способ химико-термической обработки стальных изделий

Формула изобретения

СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ, включающий нагрев, цементацию при температуре выше Ас₃, дискретное подстуживание цементованной поверхности до 600 - 750^oС с последующими саморазогревами ее за счет аккумулированного тепла до понижения температуры ниже Ar₁, нагрев до температуры закалки и закалку, отличающийся тем, что, с целью увеличения прочности и износотойкости поверхности, нагрев изделий под закалку от температуры 600^oС проводят с одновременным насыщением их поверхностей азотом или азотом и углеродом, которое продолжают в течение 30 - 50 мин после достижения изделиями закалочных температур, затем осуществляют закалку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химико-термической обработке стальных изделий и может быть использовано в общем машиностроении, автотракторостроении, станкостроении, нефтяной и газовой промышленности, авиационной, химической и других отраслях производства.

Известен способ обработки стальных деталей, включающий цементацию, азотирование, нагрев под закалку, закалку и низкий отпуск, отличающийся тем, что перед закалкой проводят многократную термоциклическую обработку в интервале температур на 30-50^оС выше Ас₁ и на 30-50^оС ниже Ar₁.

Недостатки известного способа чрезмерная продолжительность процесса и существенная сложность его практической реализации, поскольку кроме обычной цементационной печи он требует цианистой ванны с температурой 600^оС, соляной ванны с температурой 810^oС и отпускной печи. Процесс цементации должен иметь продолжительность 10-12 ч, цианирование 3,5-4,0 ч. Многократные нагревы до 740^оС с последующим охлаждением на воздухе до 460^оС также должны быть весьма продолжительными. Азотирование цементованной поверхности неэффективно, так как высокоуглеродистый слой препятствует поглощению азота, диффузионный слой азотистого аустенита не формируется и на поверхности выделяется хрупкая корка нитридов. Эффективная глубина упрочнения не увеличивается, а распределение твердости по глубине насыщенного слоя имеет параболический характер, резко понижаясь от поверхности в глубину.

Наиболее близким к предлагаемому по совокупности приемов реализации является способ цементации, который включает цементацию при температуре выше Ас₃, дискретное подстуживание поверхности до 600-750^оС с последующими саморазогревами, выполняемое до достижения изделием температуры Ar₁, нагрев под закалку и закалку. Данный способ является весьма эффективным в применении к изделиям, подвергающимся после цементации шлифовке, притирке и другой механической обработке, сопровождающейся удалением тонкого до 0,2 мм поверхностного слоя, технологически неизбежно разупрочняемого при реализации способа в результате обезуглероживания. Для большинства же деталей цементация с закалкой являются окончательной обработкой и наличие разупрочненной поверхности, хотя бы и в очень тонком слое, у них недопустимо.

Цель изобретения увеличить проч-ность и износостойкость поверхности за счет легирования ее азотом при сохранении повышенной толщины и прочности цементованного подслоя изделий.

Поставленная цель достигается тем, что в способе химико-термической обработки стальных изделий, включающем нагрев, цементацию при температуре выше Ас₃, дискретное подстуживание цементованной поверхности до 600-750^оС с последующими саморазогревами ее за счет аккумулированного тепла до понижения температуры ниже Ar₁, нагрев до температуры закалки и закалку, нагрев изделий под закалку от температуры 600^оС проводят с одновременным насыщением их поверхностей азотом или азотом и углеродом, которое продолжают в течение 30-50 мин после достижения изделиями закалочных температур, затем осуществляют закалку.

В процессе дискретных подстуживаний и саморазогревов возникает диффузионный массоперенос углерода от поверхности вглубь, вследствие чего толщина и проч-ность диффузионного слоя возрастают, но обезуглероживается тонкий поверхностный слой. Этот слой является идеальной основой для азотирования или нитроцементации, и он достаточно тонок, чтобы насыщение его азотом протекало за сравнительно непродолжительное время. Таким образом, достигается комбинированное диффузионное насыщение поверхности изделия азотом (или азотом и углеродом) и глубинных слоев углеродом, принципиально неосуществимое известными методами. Такое комбинированное насыщение поверхности стальных изделий азотом и углеродом имеет существенные преимущества как перед чистым азотированием, так и перед цементацией, поскольку азотистый мартенсит имеет большую износостойкость, чем углеродистый, а, будучи расположенным на прочной высокоуглеродистой подложке значительной толщины, он обеспечивает большую долговечность тяжелонагруженных деталей в эксплуатации.

Способ осуществляют следующим образом.

Стальные изделия подвергают цементации при температуре выше Ас₃ в насыщающей среде на глубину, меньшую заданной примерно в 1,5 раза, т.е. за более короткое время, затем проводят дискретное подстуживание цементованной поверхности, например кратковременными (по 1-5 с) погружениями в водный раствор полимера. После каждого погружения поверхность саморазогревается от аккумулированного деталью тепла. Циклы подстуживание саморазогрев повторяют не менее двух раз до понижения температуры примерно до Ar₁. Охлажденную термоциклированную заготовку загружают в печь для повторного нагрева под закалку в азотсодержащей среде, состоящей из 50% аммиака и 50% азота. Температура печи при загрузке должна быть около 600^оС. Время разогрева садки до температуры закалки 820-870^оС (в зависимости от марки стали) и изотермическая выдержка в течение 30-50 мин при этой температуре оказываются достаточными для насыщения обезуглероженного слоя азотом. Последующая закалка в масло формирует окончательную структуру и свойства диффузионного слоя, обладающего уникальными свойствами благодаря положительной кривизне кривой распределения углерода и твердости при высокой износостойкости поверхности.

П р и м е р 1. Вал-шестерни трактора ДТ-75 из стали 20ХНЗА подвергались газовой цементации с углеродным потенциалом насыщающей среды 1,0 на глубину 1,4 мм в течение 15 ч при температуре 920^оС. Затем с температуры цементации детали подвергались дискретному поверхностному подстуживанию кратковременными погружениями (2 с первый цикл, 3-5 с последующие; всего 7 циклов) в раствор полимера, имеющий температуру 70^оС. Продолжительность саморазогрева шестерен от цикла к циклу возрастала и составила соответственно: 3, 5, 5, 7, 7, 8, 10 с. После последнего цикла подстуживание саморазогрев температура деталей не превышала 720-690^оС. Общее время термоциклирования 1 мин 20 с.

Одну из термоциклированных деталей подвергали нагреву под закалку по известному способу, а вторую помещали в печь, имеющую температуру 600^оС с атмосферой аммиака и азота в соотношении 1:1, нагревали в течение 1 ч 30 мин до температуры 820^оС и после изотермической выдержки в течение 30 мин калили в масле. Структура закаленного слоя первой детали, термообработанной по известному режиму, в поверхностном слое толщиной 0,18 м состояла из троостита и мартенсита, в более глубоких слоях из среднеигольчатого мартенсита и небольшого количества остаточного аустенита.

На фиг.1 приведены характеристики твердости диффузионного слоя шестерен после закалки.

Распределение твердости HV по глубине диффузионного слоя в зубьях шестерен: 1 цементация 15 ч, закалка с повторного нагрева; 2 цементация 15 ч, дискретное подстуживание 7 циклов, закалка; 3 цементация 15 ч, дискретное подстуживание 7 циклов, донасыщение азотом в процессе нагрева под закалку и изотермической выдержки (общее время 1,5 ч), закалка.

Дискретное подстуживание зубьев шестерен путем кратковременного погружения их в 2% водный раствор полимера УЗСП-1 с последующими саморазогревами привели к существенному росту эффективной глубины слоя (с HV 700 кгс/мм²) с 0,3 до 0,7 мм. При этом обезуглеродилcя слой толщиной несколько большей, чем 0,1 мм (кривая 2).

Донасыщение азотом при нагреве под закалку такой термоциклированной шестерни позволило получить комбинированно упрочненный слой азотом с поверхности и углеродом на глубине. Эффективная глубина упрочнения возрастает до 0,85 мм при высокой поверхностной твердости и износостойкости.

П р и м е р 2. Три детали малой бортовой шестерни из стали 20ХНЗА, прошедшие цементацию по обычной технологии в течение 21 ч имели толщину диффузионного слоя более 1,7 мм при эффективной толщине упрочнения (с HV 700 кгс/мм²), равной 0,45 мм. Две из них подвергали дискретному подстуживанию от температуры 920^оС в 2%-ном растворе полимера УЗСП-1 по режимам, описанным в предыдущем примере. После этого вторую шестерню донасыщали углеродом в течение 50 мин при 920^оС, а третью шестерню подвергали нитроцементации в атмосфере аммиака и эндогаза в соотношении 1:1 с добавкой природного газа в количестве 3-4% при нагреве под закалку с 600 до 820^оС. Изотермическая выдержка при 820^оС составила 50 мин.

На фиг.2 приведены характеристики твердости диффузионных слоев трех шестерен после закалки. Распределение твердости HV по глубине диффузионного слоя: 1 цементация и закалка с повторного нагрева; 2 цементация, дискретное подстуживание, донасыщение углеродом; 3 цементация, дискретное подстуживание, нитроцементация.

Микроструктура с поверхности на глубину до 0,2 мм первой и второй шестерен состояла из среднеигольчатого мартенсита и небольшого количества остаточного аустенита (первая шестерня) и троостита (вторая шестерня); третьей шестерни из легированного азотом остаточного аустенита до 20-30% и среднеигольчатого мартенсита, а также мелких включений нитридов хрома, имеющих округлую форму, далее (на глубине более 0,15-0,20 мм) обе шестерни имели структуру, идентичную второй шестерне.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить двухслойное химико-термическое упрочнение поверхности стальных изделий, которое характеризуется высокой износостойкостью из-за присутствия в структуре тонких поверхностных слоев азотистых остаточного аустенита и мартенсита, а также нитридов хрома, и кроме того сохраняет высокую контактную выносливость за счет создания цементованной подложки с большой толщиной эффективного упрочнения.