Способ термической обработки деталей из заэвтектоидных низколегированных сталей

 

on @casse

83OSVrXEH@s

К АВТОРСКОМУ СВИДИТЕЛЬСТВУ (61) Дополнителниое к ввт. сеид-ву (22) Заявлено 160779 (21) 2796995/22-02 ®) М КЛ

Союа Советсник

Социапистичесниа

Республик с присоединением заявки Йо (23) Приоритет

С 21 0-1/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий

Опубликовано 15.09.81; Бюллетень ИЯ 34

Дата опубликования описания 15.0981 (53) УДК 621. 785 (088.8) т

В.И.Крылов, Б.З.Слобин, A.М.Черяпин и .Д=.Бейненсон (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ

ИЗ ЗАЭВТЕКТОИДНЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ

СТАЛЕЙ

Изобретение относится к термической обработке металлов и может найти приМенение при термической обработке деталей из эаэвтектоидных низколегированных сталей, работающих в условиях абразивного изнашивания.

В современном машиностроении для изготовления деталей и инструментов; работающих в условиях изнашивания, применяют заэвтектоидные ниэколегиро- 1О ванные инструментальные и шарикоподшипниковые стали с основной. карбид ной фазой типа МЗС,например 9Х, Х, ШХ6, ШХ9, ШХ15, 11Х, 12Х1 и др.).

Известен способ объемной закалки деталей иэ заэвтектоидных сталей, включающий нагрев вале критической точки AG на 30-50оC выдержку в течение заданного (5-20 мин) времени 20 для растворения карбидов и быстрое охлаждение в закалочной жидкости 11 .

Известен также способ поверхностной закалки деталей иэ указанных сталей, включающий кратковременную аустениэацию поверхностного слоя с выдержкой 1-3 с при температуре, превышающей критическую точку Ас на 150-100 C и резкое охлаждение водяным душем Г2 ) . 30

Однако детали, закаленные известными способами (как с объемным, так, н поверхностным нагревом ТВЧ), имеюг низкую абразивную износостойкость вследствие того, что в твердый раствор переводят малое количество углерода — порядка 0,5%.

Наиболее близким по технической сущности к предлаГаемому является ,способ закалки деталей иэ заэвтектоидных низколегированных сталей с основной карбидной фазой типа МаС, включающий нагрев до температуры аустениэации выше критической точки

Ас„, выдержку при этой температуре до растворения примерно 7-9% карбидной фазы (перехода в твердый раствор

0,45-0,60% углерода) и охлаждение со скоростью не ниже критической f37, Температура аустенизации, обеспечивающая растворение указанного количества карбидной фазы, зависит от исходной структуры и продолжительности аустенизации и при обычной рекомендуемой исходной структуре - зернистый перлит составляет:

5-20 мин, Т 810-850 С (объ емная закалка)

Т 880-930 С, 863663

3 с с =1с.

Т 900-960 С, Т = 920-980 С.

5-20 мин, 10 с, 3 с, 1 с.

Т

Т .Т

880-940 С, 970-1040 С, 1020-1080 С, 1060-1150 С.

Недостатком известного способа закалки деталей иэ эаэвтектоидных низколегированных сталей является относительно низкая.их абразивная износостойкость. Вследствие небольшого количества избыточных карбидов цементитного типа — порядка 10% и относительно низкой их микротвердости и повышенной хрупкости, абразивная износостойкость закаленных сталей рассматриваемого класса определяется в основном свойствами твердого раствора (мартенсита). При концентрации углерода в твердом растворе 0,45-0;60% микротвердость мартенсита заэвтектоидной стали составляет в среднем 800 кг/мм, что заметно меньше микротвердости частиц кварца (1250 кг/мм ), входящего в состав большинства абразивных сред.

Цель изобретения — повышение абразивной износостойкости деталей иэ заэвтектоидных низколегированных сталей.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу термической обработки деталей иэ заэвтектоидных сталей, включающему нагрев до температур аустенизации, выдержку и охлаждение, нагрев при температуре аустенизации производят до растворения 11-1 3% карбидной фазы.

При этом при объемной закалке нагрев ведут до температуры выше точки А<< на 130-200 С.

Прй поверхностной закалке нагрев . ведут на 220-420 С выме точки Ас ,1

Температурно-временные режимы аустенизации, обеспечивающие растворение указанного количества карбидной> фазы, зависят от химического состава и исходной структуры стали перед закалкой. Для наиболее распространенных марок сталей рассматриваемого класса тица 9Х, Х, ШХ6, ШХ15, 11Х, 12Х1 и др. при исходной структуре зернистый перлит в зависимости от продолжительности выдержки t могут быть принятые следующие температуры аустениЗации Т:

Растворение при аустенизации 1113t карбидной фазы типа МЗС позволяет перевести в твердый, раствор 0,750,85% углерода, что в.среднем в

1,5 раза больше, чем при известных способах закалки. В этом случае при охлаждении со скоростью не ниже критической образуется мартенситноаустенитная структура с небольшим количеством остаточных карбидов (порядка 3-6%), предотвращающих черезмерный рост аустенитного зерна при наl

16

4О

4$ .Я

И

46 греве под закалку. С точки зрения абразивной износостойкости такая структура является наиболее оптимальной. При многократной пластической деформации частицами абразива остаточный аустенит низкодегированной заэвтектоидной стали практически полностью переходит в высокоуглеродистый мартенсит деформации. Поэтому абразивная износостойкость стали после закалки по предлагаемому способу независимо от количественно1 го соотношения мартенсита и остаточного аустенита определяется в основном свойствами мартенсита. При концентрации углерода в твердом раство ре - 0,8> микротвердость мартенсита достигает значения порядка 1100 кг/м P, т.е. близкого к микротвердости частиц кварцевого песка, поэтому затрудняется пластическая деформация самих кристаллов мартенсита. Примерно такое же значение микротвердости сохраняется и после низкотемпературного отпуска высокоуглеродистого мартенсита в результате образования структуры с высокой плотностью дисперсных частиц зародышей карбидной фазы..Многократная упругопластическая деформация вызывает распад и высокоуглеродистого мартенсита,но этот распад протекает менее интенсивно и сопровождается значительным деформационным упрочнением в результате образования субструктуры с высокой плотнос.тью дислокаций и микрообластей с обогащенной концентрацией углерода.

Формирование в процессе изнашивания упрочненного слоя повышенной микротвердости резко снижает степень

"шаржирования" поверхности трения частицами абразива.В результате этого! в парах трения с деталями иэ заэвтектоидных сталей, подвергнутыми закалке предлагаемым способом, существенно снижается абразивный износ и сопряженной детали.

Концентрация углерода в твердом растворе порядка « 0,8Ъ является критической, соответствующей предель-. ной степени упрочнения мартенсита.

Это проявляется, в частности, в том, что при указанной концентрации углерода модуль упругости и характеристическая температура мартенсита принимают экстремальные значения.

Увеличение концентрации углерода в твердом растворе выше указанного критического значения практического влияния на предел текучести и микротвердость мартенсита не оказывает, вследствие чего абразивная износостойкость не меняется или несколько снижается иэ-за увеличения в структуре устойчивого остаточного аустенита, не превращающегося в мартенсит деформации в прбцессе изнашивания.

Поэтому дальнейшее повышение темпе ратуры закалки нецелесообразно.

863663

Результаты сравнительных исследований известного и предлагаемого способов закалки деталей из наиболее распространенных заэвтектоидных сталей рассматриваемого класса типа

Х, 11Х, 12Х1, ШХ15 с исходной структурой — зернистый перлит приведены в табл. 1.

Пример 1. Проводят закалку образцов диаметром 4 мм из стали ШХ15 по ГОСТ 801-60 с объемным нагревом в расплаве соли. Химический |Q состав стали,%: углерод 1,04; хром

1,32, марганец 0,27; кремний 0,16.

Согласно известному способу закалки образцы нагревают до температуры 820 С, выдерживают 5 мин и охлаждают в масле.

Согласно предлагаемому способу образцы нагревают до температуры

920 С, выдерживают также 5 мин и охлаждают в масле. 2О

Образцы испытывают на изнашивание закрепленным абразивом на машине

Х4-Б при трении скольжения по крем: невой шкурке. В качестве эталона испытывают образцы иэ стали 50 с твердостью 62-63 HRC.

Результаты исследований и испытаний образцов приведены в табл. 2 .

Как видно из табл. 2, при изнашивании закрепленным абразивом износостойкость стали ШХ15 после закалки по предлагаемому способу в 1, 3 раза выше, чем после закалки по известному.

Пример 2. Проводят закалку пуансонов из стали Х по ГОСТ 5960-73 35 с нагревом в электрической печи. Химический состав стали, %: углерод

1, 07; хром 1, 51; марганец 0,38, кремний 0,27. Исходная структура— зернистый перлит 5 балл. 4О

Согласно известному способу закалки пуансоны загружают в печь с температурой 8300С, выдерживают после выравнивания температуры 10 мин и охлаждают в масле.

Согласно предлагаемому способу пуансоны загружают в печь с температурой 920 С, выдерживают также

10 мин и охлаждают в масле.

После закалки пуансоны подвергают отпуску при 140 С 2 ч.

Износостойкость пуансонов проверяют при прессовании абразивной формовочной массы из кварцевого песка.

Результаты исследований и испита- 55 ний пуансонов приведены в табл. 3.

Как видно из табл. 3, закалка пуансонов иэ стали по предлагаемому способу по сравнению с известным повышает износостойкость пуансонов при изнашивании абразивной массой в 1,7 раза.

Пример 3. Проводят поверхностную закалку пальцев гусениц диаметром 22 мм из стали Х по ГОСТ

5960-73 с нагревом ТВЧ с использованием машинного генератора ПВ-1008000 с частотой 8 кГц. Химический состав стали, %: углерод 1,02, хром

1,50; марганец 0,43, кремний 0,28.

Исходная структура - зернистый перлит 5-.6 балл.

Согласно известному способу закалки для получения необходимой толщины закаленного слоя 4,0 мм и незакаленной сердцевины пальцы нагревают в индукторе до 920-950 С со скоростью порядка 100 град/с, выдерживают 3,0-3,5 с и охлаждают водой иэ спрейера..

Согласно предлагаемому способу пальцы нагревают в индукторе до 10201050 С со скоростью 150 град/с, выдерживают 3,0-3,5 с и также охлажда ют водой иэ спрейера;

Гусеничные цепи с опытными пальцами испытывают в паре со звеньями из стали 110Г13Д на тракторах ДТ-75 и ДТ-75М на суглинистых почвах ,Подмосковной испытательной станции

HATH. Для получения сравнительной оценки в каждую гусеничную цепь включают участок с эталонными пальцами из стали 50-55 с твердостью 5962 HRC.

Результаты исследований и испытаний пальцев приведены в табл. 4.

Как видно из табл. 4, закалка пальцев гусениц иэ стали Х по предлагаемому способу но сравнению с известным повышает износостойкость пальцев в 1,5 раза, а сопряженных проушин звеньев в 1,7 раза.

Использование предлагаемого способа закалки деталей из эаэвтектоид|ных низколегированных сталей позволя .ет повысить износостойкость при всех видах абразивного изнашивания (закрепленным абразивом, абразивной массой, абразивной прослойкой в парах трения и т.д.) . Весьма существенным является также и то, что в парах трения с деталями, закаленными предлагаемым способом, значительно снижается абразивный износ сопряженной детали.

863663

Показатели

Предлагаемый

Известный

10-20 мин

10 с

3 с

1 с

11-13

0,75-0,85

О, 45-0, 60

1000-.1120

700-850

0,56-0,68

0,80-0,90

0,7-0,8

0,7-0,8 (к 4 к ) Таблица Я

Показатели

Известный Предлагаемый

820,920

15,6

15, 6.

3,2 до закалки после закалки

7,4

8,2

12,4

0,56

0,83

1,21

1,56

Температура закалки при продолжительности аустенизации, С

Количество карбидов, растворяемых при нагреве под эакалiCyу В

Концентрация углерода в твердом растворе, Ф

Структура после закалки

Микротвердость мартенсита, кг/мм

Отношение микротвердости мартенсита к микротвердости частиц кварца, к

Критическое отношение твердости материала к твердости абразива, к„р

Основной режим абразивного изнашивания мартенсита

Температура нагрева под закалку, оC

Продолжительность аустенизации, мин

Количество карбидов, Ъ . растворенных при нагреве под закалку

Количество углерода, переведенного в твердый растаор, %

Относительная иэносостойt кость

810-850

880-930

900-960

920-980

Скрытоигольнатый мартенсит и карбиды МзС

Преимущественно прямое разрушение

Т а б л и ц а 1

880-940

970-1040

1020-1080

1060-1150

Мелкоигольчатый мартенсит и остаточный аустенит

Преимущественно многоцикловое км )r ккрм ) 863663

Таблица 3

Способ закалки

Показатели

Известный Предлагаемый

920

830

10 до закалки после закалки растворенных при нагреве под закалку

12,2

8,1

Количество углерода, переведенного в твердый раствор, Ъ

0 54

0,81

Линейный износ пуансона за

100 тыс. циклов прессования, мм

0,31

0,53

Относительная износостойкость 1,00

1,71

Т а б л и ц а

Показатели

Известный Предлагаемый

Температура индукционной закалки, о С 920-950

1020-1050

3,0-3,5

3,0-3, 5

15,3

4,1

15,3

7,7 до закалки после закалки

11,2

7,6

0,51

0,75

2,20

1,52 пальцев

1,92

1,12

1,98.

1,32

Ф

Температура нагрева под

-закалку, C

Продолжительность аустенизации, мин

Количество карбидов, 3:

Продолжительность аустенизации, с

Количество карбидов, Ъ растворенных при нагреве под закалку

Количество углерода, переведенного в твердый раствор, Ъ

Относительная износостойкость шарниров гусениц с пальцами из стали Х (эталонные шарниры с пальцами из стали 50): сопряженных проушин звеньев всего шарнира (по удлинению шага цепи) 16,1

8,0

16,1

3,9

863663

Формула изобретения

Составитель Р.Клыкова

ТехРедЛ. Пекарь КоРРектоР Е.Рошко

Редактор М.Петрова

Заказ 7705/40 Тираж 621 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

1. Способ термической обработки деталей из заэвтектоидных низколегированных сталей, включающий нагрев до температуры выше точки АС„, выдержку и охлаждение, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повыаения абразивной износостойкости, нагрев производят до растворения 1113% карбидной фазы.

2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем,,что при объемной закалке нагрев ведут до температуры выше точки Ас íà 130-200 С.

3. Способ йо п.1, о т л и ч а юшийся тем, что при поверхностной закалке нагрев ведут до температуры .вваае точки А „на 220-420 С.

Источники информации, принятые во внимание при зкснертиэе

5 1. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. М„, "Металлургия", 1975, с. 242-243..

2. Головин.Г.Ф. Остаточные напряжения, прочность и деформация при . ф поверхностной закалке токами высокой частоты. Л., "Машиностроение"-, 1978, с. 24.

3. Рауэин Я.P. Термическая обработка хромистой стали. М., "Машино35 строение", 1978, с. 97, 102, 232.