СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
METHOD OF CHEMICAL-THERMAL TREATMENT OF PARTS OUT OF STRUCTURE STEELS

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из конструкционных теплопрочных сталей, в том числе зубчатых колес, валов, пар трения и других деталей, работоспособных при нагреве в зоне контакта до 500°С.
Известен способ химико-термической обработки деталей из конструкционных сталей, состоящий из цементации при температуре (900 -920)°С, отпуска при 650°С в течение 5 часов, закалки с температуры (780-900)°С в масле, обработки холодом (-70)°С в течение 2 часов, отпуска при (160-350)°С. При данной обработке твердость цементованного слоя составляет 58-60 HRC (Книга «Авиационные зубчатые передачи и редукторы» под редакцией Э.Б.Вулгакова).
-1
Во время низкотемпературного отпуска уменьшается концентрация углерода в мартенсите, что приводит к снижению твердости слоя, т.е. разупрочнению. Детали, обработанные этим способом, могут быть использованы при рабочих температурах (150-300)°С. При повышении температуры в зоне контакта до (450-500)°С идет резкое снижение твердости цементованного слоя до 50-54 HRC вместо ≥60 HRC, резкое снижение контактной долговечности и усталостной прочности при изгибе σ=(590-690) МПа.
Известен способ термообработки вторичнотвердеющих быстрорежущих сталей, заключающийся в закалке от высоких температур (1240-1280)°С в масле, обработке холодом и трехкратном отпуске при (530-560)°С (Книга Ю.А.Геллера «Инструментальные стали»).
Способ не может обеспечить высокую ударную вязкость в комплексе с максимальной твердостью, что может быть обеспечено только на высоконикелевой теплостойкой вторичнотвердеющей стали. Этот способ термообработки пригоден только для безникелевых инструментальных сталей. Никель и марганец во вторичнотвердеющей инструментальной стали считается вредной примесью, так как увеличивает устойчивость остаточного аустенита до такой степени, что он не превращается в мартенсит после трехкратного отпуска при (560-600)°С, тем самым не обеспечивается максимальный уровень вторичного твердения. Для получения, кроме прочих свойств, высокой ударной вязкости необходимо использование стали со значительным количеством никеля, для которой требуется другая последовательность операций.
За прототип принят способ химико-термической обработки деталей из конструкционных теплопрочных сталей, включающий цементацию при температуре (980-1100)°С с непосредственной закалкой в масло с температурой от (+20)°С до (+80)°С, промежуточный отпуск при температуре (200-400)°С, обработку холодом (-50)-(-70)°С и многократный отпуск при температуре (510-560)°С (Авторское свидетельство СССР №998520).
При обработке деталей по известному режиму после непосредственной закалки с температуры цементации в слое формируется большое количество остаточного аустенита (~90%). Отпуск при температуре (200-400)°С не приводит к фазовым превращениям.
ост
Последующая обработка холодом при (-70)°С формирует в слое неоднородную структуру - крупноигольчатый мартенсит различной травимости и остаточный аустенит, что приводит к возникновению в слое неблагоприятных растягивающих напряжений вместо сжимающих (σ(-290)-(-490) МПа).
Недостатком способа является характер остаточных напряжений, создающихся в цементованном слое при непосредственном после закалки охлаждении до температуры ниже нуля, что резко снижает ударную вязкость цементованного слоя и усталостную прочность при изгибе.
Кроме того, при обработке по известному режиму вторичное твердение происходит из мартенсита, так как обработка холодом после закалки стабилизирует остаточный аустенит. При этом упрочнение происходит за счет карбидов цементитного типа, содержащих Cr и Fe, при котором упрочнение стали значительно меньше. Общая сумма карбидной фазы также значительно меньше (5% вместо 15-20%), что приводит к снижению твердости поверхности на 2,5-3 ед. HRC и резкому снижению контактной долговечности.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа химико-термической обработки деталей из конструкционных сталей, обладающих повышенной усталостной прочностью при изгибе, контактной долговечностью и ударной вязкостью цементованного слоя, что обеспечит увеличение ресурса работы изделий.
Поставленная задача достигается тем, что предложен способ химико-термической обработки деталей из конструкционных сталей, включающий цементацию, закалку, промежуточный отпуск, обработку холодом и окончательный отпуск, отличающийся тем, что цементацию проводят при температуре (920-940)°С, после которой дополнительно проводят высокотемпературный отпуск при температуре (640-680)°С и закалку при температуре (980-1000)°С, а промежуточный отпуск осуществляют при температуре (500-520)°С по крайней мере два раза.
Авторами установлено, что на сталях с небольшим содержанием карбидообразующих элементов (Cr - 3%, Мо - 2%, W - 0,5%, V≤0,2%) вторичное твердение обеспечивается выделением из твердого раствора специальных карбидов и легированного цементита. Твердость и теплостойкость тем больше, чем больше специальных карбидов в общей сумме вторичных фаз.
Установлено, что при отпусках дисперсионного твердения из остаточного аустенита выделяются специальные карбиды, а из мартенсита - легированный цементит. Следовательно, для получения высокой твердости и теплопрочности необходимо после закалки получить большое количество остаточного аустенита, а затем в процессе промежуточных отпусков (500-520)°С выделить спецкарбиды, затем провести обработку холодом и окончательный отпуск. Таким образом, установленные закономерности вторичного твердения конструкционной стали привели к необходимости построения нового цикла термообработки.
Цементация конструкционных сталей проводится при температуре (920-940)°С. При этой температуре обеспечивается наиболее оптимальная для конструкционных сталей концентрация углерода в поверхностном диффузионном слое (1,3-1,5%), максимальная твердость (≥60HRC) и глубина насыщенной карбидной зоны ~0,25-0,35 мм (сумма карбидных фаз 15-20%).
Получение в цементованном слое большого количества карбидной фазы приводит к блокирующему влиянию на сдвиги при пластической деформации, в результате чего повышается усталостная прочность и контактная долговечность обрабатываемых деталей.
Повышение температуры цементации (~1000°С) приводит к увеличению предела растворимости углерода в аустените. При этом скорость диффузии растет быстрее, чем скорость поверхностной адсорбции и на поверхности формируется незначительное количество карбидной фазы (5% вместо 15-20%).
После цементации проводится операция высокотемпературного отпуска при температуре (640-680)°С, которая сопровождается образованием большого количества карбидов, что приводит к обеднению твердого раствора углеродом и легирующими элементами и обеспечивает более благоприятную исходную структуру для получения равномерного распределения аустенита после закалки и устраняет наследственную устойчивость аустенита.
23
6
6
При последующей закалке при температуре (980-1000)°С в цементованном слое стали образуется большое количество остаточного аустенита (~70%). В процессе промежуточных отпусков при (500-520)°С протекает мартенситное превращение и выделение из аустенита большого количества высокодисперсных частиц спецкарбидов (МеС, МС), легированных Мо, W, V, которые, увеличивая энергию связи атомов в карбидах, повышают их устойчивость против коагуляции, в результате чего повышается твердость (57-60 HRC), теплопрочность (до 500°С), контактная долговечность и усталостная прочность обрабатываемых деталей.
Обработка холодом повышает твердость до требуемых значений (61-63 HRC), обеспечивая более полное превращение остаточного аустенита в мартенсит. Применение обработки холодом после промежуточных отпусков дисперсионного твердения позволяет существенно повысить твердость цементованного слоя (~3-4 ед. HRC) с одновременным повышением усталостной прочности, контактной долговечности при обеспечении высокой ударной вязкости цементованного слоя. Окончательный, после обработки холодом, отпуск проводится с целью отпуска мартенсита, образующегося в процессе предварительных обработок.
Предложенный режим химико-термической обработки дисперсионно-твердеющих конструкционных сталей обеспечивает получение в структуре цементованного слоя мелкодисперсного мартенсита и глобулярных карбидов, залегающих на глубину 0,25-0,35 мм. Количество остаточного аустенита 5-10%. Микроструктура цементованного слоя после обработки по известному методу представляет собой крупноигольчатый мартенсит различной травимости и остаточный аустенит (20-30%), который снижает показатели механических характеристик.
Пример осуществления
В опытно-промышленных условиях была выплавлена плавка стали 13Х3Н3М2 ВФБ методом электрошлакового переплава. Механические свойства определялись на стандартных образцах после различных режимов химико-термической обработки, приведенных в таблице.
Свойства конструкционной стали после обработки по граничным (1,3) и оптимальному значениям предлагаемого способа химико-термической обработки в сравнении с прототипом по оптимальному режиму приведены в таблице.
Как видно из таблицы свойств, обработка конструкционных сталей по предлагаемому способу по сравнению с известным увеличивает усталостную прочность при изгибе на (40-80) МПа, контактную долговечность в 3-3,5 раза и ударную вязкость на 30-40%.
Таким образом, применение предлагаемого способа позволит повысить несущую способность деталей редукторов и пар трения и обеспечить надежность изделий в условиях высоких температур, в том числе в аварийных ситуациях при вытекании масла из редуктора.
№ п/п
Способ химико-термической обработки
Механические свойства
σ<sub>-1</sub>, МПа
N<sub>ц</sub>×10<sup>6</sup> при σ<sub>к</sub>=2250, МПа
КС, МДж/м<sup>2</sup>
Микроструктура цементованного слоя
Количество карбидной фазы, %
1
2
3
4
5
6
7
1
Цементация при 920°С, отпуск при 640°С, закалка 980°С, отпуск при 500°С, 2 раза, обработка холодом (-50)°С, отпуск при 510°С.
1000
8,5
0,25
мелкодисперсный мартенсит+глобулярные карбиды на глубине 0,25 мм
15
2
Цементация при 930°С, отпуск при 660°С, закалка 990°С, отпуск при 510°С, 3 раза, обработка холодом при (-60)°С, отпуск при 510°С.
1020
9,5
0,28
мелкодиспереный мартенсит+глобулярные карбиды на глубине 0,3 мм
17,5
3
Цементация при 940°С, отпуск 680°С, закалка 1000°С, отпуск при 520°С, 4 раза, обработка холодом при (-70)°С, отпуск при 510°С.
1040
10,5
0,3
Мелкодиспереный мартенсит+глобулярные карбиды на глубине 0,35 мм
20
4
Цементация при 1000°С, закалка масло 30°С, отпуск при 350°С, обработка холодом при (-70)°С, отпуск при 510°С, 3 раза.
960
3,0
0,18
игольчатый высокоотпущенный мартенсит и отдельные карбиды
5
σ<sub>-1</sub> - усталостная прочность при изгибе в МПа,N<sub>ц</sub> - число циклов при контактном напряжении по Герцу σ<sub>к</sub>=2250 в МПа,КС - удельная вязкость цементованного слоя в образцах без надреза, МДж/м<sup>2</sup>