Спосіб хіміко-термічної обробки сталей в порошкових сумішах

 

Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до хіміко-термічній обробці, до карбонитрированию в порошкових сумішах і грануляту, що містять азотоуглеродосодержащие компоненти і деревне вугілля в якості основи. Спосіб може знайти застосування в машинобудуванні, электроприборостроении при зміцнюючої термічної обробки мелкоразмерного формотворного інструменту, а також на малих ремонтних підприємствах авто - і сільгосптехніки.

Відома технологія карбонитрирования в порошках (Четтерджи-Фішер Р. та ін Азотування і карбонитрирование. Під ред. Супова О.В., М.: Металургія, 1990, 280 стор., с.204-206), що передбачає тривалу витримку при температурах 580-590°С, тобто нижче критичної Aс1в сумішах і грануляту, що містять цианамид кальцію, карбамід в якості активізують азотоуглеродосодержащих добавок.

Недоліками способу є велика тривалість процесу, нестабільний азотний потенціал середовища і зниження твердості основного металу при формуванні дифузійних шарів.

Відомий спосіб нітроцементації в порошках в процесі нагрівання для гартування (Тарасов А.М., Іванова І.П., Павловський Н.Р. Високотемпературна нітроцементація деталей та осн�передбачає розміщення деталей в сумішах деревного вугілля з активаторами, азотоуглеродосодержащими карбамідом і трилоном Б і нагрівання до температур +860-980°С, тобто вище Aс1і витримку протягом 2-4 годин, з загартуванням у маслі або інших середовищах.

Спосіб дозволяє отримувати високоякісні деталі з твердим зносостійким шаром і серцевиною, але застосуємо обмежено для деталей контактно-абразивного зношування з невисокою ударною в'язкістю. Концентрація азоту в шарі після обробки недостатньо висока, крім того, знижена корозійна стійкість у вологих середовищах.

Найбільш близьким до заявляється, є спосіб виготовлення деталей (патент РФ №2256706, МПК C21D 6/00, С23С 8/32, опубл. 20.07.2005, БІ №20), що включає азотонауглероживание в активованих деревно-вугільних сумішах в процесі нагріву під загартування, а потім в процесі старіння.

Недоліком способу є те, що він недостатньо універсальний, зокрема, його не можна застосувати до малоуглеродистим, малолегированним конструкційних сталей і інструментальним теплостійких штамповим сталі. Дифузійні шари з високим вмістом крупноглобулярних карбідів або у вигляді цементационной сітки зносостійкі, але крихкі, схильні до викришування при ударних, динамічних навантаженнях. Одночасно порошкові суміші пѾцесс цементації сталей, перегрівається серцевина, вимагається додаткова нормалізація перед загартуванням. Крім того, недостатньо висока екологічна чистота процесів на першій і другій стадіях хіміко-термічної обробки.

Винахід вирішує задачу підвищення експлуатаційних характеристик конструкційних деталей і інструментів за рахунок підвищення зносостійкості, міцності, а також зниження крихкості дифузійного шару при оптимальної міцності основного металу, крім того, знижується трудомісткість і поліпшується екологічна чистота процесу азотонауглероживания в порошкових деревно-активованих вугільних сумішах.

Для отримання необхідного технічного результату у відомому способі обробки сталей, що включає двоетапне азотонауглероживание в активованому деревно-вугільному складі, пропонується проводити процес азотонауглероживания у вакуумі 50-300 Па спочатку при температурі 600-800°С протягом 3-6 годин, а потім при температурі гартування, витримуючи протягом 30-90 хвилин, після чого охолоджувати і проводити відпустку. Пропонується проводити витримку на другому етапі азотонауглероживания: для вуглецевих сталей при температурі 780-820°З охолоджувати у воді, для малолегированних ста°З і охолоджувати в рідкому азоті при -196°З, для високохромистих з 13-17%рпри температурі 1000-1040°З охолоджувати на повітрі. Відпустку рекомендується проводити при температурі 240-450°С протягом 2-4 годин.

Сутність процесів і перетворень по запропонованому способу обробки, що дозволяють досягти максимального позитивного ефекту, в наступному: проведення процесу азотонауглероживания в порошковій суміші, що містить деревне вугілля, карбамід (NH2)2CO і трилон-Б (C10H8O10)Na2N2до 35% вагу. У вакуумній реторті з одним механічним вакуумним насосом дозволяє в обраному інтервалі першого етапу 600-680°З зберігати стабільний азотоуглеродний потенціал атмосфери дисоціації названих компонентів. Прискорюється швидкість дифузії і ступінь насичення шару азотом і вуглецем, формується рівномірна поверхнева зона карбонитридних і нітридних εі γ-фаз. Виключається утворення карбідної сітки і зони крупноглобулярних карбідів (як у відомих способах) при проведенні процесу при 900-980°З, коли протікає швидке збіднення середовища насичення азотом, процес перетворюється фактично в цементацію, карбидизацию з утворенням карбідного шару, що містить вище 1,8%т на другому етапі при вибраних температурах загартування для даної марки сталі виключає утворення карбідної сітки, великих зрощених карбідів в шарі, що дозволяє отримувати деталі з низькою крихкістю шару, що дозволяє збільшувати динамічні навантаження. Умови загартування, пропоновані в способі, та температурні інтервали відпустки дозволяють отримувати міцну, в'язку серцевину при максимальної твердості, зносостійкості, контактної міцності поверхневих шарів. Скорочується тривалість витримки для отримання заданої глибини шару, а також виключається надходження газоподібних продуктів дисоціації компонентів в робочі зони обслуговування за рахунок евакуації їх через вакуум-висновки та трубки відведення за межі приміщення.

На доданих до опису матеріалах зображено:

на фіг.1 - ескіз вакуумної печі з ретортою для проведення азотонауглероживания за пропонованим способом; на фіг.2 - макроструктура дифузійного шару на сталі 20; на фіг.3 - мікроструктура дифузійного шару на сталі 20; на фіг.4 - мікроструктура дифузійного шару на сталі 4Х5МФС; на фіг.5 - графік, що показує зміну мікротвердості по глибині дифузійних шарів двох теплостійких сталей після обробки пропонованим способом.

На доданих графічних матеріалах прийняті наступні позначення: 1 - «гаряча» реторта; 2 - �алі модернізовані вакуумні печі СШОЛ-ВНЦ, СНОЛ-ВНЦ з «гарячої» ретортою - 1 (фіг.1) з нержавіючої сталі 09Х18Н10Т з вакуум-висновком до плунжерному вакуумного насосу. Контейнер 2 з деталями 3 в порошковій засипці із суміші подрібненого деревного вугілля, карбаміду, трилона Б поміщали в реторту, розігріту до температури першого етапу, через швидкозйомний водоохолоджувальну кришку 4. Після проведення двоетапної обробки за запропонованим режиму через цю саму кришку контейнер з деталями переносили на повітря і охолоджували деталі в обраній середовищі, витягуючи з порошкової упаковки.

Винахід ілюструється конкретними прикладами здійснення способу обробки різних конструкційних деталей, інструменту, оснастки.

Приклад 1. Прямозубі шестірні зі сталі 20 обробляли за запропонованим способом. Контейнер з порошковою сумішшю з 40% деревного гранульованого вугілля, 30% карбаміду і 30% трилона Б, в якій упаковані деталі, встановлювали у вакуумний контейнер печі СШОЛ-ВНЦ, розігрітій до 680°З, прогрівали у вакуумі 50 МПа і витримували протягом 6 годин. Потім підвищували температуру до 820°З і після витримки протягом 60 хвилин розгерметизували реторту і переносили деталі у воду для загартування. Заключний відпустку проводили при 270°З ем азоту 0,32%, вуглецю 1,1%. На фіг.2 наведена макроструктура зуба шестерні і мікроструктура зі слідами вимірювання твердості. Мікротвердість шару склала НУ0,5H=785-804 при твердості основи НУ=320-330. У мікроструктурі шару була відсутня карбідна сітка, характерна для високотемпературного азотонауглероживания в деревно-вугільних сумішах у відомому способі. Як наслідок, виключені операції нормалізації перед загартуванням, скорочена трудомісткість обробки в 2,4 рази. Час експлуатації шестерень підвищилася втричі в порівнянні з відомим способом обробки, покращилася якість поверхні, практично виключено додаткове шліфування зубів, доведення проводилася тільки по посадковому отвору.

Приклад 2. Осі і втулки зі сталі 30ХМА обробляли за запропонованим способом з нагріванням в кам'яно-вугільному відпрацьованому карбюризаторе з активізують добавками - трилоном Б, з карбамідом 20% кожного. Дифузійне насичення азотом і вуглецем вели у вакуумній реторті печі СНОЛ-1, 6.2,5.1/9И2 у вакуумі 300 Па при температурі 600°С протягом 4 годин на першому етапі. Потім після підвищення температури до 870°С і витримки 90 хвилин контейнер з деталями переносили на повітря і гартували деталі в маслі. Відпустку � зносостійкий поверхневий шар з вмістом азоту 0,28% і вуглецю 0,8% і сумарною товщиною 450-480 мкм при твердості НУ=821-845. Серцевина мала міцність 1380-1410 МПа при відносному подовженні 15-17%. В структурі шару була відсутня карбідна сітка і крупноглобулярние карбіди, це забезпечувало час ефективної експлуатації деталей в умовах знакозмінних навантажень в 1,5-1,6 рази в порівнянні з відомим способом зміцнення в твердих карбюризаторах.

Приклад 3. Матриці пресування дротяних каталізаторів із сталі 4Х5МФС і фільєри обмазки зварювальних електродів зі сталі 20Х13 обробляли по запропонованому способу в порошковій суміші, містять подрібнений березове активоване вугілля і по 30% вагу. карбаміду і тролона. При цьому деталі упаковували в два різних контейнера один з матрицями, інший з фильерами і завантажували в горизонтальну реторту печі СНОЛ-ВНЦ, розігріту до 640°З, спочатку контейнер зі сталлю 20Х13, потім зі сталлю 4Х5МФС. Після вакуумування реторти витримку протягом 3 годин вели в вакуумі 200 МПа, далі підвищували температуру до 980°З і після витримки 60 хвилин проводили вивантаження контейнера з матрицями на повітря, охолоджували деталі в рідкому азоті при -196°З і відправляли на відпустку при 450°С протягом 2 годин. В цей же час, закриваючи кришку печі і вакуумируя реторту, підвищували температуру до 1000&#х000Вухе, з відпусткою 350°С протягом 2 годин. В результаті обробки на деталях формувалися дифузійні шари 0,52 мм на сталі 4Х5МФС і 0,68 мм на сталі 20Х13 з високою твердістю і зносостійкістю. На фіг.4 показана мікроструктура шару на сталі 4Х5МФС.

У структурі шарів не спостерігалося крупноглобулярних, зрощених карбідів, характерних для високотемпературної обробки за відомим технологіям. Мікротвердість шарів з вмістом вуглецю до 1,4% і азоту до 0,12% склала НУ0,5НУ=854÷1020 при твердості основного металу НРСе=43-48. Практично минимизировалась зона внутрішнього поверхневого окислення до 10-20 мкм, що зменшило обсяг і трудомісткість доведення поверхневого шару термообробки.

Зносостійкість фільєр та матриць підвищилася в 1,3-1,5 рази, виключені випадки викришування і крихкого руйнування, що мали місце при обробці за відомим способом високотемпературного азотонауглероживания в деревно-вугільних сумішах. Одночасно проведення зміцнюючої обробки двох сталей з одного завантаження дозволило скоротити трудомісткість і енерговитрати на хіміко-термічну обробку в 1,8 рази.

Таким чином, розроблені технології відрізняються високою ефективністю, простотою виготовлення деталей автомобільних і тракторних двигунів, виготовлення нестандартного інструменту в приладобудуванні, електротехніки. При цьому істотно підвищується зносостійкість, якість обробки і зберігається екологічна чистота процесів при мінімальних витратах на приготування порошкових сумішей, що не містять дефіцитних компонентів.

У таблиці приведені порівняльні результати досліджень та випробувань зразків і деталей із сталей різних класів після хіміко-термічної обробки за запропонованими і відомим способам. На фіг.4 показано зміну мікротвердості по глибині дифузійних шарів двох теплостійких сталей після азотонауглероживания за двоступеневою схемою в запропонованому варіанті з загартуванням і відпусткою.

Таблиця
Сталь, інструмент, спосіб обробкиРежими обробки на сходахх)Зміст елементів, %xx)Мікротвердість НУ0,5Н ххх)Зносостійкістьхххх)
1 щабель2 щабель
t, °Cτ, чЗАПРОПОНОВАНИЙ
Нитководій із сталі 4Х5МФС600496030Азот 196°1,120,3810201,7
680398060-1,340,279801,5
196°C
Плоскорізи-розпушувачи сталь 20620680090Вода0,950,488292,3
66057806020-70°0,870,498142,5
ВІДОМИЙ1,55806001,600,079111,0
Сталь 209208,0--Повітря Вода1,400.057900,8
х) склад порошкової суміші приклад 2, вакуум в реторті 100 Па;
хх) в шарі 200 мкм;
ххх) в шарі 100-200 мкм після відпустки 340°З, 3 год;
хххх) відносна при контактному терті на микроабразиве 25 мкм.

1. Спосіб хіміко-термічної обробки сталей, що включає двоетапне азотонауглероживание в активованому деревно-вугільному складі, що включає деревне вугілля, карбамід і трилон-Б, відрізняється тим, що процес азотонауглероживания проводять при тиску 50-300 Па, на першому етапі при температурі 600-800°с З витримкою протягом 3-6 год, а на другому - при температурі гартування з витримкою протягом 30-90 хв, після чого проводять охолодження та відпуск при температурі 240-450°С протягом 2-4 ч.

2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що при азотонауглероживании углеро�3. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що при азотонауглероживании малолегированних сталей витримку на другому етапі проводять при температурі 840-870°З, а охолодження проводять в олії.

4. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що при азотонауглероживании легованих теплостійких сталей витримку на другому етапі проводять при температурі 940-980°З, а охолодження проводять в рідкому азоті при температурі 196°С.

5. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що при азотонауглероживании високохромистих сталей витримку на другому етапі проводять при температурі 1000-1040°З, а охолодження проводять на повітрі.



 

Схожі патенти:

Спосіб хіміко-термічної обробки деталей пар тертя сталей

Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до хіміко-термічної обробки деталей з формуванням дифузійних та поверхневих шарів з підвищеною зносостійкістю та високою прирабативаемостью в умовах тертя металу об метал, і може бути використане в машинобудуванні

Спосіб термічної і хіміко-термічної обробки сталевих виробів у вакуумі

Винахід відноситься до галузі термічної і хіміко-термічної обробки і може бути використане в машинобудуванні та інших галузях промисловості для поверхневого зміцнення деталей машин ріжучого інструменту з конструкційних складнолегованих і інструментальних сталей, що працюють при високих контактних напругах і в умовах підвищеного зносу

Спосіб азотування виробів в тліючому розряді з ефектом порожнистого катода

Винахід відноситься до області хіміко-термічної обробки і може бути використане в машинобудуванні та інших галузях промисловості для високотемпературного азотування сталевих деталей машин
Винахід відноситься до хіміко-термічної обробки металів і сплавів і може бути використане для зміцнення поверхні робочих органів технологічного обладнання харчових виробництв транспортної та споживчої тари для пакування харчових продуктів

Спосіб виготовлення тонких, важкорозчинних покриттів (варіанти)

Винахід відноситься до способів виготовлення стабільних поверхневих покриттів за рахунок катодного розпилення, напилення, осадження з ванних або MOCVD і може знайти застосування при захисті та модифікації поверхонь, у тому числі з прихованими структурами, а також при нанесенні функціональних шарів, зокрема, в геліотехніці і техніці матеріалів

Спосіб обробки сталевих виробів

Винахід відноситься до металургії, а саме до хіміко-термічній обробці, і може бути використане для поверхневого зміцнення виробів і підвищення їх експлуатаційної стійкості

Спосіб комбінованого борирования вуглецевої сталі

Винахід відноситься до металургії, зокрема до хіміко-термічній обробці, і може бути використане в машинобудуванні для поверхневого зміцнення деталей машин, виготовлених з вуглецевої сталі

Спосіб зміцнення різального і формотворчого інструменту з теплостійких хромистих сталей

Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до хіміко-термічної обробки деталей і інструментів, і може знайти застосування в машинобудуванні, інструментальної промисловості

Спосіб виготовлення сталевих деталей

Винахід відноситься до енергозберігаючих способів виготовлення деталей з вуглецевих і легованих сталей з високою експлуатаційною стійкістю до корозії та зносу, і може бути використано в аграрній, металургійній, машинобудівній та інших галузях промисловості при металообробці

Спосіб хіміко-термічної обробки деталей пар тертя сталей

Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до хіміко-термічної обробки деталей з формуванням дифузійних та поверхневих шарів з підвищеною зносостійкістю та високою прирабативаемостью в умовах тертя металу об метал, і може бути використане в машинобудуванні

Склад для нітроцементації виробів з легованих сталей

Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до хіміко-термічної обробки деталей, оснастки та інструменту
Винахід відноситься до хіміко-термічної обробки металів і сплавів, зокрема до процесів швидкісний нітроцементації в пастах

Спосіб хіміко-термічної обробки деталей електромагнітних клапанів з магнитомягкой стали

Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до термічної і хіміко-термічної обробки деталей з магнитомягкой високохромистой сталі, використовуваної для виготовлення корпусів, магнітопроводів, осердь електромагнітних клапанів подачі робочих газів в електричних реактивних двигунах малої тяги
Винахід відноситься до хіміко-термічної обробки металів, зокрема до складів паст, що застосовуються для ціанування деталей устаткування на підприємствах машинобудівної і металургійної промисловості

Спосіб никотрирования сталевих деталей та інструменту

Винахід відноситься до металургії, зокрема до хіміко-термічної обробки вуглецевих і легованих сталей і виробів з них, і може знайти застосування в автотракторостроении, ремонті та відновленні двигунів пар тертя в умовах машинобудівних підприємств серійного і дослідного виробництв, а також в інструментальних виробництвах більшості галузей промисловості

Спосіб зміцнення різального і формотворчого інструменту з теплостійких хромистих сталей

Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до хіміко-термічної обробки деталей і інструментів, і може знайти застосування в машинобудуванні, інструментальної промисловості
Up!