СПОСОБ ТЕРМООБРАБОТКИ КОНСТРУКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ИЗ ПРОКАЛИВАЕМОЙ ЖАРОСТОЙКОЙ СТАЛИ И КОНСТРУКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИЗ ПРОКАЛИВАЕМОЙ ЖАРОПРОЧНОЙ СТАЛИ
METHOD OF HEAT TREATMENT OF STRUCTURAL COMPONENT OUT OF HARDENED HEAT RESISTANT STEEL AND STRUCTURAL COMPONENT OUT OF HARDENED HEAT RESISTANT STEEL

3
1
Изобретение относится к способу термообработки конструктивного элемента из прокаливаемой жаростойкой стали, причем термообработка включает в себя прокаливание конструктивного элемента, закалку граничного слоя конструктивного элемента и отпуск конструктивного элемента, причем прокаливание состоит в нагревании конструктивного элемента до температуры закалки выше верхней критической температуры Ас, выдержке конструктивного элемента на температуре закалки и быстром охлаждении конструктивного элемента, причем закалка граничного слоя происходит под воздействием, по меньшей мере, одного диффузионного элемента, состоит в нагревании конструктивного элемента до температуры диффузии, выдержке конструктивного элемента на температуре диффузии и охлаждении конструктивного элемента и производится в виде плазменно-ионной закалки, причем отпуск состоит в одноразовом или многоразовом нагревании конструктивного элемента до температуры отпуска ниже нижней критической температуры Ac, выдержке конструктивного элемента на температуре отпуска и охлаждении конструктивного элемента, а также в дополнительном низкотемпературном охлаждении.
Изобретение относится далее к конструктивному элементу из прокаливаемой жаростойкой стали, который подвергся термообработке, включающей в себя прокаливание конструктивного элемента, закалку граничного слоя и отпуск конструктивного элемента.
Термически и механически сильно нагруженные конструктивные элементы, такие, к примеру, как компоненты опор подшипников качения, которые используются для опоры главного вала реактивного двигателя или газовой турбины, состоят, по меньшей мере, из прокаливаемой жаростойкой стали и при изготовлении, посредством подходящей термообработки, приспосабливаются к дальнейшей цели эксплуатации. Соответствующие обрабатываемые изделия, именуемые в дальнейшем конструктивными элементами, должны при высокой прочности обладать не только высокой вязкостью, но и высокой износоустойчивостью. Для достижения данной цели термообработка такого рода конструктивных элементов включает в себя, обычно, прокаливание, закалку граничного слоя и последующий отпуск конструктивных элементов, причем последовательность процессов прокаливания и закалки граничного слоя может быть различной.
3
Под обозначенным, в общем и целом, термином «закалка» прокаливанием конструктивного элемента понимается чисто термический способ. Закалка или прокаливание заключается в нагревании конструктивного элемента до температуры закалки выше верхней критической температуры Ас стали - 911°С, выдержке конструктивного элемента на данной температуре закалки и в последующем быстром охлаждении конструктивного элемента. Нагревание конструктивного элемента регулируется при этом во времени таким образом, что во всем конструктивном элементе устанавливается по возможности равномерное повышение температуры и, таким образом, предотвращается деформация конструктивного элемента.
Температура закалки - это так называемая температура аустенитизации, при которой происходит полный окончательный переход кубического объемно-центрированного феррита в кубический гранецентрированный аустенит, а также распад углерода, связанного в исходном материале в форме карбидов, на атомарный углерод. У высоколегированных сталей значение температуры закалки находится обычно в пределах между 1050°С и 1230°С, а время выдержки при температуре закалки может составлять от 0,5 до 3 часов.
Быстрое охлаждение конструктивного элемента происходит со скоростью, которая лежит за пределами критической скорости охлаждения соответствующей марки стали. Таким образом, вся деталь в целом принимает мартенситную структуру, что связано с явным увеличением твердости более чем на 60 HRC, обычно максимально до 64 HRC.
К закалке может добавляться, при необходимости, еще и низкотемпературная обработка, к примеру, в форме охлаждения конструктивного элемента до -190°С, вследствие чего имеющийся в наличии остаточный аустенит преобразуется в мартенсит. В результате закалки в конструктивном элементе возникают внутренние напряжения, в норме - напряжения растяжения по краю и напряжения сжатия в сердцевине конструктивного элемента. Напряжения растяжения в граничном слое конструктивного элемента являются, конечно же, недостатком, так как они усиливаются посредством возникающих в процессе эксплуатации напряжений растяжения, так что поддерживается процесс образования трещин и его прогрессирование и, таким образом, снижается предел усталости конструктивного элемента, в частности, при знакопеременной нагрузке.
При закалке граничного слоя конструктивного элемента речь идет, напротив, о термохимическом способе. При этом соответствующий конструктивный элемент при нагревании и выдержке на температуре диффузии подвергается воздействию твердых, жидких или газообразных средств или плазмы, которая содержит диффузионный элемент, как, например, углерод, азот или смесь этих двух элементов, и которая при этих условиях диффундирует в граничный слой конструктивного элемента и в сочетании с последующим охлаждением ведет к закалке граничного слоя конструктивного элемента.
При использовании углерода (науглероживание, карбюрирование) и смеси углерода с азотом с преобладанием углерода (азотонауглероживание) в качестве диффузионного элемента значение температуры диффузии находится в пределах между 850°С и 980°С, при использовании азота (азотирование) и смеси азота, а также углерода, с преобладанием азота (азотонауглероживание) в качестве диффузионного элемента значение температуры диффузии находится в пределах между 500°С и 580°С.
При закалке граничного слоя в форме плазменно-ионной закалки посредством приложения электрического напряжения между корпусом печи для обработки и конструктивным элементом в сочетании с тлеющим разрядом из положительно заряженных ионов диффузионного элемента производится плазма и устремляется на поверхность конструктивного элемента. Таким образом, сначала поверхность конструктивного элемента очищается, затем граничный слой конструктивного элемента дополнительно нагревается и усиливается диффундирование диффузионного элемента в граничный слой. Посредством регулирования электрического напряжения тлеющего разряда можно точно дозировать насыщение граничного слоя диффузионным элементом. Это имеет значение в том плане, что слишком сильное насыщение граничного слоя приводит к образованию посторонних карбидов и посторонних нитридов, которые приводят к снижению прочности и коррозионной стойкости конструктивного элемента.
При плазменно-ионной закалке с азотом (плазменное азотирование) значение температуры диффузии лежит обычно в пределах между 350°С и 600°С, при использовании углерода в качестве диффузионного элемента значение температуры диффузии лежит, однако, в пределах между 700°С и 1000°С. Получаемая в результате закалки на мартенсит твердость имеет значение до 66 HRC. В норме после закалки граничного слоя в граничной зоне конструктивного элемента имеют место внутренние напряжения сжатия, а в сердцевине конструктивного элемента - внутренние напряжения растяжения, из чего вытекает повышенная нагрузочная способность при знакопеременном нагружении. Разумеется, глубина достигаемой доныне закалки граничного слоя максимум в 0,2 мм относительно мала, причем она, посредством проводимой в большинстве случаев окончательной механической обработки, такой, к примеру, как шлифование, еще больше уменьшается. Время выдержки при температуре диффузии может составлять от 0,5 до 4 часов.
1
Отпуск конструктивного элемента производится, чаще всего, как заключительный производственный этап после прокаливания и закалки граничного слоя и состоит, при необходимости, в многократном нагревании конструктивного элемента до температуры отпуска ниже нижней критической температуры Ac стали, выдержке конструктивного элемента на этой температуре отпуска и в последующем охлаждении конструктивного элемента. Тем самым, вызываются изменения мартенситной структуры, которые приводят к уменьшению возникших, в основном, при прокаливании хрупкости и внутренних напряжений, а также к повышению вязкости конструктивного элемента. У высоколегированной стали значение температуры отпуска находится в пределах от 500°С до 600°С. Время выдержки на температуре отпуска составляет примерно от 1 до 2 часов. Вызванное процессом отпуска уменьшение твердости составляет, в зависимости от марки стали, от 1 до 5 HRC.
Дальнейшую информацию о термических и термохимических способах термообработки стали можно заимствовать из специальных норм DIN и из Kraftfahrtechnischen Taschenbuch von BOSCH (справочника по автомобильной технике фирмы BOSCH), 24 издание, стр.304 и далее, глава «Термообработка».
1
В документе DE 4033706 С2, темой которого является замена углерода посредством азота при закалке на мартенсит конструктивного элемента из стали с целью повышения коррозионной стойкости, описывается способ термообработки, который состоит из закалки на мартенсит граничного слоя с помощью азота при температуре диффузии выше нижней критической температуры Ac, последующей прямой закалки и заключительного отпуска. Прямая закалка означает в данной связи то, что между закалкой на мартенсит и закалкой не происходит охлаждения, а температура обработки повышается непосредственно с температуры диффузии до температуры закалки. В одном варианте осуществления способа предусмотрено проведение закалки на мартенсит в виде плазменно-ионной закалки. Недостатком данного известного способа является то обстоятельство, что вызванная закалкой на мартенсит закалка граничного слоя в результате последующей прямой закалки частично снова аннулируется, и что посредством описанной закалки на мартенсит можно достичь лишь незначительной глубины проникновения диффузионного элемента.
В WO 98/01597 A1, напротив, представлен способ для термообработки компонента подшипника качения из высоколегированной стали, при котором закалка на мартенсит, которая производится в виде плазменно-ионной закалки с азотом в качестве диффузионного элемента (плазменно-ионное азотирование), производится лишь после окончательной механической обработки конструктивного элемента, то есть после закалки и отпуска. Значение температуры диффузии лежит в пределах от 375°С до 592°С, предпочтительно 460°С. Время выдержки диффузии находится в пределах от 1 до 2 часов. Максимально достигаемая глубина закаленного граничного слоя составляет около 0,5 мм. Равномерно закаленного слоя можно достичь, однако, лишь на глубине примерно в 0,15 мм, что является недостатком в силу своей тонины.
В обнародованном в DE 69719046 T2 способе для изготовления закаленных на мартенсит компонентов опор закалка на мартенсит производится в форме плазменно-ионного науглероживания при температуре диффузии свыше 482°С к началу термообработки. Вслед за эти производится закалка в форме прямой закалки при температуре закалки в пределах от 982°С до 1200°С. И при этом известном способе вызванная закалкой на мартенсит закалка граничного слоя в результате последующей прямой закалки частично снова аннулируется, так что в результате значение твердости граничного слоя конструктивного элемента достигает максимум 60 HRC.
При аналогичном способе для изготовления компонентов подшипников качения, описанном в DE 19707033 A1, соответствующие конструктивные элементы к началу термообработки закаляются на мартенсит посредством плазменно-ионного азотирования или плазменно-ионного науглероживания при температуре диффузии в пределах от 530°С до максимум 780°С, после этого при температуре закалки от 1020°С до 1120°С закаляется, далее при температуре -190°С подвергается низкотемпературной обработке и в заключении при температуре отпуска от 180°С или 450°С до 520°С подвергается отпуску. И этот способ имеет ранее упомянутые недостатки, и максимально достигаемая твердость граничного слоя конструктивного элемента составляет 62 HRC.
В основе изобретения поставлена задача создания способа вышеуказанного типа для термообработки конструктивного элемента из прокаливаемой жаростойкой стали, с помощью которого при избежании слишком сильного насыщения граничного слоя при закалке граничного слоя конструктивного элемента достигается более высокая глубина проникновения диффузионного элемента в сочетании с более глубокой закалкой граничного слоя, а также более высокая твердость граничного слоя, и, вследствие этого, повышенный предел усталости конструктивного элемента, в частности, при пульсирующей и знакопеременной нагрузке.
Далее должны быть предоставлены сведения о конструктивном элементе из прокаливаемой жаростойкой стали, который имеет повышенный предел усталости.
Технический результат данного изобретения состоит в том, что посредством более глубокой и более сильной закалки граничной зоны конструктивного элемента достигаются более высокие и глубже проникающие внутренние напряжения сжатия, которые приводят к явному увеличению предела усталости конструктивного элемента.
3
Вследствие этого задача касательно способа решается в соответствии с изобретением в сочетании с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения посредством того, что прокаливание конструктивного элемента и плазменно-ионная закалка граничного слоя конструктивного элемента производятся за один совместный производственный этап, в то время как конструктивный элемент нагревается до общей температуры закалки и диффузии выше верхней критической температуры Ас, в то время как конструктивный элемент до окончательного прокаливания и до желаемого насыщения граничной зоны диффузионный элементом выдерживается при общей температуре закалки и диффузии, и в то время как конструктивный элемент в заключение подвергается отпуску.
Предпочтительные варианты осуществления способа в соответствии с изобретением являются предметом зависимых пунктов 2-10 формулы изобретения.
3
В виду осуществления закалки граничного слоя в форме плазменно-ионной закалки при относительно высокой температуре, выше верхней критической температуры Ас стали, в противоположность известному способу достигается большая глубина проникновения диффузионного элемента и тем самым более глубокая закалка граничного слоя конструктивного элемента. Так как закалка на мартенсит производится теперь одновременно с прокаливанием конструктивного элемента, предотвращается в противном случае обычное, возникающее при последующем прокаливании на отдельном производственном этапе ослабление закалки граничного слоя в результате обратной диффузии диффузионного элемента. Таким образом, достигается большая твердость граничного слоя до 68 HRC. Дополнительно к повышенной износоустойчивости поверхности конструктивного элемента это приводит к увеличению предела усталости обрабатываемого таким образом конструктивного элемента, что является преимуществом, прежде всего, при знакопеременной нагрузке. В качестве положительного побочного эффекта проводимого одновременно прокаливания конструктивного элемента и закалки граничного слоя конструктивного элемента оказывается экономия общего времени термообработки более чем на 2 часа.
В принципе, уровень общей температуры закалки и диффузии, а также время выдержки на общей температуре закалки и диффузии определяется соответствующей маркой стали, а также предусмотренной целью применения соответствующего конструктивного элемента. Поэтому уровень общей температуры закалки и диффузии целесообразным образом по существу согласовывается с требуемой температурой закалки марки стали конструктивного элемента, так как при слишком низкой температуре происходило бы недостаточное прокаливание, а при слишком высокой температуре устанавливались бы нежелательное структуры. В процессе экспериментальных исследований в качестве особо подходящей обнаружило себя значение температуры закалки и диффузии, находящееся в пределах от 1050°С до 1150°С.
В зависимости от марки стали и желаемых свойств конструктивного элемента для прокаливания и закалки граничного слоя могут быть, однако, необходимы различные интервалы времени выдержки на общей температуре закалки и диффузии. Чтобы, однако, иметь возможность полностью провести оба процесса обработки, время выдержки на общей температуре закалки и диффузии регулируется в сторону более продолжительного из обоих интервалов времени выдержки - требуемого времени выдержки закалки или требуемого времени выдержки диффузии.
В случае, когда требуемый интервал времени выдержки закалки больше, чем требуемый интервал времени выдержки диффузии, проводимая в виде плазменно-ионной закалки закалка граничного слоя перед завершением прокаливания конструктивного элемента просто прекращается посредством отключения электрического напряжения тлеющего разряда и откачиванием плазменного газа.
В часто встречающемся случае, когда требуемый интервал времени выдержки закалки меньше, чем требуемый интервал времени выдержки диффузии, общая температура закалки и диффузии предпочтительным образом понижается во избежание огрубления структуры сердцевины конструктивного элемента. В основе данного мероприятия лежит вывод о том, что требуемый для прокаливания распад находящегося в стали в форме карбидов углерода ускоряется относительно сильно при возрастании температуре и относительно слабо при увеличении времени выдержки на температуре закалки, и что выдержка на температуре закалки после полного распада карбидов приводит, однако, к огрублению структуры в зоне сердцевины конструктивного элемента, которая связана с нежелательным появлением хрупкости. Во избежание этих негативных воздействий в качестве целесообразной меры выявило себя понижение общей температуры закалки и диффузии по сравнению с обычной температурой закалки примерно на 20°С-40°С.
Для плазменно-ионной закалки граничного слоя конструктивного элемента в качестве диффузионного элемента в расчет принимается преимущественно углерод (C), азот (N) и смесь этих двух элементов. Вследствие этого, конструктивный элемент в процессе плазменно-ионной закалки насыщается отдающим углерод и/или азот ионизированным газом.
Вследствие обогащения таким образом граничного слоя сталь в граничном слое реагирует иначе на последующую обработку отпуском, чем сердцевинная зона конструктивного элемента. В принципе, с увеличивающейся температурой отпуска от 520°С до 560°С, твердость достигает максимума, чтобы затем при далее нарастающей температуре отпуска снова понизиться. Точное положение этого максимума при этом зависит от отделенных частей углерода и/или азота, причем требуемая температура отпуска повышается с возрастанием отделенной части диффузионного элемента.
Поэтому для достижения наибольшей твердости в граничном слое температура отпуска таким образом согласуется с отделяемыми в стали частями диффузионного элемента, что после охлаждения наибольшая твердость устанавливается в граничном слое конструктивного элемента. Кроме того, благоприятной оказалась установка температуры отпуска на значении в пределах от 500°С до 600°С. Достигаемое благодаря этому значение твердости граничного слоя находится в пределах от 60 до 66 HRC, в то время как в сердцевинной зоне конструктивного элемента устанавливается твердость от 58 до 63 HRC.
Для использования способа в соответствии с изобретением в качестве исходного материала могут использоваться стандартизованные жаростойкие стали для изготовления подшипников качения, как, например, быстрорежущая сталь М50 по нормам AISI и быстрорежущая сталь S 18-0-1 по DIN 17350.
Способ в соответствии с изобретением предпочтительно используется при изготовлении компонентов опор таких, как внутренние кольца подшипников, наружные кольца подшипников, тела качения подшипников качения, которые предусмотрены для опоры механически и термически сильно нагруженного вала теплового двигателя, как, например, вала ротора реактивного двигателя, пропеллерной турбины, газовой турбины или газотурбинного нагнетателя на отработанном газе двигателя внутреннего сгорания.
Краткое описание чертежей
Изобретение более подробно разъясняется далее в качестве примера на основании прилагаемых чертежей, на которых показано:
Фиг.1 - температурно-временная диаграмма способа в соответствии с изобретением;
Фиг.2 - диаграмма зависимости внутреннего напряжения от глубины;
Фиг.3 - полученная посредством измерений диаграмма зависимости твердости от глубины.
Детальное описание чертежей
H+D
3
H+D
H+D
H
На Фиг.1 в качественном отношении изображен во времени ход процесса термообработки в соответствии с изобретением. На первом производственном этапе 1 одновременно производится прокаливание и закалка граничного слоя соответствующего конструктивного элемента. Для этого конструктивный элемент сначала равномерно нагревается до общей температуры закалки и диффузии T в пределах между 1030°С и 1150°С выше верхней критической температуры Ас, затем под действием отдающей ионы углерода и/или азота плазмы выдерживается на время выдержки Δt на этой температуре, а затем быстро охлаждается. При этом время выдержки Δt для общего прокаливания и закалки граничного слоя конструктивного элемента больше, чем время выдержки Δt, которое было бы необходимо отдельного для прокаливания 1' конструктивного элемента, линия температурной кривой которого обозначен штриховой линией.
H+D
H+D
1
Во избежание вызываемого в результате более длительного времени выдержки Δt огрубления структуры сердцевины конструктивного элемента общая температура закалки и диффузии T по сравнению с температурой закалки Тн при сепаратном прокаливании 1' снижается примерно на 20°-40°C. По окончании процесса совместного прокаливания и закалки граничного слоя производится низкотемпературная обработка 2 конструктивного элемента примерно до -190°С. Затем непосредственно следует отпуск 3 конструктивного элемента с температурой отпуска Та в пределах от 500°С до 600°С ниже нижней критической температуры Ac.
H+D
3
Вследствие того, что прокаливание и закалка граничного слоя конструктивного элемента производится в форме плазменно-ионной закалки на совместном производственном этапе при относительно высокой общей температуре закалки и диффузии T выше верхней критической температуры Ас, получается более сильная закалка, а из-за большей глубины проникновения диффузионного элемента - более глубокая закалка граничного слоя конструктивного элемента. Тем самым создаются высокие внутренние напряжения сжатия в краевой зоне, которые предпочтительным образом сильно повышают предел усталости конструктивного элемента.
На диаграмме с Фиг.2 противопоставлены друг другу внутренние напряжения в граничном слое конструктивного элемента, который состоит из быстрорежущей стали М50 по нормам AISI, для двух различных термообработок. Значения внутренних напряжений определены, соответственно, экспериментально посредством измерения рентгеновской дифракции (XRD).
Линия внутреннего напряжения верхней кривой 4 относится к обычной термообработке, которая состоит из прокаливания при 1100°С в течение 1 часа, трехкратного отпуска при 540°С в течение, соответственно, 2 часов и однократного отпуска при 560°С в течение двух часов. Это создает в граничном слое конструктивного элемента почти постоянное внутреннее напряжение растяжения в 50 мПа, что является относительно неблагоприятным фактором, влияющим на предел усталости конструктивного элемента.
Линия внутреннего напряжения нижней кривой 5 относится, в сравнении с этим, к термообработке в соответствии с изобретением, которая состоит из одновременного прокаливания и закалки граничного слоя в форме плазменного азотонауглероживания при 1100°С в течение 3 часов, трехкратного отпуска при 540°С в течение, соответственно, 2 часов и однократного отпуска при 560°С в течение двух часов. Это создает в граничном слое конструктивного элемента внутреннее напряжение сжатия порядка от -100 мПа, с максимальными значениями примерно -130 мПа, на глубине от 0,2 до 0,3 мм, что приводит к явному повышению предела усталости конструктивного элемента.
Соответствующая линия твердости в зависимости от глубины или от расстояния до поверхности конструктивного элемента на диаграмме с Фиг.3 представлена для термообработки в соответствии с изобретением для трех одинаковых опытов по обработке. Твердость имеет на глубине примерно 0,2 мм максимальное значение в 62 HRC и по направлению к сердцевине постоянно снижается до величины примерно 59 HRC. Посредством такого изменения твердости гарантируются высокая вязкость и высокий предел усталости конструктивного элемента при одновременно высокой износостойкости поверхности.
Список обозначений
1 совместное прокаливание и закалка граничного слоя
1' сепаратное прокаливание
2 низкотемпературная обработка
3 отпуск
4 линия внутреннего напряжения (при традиционной термообработке)
5 линия внутреннего напряжения (при термообработке в соответствии с изобретением)
1
Ac нижняя критическая температура
3
Ас верхняя критическая температура t время
A
T температура отпуска
H
T температура закалки
H+D
T температура закалки и диффузии
D
Δt время выдержки диффузии, время выдержки при сепаратной закалке граничного слоя
H
Δt время выдержки закалки, время выдержки при сепаратном прокаливании
H+D
Δt время выдержки при совместном прокаливании и закалке граничного слоя