способ ускоренной цементации стали

Формула изобретения

Способ ускоренной цементации стальных деталей, включающий проведение не менее трех циклов, состоящих из нагрева до температуры выше Ас₃ и охлаждения до температуры ниже Ar₁ в твердом карбюризаторе, отличающийся тем, что нагрев осуществляют пачками импульсов электромагнитного излучения до температуры 1220±10 К, охлаждение проводят до температуры 910±10 К, со скоростью нагрева и охлаждения более 1 К/с и с выдержкой при экстремальных температурах каждого цикла, составляющей до 2 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к химико-термической обработке стали, и может быть использовано для увеличения твердости, прочности и износостойкости поверхностей стальных деталей.

Известен способ упрочнения поверхности стальных изделий, включающий нагрев поверхности изделий до плавления электрической короткой дугой обратной полярности угольным электродом и охлаждение, которое ведут до температур фазовых превращений, а затем осуществляют пластическую деформацию поверхности охлаждаемым инструментом и непосредственно с температур деформации обрабатывают холодом (патент РФ №2025509, С 23 С 8/22).

Среди недостатков данного способа следует отметить:

1. Цементация, осуществляемая методом сканирования, снижает производительность технологического процесса.

2. Нагрев поверхности детали до оплавления снижает чистоту обработанной поверхности.

Другой способ поверхностного упрочнения стальных деталей, преимущественно профильных, включает их нагрев до температуры эвтектического плавления токами высокой частоты в контакте с углеродсодержащим материалом и выдержку, при этом используют углеродный волокнистый материал, который прижимают к поверхности детали керамическим прижимом, повторяющим конфигурацию деталей, а выдержку ведут в течение времени, необходимого для растворения углеродного волокнистого материала в расплаве (патент РФ №2044105, С 23 С 8/22).

Недостатками способа являются:

1. Нагрев поверхности детали до оплавления с последующей ее деформацией снижает чистоту обработанной поверхности.

2. Для реализации предлагаемого способа требуется дорогостоящее технологическое оборудование и волокнистый углеродсодержащий компонент.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ термоциклической цементации стальных изделий, включающий нагрев в насыщающей среде до температуры выше Ас ₃ с приложением напряжений, охлаждение до температуры ниже Ar₁, закалку от температуры нагрева последнего термоцикла и низкий отпуск, причем охлаждение в каждом термоцикле проводят при воздействии переменного магнитного поля с одновременным приложением дополнительных переменных напряжений от нуля до предела текучести стали, соответствующего температуре Ас₃ (а.с. №1663043 А1, С 23 С 8/22).

Недостатки способа:

1. Обработка каждой детали в отдельности снижает производительность технологического процесса.

2. Предусмотренные способом дополнительные напряжения, магнитное поле усложняют и удорожают процесс.

3. Возникающие вследствие приложения напряжений, равных пределу текучести, пластические деформации материала снижают чистоту обработанных поверхностей деталей.

Задачей изобретения является интенсификация технологического процесса за счет оптимизации химико-термической обработки стали.

Поставленная задача достигается способом ускоренной цементации стальных деталей, включающим нагрев в насыщающей среде до температуры выше Ас₃ и охлаждение до температуры ниже Ar₁ , для чего способ включает не менее трех циклов в контейнере с твердым карбюризатором, в которых нагрев осуществляется пачками импульсов электромагнитного излучения до температуры 1220±10 К, с последующим охлаждением цементируемых деталей до температуры 910±10 К при скорости нагрева и охлаждения более 1 К/с, с выдержкой при экстремальных температурах каждого цикла, составляющей до двух минут.

Новые существенные признаки:

1. Нагрев в насыщающей среде с последующим охлаждением осуществляют в течение трех и более циклов в контейнере с твердым карбюризатором.

2. Нагрев осуществляется пачками импульсов электромагнитного излучения до температуры 1220±10 К.

3. Охлаждение цементируемых деталей производят до достижения температуры 910±10 К.

4. Скорость нагрева и охлаждения составляет более 1 К/с.

5. При экстремальных температурах каждого цикла производится выдержка до двух минут.

Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными обеспечивают получение технического результата во всех случаях, на которые распространяются испрашиваемый объем правовой охраны.

Получение технического результата изобретения достигается тем, что нагрев в насыщающей среде до температуры 1220±10 К способствует ускоренному проникновению углерода в сталь и интенсификации технологического процесса, поскольку при этом увеличиваются сечения входов в межкристаллитные, межблочные и межфрагментарные объемы.

Охлаждение цементируемых деталей в контейнере с твердым карбюризатором до температуры 910±10 К способствует образованию атомарного углерода, адсорбируемого цементируемыми поверхностями, что ведет к ускорению транспорта углерода в сталь.

Цементация в контейнере с твердым карбюризатором позволяет проводить технологический процесс партиями деталей, что способствует интенсификации процесса.

Выдержка при экстремальных температурах каждого цикла до двух минут необходима для завершения фазовых переходов, транспортирующих углерод в сталь, а увеличение скорости изменения температур при нагреве и охлаждении более 1 К/с сокращает время технологического процесса.

Нагрев пачками импульсов электромагнитного излучения позволяет осуществить цикличность процесса нагрева и охлаждения до оговоренных температур.

Увеличение количества циклов способствует повышению прочности поверхности цементируемых деталей.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом - схема проникновения атомарного углерода в сталь, на котором изображен: 1 - межкристаллитный, межфрагментарный или межблочный объем, в который проник атом углерода массой m.

Предлагаемый способ заключается в том, что при непрерывном нагреве превращение - Fe в - Fe происходит в некотором интервале температур. При нагреве доэвтектоидной стали выше температуры критической точки Ac₁, после превращения перлита в аустенит образуется двухфазная система, содержащая одновременно аустенит и феррит. При дальнейшем нагреве в интервале температур от Ac₁ до Ас₃ феррит постепенно превращается в аустенит. Выше точки Ас₃ феррит полностью превращается в аустенит. Первоначально сдвиговым путем при сохранении когерентности границ при нагреве несколько выше критической точки Ac₁ образуется низкоуглеродистый аустенит, в котором растворяется карбид железа. Рост участков аустенита в результате полиморфного превращения протекает быстрее, чем растворение цементита, поэтому после превращения феррита в аустенит в структуре стали сохраняется некоторое количество цементита и для его растворении в аустените необходимо определенное время.

Если доэвтектоидную сталь, находящуюся при температуре выше точки Ас₃, переохладить ниже точки Ar₁ , то аустенит оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает перлитное превращение. Перлитное превращение при температуре порядка 920 К происходит в течение нескольких минут (до двух минут при оптимальных температурах).

Длительность процесса фазового превращения пропорциональна массе и теплоемкости нагреваемого тела, его линейным размерам и обратно пропорциональна мощности нагревателя, содержанию углерода (для доэвтектоидных сталей), а также величине перегрева выше точки Ас₃ и переохлаждения стали ниже точки Ar₁, но и при нагревании и при охлаждении фазовый переход начинается с поверхности детали. Так как в процессе фазовых переходов происходит обрыв диагональных связей, определяющих пространственную жесткость кристаллической решетки, то элементарные объемы решетки находятся в это время в псевдожидком состоянии и образующаяся на поверхности стали псевдожидкая волна фазового перехода распространяется вглубь объема металла. Находящийся к моменту начала фазового перехода на поверхности железа и в межкристаллитных, межблочных и межфрагментарных полостях (обусловленных строением металла) адсорбированный атомарный углерод подхватывается псевожидкой волной фазового превращения и перемещается вглубь металла, как перемещаются примеси в слитке при зонной плавке. Проведение нескольких циклов нагрев - охлаждение позволяет за короткое время переместить значительное количество атомарного углерода в объем цементируемого металла на значительную глубину.

Атомарный углерод проникает в сталь по межкристаллитным, межблочным и межфрагментарным пространствам из-за разности концентраций и давлений фазы внедрения у поверхности металла и в микрополостях, где сохраняется глубокий вакуум. Проникновение атомарного углерода в сталь становится возможным только в том случае, если цементируемый металл нагрет до температур, при которых поперечные сечения входов в межкристаллитные, межфрагментарные и межблочные объемы становятся соизмеримыми с размерами атома углерода. Способствуют проникновению углерода в сталь электрическое и магнитное поля.

Атом углерода массой m устремляется в межкристаллитный, межфрагментарный или межблочный объем 1 (см. чертеж) к вершине полости и соударяется со стенками микрообъема, сближающимися под углом к его вершине. В каждое мгновение удара соотношение между силой F_N, действующей на любое из соударяющихся тел, и импульсом этого тела определяется вторым законом Ньютона:

где dV - изменение скорости атома массой m за время dt. При соударении атом углерода воздействует на стенки микрообъема. Усилия F_C, воспринимаемые стенками полостей, определяются только условиями нагружения и составляют

Так как границы между субзернами (фрагментами и блоками) малоугловые, то при всех значениях , стремящегося к 0, Sin радиан; тогда выражение (2) примет вид

Тогда при , стремящегося к 0, для любых нормальных значений наружного давления P_А, усилия F_C, воздействующие на стенки полостей, могут достигать значительных величин, а так как площади, воспринимающие эти усилия, ограничены, то давления P_С, испытываемые стенками при проникновении в микрообъемы атомов водорода, могут превысить прочностные характеристики (временное сопротивление _В) любой стали P_C> _В, что способствует транспорту атомарного углерода в кристаллическую решетку стали.

Известное выражение для скорости массопереноса одномерного потока частиц, диффундирующих в толщу металла через площадку поперечньм сечением S в соответствии с предложенной моделью науглероживания стали в общем виде с учетом действия градиента давления, а также скорости изменения градиентов температуры и внешнего магнитного потока будет имеет вид

где ( с/ х); ( Р/ х); ( Т/ х); ( / х) - градиенты концентрации, давления, температуры и электрического потенциала соответственно, описывающие диффузионный процесс в соответствии с первым законом Фика, барический перенос, теплоперенос и электроперенос;

( ²/Т/ х t) - скорость изменения градиента температуры - член, описывающий фазовый перенос;

( ²/Ф/ х t) - скорость изменения градиента внешнего машнитного потока - член уравнения, описывающий электромагнитный перенос при воздействии на цементируемую деталь токов высокой частоты;

А, В, С, Х - интегральные коэффициенты;

D - коэффициент диффузии углерода в металле, значение которого для предлагаемого технологического процесса химико-термической обработки определяют уже не ограничения, накладываемые на диффузионные процессы в твердом металле, а скорость распространения волны псевдожидкого фазового превращения в объеме детали, зависящего прежде всего от скорости изменения температуры, пропорциональной мощности нагревателя и холодильника;

М - вес грамм-атома диффундирующего вещества (углерода);

m - количество вещества, проникшее через площадку S, за время t.

Транспорт углерода в сталь по предложенному способу цементации осуществляется со скоростью около 0,1...1 мм/с, что значительно выше скорости проникновения углерода в металл (0,1 мм/час) при традиционных способах цементации партии деталей в контейнере с твердым карбюризатором. Ускоренный транспорт углерода в металл облегчается тем, что при температуре 920 К, что ниже точки фазового перехода A₁, количество образующегося атомарного углерода, адсорбированного поверхностью стали, увеличивается почти в 19 раз, по сравнению с температурой 1230 К, при которой обычно ведется цементация в твердом карбюризаторе. При температуре 1230 К входные сечения в межкристаллитные, межблочные и межфрагментарные полости увеличиваются, что облегчает проникновение в них углерода и транспорт его в металл.

Проведение всех этапов технологического процесса в оптимальных режимах позволяет сократить время цементации с 8...12 до полутора часов.

Пример. Из водогазопроводой трубы диаметром 32 мм были изготовлены контейнеры. Обработке подвергали образцы, нарезанные из прутка Ст.3 диаметром 10 мм. Стальные образцы фиксировались по оси контейнера медной проволокой. Торцы контейнера с образцом, заполненного твердым карбюризатором из древесного угля, смешанного с опилками в соотношении 4: 1 (куда добавлялось 5 капель машинного масла), запрессовывались песчано-глиняным тестом с примесью мелкорезаного стекловолокна. Сушка производилась в естественных условиях в течение трех суток.

Цементация производилась воздействием на образцы в контейнерах электромагнитного поля. Контрольный образец в контейнере подвергался выдержке при температуре 1230 К в течение 6 часов, после чего охладился естественным образом и был разрезан на образцы.

Экспериментальные образцы в контейнерах подвергались импульсному нагреву пачками электромагнитных импульсов до температуры 1230 К с последующим охлаждением до температуры 920 К, измеряемой градуированной термопарой. Точность измерения температуры составляла ±10 К. При максимальной и минимальной температурах производилась выдержка в течение 2...5 минут. Изменялось количество и длительность воздействия электромагнитных импульсов. По окончании эксперимента образцы в контейнерах охлаждались на воздухе естественным образом и резались для проведения металлографических исследований.

Оценка эксперимента, проведенная с помощью твердомера ТР 5006-02, показала увеличение твердости прошедших науглероживание поверхностей до 62 HRC.

Металлографические исследования экспериментальных образцов показали, что в результате осуществленного технологического процесса при количестве циклов нагрев - охлаждение 3 и более по всему сечению образца получена сталь с содержанием углерода 0,8% и более, представленная заэвтектоидными зернистыми сорбитами и троститами, что снижает хрупкость металла.