SU907075A1 - Способ обработки стальных деталей - Google Patents

Description

(54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

i

Изобретение относитс  к металлургии, в частности к упрочн ющей обработке стальных деталей, включающей химикотермическую обработку (ХТО).

Известны различные комбинированные способы упрочн ющей термообработки деталей из конструкционных сталей, включаюшие предварительную или термомеханическую обработку, ХТО (цементашпо, азотирование и т.п. или их комбинацию), дополнительную термическую или термо- механическую обработку и закалку с последующим отпуском Ll 1

Однако эти способы обработки имеют большую длительность (часы или Дес тки часов) и не прзвол ют обеспечить одновременно достаточно высокий уровень механических (пластичность, ударную в зкость , поверхностную твердость) и эксплуатационных (усталостную прочность, износостойкость) свойств, а также уменьшить коробление стальных деталей.

Известен также способ ХТО, включающий диффузионное насьпдение поверхности

. металла элементами (углеродом, азотом и др.) при одновременном приложении давлени , где с целью сокращени  процес- са обработки, металл циклически нагревают и охлаждают в интервале температур на 50-70 С выше и ниже точек фазовых превращений t2j .

Такой способ ХТО интенсифицирует процесс диффузионного насыщени  поверхности металла элементами и не приводит к росту зерна металла, как это имеет место при изотермической выдержке. Однако данный способ обработки не использует в достаточной степени возмож . ностей еще большей интенсификации процесса диффузионного насыщени  и не обеспечивает получени  необходимой структуры металла дл  повышени  .уровн  механических и эксплуатационных свойств, в особенности усталостных. Это

обусловлено неподготовленным исходным состо нием структуры металла перед ХТО. Другим недостатком данного способа  вл етс  требование дополнительного приложени  давлени  и высоких скоростей нагрева и охлаждени  при термоцик- лировании, что усложн ет обработку. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному  вл етс  способ обработки стальных деталей, включающий цементаийю при 920-94О С, азотирование при 58О-600 С, многократное термоцикл рование в интервале температур на 30 ОГ , , И на 30-50 С ниже , , закалку от 8ОО-810 С и отпуск при 14О-150С з . Однако известный способ обработки, в ограниченных пределах повыша  пластичность и ударную в зкость металла, имеет большую длительность, не снижает короблени  деталей и не повышает эксплуатационных свойств (усталостной проч ности и износостойкости) поверхностного сло  деталей. Например, в нем при не-, ментации образуетс  сетка вторичного цеме1п-а, котора  не устран етс  после дуюшей термощтелической обработкой, в данном интервале температур. Наличие цементной сетки вызывает охрзшчивание и выкрашивание поверхностного сло . При этом пластичность и ударна  в зкость 4 повышаютс  только за счет измельчени  зерна в сердцевине детали, а дл  поверх ностного сло  эти характеристики сохран ютс  на низком уровне. Цель изобретени  -сокращение длитель ности обработки, снижеш5е короблени , повышени  ударной в зкости и усталостной прочности стальных детйлей. Поставленна  цель достигаетс  тем, что согласно способу обработки стальных деталей, вкшочающему цементацию, азотирование , Термоциклирование, нагрев под закалку, закалку и отпуск, провод т до. полнитепьное термоциклированне в интер- вале фазовых превращений перед пемента цией, в процессе цементации и азотировани , при этом весь процесс ведут с одното нагрева. Термоциклирование перед цементацией провод т -в интервале температур на ЗО50 0 выше Ас и на нижеАс, с числом циклов обработки 4-7. Термоциклирование в процессе цемен тацйи провод т в интервале температур на вышеАСзн на ЗО-бО С ниже hr, с числом циклов обработки Термоциклирование в процессе азотир

вйни  провод т в интервале температур на 50-. вьпие ,Дц и на 30-.50°С ниже Ас/( с числом циклов обработки 4-8. 90

что способствует активированию мартенситного превращени .) Так как закалка проводитс  непосредственно с обработки, 54 Термоциклирование перед нагревом под закалку провод т дл  первых 2-3 циклов в интервале температур на 507О С выше на ЗО-50 С ниже Ас , а дл  последующих 2-4 циклов - в интервале температур на SO-70 С и.1ше АС и на ЗО-50 С ниже Дс . Кроме того, закалку провод т непосредственно с нагрева термоциклировани , от температуры на ЗО-бО С ы,1ше Ас . Применение при обработке стали пред варительного термоциклировани  существенно измельчает исходное зерно металла до 13 14 баллов и измен ет структуру стали, обеспечива  получение развитой мелкоблочной субструктуры (фрагментаци  феррита и аустенита за счет объемных изменений при фазовых превращени х), получение мелкодисперсных частиц второй фазы и пересыщение дефектами кристаллической решетки. Это значительно облегчает услови  последующего процесса диффузионного насыщени  при ХТО. Проведение ХТО в предложегшом тем«пературном скоростном режиме непрерыв ного термоциклировани  способствует образованию мелкодисперсных карбидов и нитридов и позвол ет сохранить мелкозер нистое строение металла с фрагментированной субструктурой и высокий уровень дефектов кристаллической решетки на прот жении всего процесса обработки. Такое состо ние металла в области фазовых превращений в услови х неоднородного пол  температур и самих превращений , способствует возникновению и сохранению в нем неравновесного состо ни , в результате чего резко повышаетс  скорость диффузионного обогащени  поверхностного сло  металла насьпдающими элементами , и отпадает необходимость в приложении дополнительного напр жени  в процессе . Осуществление предварительной химикотермической обработки в режиме непрерывного многократного термоциклирова- ни  позвол ет проводить закалку стальных деталей непосредственно после ХТО. Это обусловлено получением мелкозернистой структуры металла как в серддовине детали, так и в поверхностном слое, в котором образуютс  мелкодисперсные карбиды и нитриды, а также получение мелкоблочной субструктуры и развитой дислокационной структуры материала. то подготовленна  структура не измен етс , и в результате получаетс  однород на  структура мелкоигольчатого мартенсита с равномерно распределенными днепергированными участками аустенита н глобул рных карбидов и нитридов, что и обеспечивает хороший комплекс механических и эксплуатационных свойств. Осуществление термоциклировани  после ХТО приводит к дополнительному дроблению карбидов и нитридов, устранению цементной сетки и способствует дальнейшему уменьшению остаточного аустенита в поверхностном слое, что приводит к дополнительному улучшению механических и эксплуатанионных свойст детали. Принципиальное отличие предлагаемого режима термопиклировани  заключаетс  в том, что в интервале температур на 5О-70®С выше Асз и на 3050 С ниже Ас устран етс  цементитна  сетка в поверхностном слое, одновременно измельча  структуру, а в интервале на SO-TO C выше Aq , и на 30-5О°С ниже АС;| завершаетс  формирование мелкозернистой структуры в детали. Проведение всего процесса упрочн ющей обработки стальных деталей в режим многократного термоциклировани  с одно го нагрева снижает эн гоемкость процесса , сокращает длительность обработки - и уменьшает коробление деталей, так как устран ютс  прсадежуточные нагревы до высоких температур и измен етс  характер релаксационной способности мате риала. Дл  нагрева деталей используют любу нагревательную систему, например систе му электронагрева обрабатываемой детали или ее нагрев внутри нагревательного устройства. Дл  охлаждени  используют любую охладительную систему естественного охлаждени  или охлаждение с применением инертного газа. Диффузионное насыщение при ХТО осуществл ют путём пропускани  через рабочую камеру газа требуемой насыщающей среды или путем помещени  детали в жидкую насьпцагоцую среду. Состав насыщающей среды выбирают в зависимости от заданных требований к механическим характеристикам деталей и условий их эксплуатащш. Параметры режима термоциклировани  (ицтервал температур, скорость нагрева и охлаждени , число циклов выбираютс  таким образом, чтобы обеспечить при предварительной обработке  еравновесное состо ние мелкозеонистого материала, обладающего высокой диффузионной подвижностью атомов, - при ХТО - сохранение неравновесного состо ни  с получением мелкодисперсньк карбидов и нитридов и получение заданных глубины диффузионного насыщени  и распределени  концентрации насьпцающего элемента по толщине сло , .при дополнительной обработке дополнительное формирование мелкозернистой структуры в сердцевине и поверхностном слое детали, а также, например, устранение цементной сетки после немен- тации, Температурно-скоростной режим обработки выбираетс  с учетом степени полноты фазовых переходов приЫ Гпревращени х и условий зарождени  новой фазы. Рекомендуема  скорость нагрева и охлаждени  при обработке углеродистых и легированных сталей . Так как дл  цементации нагрев на 8ОЮО С выше АС7, обусловлен большой диффузионной подвижностью атомов углеродов -железе, нагрев выше рекомендуемой температуры приводит к росту зерна и коагул ции карбидных частиц.--Дл  азотировани  нагрев на 50-70°С выше Дс, обусловлен образованием мелкодисперсных нитридов, повышение температуры приводит к сильной коагул ции нитридов. Число циклов при предварительной и дополнительной обработке ограничено услови ми формировани  мелкозернистой структуры в неравновесном состо нии и рекомендуетс  в пределах 4-7 циклов. При ХТО число циклов ограничено заданной толщиной диффузионного сло , например дл  получени  глубины цементации 1,3-1,4 мм необходимо 4-5 циклов обработки . i Предложенный способ обработки стальных детапей применим также при использовании в процессе ХТО азотировани , цементации, сшшцкровани , борировани  и т.п. или их комбинации. Пример. Образцы из стали 2ОХ подвергают газовой цементации по двум способам. По известному способу цементацию провод т в режиме термоциклировани , включающего 5 циклов нагрева и охлаждени  и интервале температур , верхл   предельна  температура 850±10°С и нижн   - 650±10С, при скорости нагрева и охлаждени  на каждом цикле ДО С/с и подачи цементирующего газа под давлением 0,2 МПа.

По предлагаемому способу провод т предварительное тёрмоииклирование, вклк ающее 5  иклов нагрева и охлажд&ни  в интервале температур: верхний 75Oiiro C и нижний eSOilO C с про допжением процесса цементации в режиме термоциклировани , включающего 5 шошов в интервале температур: 9ОО±10°С и нижний 65O±lCfc, при этом цементирующий газ подаетс  без давлени . Скорость нагрева и охлажде ни  на каждом цикле всих) пропесса обработки - 5 С/с.

В табл. 1 приведены результаты обработки .

Из табл 1 видно, что глубина цементации 1ФИ обработке по предложенному способу иа 3S% выше, чем в известном, при этом получена структура металла с зерном на 2-3 балла выше.

Л р и м е р 2. Провод т упрочн ющую химико термическую обработку об- pasQOB из стали 2ОХ дл  испытани  на ударную в зкость (тип 1, ГОСТ 955460 ) и усталостную прочность (тип УП,

ГОСТ 2860-65).

По тфедлагаемому способу обработку провод т по следующему режиму: предва .рительное термоциклирование, включающе 5 циклов нагрева и охлаждени  в интервале температур на 30-50 с выше Асч, и на ЗО-5О С ниже Дс,, после 5-го цикла режим термоциклировани  измен ют и провод т 5 циклов в интервале температур на 8О-1ОО°С вьшеДСзИ на 30-50 ниже , осуществл   при этом подачу в«ментирующего газа; после 5-го цикла нодачу газа прекращают, . термоциклировани  измешпот и провод т 5 в И1ггервале температур на вьпие Ас , и на 30-50 С ниже Аг, , осушествл   при этом подйчу азотирующего газа, после 5-го цикла подачу газа

прекращают и образцы в одном случае подогревают до температуры на 30-50 с выше Ас и закаливают в масло, в друго случае, продолжают термотшюшрование первые 2 цикла в интервале температур на 50-7О С илше AQ и на ЗЬ-5ОС ниже , последующие 3 цикла - на 5О-7О С вьппе Ас и на ЗО-5Ос ниже Ас-   затем провод т закалку аналогично первому случаю.

Дл  получени  сравнительных данных параллельно проводилась термическа  однотипных образцов из той же стадии по известному способу.

Все три партии образцов после обработки проход т отпуск при температуре 17О-190С в течение 2 ч.

Сравнительные данные по д нтельнооти способов «работки приведены в . 2.

Результаты определени  показателей поверхностной твердости, ударной в зкости и усталостной прочности образцов приведены в табл. 3.

Таким образом, использование предлагаемого способа термической упрочн юще обработки стальных деталей в режиме многократного термоциклировани  обеспечивает по сравнению с известными следующие преимущества: сокращение общей длительности упрочн ющей обработки данных деталей в 1О-12 раз; интенсификаци  процесса диффузионного насьпцени  при ХТО в 1,5 раза; формирование глобул рных мелкодисперсных карбидов в поверхностном слое и мелкозернистой структу г стали приводит к повьпиению усталостной прочности в 1,5-1,6 раза, ударной в зкости в 1,3-1,4 раза при сохранении высокой поверхностной твердости (61-62 MRC)j уменьшение короблени  деталей на. 50%.

Таблица 1

9

Предварительное0,3

Цементаци 

8

т ермоциклирование

60-61

Известный а . .Р vtJB

Claims (5)

1.Способ обработки стальных деталей , включающий  ементашпо, азотирование , термоциклирование, нагрев под закалку , закалку и отпуск, отличающийс  тем, что, с целью сокращени  длительности обработки, повышени  ударной в зкости, и усталостной прочности и уменьшени  короблени , провод т дополнительное термоциклироваиие в интервале фазовых превращений перед цементацией , в процессе цементации и азотировани , при этом весь процесс ведут с одного нагрева.

2.Способ по п. 1, о т л. и ч а ю щ и и с   тем, что термойиклирование перед цементацией провод т в итервале температур на ЗО-50 С вьппе Ас   на

10 Таблнца2

907075

0,3

1О6

30-5б С ниже Аг с числом циклов обработки 4-7.

3.Способ по п. 1 и 2, о т л и - чающийс  тем, что в процессе цементации термоциклирование провод т

в интервале температур на 80-100 С выше ACjH на ЗО-50 С ниже Al с чиолом циклов обработки 4-8.

4.Способ по П.П. 1-3, отличающийс  тем, что в процессе азотировани  термоциклирование провод т в интервале температур на 5О-70 С выше

Дс, и на ЗО-50 С ниже Ас с числом циклов обработки 4-8.

5.Способ по пц. 1-4, о т л и ч а ющ и и с   тем, что перед нагревом под закалку провод т первые 2-3 цикла в интервале температур на 50-70 С выше Ас, и на 30-5ОС ниже Аг/i а дн  пооотношение предела усталостной прочности образное, обработанньйс JJQ предлагаемому способу к пределу усталостной прочности образпов, обработанных по известному.

.11 90707312

ледукшдае 2-4 цикла в интерваие тем-М., Машиностроение. 1972,.

пбратзф ни 5О-70®С выше на . 91-96. 5(7 С ниже Ahf .

Источники информации,2, Патент СХХР № 679154,

прин тые во внимание при экспертизеs кп. С 23 С 9/ОО, 1979.

1. Прогрессивйые методы термин 3. Авторское свидетельство СССР

кой и химико-термической обработки.№ 648623, кп. С 21 X) 1/78, 1977.