СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОЙ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ МЕТАЛЛОВ ИЛИ СПЛАВОВ
METHOD OF COMBINED CHEMICAL-THERMAL TREATMENT OF PARTS FROM METALS OR ALLOYS

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии, именно к химико-термической обработке деталей из металлов или сплавов способом насыщения (легирования) поверхностного слоя неметаллами (углерод, азот, бор и др.) или металлами (цинк, хром, алюминий и др.) и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей или придания им особых свойств.
В настоящее время для химико-термической обработки используются различные виды энергии и различные среды, в которых происходит насыщение поверхностных слоев легирующими элементами. Процесс протекает в расплавах солей, в нагретых газах, получаемых при сжигании углеводородного топлива, в твердых карбюризаторах, в вакууме или тлеющем разряде (ионное азотирование).
Все перечисленные способы имеют ряд недостатков:
- длительность процесса до 90 часов;
- недостаточная эффективная толщина диффузионного слоя (при борировании до 0,3 мм, при азотировании до 0,8 мм);
- существенное изменение свойств легированного слоя по толщине;
- большие энергозатраты.
Известны различные методы ускорения процессов и глубины химико-термической обработки: путем изменения режимов нагрева деталей, выбора сталей различного химического состава, изменения состава и свойств активной среды, применения двухступенчатого нагрева, изменения структуры материалов.
Такие технологические решения рассматриваются в различных источниках информации, но их применение не устраняет перечисленных недостатков:
1. Тылкин М.А. Справочник термиста ремонтной службы. Москва, Металургия, 1981.; [1]
2. Металловедение и термическая обработка стали: Справ. изд. - 3-е изд., перераб. и доп. В 3-х Т. Т. II. Основы термической обработки / Под. ред. Бернштейна М.А., Рихштадта А.Г. М.: Металлургия 1983. 368. С. [2]
Известен способ ионного азотирования в тлеющем разряде, позволяющий сократить время процесса в 1,5-2 раза. Однако, и в этом случае, эффективная толщина упрочненного слоя для ряда деталей (коленчатые валы, распределительные валы двигателей внутреннего сгорания) не превышает 0,4 мм при цикле обработки до 40 часов (Светличный Н.Н., Аюкин З.А. и др. Развитие упрочняющей технологии коленчатых валов дизелей КАМАЗ. Автомобильная промышленность, 2015, №4 - С. 29-33) [3].
Наиболее близким, по существу заявляемого изобретения, прототипом является способ химико-термической обработки при индукционном нагреве сталей в активной среде (см. Николаев Е.Н., Коротин И.М. Термическая обработка металлов токами высокой частоты. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., "Высшая школа". 1977, с. 131). [4]
Недостатком прототипа [4] является то, что ток высокой частоты используется только для нагрева деталей, частота тока выбирается из необходимости прогрева деталей на всю глубину, а не для воздействия на диффузионные процессы в поверхностном слое.
Применение такой технологии снижает возможности управления скоростью диффузионных процессов в поверхностных слоях деталей, при больших мощностях высокочастотных установок с коэффициентом полезного действия менее 35%.
Все известные технологии химико-термической обработки требуют больших затрат энергии, так как эффективные способы управления скоростью процессов диффузии легирующих элементов в поверхностные слои металлов не разработаны.
Известные способы химико-термической обработки деталей из металлов или сплавов не позволяют получать эффективную глубину легированного слоя, более 0,3-0,8 мм. Для деталей, работающих в условиях абразивного износа или подвергающихся обработке в ремонтные размеры (например, коленчатые валы двигателей), минимальная эффективная толщина легированного слоя составляет 1,5-2 мм. Эта задача для процессов азотирования, борирования известными способами не решается.
Повышение толщины легированного слоя, в предлагаемом способе, достигается тем, что нагрев деталей и активной среды проводится любыми источниками энергии, а ток высокой частоты, возбуждается только в поверхностных слоях, на глубину необходимого легирования.
Сущность предлагаемого способа химико-термической обработки деталей из металлов или сплавов заключается в нагреве деталей и активной среды при одновременном воздействии на скорость и глубину диффузионных процессов высокочастотными токами, возбуждаемыми в поверхностных слоях на глубину насыщения легирующими химическими элементами.
Заявляемое изобретение может быть осуществлено, например, следующим путем.
В печь для азотирования в атмосфере аммиака помещают детали и проводят процесс азотации по известным технологиям. Одновременно в поверхностных слоях деталей возбуждаются высокочастотные токи путем прямого подключения к высокочастотному источнику электрического тока или методом электромагнитной индукции.
Возникающие при этом в поверхностных слоях вихревые токи вызывают хаотичное перемещение не только электронов, но и ионов легирующих элементов, что ускоряет процессы диффузии на всю глубину проникновения тока.
Скорость этих процессов зависит от плотности индуктируемых токов, что обеспечивается их концентрацией в поверхностных слоях, и выбором соответствующей частоты при минимальной мощности высокочастотных установок. Поэтому частоту тока необходимо выбирать в соответствии с необходимой глубиной легирования по известной формуле [4]:
где δ - глубина проникновения тока высокой частоты (глубина легирования)
2
ρ - удельное электрическое сопротивление, Ом⋅мм/м;
М - магнитная проницаемость материала, Гс/э;
t - частота тока, Гц.
Для практических расчетов можно использовать упрощенную формулу [4]:
В зависимости от целей химико-термической обработки, воздействие на скорость процесса и глубину легирования можно проводить путем изменения силы тока, частоты тока или путем периодического включения-отключения источника.
Технический результат предлагаемого способа химико-термической обработки заключается в получении необходимой глубины легирования поверхностных слоев металла при минимальных затратах времени и энергии.
Источники информации
1. Тылкин М.А. Справочник термиста ремонтной службы. Москва, Металлургия, 1981.
2. Металловедение и термическая обработка стали: Справ. изд - 3-е изд. перераб. и доп. В 3-х т. Т. 11. Основы термической обработки / под ред. Бернштейна М.А., Рихштадта А.Г.: Металлургия 1983. 368 с.
3. Светличный Н.Н, Аюкин З.А. и др. Развитие упрочняющей технологии коленчатых валов дизелей КАМАЗ. Автомобильная промышленность, 2015, №4. - с. 29-33.
4. Николаев Е.Н., Коротин И.М. Термическая обработка металлов токами высокой частоты. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., "Высшая школа". 1977, с. 131.