способ химико-термической обработки стальных изделий

Формула изобретения

1. Способ химико-термической обработки стальных изделий, включающий нагрев, цементацию при температуре выше Ас₃, подстуживание, нагрев до температуры закалки и закалку, отличающийся тем, что подстуживание осуществляют дискретно, причем подстуживание в каждом цикле прекращают при охлаждении поверхности до 600-750°С и возобновляют после нагрева поверхности за счет аккумулированного тепла, а циклы повторяют до понижения температуры изделия после разогрева ниже Аr₁, после подстуживания поверхности проводят донасыщение ее в газовой среде с углеродным потенциалом 0,8-1,0 при 920-960°С в течение 40-60 мин, после чего изделия принудительно подстуживают ниже температуры Аr₁ и подвергают закалке с повторного нагрева.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дискретное подстуживание поверхности с последующим донасыщением повторяют до получения слоя заданной глубины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, может быть использовано в автотракторостроении, станкостроении, нефтяной и химической промышленности и других отраслях, где возникает необходимость высокой надежности деталей, работающих в тяжелых условиях нагружения и является усовершенствованием способа по заявке N 4735676/02.

По основному авторскому свидетельству известен способ химико-термической обработки стальных изделий, включающий нагрев, цементацию при температуре выше Ас₃, дискретное подстуживание, при котором в каждом цикле охлаждают поверхность изделия до температуры 600-750^oС, после чего делается пауза, в течение которой происходит саморазогрев поверхности от аккумулированного сердцевиной тепла. Такие циклы, включающие подстуживание и саморазогрев, повторяют до понижения температуры заготовки ниже Аr₁, после чего изделие нагревают до температуры закалки и закаливают.

Количество циклов при дискретном подстуживании ограничивается толщиной стенок и массой детали. Поэтому для деталей среднего развеса, у которых удается осуществить не более 2-3 циклов, эффективность способа значительно снижается, т.е. описанный способ имеет ограниченную массой и теплоемкостью деталей область применения.

Существенным недостатком известного способа является неизбежное разупрочнение тонкого поверхностного слоя толщиной до 0,18 мм, за счет перераспределения из него углерода в более глубокие слои, что в большинстве случаев не позволяет использовать детали, обработанные таким способом, в машинах и механизмах без последующей механической обработки для удаления этого малопрочного слоя.

Кроме того, недостатком указанного способа является значительная продолжительность процесса, определяемая в основном длительностью первоначального насыщения на глубину, составляющую 0,5 0,6 требуемой по чертежу.

Целью изобретения является повышение качества упрочненного слоя за счет ликвидации поверхностного обезуглероживания.

Кроме того, целью является сокращение общей продолжительности процесса и расширение области применения за счет возможности обработки тонкостенных изделий.

Поставленная цель достигается тем, что в способе химико-термической обработки стальных изделий после дискретного подстуживания поверхности производят донасыщение ее в газовой среде с углеродным потенциалом 0,8-1,0 при температуре 920-960^oС в течение 40-60 мин, после чего изделия принудительно подстуживают ниже температуры Аr₁ и подвергают закалке с повторного нагрева.

С целью cокращения общей продолжительности процесса и расширения области применения за счет возможности обработки тонкостенных изделий, дискретное подстуживание поверхности с последующим донасыщением повторяют до получения слоя заданной глубины.

Введение в предлагаемый способ операции донасыщения в газовой среде с углеродным потенциалом 0,8-1,0 при температуре 920-960^oС в течение 40-60 минут, которую проводят после дискретного подстуживания поверхности, позволяет заполнить углеродом разупрочненный поверхностный слой толщиной до 0,18 мм, образовавшийся при дискретном подстуживании за счет перераспределения углерода и продвижения его в более глубокие слои.

Неоднократное повторение цикла, включающего операции дискретного подстуживания поверхности и последующее донасыщение в газовой среде с углеродным потенциалом 0,8-1,0 при температуре 920-960^oС в течение 40-60 мин, позволяет для массивных деталей сократить общую продолжительность всего процесса за счет уменьшения времени первоначального насыщения, а заданную глубину слоя получать при этом в результате перераспределения углерода и продвижения его в глубь детали при повторении указанного цикла.

Кроме того, неоднократное повторение цикла, включающего дискретное подстуживание поверхности + донасыщение, позволяет расширить область применения предлагаемого способа за счет обработки более тонкостенных деталей, для которых однократное дискретное подстуживание с донасыщением незначительно изменяет при перераспределении углерода глубина цементованного слоя, полученного после первоначального насыщения.

При многократном повторении циклов, включающих дискретное подстуживание с донасыщением, для таких деталей за счет суммарного продвижения углерода при перераспределении в каждом цикле подстуживания удается получить заданную глубину цементованного слоя даже при незначительной глубине и продолжительности первоначального насыщения.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

При осуществлении изобретения по первому пункту формулы изобретения массивные стальные изделия подвергают цементации при температуре выше Ас₃ в насыщающей среде на глубину, примерно в 1,5-2,0 раз меньшую требований чертежа, после чего их подвергают дискретному поверхностному подстуживанию, например кратковременными (по 3 -10 сек) погружениями в кипящий слой порошка железа, или в водный раствор полимера, или путем обдува поверхности инертны газом, прекращая охлаждение при достижении поверхностью температуры 600- 750^oС и возобновляя его сразу же после саморазогрева поверхности за счет аккумулированного телом детали тепла.

Регулированием продолжительности дискретных теплоотборов в каждом последующем цикле добиваются перемещения углерода от поверхности во все более глубокие слои. Циклы, включающие подстуживание саморазогрев, повторяют до понижения температуры ниже Аr₁, что составляет 2 или более раз, после чего изделие вновь помещают в углероднасыщающую среду, где в течение 40-60 минут при температуре 920-960^oС производят донасыщение углеродом тонкого поверхностного слоя, после чего изделие охлаждают ниже температуры Аr₁ для перекристаллизации, нагревают под закалку и закаливают.

При осуществлении изобретения по 1,2 пунктам формулы изобретения как массивные, так и более тонкостенные изделия подвергают цементации при температуре выше Ас₃ в насыщающей среде, после чего подвергают дискретному поверхностному подстуживанию, например кратковременными (по 3-10 сек) погружениями в кипящий слой железного порошка, или в водный раствор полимера, или путем обдува поверхности инертным газом, прекращая его при охлаждении поверхности до 600-750^oС и возобновляя сразу же после саморазогрева поверхности за счет аккумулированного телом изделия тепла. Регулированием продолжительности дискретных теплоотборов в каждом последующем цикле добиваются перемещения углерода от поверхности во все более глубокие слои. Циклы, включающие подстуживание-саморазогрев повторяют 2 и более раз до понижения температуры изделия ниже Аr₁, после чего изделие вновь помещают в углероднасыщающую среду, где в течение 40-60 минут при температуре 920-960^oС производят донасыщение углеродом тонкого поверхностного слоя. Затем цикл, включающий дискретное поверхностное подстуживание-донасыщение в углероднасыщающей среде, повторяют один или несколько раз до получения слоя заданной глубины, после чего изделие охлаждают ниже температуры Аr₁ для перекристаллизации и измельчения зерна, нагревают под закалку и закаливают.

Пример 1.

Три цилиндрические шестерни коробки передач трактора ДТ 75 диаметром 120 мм из стали 25ХГТ подвергали цементации в камерной печи в газовой среде с углеродным потенциалом 0,9 при температуре 920^oС. Первую и вторую шестерни выдерживали в печи в течение 10 часов, а третью-в течение 3 часов. Все три шестерни после цементации были подвергнуты дискретному поверхностному подстуживанию путем периодического погружения в кипящий слой железного порошка, продуваемого газообразным азотом, и извлечения из него для саморазогрева. Всего было произведено пять циклов, включающие поверхностное подстуживание + саморазогрев, режимы которых приведены в таблице 1.

После дискретного подстуживания первую шестерню обрабатывали в соответствии с прототипом по заявке N 4735676/02. Для этого ее вновь поместили в печь, где нагрели до температуры 860^oС и после выдержки при этой температуре в течение 30 минут закалили в масле. Общая продолжительность всего процесса обработки составила 10 часов 36 минут.

Вторую шестерню после дискретного подстуживания обрабатывали в соответствии с п.1 формулы изобретения предлагаемого способа. Для этого после дискретного подстуживания шестерню возвратили в печь, где подвергли донасыщению в газовой среде с углеродным потенциалом 0,9 при температуре 920^oС в течение 60 минут. После донасыщения второй шестерни ее подстуживали ниже Аr₁, нагрели под закалку и закалили в масле. Общая продолжительность всего процесса обработки составила 11 часов 36 минут.

Третью шестерню после дискретного подстуживания обрабатывали в соответствии с п.п. 1,2 формулы изобретения предлагаемого способа. Для этого после дискретного подстуживания ее возвратили в печь, где подвергли донасыщению в течение 60 минут. После первого донасыщения для этой шестерни был два раза повторен цикл, включающий дискретное подстуживание + донасыщение, после чего ее охладили ниже Аr₁, нагрели под закалку и закалили в масле. Продолжительность режимов химико-термической обработки и характеристика глубины упрочненных поверхностей зубьев шестерен приведены в табл.2.

Таким образом при 10-ти часовой цементации при общей толщине цементованного слоя после подстуживания около 1,3 мм эффективная глубина упрочнения составила в первых двух шестернях почти 30% общей глубины насыщения, однако шестерня N 1 имела обезуглероенную поверхность зуба глубиной около 0,14 мм.

В шестернях 2 и 3 обезуглероживание не отмечалось, но качество упрочнения у шестерни 3 было более высоким и достигнуто практически вдвое быстрее, чем у шестерни N 2.

Пример 2.

Плоские образцы в виде пластин размером 12х30х60 мм из стали 20ХНЗА подвергались цементации в газовой среде с углеродным потенциалом 0,9 при температуре 920^oС на глубину 0,3 мм в течение 4-х часов. Дискретное подстуживание таких деталей с температур цементации до температуры Аr₁ в водном растворе полимера составило всего 2 цикла и представлено в табл.3.

Один из образцов в соответствии с прототипом после дискретного подстуживания был подвергнут нагреву в защитной атмосфере до температуры 820^oС и закален в масле. Глубина цементованного слоя составила 0,38 мм при толщине обезуглероживания 0,09 мм.

Второй образец в соответствии с предлагаемым способом после дискретного подстуживания был подвергнут донасыщению в газовой среде с углеродным потенциалом 0,9 при температуре 920^oC в течение 40 минут. После этого циклы дискретное подстуживание + донасыщение были повторены еще 2 раза, затем образец был охлажден ниже Аr₁, нагрет до температуры закалки и закален в масле.

Таким образом, общая продолжительность обработки плоского образца перед закалкой по предлагаемому способу складывалась из следующих периодов:

Первоначальное насыщение 4 час

Дискретное подстуживание 15 сек

Донасыщение 40 мин

Дискретное подстуживание 15 сек

Донасыщение 40 мин

Дискретное подстуживание 15 мин

Донасыщение 40 мин

В результате такой обработки эффективная толщина цементованного слоя (твердостью НV 700) составила 0,6 мм. Слой не имел поверхностного разупрочнения.

Третий образец для сравнения был подвергнут изотермической выдержке в газовой среде с углеродным потенциалом 0,9 при температуре 920^oС в течение 8 часов и закалке с повторного нагрева. Эффективная толщина цементованного слоя оказалась равной 0,25-0, мм, т.е. существенно меньше, чем у второго образца, обработанного по предлагаемому способу.

Таким образом, сочетание циклов, включающих дискретное подстуживание-саморазогрев с последующим донасыщением поверхности, позволяет существенно сократить общую продолжительность химикотермической обработки и получать высокую степень упрочнения насыщенного слоя на всей его глубине.

Принятая совокупность технологических операций способа позволяет эффективно использовать его не только для массивных изделий, выдерживающих большое количество циклов дискретного подстуживания, но и для сравнительно тонкостенных, теряющих необходимую температуру при подстуживании уже после 2-х 3-х циклов. ТТТ1