Способ обработки стальных деталей

 

(72) Авторы изобретения

А

С. Ф. Забелин, А. С. Тихонов, Ю. Н. Гапонов и f3. В, Белов (71) Заявитель Институт металлургии им. А. A. Байкова АН СССР (54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Изобретение относится к металлургии, в частности к упрочняющей обработке стальных деталей, включающей химикотермическую обработку (ХТО).

Известны различные комбинированные способы упрочняющей термообработки деталей из конструкционных сталей, включающие предварительную нли термомеха-! ническую обработку, ХТО (цементацию, азотирование и т.п. или их комбинацию), дополнительную термическую или термомеханическую обработку и закалку с последующим отпуском (1) .

Однако эти способы обработки имеют большую длительность (часы или десятки .часов) и не позволяют обеспечить одноlj временно достаточно высокий уровень механических (пластичность, ударную вязкость, поверхностную твердость) и эксплуатационных (усталостную прочность, 20 износостойкость) свойств, а также уменьшить коробление стальных деталей.

Известен также способ ХТО, включающий диффузионное насьпцение поверхности металла элементами (углеродом, азотом и др.) при одновременном приложении давления, где с целью сокращения процесса обработки, металл циклически нагревают и охлаждают в интервале температур на 50-70 С выше и ниже точек фао зовых превращений $2) .

Такой способ ХТО интенсифицирует процесс диффузионного насыщения поверхности металла элементами и не приводит к росту зерна металла, как это имеет место при изотермической выдержке.

Однако данный способ обработки не ис» пользует в достаточной степени возможностей еще большей интенсификации процесса диффузионного насыщения и не обеспечивает получения необходимой структуры металла для повышения .уровня механических и эксплуатационных свойств, в особенности усталостных. Это обусловлено неподготовленным исходным состоянием структуры металла перед

ХТО. Другим недостатком данного способа является требование дополнительного

9070

75 4

Термоц иро е перед нагревом под закалку проводят для первых 2-3 циклов в интервале температур на 5070 С выше AC H на 30-50 С ниже ДС, а для последующих 2-4 циклов — в ино тервале температур на 80-70 С выше

ДС и на 30-50 C ниже АС .

Кроме того, закалку проводят непос- редственно с нагрева термоциклирования, от температуры на 30-50 С выше АС .

Применение при обработке стали предварительного термоциклирования существенно измельчает исходное зерно металла до 13-14 баллов и изменяет структуру стали, обеспечивая получение развитой мелкоблочной субструктуры (фрагментация феррита и аустенита за счет объемных изменений при фазовых превращениях), получение мелкодисперсных частиц второй фазы и пересьпцение дефектами кристаллической решетки. Зто значительно облегчает условия последу1ощего процесса диффузионного насыщения при ХТО.

Проведение ХТО в предложенном тем пературном скоростном режиме непрерывного термопиклирования способствует образованию мелкодисперсных карбидов и нитридов и позволяет сохранить мелкозернистое строение металла с фрагментированной субструктурой и высокий уровень дефектов кристаллической решетки на протяжении всего процесса обработки.

Такое состояние металла в области фазовых превращений в условиях неоднородного поля температур и самих превращений, способствует возникновению и сохранению в нем неравновесного состояния, в результате чего резко повышается скорость диффузионного обогащения поверхностного слоя металла насышающими элементами, и отпадает необходимость в приложении дополнительного напряжения в процессе обработки.

Осуществление предварительной химнкотермической обработки в режиме непрерывного многократного термоциклирования позволяет проводить закалку станьных деталей непосредственно после ХТО.

Это обусловлено нолучением мелкозернистой структуры металла как в сердпевине детали, так и в поверхностном слое, в котором образуются мелкодисперсные карбиды и нитриды, а также получение мелкоблочной субструктуры и развитой дислокадионной структуры материала, что способствует активированию мартенситного превращения. Так как закалка проводится непосредственно с обработки, приложения давлении и высоких скоростей нагрева и охлаждения при термодиклировании, что усложняет обработку.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному является способ обработки стальных деталей, включающий цементацию при 920-940 С, азотирование при

580-600 С, многократное термопиклирование в интервале температур на 30- 36

50 С выше Ас и на 30-50 С ниже о о ДС„, закалку от 800-810 C и с гпуск ри 140 150 С (31.

Однако известный способ обработки, 15 в ограниченных пределах повышая плаотичность и ударную вязкость металла, имеет большую длительность, не снижает коробления деталей и не повышает эксплуатационных свойств (усталостной прочности и износостойкости) поверхностного слоя деталей. Например, в нем при це-. ментации образуется сетка вторичного цемента, которая не устраняется последующей термоциклической обработкой, в

25 данном интервале температур. Наличие цементной сетки вызывает охрупчивание и выкрашивание поверхностного слоя. При этом пластичность и ударная вязкость, повышаются только за счет измельчения зерна в сердцевине детали, а для поверхностного слоя эти характеристики сохраняются на низком уровне.

Бель изобретения -сокращение длительности обработки, снижение короблення, повышения ударной вязкости и усталостной прочности стальных деталей.

Поставленная цель достш-ается тем, с что согласно способу обрабстки стальных деталей, включающему цементацию, азотирование, термоциклирование, нагрев под закалку, закалку и отпуск, проводят goполнительное термоциклирование в интервале фазовых превращений перед пементацией, в процессе цементации и азотироваиия, при этом весь продесс ведут с одного нагрева.

Термоциклирование перед цементапией проводят в интервале температур на 30о О

50 С выше АС,(и на 30-50 С ниже Ас с числом диклов обработки 4-7. 5Î

Термоциклирование в процессе дементадии проводят в интервале температур на 80-1СОоС вышеАС и на 30-50 С ниже А " с числом циклов обработки 4-8.

Термоциклирование в процессе азотиро-55 ванин проводят в интервале температур на 50-70 С выше АС и на 30-50 С ниже АС с числом циклов обработки 4-8.

5 907 то подготовленная структура не изменяется, и в результате получается однородная структура мелкоигольчатого мартенсита с равномерно распределенными диспергированными участками аустенита и глобулярных карбидов и нитридов, что и обеспечивает хороший комплекс механических и эксплуатационных свойств.

Осуществление термоциклирования после ХТО приводит к дополнительному О дроблению карбидов и нитридов, устранению цементной сетки и способствует дальнейшему уменьшению остаточного аустенита в поверхностном слое, что приводит к дополнительному улучшению механических и эксплуатационных свойств детали. Принципиальное отличие предлагаемого режима термопиклирования заключается в том, что в интервале температур на 50-70 С выше АС и на 30- zo о

50 С ниже ACq устраняется цементитная сетка в поверхностном слое, одновременно измельчая структуру, а в интервале на 50-70 С выше АС, и на 30-50 С ниже АС„завершается формирование мел- 2s коэернистой структуры в детали.

Проведение всего процесса уцрочняющей обработки стальных деталей в режиме многократного термоциклирования с одного нагрева снижает энергоемкость про- зо цесса, сокращает длительность обработки и уменьшает коробленяе деталей, так как устраняются промежуточные нагревы до высоких температур и изменяется характер релаксационной способности материала.

075 6 предварительной обработке иеравновесное состояние мелкозернистого материала, - обладающего высокой диффузионной подвижностью атомов,. при ХТО - сохранение неравновесного состояния с получением мелкодисперсных карбидов и нитридов и получение заданных глубины диффузионного насьпдения и распределения концентрапии насьппаюшего элемента по толщине слоя,.при дополнительной обработкедополнительное формирование мелкозернистой структуры в сердцевине и поверхностном слое детали, а также, например, устранение цементной сетки после цементации. Температурно-скоростной режим обработки выбирается с учетом степени полноты фазовых переходов при сКФЯ"превращениях и условий зарождения новой фазы. Рекомендуемая скорость нагрева и охлаждения при обработке углеродистых и легированных сталей 2-10 С/с. о

Так как для цементации нагрев на 80100 С выше АСу обусловлен большой диффузионной подвижностью атомов углеродов - -железе, нагрев выше рекомендуе мой температуры приводит к росту зерна и коагуляпии карбидных частип.— Для азотирования нагрев на 50-70 С выше АС, обусловлен образованием мелкодисперсных нитридов, повышение температуры приводит к сильной коагуляции нитридов.

Число циклов при предварительной и дополни1ельной обработке ограничено условиями формирования мелкозернистой структуры в неравновесном состоянии и рекомендуется в пределах 4-7 циклов, При ХТО число циклов ограничено задан« ной толщиной диффузионного слоя, например для получения глубины цементации

1,3-1,4 мм необходимо 4-5 циклов обработки.

Для нагрева деталей используют любую нагревательную систему, например систему электронагрева обрабатываемой дета4а ли или ее нагрев внутри нагревательного устройства.

Для охлаждения используют любую охладительную систему естественного охлаждения или охлаждение с применени45 ем инертного газа.

Диффузионное насьндение при ХТО осуществляют путем пропускания через рабочую камеру газа требуемой насыша« юшей среды или путем помещения детали в жидкую насьппакшую среду.

Состав насыщающей среды выбирают в зависимости от заданных требований к механическим характеристикам деталей и условий их эксплуатации.

Параметры режима термоциклирования (интервал температур, скорость нагрева и охлаждения, число циклов выбираются таким образом, чтобы обеспечить при

Предложенный способ обработки стальных деталей применим также при использовании в процессе ХТО азотирования, цементации, силицирования, борирования и т.п. или их комбинации.

Пример 1. Образпы из стали

20Х подвергают газовой пементапии по двум способам. По известному способу пементацию проводят в режиме термоциклирования, включающего 5 пиклов нагрева и охлаждения и интервале температур, верхняя предельная темпера1 ура 850+10 С и нижняя — 650 10 С, при скорости нагрева и охлаждения на

9 каждом цикле 10 С/с и подачи цементирующего газа под давлением 0,2 МПа.

Таблипа 1

10-1 1

13-1 4

1,0-1, 1

1,3-1,4

0,9

Изг.естный

Предлагаемый

1,0

7 9070

По предлагаемому способу проводит предварительное термоциклирование, вклкяающее 5 циклов нагрева и охлаждения в интервале температур: верхний

750 10 С и нижний 650 10 С с продолжением процесса цементации в режиме термоциклировання, включающего 5 циклов в интервале темнератур: верхний . . 900 10 С и нижний 650+10 С, при этом цементирующнй гаэ подается без to давления. Скорость нагрева и охлаждения на каждом цикле всего процесса обработки - 5 С/с. о

В табл. 1 приведены результаты обработкие И

Иэ табл 1 видно, что глубина цементации Врн обработке по предложенному способу на 35% вьппе, чем в известном, при этом получена структура металла с зерном на 2-3 балла выше. 20

Пример 2. Проводят упрочняюшую химико-термическую обработку обраа ов иэ стали 20Х для испытания на ударную вязкость (тип 1, ГОСТ 9554- .

60) и усталостную прочность (тип УП, д

ГОСТ 2860-65), По предлагаемому способу обработку проводят по следующему режиму: предва, рительное термоциклирование, включающее

5 циклов нагрева и охлаждения в интеро вале температур на 30-50 С выше ACg, о и на 30-50 С ниже Дс, после 5-го цик1 ла режим термоциклирования изменяют и проводят 5 циклов в интервале температур на 80-100 С выше AC и на 30-50 С35 ниже A6q, осуществляя при этом подачу цементирующего газа; после 5-ro цикла подачу газа прекращают, реиим. термоциклирования изменяют и проводят 5 цик-лов в интервале температур на 50-70 С 46 выше АС1, и на 30-50 С ниже АГ, осуаествляя при этом подачу азотируюmего газа, после 5-го цикла подачу газа

f прекращают и образцы в одном случае подогревают до температуры на 30-50 С выше ACq и закаливают в масло, в другом случае, продолжают термоциклирование ервые 2 цикла в интервале температур на 50-70 С выше Дс и на 30-50 С ниже Агg, последующие 3 цикла - на

50-70 С выше A

Дс и затем проводят закалку аналогично первому случаю.

Для получения сравнительных данных параллельно проводилась термическая обработка однотипных образцов иэ той же стадии по известному способу.

Все три партии образцов после обработки проходят отпуск при температуре

170-190 С в течение 2 ч.

Сравнительные данные по длительности способов обработки приведены в табл. 2.

Результаты определения показателей поверхностной твердости, ударной вязкости и усталостной прочности образцов приведены в табл. 3.

Таким образом, использование предла« гаемого способа термической упрочняющей обработки стальных деталей в режиме многократного термоцнклирования обеспечивает по сравнению с известными следующие преимущества: сокращение общей длительности упрочняющей обработки данных деталей в 10-12 раз; интенсификация процесса диффузионного насыщения при ХТО в 1,5 раза; формирование глобулярных мелкодисперсных карбидов в поверхностном слое и мелкозернистой структуф стали приводит к повышению усталостной прочности в 1,5-1,6 раза, ударной вязкости в 1,3-1,4 раза при сохранении высокой поверхностной твердости (61-62 khan<); уменьшение короблення деталей на 50%.

907075

Таблица2

Цементации

0,3

Предварительное т ермощ клирование

0,3

Азотирование

Цементация

Азотирование

Термопиклирование

Закалка

0,4

0,4

Термопиклирование 0,3

0,25

0,25

Закалка

0,5

0,2

12,8

0,05

0,05

1,0

1,2

Таблица3

60-6 1

Известный

106

Предлагаемый

Вариант

Вариант 1

61-62.

61-62

138

1,5

1,6 — отношение предела усталостной прочности образцов, обработаннь по предлагаемому способу к пределу усталостной прочности образцов, обработанных по известному.

Формула изобретения

1. Способ обработки стальных деталей, включающий пементапию, азотирование, термоциклирование, нагрев под закалку, закалку и отпуск, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью сокрашения длительности обработки, повышения ударной вязкости и усталостной прочности и уменьшения коробления, проводяч допол50 нительное термопиклирование в интервале фазовых превращений перед цементацией, в процессе цементадии и азотирования, при этом весь пропесс ведут с одного нагрева.

2. Способ по и. 1, о т л, и ч а ю—

55 ш и и с я тем, что термопиклирование перед пементапией проводят в итервале о температур на 30-50 С вьппе дс< и на

30-50 С ниже АГ с числом пиклов обработки 4- 7.

3. Способпоп. 1 и 2, отлич а ю шийся тем, что в процессе meментапии термопиклирование проводят о в интервале температур на 80-100 С выше АС и на 30-50 С ниже А "А с чиолом циклов обработки 4-8.

4. Способ по п.п. 1-3, о т л и ч а юш и и с я тем, что в процессе азотирования термоциклнрование проводят в интервале температур на 50-70 С выше

АС и на 30- 50 С ниже Ас с числом циклов обработки 4-8.

5. Способ по пп. 1-4, о т л и ч а ющ и R с я тTеeмM, что перед нагревом под закалку проводят первые 2-3 цикла в о интервале температур на 50-70 С выше

АСр и на 30-50 С ниже А ", а дая поо2. Патент СССР % 679154, кл. С 23 С 9/00, 1979.

3. Авторское свидетельство СССР

% 648623, zn. С 21 Х) 1/78, 1977.

11 907075 12 ледуищие 2-4 цикла в интервале тем- М., Машиностроение . 1972,. иератур на 50-70 С выше АС и на 30- с. 91-96, 50 С ниже Pv< .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Прогрессивйые методы термичео» кой и химико-термической обработки.

Составитель Р. Клыкова

Редактор. Г. Волкова Техред М.Рейвес Корректор Л. Бокшан

Заказ 520/34 Тираж 587 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