термореактивной эпоксидной смеси представляет собой компаунд, состоящий из азотосодержащей эпоксидной смолы (А), аминного, или амидного, или амино-амидного отвердителя (Б) и наполнителя в виде алюминиевой пудры (В), в соотношении, мас.ч.

Способ азотирования деталей из легированных сталей // 2736289

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к химико-термической обработке легированных сталей азотированием. На обезжиренную стальную деталь наносят термореактивный эпоксидный компаунд, состоящий из азотосодержащей эпоксидной смолы (А), аминного или амидного, или амино-амидного отвердителя (Б) и наполнителя в виде алюминиевой пудры (В), мас.

Стальные изделия, покрытые твердой смазкой, способ и устройство для их изготовления, и закалочное масло, применяемое в их изготовлении // 2718482

Изобретение относится к химико-термической обработке. Для улучшения трибологических свойств азотированных стальных изделий способ изготовления стальных изделий включает азотирование (210) стального изделия при температуре нитрификации в интервале 350-650°C с получением азотированного стального изделия.

Способ азотирования изделий из сварочных сталей // 2693969

Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке, в частности к газовому азотированию сварочных сталей после предварительного травления и водородного отжига. Способ состоит в предварительной очистке поверхности изделия, операции азотирования и последующего охлаждения в изделия холодной воде, при этом очистка поверхности включает травление и водородный отжиг.

Способ циклического азотирования изделий из стали 08ю в газообразных средах // 2692007

Изобретение относится к химико-термической обработке, а именно к газовому азотированию сталей с использованием нанотехнологий, и может быть использовано в машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности. Способ циклического азотирования изделий из стали 08Ю в газообразных средах включает нанесение на предварительном этапе на поверхность изделий в качестве катализатора слоя медьсодержащих наночастиц, последующий нагрев изделий н в печи в атмосфере аммиака и диоксида углерода до температуры насыщения 540-650°С, после чего осуществляют изотермическую выдержку, во время которой осуществляют замену насыщающей атмосферы циклически в два этапа в каждом цикле.