Способ упрочнения металлических деталей и покрытие для них
METHOD FOR HARDENING METAL PARTS AND COATING FOR THEM

Техническое решение относится к области машиностроения, в частности, к термической и химико-термической обработке, и может быть использовано для получения высокопрочных и износостойких покрытий на металлических деталях, например, на кольцах, шариках и роликах подшипников, выполненных из марки стали с мас. %: вольфрам 8,5-9,5, хром 4,0-4,6, ванадий 1,4-1,7, углерод 0,7-0,8, марганец ≤0,40, кремний ≤0,40, никель ≤0,35, молибден ≤0,3, фосфор ≤0,03, сера ≤0,03, железо - остальное.
2
2
Известен способ нанесения покрытия на стальную полосу, содержащую, вес.%: С 0,04-1,0, Mn 9,0-30,0, Al 0,05-15,0, Si 0,05-6,0, Cr≤6,5, Cu≤4, Ti+Zr ≤0,7, Nb+V ≤0,5, остальное - железо и неизбежные примеси, включающий отжиг стальной полосы при температуре от 800 до 1000°С в атмосфере, содержащей N-H с образованием в результате реакции с содержащимися в стали элементами в приповерхностной области полосы азотированного слоя, а затем нанесение на него электролитическим путем покрытий из цинка или цинкового сплава. Патент РФ на изобретение № 2544321, МПК: C21D 8/04; C22C 38/58; C23C 8/24; C23C 2/06; опубликован: 20.03.2015.
Известен способ низкотемпературного азотированиялегированной стали 38ХМЮА в среде аммиака. Насыщение поверхностного слоя азотом проводят при температуре T=520°C в течение 24 часов (см. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б. Н. Химико-термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1985, с. 255).
Также известен способ термической обработки и азотирования стали Х12М, включающий закалку от 1000°С, отпуск при 520°С и азотирование стали при температуре 510-520°С в течение 8-12 ч.
Покрытия, полученные известными способами, характеризуются хрупкостью и недолговечностью. Кроме того, существующие методы азотирования не проводились ранее на изделиях из марки стали с мас. %: вольфрам 8,5-9,5, хром 4,0-4,6, ванадий 1,4-1,7, углерод 0,7-0,8, марганец ≤0,40, кремний ≤0,40, никель ≤0,35, молибден ≤0,3, фосфор ≤0,03, сера ≤0,03, железо - остальное.
Задачей заявляемого технического решения является разработка технологичного способа упрочнения рабочих поверхностей металлических деталей, выполненных из марки стали с мас. %: вольфрам 8,5-9,5, хром 4,0-4,6, ванадий 1,4-1,7, углерод 0,7-0,8, марганец ≤0,40, кремний ≤0,40, никель ≤0,35, молибден ≤0,3, фосфор ≤0,03, сера ≤0,03, железо - остальное.
Технический результат заявляемого технического решения проявляется в повышении прочности, твердости, износостойкости, выносливости материала деталей.
Технический результат достигается тем, что для упрочнения металлических деталей, выполненных из марки стали с мас. %: вольфрам 8,5-9,5, хром 4,0-4,6, ванадий 1,4-1,7, углерод 0,7-0,8, марганец ≤0,40, кремний ≤0,40, никель ≤0,35, молибден ≤0,3, фосфор ≤0,03, сера ≤0,03, железо - остальное, после цикла термообработки и шлифования материала детали производят его сушку при температуре 100-120°С в течение 1-2 часов, после чего проводят азотирование материала в среде аммиака при температуре 500-600°С с выдержкой от 15 до 30 часов, а затем подачу аммиака прекращают и материал выдерживают при температуре 500-600°С в течение 60-120 мин.
Технический результат достигается также тем, что покрытие для металлических деталей, выполненных из марки стали с мас. %: вольфрам 8,5-9,5, хром 4,0-4,6, ванадий 1,4-1,7, углерод 0,7-0,8, марганец ≤0,40, кремний ≤0,40, никель ≤0,35, молибден ≤0,3, фосфор ≤0,03, сера ≤0,03, железо - остальное, включает азотированный слой глубиной 0,1-0,3 мм, с твердостью 900-1100 HV.
Термическая обработка металлических деталей, в частности, деталей подшипников, таких как, кольца, шарики, ролики, выполненных из марки стали с  мас. %: вольфрам 8,5-9,5, хром 4,0-4,6, ванадий 1,4-1,7, углерод 0,7-0,8, марганец ≤0,40, кремний ≤0,40, никель ≤0,35, молибден ≤0,3, фосфор ≤0,03, сера ≤0,03, железо - остальное включает в себя закалку и отпуск, в следствии чего повышается прочность изделия и, соответственно, твердость в пределах 60-65,0 HRC для данной марки стали. Этот процесс необходим для того, чтобы азотированный слой наносился на прочную поверхность и не продавливался во время работы.
Азотирование материала в среде аммиака при температуре 500-600°С с выдержкой от 15 до 30 часов с дальнейшим прекращением подачи аммиака  и выдержкой при температуре 500-600°С в течение 1-2 часов позволяет получить азотированный слой с глубиной 0,1-0,3 мм, с твердостью 900-1100 HV (66-71 HRC), что повышает предел выносливости и износостойкости материала, в следствии чего увеличивается ресурс долговечности деталей в несколько раз. Температура азотирования подобрана таким образом, чтобы детали, выполненные из марки стали с  мас. %: вольфрам 8,5-9,5, хром 4,0-4,6, ванадий 1,4-1,7, углерод 0,7-0,8, марганец ≤0,40, кремний ≤0,40, никель ≤0,35, молибден ≤0,3, фосфор ≤0,03, сера ≤0,03, железо - остальное не подвергались процессу переотпуска, который негативно сказывается на твердости деталей из данной марки стали. При температуре больше 600°С происходит переотпуск деталей, который негативно сказывается на твердости их материала. При температуре меньше 500°С увеличивается длительность процесса азотирования для достижения необходимой глубины и требуемой твердости азотированного слоя.
При азотировании менее 15 часов не происходит достаточного насыщения поверхности деталей азотом, толщина азотированного слоя будет недостаточной для достижения заявленного результата.  При азотировании более 30 часов происходит перенасыщение поверхности деталей азотом, азотированный слой становится хрупким, что негативно влияет на долговечность деталей. При выдержке менее 1го часа распределение азота неравномерно в азотированном слое, как следствие будет повышена отпускная хрупкость, что негативно влияет на износостойкость и долговечность деталей. При выдержке более 2х часов концентрация азота на поверхности будет снижаться, твердость будет падать, что также снизит износостойкость и долговечность деталей.
Азотированный слой глубиной 0,1-0,3 мм, твердостью 900-1100 HV характеризует изделие оптимальными прочностными характеристиками при высокой технологичности способа. Азотированный слой глубиной менее 0,1 мм и твердостью менее 900 HV является недостаточным для стойкого упрочнения материала. При этом, слой глубиной более 0,3 мм и твердостью более 1100 HV не целесообразен для использования и трудоемок для упрочнения стали с указанным составом.
Предпочтительно, на поверхности, требующей защиту от азотирования, предварительно наносят защитное покрытие, например, в виде жидкого стекла, для исключения повреждения уязвимых участков материала, при этом, не усложняя технологию его упрочнения.
Заявляемый способ обработки металлических деталей, таких как, кольца, шарики или ролики подшипников, может быть произведен, в частности, с использованием вакуумной закалочной термической печи для азотирования или другом термическом оборудовании, обеспечивающем поддержание заявляемых технологических параметров.
Осуществление заявленного способа далее представлено на примере упрочнения кольца подшипника из марки стали с мас. %: вольфрам 8,5-9,5, хром 4,0-4,6, ванадий 1,4-1,7, углерод 0,7-0,8, марганец ≤0,40, кремний ≤0,40, никель ≤0,35, молибден ≤0,3, фосфор ≤0,03, сера ≤0,03, железо - остальное.
Кольцо подшипника прошло ступенчатый нагрев в вакууме в замкнутой камере вакуумной однокамерной закалочной термической печи, при первоначальной температуре нагрева до 645°С и выдержкой при данной температуре 7 минут, затем температура была повышена до 900°С с выдержкой при данной температуре 7 минут, после этого температура была повышена до 1080°С с выдержкой при данной температуре 4 минуты, после чего температура была повышена до 1200°С с выдержкой при данной температуре 2 минуты с охлаждением газообразным азотом при давлении 9-12 бар и последующим трехкратным отпуском при температуре 565-580°С в течение 2 часов.
Далее кольцо подшипника прошло два цикла шлифования, обезжиривание поверхности и нанесение жидкого стекла на поверхность, требующую защиту от насыщения азотом, после было просушено при температуре 105°С в течении 1,5 часов.
Далее провели азотирование кольца в печи для азотирования, согласно заявленному способу, в среде аммиака при 530°С в течение 24 часов. Затем прекратили подачу аммиака, при этом, кольцо подшипника было выдержано при температуре 530°С еще 2 часа.
В результате, на дорожке качения кольца подшипника был получен азотированный слой глубиной от 0,21 до 0,23 мм с твердостью 1030 HV, характеризующий кольцо высокими показателями прочности, износостойкости, выносливости и т. д.
Представленный пример реализации способа не исчерпывает возможные варианты исполнения и не ограничивает каким-либо образом объем заявленных технических решений. Возможны иные варианты исполнения и использования в объеме заявляемой формулы.