способ обработки изделий из малоуглеродистых сталей

Формула изобретения

СПОСОБ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МАЛОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ, включающий цементацию с нагревом изделия в контакте с углеродсодержащей средой путем воздействия концентрированного потока энергии при перемещении изделия и охлаждение, отличающийся тем, что на изделие наносят слой пастообразного углеродсодержащего вещества, а в качестве концентрированного потока энергии используют серию высокочастотных импульсов, причем длительность импульсов обработки и пауз составляет 0,04 - 0,08 и 0,03 - 0,05 с соответственно, удельная мощность в импульсе 20 - 40 кВт/см², изделие перемещают со скоростью 10 - 30 мм/с с числом импульсов обработки каждого участка изделия 3 - 5.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а именно к термической обработке, в частности к цементации при упрочнении изделий из низкоуглеродистых сталей.

Известен способ упрочнения поверхности изделий из низкоуглеродистых сталей путем цементации их поверхности с последующей закалкой [1]

Сущность процесса заключается в диффузионном насыщении поверхностных слоев стали углеродом путем размещения обрабатываемых изделий в контейнере, нагрева контейнера или деталей в среде карбюризатора до температуры цементации, длительной, до нескольких часов, выдержке изделий при температуре цементации, последующем охлаждении деталей и их закалке. В табл. 1 приведены типовые режимы цементации с применением различных карбюризаторов.

Однако этот способ упрочнения изделий из низкоуглеродистых сталей длителен 0,5-6,0 ч. Так как температура цементации недостаточно высока (не выше 1100^оС), то и скорость цементации мала, до 1 мкм/с. Кроме того необходимо проводить дополнительную стадию термозакалки изделий. Все это делает способ трудоемким и низкоэффективным.

Известен также способ упрочнения изделий из низкоуглеродистых сталей [2] который менее трудоемок и более производителен за счет повышения температуры обработки и совмещения стадий цементации и закалки.

Этот известный способ термической обработки изделий заключается в том, что обработку движущегося изделия ведут электродуговым разрядом в углеродсодержащей атмосфере. При этом плазмообразующий газ содержит концентрированную присадку жидких углеводородов 30-92% сила тока дуги 5-300 А, скорость перемещения изделия относительно дуги 0,1-25 мм/с.

Повышение температуры цементации ускоряет диффузию углерода в поверхность металла до значений скорости цементации 25 мкм/с при толщине цементационного слоя свыше 0,02 мм. Перемещение изделия со скоростью до 25 мм/с приводит к закалке образующегося цементационного слоя, совмещая стадии цементации и закалки. Все это интенсифицирует процесс, делает его более производительным, менее трудоемким, обеспечивает высокую (до 10 ГПа) микротвердость упрочненного слоя, т.е. обеспечивает высокое качество изделий.

Однако скорость цементации недостаточно высока, что снижает производительность способа; использование в качестве концентрированного источника энергии дугового разряда на углеводородах делает процесс трудоемким, требуя специальных мер управления и защиты из-за его экологической и пожарной опасности. Кроме того, при поверхностном подводе энергии действие электродугового разряда ведет к перегреву поверхности по сравнению с более глубокими слоями металла.

Цель изобретения создание способа термической обработки изделий из низкоуглеродистых сталей, который позволил бы ускорить и упростить процесс ее цементации при одновременной закалке и, кроме того, повысить технику безопасности.

Цель достигается тем, что в способе обработки изделий, включающем цементацию, осуществляющуюся нагревом изделия в контакте с углеродсодержащей средой путем действия концентрированного потока энергии, и последующее охлаждение, на изделие, покрытое слоем карбюризатора, действуют серией высокочастотных импульсов при непрерывном перемещении изделия под индуктором.

При этом скорость движения изделия под индуктором составляет 10-30 мм/с, длительность импульсов обработки составляет 0,04-0,08 с, длительность пауз между импульсами 0,03-0,05 с, удельная мощность в импульсе 20-40 кВт/см², число импульсов обработки каждого участка изделия от 3 до 5.

В качестве карбюризаторов используются твердые (графит, сажа) и газообразные углеродсодержащие вещества.

Осуществление нагрева поверхности изделия концентрированным потоком энергии от поверхностно-объемного источника энергии обеспечивает выделение энергии ВЧ-поля на глубине скин-слоя, что ведет к меньшему перегреву поверхности по сравнению с более глубокими слоями металла, которые нагреваются более равномерно и с более высокими скоростями. Это ведет к резкому ускорению процесса диффузии углерода из прилегающих к поверхности нагретого металла зон карбюризатора в глубину металла, интенсифицирует скорость цементации.

К концу действия каждого импульса обработки температура поверхности достигает значений выше A_C3, но ниже температуры плавления металла. К концу действия паузы температура поверхности достигает точки Кюри. После последнего импульса обработки каждый выходящий из-под индуктора цементированный участок изделия охлаждается в режиме автозакалки со скоростью более 10³ К/с. В результате поверхностный слой упрочненного металла представляет собой дисперсный мартенсит с высокой микротвердостью, обеспечивая высокое качество изделия.

Повышение длительности импульсов обработки выше 0,08 с, снижение длительности пауз между импульсами ниже 0,03 с, снижение скорости движения изделия ниже 10 мм/с, повышение удельной мощности в импульсе свыше 40 кВт/см² приводят к перегреву поверхности, ее подплавлению, снижая качество изделия.

Снижение длительности импульсов обработки ниже 0,04 с, повышение длительности пауз между импульсами свыше 0,05 с, снижение удельной мощности в импульсе ниже 20 кВт/см², повышение скорости движение изделия свыше 30 мм/с, снижение числа импульсов обработки менее 3 ведут к снижению скорости цементации, снижению глубины упрочнения, появлению несплошностей, ухудшая качество изделия.

Повышение числа импульсов обработки свыше 5 приводит к росту энергоемкости процесса, не улучшая существенно качества изделия.

Использование изобретения позволяет повысить скорость диффузионного насыщения поверхностных слоев низкоуглеродистых сталей до значений 100-150 мкм/с, что в несколько раз повышает производительность процесса цементации, сохраняя высокое качество изделий.

Использование ВЧ импульсной обработки, сухих или пастообразных карбюризаторов делает процесс цементации, совмещенный с закалкой, экологически чистым и безопасным.

П р и м е р. Цементационной закалке подвергают изделия из стали марки Ст3, покрытые слоем карбюризатора (графит, олифа), изделие перемещают под индуктором, снабженном ферритовыми концентраторами мощности. Ведут обработку импульсами ВЧ-поля частотой 0,44 МГц, используя генератор ВЧГЗ-60/0, 44, переоборудованный в импульсный режим работы. Каждый участок изделия, проходя область обработки, подвергается действию 3 импульсов. Длительность импульсов обработки 0,05 с, длительность пауз между ними 0,04 с, удельная мощность в импульсе 30 кВт/см², скорость перемещения изделия 20 мм/c.

Изучение структуры цементированного слоя вели металлографически, методом шлифов, микротвердость измеряли прибором ПМТ-3. Глубина воздействия обработки достигает 1 мм, скорость цементации 120 мкм/с, микротвердость в слое 10 ГПа.

Результаты испытаний по данному режиму обработки, а также ряду других режимов обработки приведены в табл. 2.

Цементированный поверхностный слой в прилегающей к границе области состоит из мелкоигольчатого мартенсита, более глубокие слои из более крупных игл мартенсита, на границе с исходным металлом фиксируются зоны распространения углерода из цементитных пластин перлитных зерен в ферритные области.