способ азотирования деталей из конструкционных легированных сталей

Формула изобретения

СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ, включающий высокотемпературное ионное азотирование, закалку с температуры полного растворения нитридных фаз и отпуск, отличающийся тем, что после отпуска проводят чистовую механическую обработку и низкотемпературное ионное азотирование на глубину не менее глубины деазотированного слоя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химико-термической обработки и может быть использовано для азотирования деталей машин из конструкционных легированных сталей, работающих при высоких изгибных и контактных напряжениях и в условиях повышенного износа, например, зубчатых колес.

Известен способ химико-термической обработки деталей, заключающий в высокотемпературном (выше 590^оС) кратковременном азотировании (600-700^оС), закалке с последующим отпуском [1] В результате такой обработки получают азотированный слой малой толщины с высокоазотистой (Fe_2-3N)-фазой на поверхности детали. Такой слой хорошо противостоит коррозии в атмосфере, но плохо работает при высоких изгибных, контактных напряжениях и в условиях повышенного износа.

Известен способ высокотемпературного азотирования (590-700^оС) с последующим нагревом под закалку в нейтральной среде, закалкой и низким отпуском [2] Высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя азотирования достигается в основном за счет образования в азотированном слое после закалки и отпуска структуры низкоотпущенного азотистого мартенсита, что ограничивает теплостойкость упрочненного слоя. Твердость слоя резко снижается уже при температуре отпуска 250-300^оС за счет перехода структуры низкоотпущенного азотистого мартенсита в феррито-нитридную смесь -фазы и ^"(Fe₄N)-фазы.

Наиболее близким технически решением, выбранным в качестве прототипа, является способ химико-термической обработки, заключающийся в высокотемпературном ионном азотировании, нагреве под закалку до температуры полного растворения нитридных фаз, закалке и отпуске, при котором достигается высокая твердость упрощенного слоя за счет явления вторичного твердения отпущенного закаленного слоя выделении мелкодисперсных нитридов легирующих элементов [3]

При использовании указанного в прототипе способа азотирования возможно:

образование в процессе нагрева под закалку глубокого и неравномерного по глубине деазотированного слоя (деазотирование-явление уменьшения концентрации азота в поверхности азотированного слоя детали при нагреве детали в среде с малым азотным потенциалом) с пониженной твердостью. Например, как показали исследования, глубина деазотированного слоя зуба шестерни из стали 38Х2МЮА составляет: на вершине до 0,5 мм, во впадине до 0,3 мм при общей глубине азотированного слоя 1,5 мм. Для устранения деазотированного слоя с пониженной твердостью и коробления детали, происходящего в результате закалки, используют последующую чистовую обработку, как правило, шлифование. Однако неравномерность по глубине деазотированного слоя приводит к вероятности сохранения в определенных местах детали слоя с пониженной твердостью, а значит, с низкой износостойкостью;

снижение общей глубины упрочненного слоя в результате удаления деазотированного слоя, что приводит к уменьшению контактной долговечности;

образование прижогов в процессе шлифования при удалении деазотированного слоя, т. е. микроучастков с измененной структурой и свойствами вследствие локального повышения температуры. В месте прижога на поверхности детали уменьшается твердость, формируются напряжения растяжения, и именно здесь велика вероятность возникновения усталостной микротрещины, что приводит к снижению изгибной и контактной долговечности азотированного слоя.

Цель изобретения повышение контактной, изгибной долговечности и износостойки упрочненного слоя за счет создания глубокого азотированного слоя с равномерной высокой твердостью по профилю детали и устранения зон с растягивающими напряжениями.

Поставленная цель достигается тем, что после высокотемпературного азотирования, закалки с температуры полного растворения нитридных фаз, отпуска и чистовой механической обработки проводят низкотемпературное азотирование (ниже 590^оС) на глубину не менее глубины деазотированного слоя.

После высокотемпературного азотирования, закалки с температуры полного растворения нитридных фаз, отпуска, температура которого зависит от марки азотируемой стали, структура азотированного слоя представляет из себя выделения мелкодисперсных нитридов в отпущенном мартенсите с пониженной концентрацией азота на поверхности слоя (а, значит, и с пониженной твердостью), что связано с процессом деазотирования. Последующая чистовая механическая обработка устраняет погрешности размеров и формы детали, возникающие в процессе закалки и отпуска, и частично удаляет деазотированный слой. В процессе низкотемпературного азотирования происходит повышение концентрации азота в деазотированном слое, оставшемся после чистовой механической обработки.

Таким образом, выполнение низкотемпературного азотирования на глубину, не менее глубины деазотированного слоя после чистовой механической обработки приводит к:

устранению неоднородной концентрации азота по поверхности детали за счет повышения его концентрации в поверхностном слое до уровня, определяемого азотным потенциалом среды насыщения а, значит, к повышению твердости и износостойкости слоя;

увеличению общей толщины упрочненного слоя за счет уменьшения глубины чистовой механической обработки (шлифования), а значит, к повышению контактной долговечности;

устранению микроучастков с пониженной твердостью и растягивающими напряжениями (прижогов), за счет формирования напряжений сжатия при увеличении концентрации азота в поверхностном слое и выделении мелкодисперсных нитридов легирующих элементов, а значит, к повышению изгибной и контактной долговечности слоя.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что в предлагаемом способе азотирования после высокотемпературного азотирования, закалки с температуры полного растворения нитридных фаз, отпуска и чистовой механической обработки проводится низкотемпературное азотирование на глубину не менее глубины деазотированного слоя. Наличие данного отличительного признака в сравнении с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна".

В предлагаемом способе азотирования совокупность признаков в указанной последовательности высокотемпературное азотирование, закалка с температуры полного растворения нитридных фаз, отпуск, чистовая механическая обработка, низкотемпературное азотирование на глубину не менее глубины деазотированного слоя приводит к повышению изгибной, контактной долговечности и износостойкости упрочненного слоя за счет равномерного распределения твердости по поверхности детали, повышения твердости и глубины азотированного слоя, устранения микроучастков с растягивающими напряжениями.

Сравнение с другими аналогами в данной и смежных областях техники не выявило указанную последовательность отличительных признаков, приводящую к положительному эффекту, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ азотирования опробован в лабораторных условиях.

П р и м е р. По предлагаемой технологии обработаны образцы из конструкционной легированной стали 38Х2МЮА. Образцы проходят высокотемпературное ионное азотирование в установке типа "ИОН-30" в среде азота, нагрев под закалку в печи ПН-35, закалку в масле, отпуск в печи ПН-35, шлифование и низкотемпературное ионное азотирование в установке типа "ИОН-30" в среде азота.

Режимы химико-термической обработки, термической обработки, шлифования и свойства азотированного слоя образцов из стали 38Х2МЮА, обработанных по известной и предлагаемой технологиям представлены в таблице.

Как следует из приведенных в таблице данных, предлагаемый способ обеспечивает по сравнению с известным способом большую твердость и глубину азотированного слоя.