СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОЙ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ ТЕПЛОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ
COMBINED CHEMICAL-THERMAL TREATMENT OF MACHINE PARTS OF HEAT-RESISTANT STEELS

Область техники
Изобретение относится к машиностроению, в частности к способу комбинированной химико-термической обработки (ХТО) деталей машин, используемого для повышения износостойкости деталей узлов трения скольжения, изготовленных из теплостойких сталей.
Уровень техники
Известны способы химико-термической обработки, позволяющие повысить износостойкость стальных деталей и содержащие операции комбинированной химико-термической обработки, включающей цементацию и азотирование. Так, техническое решение «Вакуумный способ карбонитрирования», содержащееся в патенте США №7112248 (МПК C23C 8/30; C23C 8/32; C23C 8/34, опубл. 2006-09-26), предполагает проведение комбинированной обработки с нагревом в вакууме до температуры выше температуры аустенизации (A3), подачу углеродосодержащего газа с выдержкой в этой атмосфере, последующей выдержке в вакууме при той же температуре, снижением температуры ниже уровня A3 и последующее азотирование при этой температуре.
Данный способ позволяет повысить износостойкость, однако для высоких показателей в эксплуатации желательно снизить хрупкость приповерхностных слоев стали, возникающую в результате пересыщения диффузионной зоны углеродом и азотом и возникновения в результате этого больших внутренних напряжений.
Известен также способ химико-термической обработки «Производство из обычного стального сплава компонентов шестерней и/или валов с исключительно высокой прочностью», изложенный в патенте США №7384488 (МПК C21D 1/06; C21D 1/76; C21D 7/06; C21D 9/28; C21D 9/32; C22C 38/00; C22C 38/18; C22C 38/44; C23C 8/32; C23C 8/34; C23C 8/56; C23C 8/76; C23C 8/80, опубл. 2008-06-10), который является близким техническим решением к предлагаемому. Основными признаками данного способа являются следующие технологические операции: нагрев детали в вакууме до температуры 915°C, подача углеродосодержащего газа и выдержка в этих условиях, включая диффузионный период, снижение температуры до 850°C и подача азотосодержащего газа (NH3) и выдержка в этих условиях, закалка на масло (120°C) и низкотемпературный отпуск (180°C).
Важным преимуществом данного способа является наличие отпуска на завершающей стадии обработки, что позволяет снять значительную часть внутренних напряжений.
Однако в процессе диффузионного насыщения поверхностных слоев углеродом и азотом в данном варианте использованы далеко не все возможности для повышения концентрации этих элементов, что является основным недостатком данного способа.
Повышение уровня насыщения диффузионной зоны может быть достигнуто рядом дополнительных приемов.
Одним из таких приемов является циклическая обработка, когда этапы насыщения поверхностных слоев реакционным газом (в данном случае углеродом) и этапы выдержки чередуются с периодической последовательностью.
Преимущества термоциклической обработки выявлены, например, в техническом решении, содержащемся в статье «Закономерности формирования диффузионных слоев и решение диффузионной задачи при термоциклической нитроцементации стали» (журнал "Металловедение и термическая обработка металлов", №1, 2013, С. 34-38) (прототип). Использование термоциклирования позволяет существенно повысить твердость (и особенно микротвердость) поверхностных слоев стали.
Однако и в этом решении используются не все важные резервы повышения механических свойств, а именно резервы повышения износостойкости. В частности, поскольку диффузия происходит, в основном, по границам зерен, для ускорения и повышения эффективности диффузии может быть использована пластическая деформация, позволяющая измельчить зерно и, таким образом, увеличить диффузионную проницаемость обрабатываемого материала. Кроме того, эффективность процесса химико-термической обработки существенно возрастает, если цементацию и азотирование разделяют во времени и проводят при соответствующих им специфических условиях, что отвечает понятию «комбинированная обработка». Такая комбинированная обработка возможна для теплостойких сталей, температура отпуска которых при Цементации превосходит температуру азотирования.
Наиболее близким аналогом предложенного изобретения является способ комбинированной химико-термической обработки деталей машин из теплостойких сталей, включающий циклическую цементацию деталей и закалку (US 20120111454 А1, МПК C23C 8/22, опубл. 10.05.2012, формула).
Однако, в данной патентной заявке не рассматривается в должной постановке и степени подробности задача существенного повышения износостойкости приповерхностных теплостойкой стали, формирующихся в результате цементации и азотирования, и соответствующее увеличение долговечности узлов трения скольжения из материала с таким составом приповерхностного слоя.
Раскрытие изобретения
Задача предлагаемого изобретения способа - существенное повышение износостойкости приповерхностных слоев материала, а именно - теплостойкой стали, формирующихся в результате цементации и азотирования, и соответствующее увеличение долговечности узлов трения скольжения из материала с таким составом приповерхностного слоя.
2
3
Для решения указанной задачи и достижения технического результата способ комбинированной химико-термической обработки деталей машин из теплостойких сталей включает циклическую цементацию деталей и закалку. При этом перед циклической цементацией проводят предварительные термообработку и механообработку, включающие нормализацию при температуре 950°C, высокий отпуск при температуре 670°C, закалка от температуры 1010°C, высокий отпуск при температуре не менее 570°C и пластическую деформацию методом осадки при температуре не менее 700°C со степенью деформации 50…80%. Циклическую цементацию проводят с чередованием циклов насыщения и диффузионной выдержки, при этом осуществляют не менее 12 циклов продолжительностью не менее 30 минут. Количество циклов зависит от необходимой толщины диффузионного слоя, а соотношение времен насыщения и выдержки составляет от 0,1 до 0,2. После упомянутой цементации проводят высокий отпуск, закалку в масло, обработку холодом при температуре -70°C и трехкратный отпуск при 510°C. Затем осуществляют ионно-плазменное азотирование в диапазоне температур 480…500°C в течение не менее 10 часов при следующих параметрах: напряжение на катоде при катодном распылении - 900 В, в режиме насыщения - 400 В; плотность тока 0,20…0,23 мА/см; состав газовой среды - азото-водородная смесь с 95% азота и 5% водорода; расход газовой смеси до 10 дм/ч; давление в камере при катодном распылении - 13,3 гПа, при насыщении - 5…8 гПа.
Осуществление изобретения
Комбинированную химико-термическую обработку деталей машин проводят в соответствии с изложенной в разделе «Раскрытие изобретения» последовательностью и параметрами режимов технологических операций.
Важно подчеркнуть, что предварительные операции позволяют активировать материал детали и повысить его диффузионную проницаемость, что, в особенности, относится к операциям отпуска и деформации.
Необходимую толщину диффузионного слоя достигают на стадии цементации, благодаря циклической обработке и измельчению зерна в результате пластической деформации на предварительной стадии обработки. Ионно-плазменное азотирование имеет возможность регулирования своих параметров технологического процесса для оптимизации механических свойств приповерхностного слоя, отвечающего за износостойкость детали.
Пример реализации способа.
Для теплостойких сталей (например, из класса стали ВКС-10) оптимальные конкретные величины и диапазоны величин параметров технологических операций получены следующие:
на этапе предварительной подготовки к химико-термической обработке: нормализация при температуре 950°C, высокий отпуск при температуре 670°C, закалка от температуры 1010°C, высокий отпуск при температуре не менее 570°C, пластическая деформация методом осадки при температуре не менее 700°C и со степенью деформации 50…80%.
Установлено, что на стадии цементации число циклов насыщения и диффузионной выдержки должно составлять не менее 12, каждый цикл по продолжительности должен составлять не менее 30 минут, а соотношение времен насыщения и выдержки - от 0,1 до 0,2.
После цементации детали обрабатывают термически, проводя высокий отпуск, закалку на масло, обработку холодом при температуре (-70°C) и трехкратный отпуск при 510°C.
2
3
Окончательный этап комбинированной химико-термической обработки завершают стадией ионно-плазменного азотирования в диапазоне температур 480…500°C при следующих параметрах: напряжение на катоде при катодном распылении - 900 В, в режиме насыщения - 400 В; плотность тока 0,20…0,23 мА/см; состав газовой среды - азото-водородная смесь с 95% азота и 5% водорода; расход газовой смеси до 10 дм/ч; давление в камере при катодном распылении - 13,3 гПа, при насыщении - 5…8 гПа, время обработки ионно-плазменным азотированием - не менее 10 часов.
h
-9
-10
-10
-10
Проведены длительные испытания при реверсивном трении скольжения со средней относительной скоростью скольжения v=0,19 м/с и давлением в контакте р=10 МПа пар трения скольжения деталей (например, из стали ВКС-10), обработанных различными способами, в том числе и предложенным. Испытания показали техническое преимущество использования предлагаемого способа - снижение интенсивности изнашивания деталей узлов трения скольжения до 50 раз по сравнению с необработанным состоянием поверхности детали. Интенсивность изнашивания I в необработанном состоянии составляет в среднем 10, после вакуумной цементации 0,9 10, после азотирования 0,3 10, а после комбинированной обработки 0,2 10.
Способ может быть использован в составе набора технологических операций при изготовлении деталей машин, испытывающих высокие контактные нагрузки, а также участвующих в трении скольжения и подверженных интенсивному изнашиванию.
При этом сочетание ряда признаков, а именно проведение предварительной термической обработки и пластической деформации, циклически повторяемой операции цементации с варьированием стадий насыщения и выдержки, а затем ионно-плазменное азотирование позволяют получить новый синергетический эффект, состоящий в формировании диффузионной зоны повышенной толщины и твердости и многократном (до 50 раз) повышении износостойкости обрабатываемых деталей (по сравнению с их необработанным состоянием).
Способ может быть использован в составе набора технологических операций при изготовлении деталей машин, испытывающих высокие контактные нагрузки, а также участвующих в трении скольжения и подверженных интенсивному изнашиванию.
При этом сочетание ряда признаков, а именно проведение предварительной термической обработки и пластической деформации, циклически повторяемой операции цементации с варьированием стадий насыщения и выдержки, а затем ионно-плазменное азотирование позволяют получить новый синергетический эффект, состоящий в формировании диффузионной зоны повышенной толщины и твердости и многократном (до 50 раз) повышении износостойкости обрабатываемых деталей (по сравнению с их необработанным состоянием).