способ химико-термической обработки деталей электромагнитных клапанов из магнитомягкой стали

Формула изобретения

1. Способ химико-термической обработки деталей электромагнитных клапанов из магнитомягкой стали, включающий стабилизирующий отжиг, отличающийся тем, что перед отжигом проводят механическую обработку, в процессе отжига проводят карбонитрирование в древесноугольных смесях с активизирующими азото- и углеродсодержащими добавками со ступенчатым нагревом сначала при температуре выше точки Кюри 780-820°С в течение 3-4 ч, а затем при температуре ниже точки Кюри 680-700°С в течение 2-3 ч с охлаждением в упаковочном контейнере со скоростью 50-80°С/ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве механической обработки осуществляют абразивно-струйную обработку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической и химико-термической обработке деталей из магнитомягкой высокохромистой стали (16Х-ВИ), используемой для изготовления корпусов, магнитопроводов, сердечников электромагнитных клапанов подачи рабочих тел - газов в электрических реактивных двигателях малой тяги, а также технологический источник плазмы.

Известен способ изготовления и термической обработки деталей из магнитомягкой стали 16Х-ВИ, предусматривающий проведение вакуумного высокотемпературного отжига при 1175°С по ГОСТ 10160-75 и стабилизирующего вакуумного отжига при 525±25°С после механической обработки деталей по ОСТ 92-1311-77. Способ позволяет получать высокие магнитные свойства, минимальную коэрцитивную силу и максимальную магнитную индукцию, но низка износостойкость контактирующих в процессе работы деталей, как следствие, недостаточен ресурс работы изделий.

Известен способ, предусматривающий дополнительную зонную химико-термическую нитроцементацию уплотнительных полостей в активированной древесноугольной смеси и зонную лазерную обработку (а.с. №1523287, МПК В 23 К 26/00, С 21 D 1/78, опубл. 23.11.89, БИ№43).

Способ достаточно трудоемок, недостаточно технологичен, применим к ограниченным модификациям микроклапанов, неэффективен для клапанов с удлиненными сердечниками и значительным рабочим ходом.

Изобретение решает задачу повышения износостойкости деталей клапанных пар при сокращении трудоемкости и улучшения технологичности и увеличения ресурса работы электромагнитных малогабаритных электроклапанов при сохранении коррозионной стойкости.

Для обеспечения необходимого технического результата предлагается проводить перед стабилизирующим отжигом механическую обработку, а в процессе отжига проводить карбонитрирование в древесноугольных смесях с активизирующими азото- и углеродосодержащими добавками со ступенчатым нагревом сначала при температуре выше точки Кюри 780-820°С в течение 3-4 часов, а затем при температуре ниже точки Кюри 680-700°С в течение 2-3 часов. Охлаждение проводят в упаковочном контейнере со скоростью 50-80°С/ч. В качестве механической обработки используют абразивно-струйную обработку.

Сущность предложенного решения и влияние каждого из температурного и временного параметров состоит в том, что детали магнитных систем клапанов изготавливаются из отожженных прутков стали 16Х-ВИ механической обработкой в окончательные размеры с припуском на доводку полированием в пределах 10-15 мкм и при стабилизирующем отжиге нагреваются и карбонитрируются ступенчато при температурах выше, затем ниже точки Кюри. При этом скорость формирования износостойких карбонитридных слоев существенно повышается, достигая 35 - 45 мкм/ч при отсутствии тепловой и структурной деформации при подстуживании до второй ступени и охлаждении деталей после завершения химико-термической обработки в контейнере со скоростью не выше 80°С/ч.

На прилагаемых к описанию графических материалах и фотографиях изображено:

фиг.1 - микроструктура диффузионного слоя, полученного по предложенному способу; фиг.2 - эскиз сердечника электромагнитного клапана (схема насыщения рабочих поверхностей при карбонитрировании); фиг.3 - изменение износостойкости сердечников из стали 16Х-ВИ при обработке по известному (3) и разработанному способам (1, 2); фиг.4 - макроструктура карбонитрированного слоя на тороиде из стали 16Х-ВИ; фиг.5 - микроструктура карбонитридного слоя после обработки по режиму примера 2.

На первом этапе при 780-820°С в древесноугольных активированных смесях активно протекает диффузионное насыщение слоя углеродом и азотом, а на второй ступени при 680-700°С завершается формирование трехзонного слоя - поверхностного тончайшего “внутреннего” окисления толщиной не более 5-7 мкм, далее светлотравящегося слоя карбонитридов (Fe, Сr)₇(NС)₃ и переходного темнотравящегося с содержанием углерода выше 1,2 мас.% с мелкодисперсными карбидами (Fe, Сr)₃(NC), микротвердостью Н_0,5н=540-720 с плавным переходом к мягкой основе Н_0,5н=156-167.

Время выдержки на каждой из ступеней нагрева и суммарное при проведении карбонитрирования высокохромистой магнитомягкой стали 16Х-ВИ выбрано исходя из условия формирования диффузионных износостойких слоев толщиной 200-300 мкм, обеспечивающих минимальное влияние на магнитные свойства основного металла, сохраняющиеся на уровне требуемых по стандартам. Вместе с тем формирование поверхностного слоя более магнитотвердого по сравнению с сердцевиной улучшает условия движения сердечников микроклапанов в их магнитомягком корпусе, что приводит к стабильности работы клапанов и повышает ресурс их работы до 10⁷-10⁸ циклов, на порядок выше, чем при изготовлении и обработке по известным и стандартизированным схемам термической обработки.

Изобретение иллюстрируется практическими примерами осуществления способа обработки в условиях мелкосерийного производства электрических реактивных двигателей малой тяги и технологических источников плазмы с электромагнитными клапанами подачи рабочих тел - инертных газов: азота, аргона, ксенона и других газовых смесей.

При практическом осуществлении способа детали микроклапанов сердечники, якоря, корпуса магнитопроводов изготавливали из прутков стали 16Х-ВИ по ГОСТ 10994, ГОСТ 10160-75. Для проведения карбонитрирования в малоэнергоемких печах СНОЛ-1,6.2,5.1/9 и ПЛ-12 с упаковкой деталей по схеме контейнер в контейнере использовали составы на основе активированного и гранулированного древесного угля по ГОСТ 20 464-77, ГОСТ 62-17-77 с введением активирующих азотоуглеродосодержащих добавок карбамида по ГОСТ 6691-77 и трилона-Б по ГОСТ 10652-737.

Конкретные примеры осуществления способа

Пример 1. Сердечники электромагнитного клапана изготавливали из горячекатаных отожженных прутков стали 16Х-ВИ диаметром 16 мм в окончательный размер с припуском на притирку по цилиндрической части 5-6 мкм на сторону. Карбонитрирование проводили по 16 деталей в садке с упаковкой в состав, содержащий 80% гранулированного древесного угля 12% карбамида и 8% трилона Б, с укладкой деталей в малый контейнер, установкой его в контейнер с засыпкой из отработанного карбюризатора.

После прогрева садки до температуры 780°С и выдержки в течение 4 часов снижали температуру до 680°С и выдерживали садку в течение 3 часов, дальнейшее охлаждение вели со скоростью 80°С/ч и при температуре 120°С выгружали контейнер из печи.

Обработка позволила сформировать на рабочих поверхностях сердечников износостойкий слой толщиной 280-300 мкм, имеющий износостойкость при контактном износе в три раза выше, чем при обработке по известной технологии высокотемпературного и стабилизирующего вакуумного отжига. После притирки, полирования по торцевым и боковым поверхностям со снятием поверхностного окисленного слоя 4-5 мкм электромагнитные клапаны с названными сердечниками имели ресурс более 10⁷ циклов, обеспечивали надежную работу без зависаний и надиров, характерных для обычно изготавливаемых по серийной технологии. Одновременно сократилась в 1,5 раза трудоемкость изготовления и термической обработки деталей.

Пример 2. Корпуса электромагнитных клапанов из стали 16Х-ВИ подвергали после токарной механической обработки с классом чистоты обработки R_a=1,25 мкм химико-термической обработке карбонитрированию в активированной древесноугольной смеси из березового древесного угля с добавками трилона-Б и карбамида с нагревом и выдержкой вначале при 820°С в течение 3 часов, а затем ниже точки Кюри при 700°С в течение 2 часов с охлаждением в печи, в контейнере со скоростью 50°С/ч до 80°С и выгрузкой на воздух.

Толщина карбонитридного слоя с микротвердостью Н_0,5н=660-720 составила 320-330 мкм, микроструктура сердцевины осталась крупнозернистой, что обеспечивало оптимальные магнитные свойства основного металла на уровне Н коэрцитивную силу Н_с=35-40 А/м и магнитную индукцию на уровне B ₂₅₀₀=1,30-1,35 Тл. При структуре основы крупнозернистого феррита в структуре диффузионного карбонитридного слоя сформированы светлотравящаяся область карбидов (Fe, Сr)₇С₃ , (Fe, Сr)₇(NС)₃ с подслоем -фазы и карбонитридным (Fe, Сr)₃(N, С)₃ слоем. В таблице приведены состав и свойства диффузионных слоев на стали 16Х-ВИ при обработке по предложенному и известному способам.

Способ и режим химико-термической обработки х)					Толщина слоя, мкм	Содержание в слое 100 мкм, %		Микротвердость, Н0,5Н	Магнитные свойства
Тн, I ступ., °С		выд., ч	Тн, II ступ., °С	выд., ч
									Нс, А/м	В2500, Тл
						С	N
Предложенный
1.	780	3,0	680	2,0	290	1,45	0,17	690	56	1,11
2.	820	4,0	700	3,0	330	1,55	0,18	710	48	1,19
3.	800	3,0	700	3,0	300	1,61	0,14	720	57	1,14
4.	820	3,5	690	2,5	280	1,43	0,17	710	47	1,21
Известный
1150		0,5	Лазерная 1070	Отпуск 2 часа	120 зонная	1,11	0,03	580	33	1,20
х) Карбюризатор на основе древесного угля с добавкой карбоната натрия и азотосодержащих - карбамида и трилона-Б, подготовка поверхности при восстановлении абразивно-струйной обработкой с шероховатостью Ra=1,25 мкм (№4), токарной механической обработкой (№№1-3).

Установлено также, что карбонитридные диффузионные слои после карбонитрирования по предложенной технологии имеют высокую коррозионную стойкость в атмосфере 98% влажности, при этом после доводки по рабочей поверхности на глубину 3-5 мкм ресурс работы в составе клапанов достигает 10⁸ циклов против 10 ⁶ циклов для деталей, обработанных по известной технологии. Исключено зонное выкрашивание по тонким уплотнительным буртикам, характерное для якорей микроклапанов при нитроцементации и лазерной закалкой с оплавлением.

Пример 3. Якоря цилиндрические диаметром 12 мм из стали 16Х-ВИ из отожженных прутков диаметром 16 мм механически обрабатывали на токарных станках с формированием по рабочим поверхностям концентрического микрорельефа классом чистоты R_a=1,10 мкм, а затем карбонитрировали в процессе стабилизирующего отжига в активированных древесно-угольных смесях с добавкой активаторов - карбамида, трилона-Б, карбоната натрия. Без введения добавок эффективное насыщение слоя углеродом и азотом для сталей с содержанием хрома выше 13% практически затруднено. Нагрев садки вначале проводили при 800°С с выдержкой 3,5 часа, затем снижали температуру ниже точки Кюри и выдерживали садку при 690°С в течение 3 часов с последующим охлаждением со скоростью 70°С/ч.

Диффузионный слой толщиной 220 мкм с высоким содержанием карбонитридов был однороден и равномерен по рабочим поверхностям. Микротвердость составила Н_0,5H =735-740 и после притирки и доводки со снятием микронеровностей и слоя внутреннего окисления 7-10 мкм якоря имели высокие магнитные свойства в пределах требований стандарта, а также износостойкость при ресурсных испытаниях на уровне 10 циклов или на порядок выше известного способа упрочнения.

После ресурсных наработок проводилось восстановление пары сердечник, якорь, корпус клапана путем повторного карбонитрирования якорей и сердечников по разработанной технологии. Перед химико-термической обработкой проводили опескоструивание - абразивно-струйную обработку рабочих поверхностей дисперсным карбидом бора В₄С по рабочим поверхностям. Карбонитрирование по вышеприведенному режиму позволило получить диффузионный слой суммарной толщиной более 240 мкм с повышенной износостойкостью, ресурс работы пары трения повысился в 2 раза.

Таким образом, как показали проведенные эксперименты и производственные испытания, разработанный способ химико-термической обработки деталей электромагнитных клапанов из высокохромистой магнитомягкой стали 16Х-ВИ, при минимальных затратах на электроэнергию, вспомогательные материалы и при снижении трудоемкости обработки, позволяет существенно повысить надежность и ресурс работы клапанов подачи рабочих тел для электрических реактивных двигателей малой тяги и технологических источников плазмы.