СПОСОБ ОБРАБОТКИ ДЛИННОМЕРНОЙ СТАЛЬНОЙ ДЕТАЛИ
METHOD TO PROCESS LONG STEEL PART

Изобретение относится к области обработки поверхности металлического материала путем взаимодействия поверхности с ионизированным газом и может быть использовано, например, для обработки длинномерных прецизионных цилиндров скважинных насосов, работающих в условиях абразивного износа.
7
Известен способ изготовления деталей из конструкционных сталей (пат. RU 2250273, МПК С23С 8/26, опубл. 2002.12.20), включающий черновую механическую обработку, стабилизирующий отпуск, окончательную механическую обработку и двухступенчатое газовое азотирование с выдержкой в атмосфере аммиака сначала при температуре 510-515°С, затем при 540-545°С и последующее охлаждение. Окончательную механическую обработку проводят путем двухкратной чистовой механической обработки с промежуточным и окончательным отпуском в селитровой ванне при температуре 520-540°С в течение 0,25-0,5 ч, а двухступенчатое газовое азотирование деталей проводят в постоянном магнитном поле напряженностью 100-150 Э в течение 1-2 ч с последующим охлаждением со скоростью 20-30°С/мин.
Такой способ сложен, что объясняется необходимостью проведения перед азотированием окончательной механической обработки путем двукратной чистовой механической обработки с промежуточным и окончательным отпуском в селитровой ванне при температуре 520-540°С в течение 0,25-0,5 ч. Кроме того, при обработке таким способом в процессе азотирования происходят деформации длинномерной детали, требующие последующей механической обработки - правки и хонингования, что значительно ухудшает качество азотированного слоя.
2
Известен способ ионно-вакуумного азотирования длинномерной стальной детали в тлеющем разряде (RU 2044801 С1, МПК С23С 8/36, 27.09.1995 г.), включающий азотирование с комбинированным нагревом при давлении 2-3 мм рт.ст., температуре на рабочей кромке 430-480°С, плотности ионного тока 0,3 мА/см, продолжительности 24 ч, после которого осуществляют дополнительный нагрев в вакууме или азотсодержащей атмосфере при температуре выше температуры азотирования, но не превышающей температуру разупрочнения материала.
При обработке таким способом происходят деформации длинномерной детали, требующие последующей механической обработки - правки и хонингования, что ухудшает качество азотированного слоя.
4
Наиболее близким к заявляемому и принятым в качестве прототипа является способ газового азотирования стальных изделий (авторское свидетельство SU 1502656, МПК С23С 8/26, опубл. 1989.08.23), включающий нагрев детали, предварительное азотирование при температуре 510±10°С, окончательное азотирование при температуре 530±5°С, последующее охлаждение. Для обеспечения точности геометрических параметров длинномерной детали требуется последующая механическая обработка - правка и хонингование.
Недостатками такого способа являются пониженная твердость и износостойкость обработанных поверхностей, недостаточная равномерность и однородность азотированного слоя. Последующая механическая обработка - правка и хонингование нарушает целостность, равномерность азотированного слоя, нарушает сплошность нитридной зоны и, как следствие, значительно ухудшает эксплуатационные свойства детали.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа ионно-вакуумного азотирования длинномерных стальных деталей, обеспечивающего геометрическую точность деталей и сохранение целостности, равномерности и сплошности азотированного слоя.
Поставленная задача решается усовершенствованием способа обработки длинномерной стальной детали, включающего ионно-вакуумное предварительное и окончательное азотирование в тлеющем разряде, правку и хонингование.
Это усовершенствование заключается в том, что правку и хонингование осуществляют после предварительного перед окончательным азотированием, при этом предварительное азотирование проводят при температуре 510-530°С в течение 8-14 ч и давлении 350-600 Па, а окончательное азотирование проводят при температуре 500-540°С в течение 2,0-4,0 ч и давлении 390-650 Па.
Осуществление предварительного азотирования при температуре 510-530°С в течение 8-14 ч и давлении 350-600 Па позволяет получить азотированный слой толщиной 0,2-0,3 мм с поверхностной нитридной зоной 6-10 мкм и твердостью HV 800-1100.
2
Однако, например, при изготовлении цилиндров скважинных насосов наличие разностенности ≥0,4 мм, остаточных напряжений ≥5 кгс/мм и обезуглероженного слоя ≥0,2 мм, полученных при заготовительном переделе, не позволяют получить требуемую прямолинейность канала цилиндра и необходимых диаметральных размеров.
Поэтому для обеспечения требуемой прямолинейности канала и необходимых диаметральных размеров требуется после предварительного азотирования проведение правки и хонингования. Однако при этом азотированный слой нарушается, его размер местно уменьшается до 0,15-0,2 мм, а твердость до 750-800 HV.
Выполнение после правки и хонингования окончательного азотирования при температуре 500-540°С в течение 2,0-4,0 ч и давлении 390-650 Па позволяет получить равномерный азотированный слой толщиной 0,25-0,35 мм с развитой нитридной зоной толщиной 8-12 мкм и твердостью HV 900-1200, сохранив полученные при правке и хонинговании прямолинейность оси длинномерной детали и необходимые диаметральные размеры.
Таким образом, в процессе предварительного азотирования, правки, хонингования и окончательного азотирования обеспечивается возможность формирования равномерного азотированного слоя требуемой твердости с развитой нитридной зоной и получения длинномерной детали необходимой геометрической точности.
Способ осуществляется следующим образом.
Стальные длинномерные детали помещают в вакуумную камеру ионно-вакуумной химико-термической обработки и осуществляют их нагрев в тлеющем разряде, предварительное азотирование при температуре 510-530°С в течение 8-14 ч и давлении 350-600 Па, обеспечивая получение азотированного слоя с необходимой толщиной 0,2-0,3 мм с поверхностной нитридной зоной 6-10 мкм и требуемой твердостью HV 800-1100 необходимой твердости. После этого выполняют правку на гидравлическом прессе, обеспечивая прямолинейность 0,08 мм на длине 1000 мм, и хонингование на горизонтально-хонинговальном станке с обеспечением требуемого номинального диаметра цилиндра, допуска на диаметр до 0,005 мм и разноразмерности до 0,02 мм. Затем выполняют окончательное азотирование при температуре 500-540°С в течение 2,0-4,0 ч и давлении 390-650 Па для получения требуемой толщины и твердости азотированного слоя, сохраняя при этом геометрические параметры канала цилиндра, полученные после правки и хонингования.
+10
+0,05
-0,3
Предлагаемым способом обработали цилиндры скважинных штанговых насосов из стали 38Х2МЮА длиной 4262 мм, внутренним диаметром 44,45 мм, наружным диаметром 57,85. Детали размещали в камере с использованием специальной оснастки по 18 штук. Азотосодержащий газ (смесь 1 части азота и 3 частей водорода) подавали в течение всего цикла предварительного азотирования. Предварительное азотирование выполняли при температуре 530°С в течение 10 ч и давлении 420 Па.
+0,04мм
После чего выполняли правку на гидравлическом прессе с контролем по внутреннему каналу цилиндра, обеспечивая прямолинейность до 0,08 мм на 1000 мм и хонингование на размер 44,45 с обеспечением разноразмерности 0,02 мм на всей длине цилиндра. Окончательное азотирование производили в течение 3 часов при температуре 510°С и давлении 450 Па.
В результате получили детали с равномерно развитым азотированным слоем толщиной 250-300 мкм и твердостью на поверхности 1100-1200 HV, на глубине 10 мкм - 1000-1100 HV, на глубине 20 мкм - 950-1000 HV, на глубине 50 мкм - 850-920 HV, на глубине 150 мкм - 600-650HV, на глубине 250 мкм - 350-400HV. Азотированный слой имел равномерную и умеренно развитую нитридную зону толщиной 5-8 мкм. При этом прямолинейность цилиндра была в пределах 0,08 мм на 1000 мм, а увеличение внутреннего диаметра не превысило 0,01 мм и не вышло за поле допуска и требуемые параметры по разноразмерности.
Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет обеспечить требуемые геометрические характеристики обработанной детали и получить равномерный азотированный слой требуемой твердости.