СПОСОБ ИОННО-ВАКУУМНОЙ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНОЙ ДЕТАЛИ С РЕЗЬБОВОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
PROCEDURE FOR ION-VACUUM CHEMICAL-THERMAL TREATMENT OF STEEL PART WITH THREADED SURFACE

Изобретение относится к области химико-термической обработки сталей ионно-вакуумным азотированием и может быть использован для упрочнения деталей с резьбовой поверхностью.
Известен способ химико-термической обработки стальной детали с резьбовой поверхностью, описанный в способе изготовления шпинделя из стали для трубопроводной арматуры (пат. RU 2308543, МПК (2006.01) С23С 28/00, опубл. 2007.10.20), включающий нагрев детали до 320°С-450°С, изотермическое азотирование в течение 20-60 минут и последующее нанесение многослойного титаносодержащего покрытия.
Недостатком такого способа является его высокая сложность, трудоемкость и стоимость нанесения многослойных композиционных покрытий.
Известен способ азотирования резьбовых деталей (авторское свидетельство SU 981449, опубл. 1982.12.15), включающий нагрев деталей до 520°С, изотермическое азотирование в течение 10-14 часов и охлаждение.
Данный способ имеет большую длительность изотермического азотирования и не гарантирует высококачественного упрочнения в связи с охрупчиванием и неравномерным развитием азотированного слоя на резьбовой поверхности.
Наиболее близким к заявляемому и принятым в качестве прототипа является способ ионно-вакуумного азотирования стальной детали с резьбовой поверхностью (М.С.Поляк. Технология упрочнения. Технологические методы упрочнения. Т.2. - М.: Машиностроение, 1995 г., с.415-419), включающий ее нагрев, в азотосодержащем газе при температурах, начиная с 350-400°С, изотермическую выдержку и охлаждение.
Такой способ позволяет повысить качество и потребительские свойства резьбовых деталей.
Однако необходимость изотермической выдержки увеличивает длительность процесса и не позволяет получить равномерный и однородно-развитый слой и сохранить размерную точность и шероховатость резьбы.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества и потребительских свойств резьбовых деталей, производительности и сокращения затрат ресурсов путем азотирования в процессе нагрева и охлаждения.
Поставленная задача решается усовершенствованием способа ионно-вакуумной химико-термической обработки стальной детали с резьбовой поверхностью, включающего ее нагрев, азотирование и охлаждение.
Для решения поставленной задачи азотирование осуществляют в процессе нагрева от 390-410°С до 500-570°С в течение 1-4 часов, а охлаждение с 500-570°С до 350-400°С осуществляют в течение 40-60 минут в плазме тлеющего разряда непосредственно после нагрева.
Такое выполнение операций способа позволяет получить азотированный слой не более 200 мкм и избежать его охрупчивания.
При температуре ниже 390°С процесс азотирования не осуществляется, а при температуре выше 570°С образуется азотированный слой с пониженной твердостью в связи с возможным перегревом резьбовой поверхности в ионной плазме, имеющей повышенную энергоемкость в электрическом анормальном тлеющем разряде.
После достижения указанных температур нагрева осуществляют охлаждение детали в ионной плазме до 350-400°С в течение 40-60 минут, что позволяет повысить концентрацию нитридных фаз для формирования более равномерного и однородноразвитого слоя, а также позволяет сохранить размерную точность и шероховатость резьбы.
Такое замедленное («мягкое») охлаждение способствует снижению и благоприятному распределению внутренних остаточных напряжений при дисперсионном твердении в тонком высокопрочном азотированном слое с повышенной твердостью >600 HV.
Способ осуществляется следующим образом.
Стальные детали с резьбовой поверхностью помещают в вакуумную камеру и осуществляют их ионно-вакуумный нагрев от 390-410°С до 500-570°С в азотосодержащем газе и при давлении р=4-10 гПа (мбар) в течение 1-4 часов. Непосредственно после нагрева охлаждение с 500-570°С до 350-400°С осуществляют в течение 40-60 минут в ионной плазме тлеющего разряда при давлении р=4-10 гПа (мбар).
Предлагаемым способом азотировали резьбовые замки насосно-компрессорных труб (НКТ 89 №45) из стали 40ХГМА с резьбовым участком длиной 53 мм, которые размещались в нагревательной камере на специальной оснастке в количестве 60 шт в садке, нагрев деталей осуществляли в ионной плазме от 400°С до 540°С в течение 2.5 часов в смеси азота и водорода (1/3) при давлении 6 гПа (мбар). Непосредственно после нагрева проводили охлаждение с 540°С до 400°С в течение 40 минут при давлении 6 гПа (мбар).
Микроструктурный анализ образцов-свидетелей и трех деталей от каждого ряда садки показал, что предлагаемый способ ионно-вакуумного азотирования обеспечивает формирование качественного и равномерно развитого азотированного слоя по всей резьбе в пределах 100-120 мкм с поверхностной твердостью >650 HV, что соответствует конструкторским и технологическим требованиям.
Таким образом, использование предлагаемого способа обеспечивает требуемое качество и свойства азотированных деталей с резьбовой поверхностью и снижает трудовые и материальные затраты.