СПОСОБ ЭЛЕКТРОДИФФУЗИОННОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ ПОЛОЙ ДЕТАЛИ ИЗ СТАЛИ
ELECTRODIFFUSION THERMAL TREATMENT OF HOLLOW PART FROM STEEL

Изобретение относится к металлургии, а именно к термической обработке стальных деталей.
2
Наиболее близким по технической сущности, выбранным в качестве прототипа является способ термической обработки стальных деталей [Патент РФ №2061089, кл. С23С 8/42, опубл. 1996], включающий нагрев до 830-1190 К, анодную поляризацию током плотностью от 0,1 до 25,0 А/дм в солевом расплаве со вспомогательным электродом в течение 1,5-3,0 ч и охлаждение. В результате известной термообработки на наружной поверхности детали образуется равномерный слой толщиной 80-150 мкм с повышенными микротвердостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью, однако на внутренней поверхности детали с полостью толщина слоя меньше в 2-3 раза, а эксплуатационные характеристики понижены.
Известной причиной, препятствующей достижению технического результата, обеспечиваемого предлагаемым изобретением, является недостаточное упрочнение и повышение коррозионной стойкости внутренней поверхности полой детали из стали, что не обеспечивает длительного ресурса полых деталей с рабочей внутренней поверхностью.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение доремонтного ресурса стальной полой детали с рабочей внутренней поверхностью.
При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении микротвердости и увеличении толщины защитного слоя внутренней поверхности полой детали из стали.
2
Указанный технический результат достигается за счет обработки полой детали из стали способом, включающим в себя герметизацию нижнего торца обрабатываемой детали, помещение внутрь детали вспомогательного электрода и загрузку солевого расплава до уровня на 2,5-3,5 мм ниже верхнего торца обрабатываемой детали, нагрев до 830-1190 К, анодную поляризацию током плотностью от 0,1 до 25,0 А/дм в солевом расплаве (электролите) в течение 1,5-3,0 ч со вспомогательным электродом, выливание солевого расплава и охлаждение.
В качестве солевого расплава (электролита) можно использовать, например, вакуумированный расплав тетрабората натрия с добавкой 0,2-0,5 мас.% оксида железа (II) [А.с. СССР 1761812, кл. С23С 8/10, опубл. 1992]. Возможно применение и других известных соляных расплавов, работоспособных при 830-1190 К [Смольников Е.А. Термическая и химико-термическая обработка инструментов в соляных ваннах. - М.: Машиностроение, 1989. - 312 с.].
2
Между заявленным техническим результатом и существенными признаками изобретения имеется следующая причинно-следственная связь: в процессе анодной поляризации полой детали током плотностью от 0,1 до 25,0 А/дм в солевом расплаве при температуре 830-1190 К в течение 1,5-3,0 ч легирующие компоненты, входящие в состав стальной полой детали, направленно диффундируют именно на внутреннюю поверхность полой детали, способствуя формированию защитного слоя с увеличенной по сравнению с прототипом толщиной и повышенной микротвердостью благодаря наличию вспомогательного электрода внутри полой детали.
Перед осуществлением предлагаемого способа необходимо провести герметизацию нижнего торца обрабатываемой детали, поместить внутрь детали вспомогательный электрод и осуществить загрузку солевого расплава, являющегося электролитом, до уровня на 2,5-3,5 мм ниже верхнего торца обрабатываемой детали. Получение уровня солевого расплава менее 2,5 мм до верхнего торца детали приведет к переполнению и переливу его через верхний торец обрабатываемой детали в процессе обработки, что загрязняет установку. Понижение уровня солевого расплава более 3,5 мм до верхнего торца детали вызовет уменьшение высоты обработанной части детали, что не обеспечит максимальное увеличение ее доремонтного ресурса.
Герметизацию нижнего торца обрабатываемой детали можно провести несколькими способами: например, заглушкой с высокотемпературной замазкой из силиката натрия и порошкообразного оксида алюминия или зажимом в виде хомута, стяжки и т.п.
Введение электрода в полость анода и регулирование уровня электролита известно [Патент РФ №2080423, кл. С25D 5/14, опубл. 1997]. Однако в предлагаемом изобретении обрабатываемую деталь используют еще и в качестве емкости для солевого расплава, что исключает потребность во внешней электролитической ванне и сокращает расход солевого расплава.
Примеры осуществления предлагаемого способа электродиффузионной термообработки (ЭДТО) полой детали из стали приведены ниже.
3
2
Перед нагревом проводили герметизацию обрабатываемой детали, внутрь детали помещали вспомогательный электрод и загружали солевой расплав до уровня на 2,5-3,5 мм ниже верхнего торца обрабатываемой детали. Использовали вакуумированный расплав тетрабората натрия с добавкой 0,2-0,5 мас.% оксида железа (II). Деталь помещали в шахтную электропечь мощностью 2,5 кВт и рабочим объемом 1,6 дм и нагревали. По достижении необходимой температуры термообработки проводили анодную поляризацию током плотностью 0,1-25,0 А/дм. После требуемой продолжительности анодной поляризации установку отключали, извлекали из электропечи вспомогательный электрод и деталь, выливали из детали солевой расплав и охлаждали ее с требуемой скоростью (нормализация или закалка).
После охлаждения детали проводили экспресс-испытания и изготовляли микрошлифы для определения микротвердости и толщины слоя. Режимы и результаты осуществления предлагаемого способа приведены в таблице.
Таблица
Режимы и результаты обработки полых деталей по предлагаемому способу
№ опыта
Деталь (марка стали)
Режим обработки
Микротвердость внутренней поверхности, ГПа
Толщина защитного слоя, мкм
Доремонтный ресурс при экспресс испытаниях, ч
Т, К/т, ч*
плотность тока. А/дм<sup>2</sup>
исходная
после ЭДТО
1
Втулка (40Х)
1073/2
0,14
6,00
9,22
153
51,2
2
Кольцо упорное (30ХГСН2А)
1073/2
0,14
6,07
9,56
160
56,3
3
Кольцо (40Х)**
1073/2
0,14
6,00
6,00-9,12
0-153
39,7
4
Кольцо (40Х)***
1073/2
0,14
6,00
9,19
151
50,9
5
Втулка (40Х), прототип
1073/2
0,14
6,00
6,97
43
36,3
6
Кольцо упорное (30ХГСН2А), прототип
1073/2
0,14
6,07
7,05
48
37,8
Примечание. "Температура (числитель) и продолжительность (знаменатель) ЭДТО
**Уровень солевого расплава был на 4 мм ниже верхнего торца обрабатываемой детали
***Уровень солевого расплава был на 2 мм ниже верхнего торца обрабатываемой детали (произошло выплескивание солевого расплава внутрь электропечи)
Приведенные в таблице данные показывают, что предлагаемый способ позволяет повысить микротвердость защитного слоя внутренней поверхности полой детали из стали в 1,5-1,6 раза. При этом толщина защитного слоя по сравнению с прототипом увеличивается в 3,3-3,5 раза, а доремонтный ресурс деталей возрастет на 40-50%.
Отклонение от рекомендованного уровня солевого расплава приводит к негативным последствиям: 1) если уровень менее 2,5 мм (опыт №4), происходит выплескивание солевого расплава; 2) если уровень более 3,5 мм (опыт №3) - уменьшается ресурс обработанной детали, происходит перекос детали при последующей эксплуатации.