Способ термической обработки детали из стали
METHOD OF HEAT TREATMENT OF STEEL PARTS

Техническое решение относится к области машиностроения и металлообработки, в частности, к термической и химико-термической обработке, и может быть использовано при термической обработке деталей из стали.
Известен способ закалки изделий из сталей и сплавов мартенситного и переходного классов, заключающийся в том, что обрабатываемое изделие после подготовки садки нагревают при обычной для данной стали температуре закалки. После выдержки при температуре нагрева изделие переносят в ванну с расплавом солей (щелочей). Температура расплава может быть в интервале от 400°С до температуры на 30-40°С выше начала мартенситного превращения обрабатываемой стали (сплава). В этом расплаве изделие выдерживают в течение времени до температуры, при которой не происходит выделения вторичных фаз, охрупчивающих металл и одновременно исключающих стабилизацию аустенита. Для большинства сплавов время выдержки составляет 3-5 мин. Затем изделие вынимают из расплава и охлаждают на воздухе. Для изделий из сталей и сплавов переходного класса производят дополнительное охлаждение до обычных, для данной марки стали, минусовых температур. Авторское свидетельство № 246554, опубл. 1969.06.20.
Недостатками такого способа закалки изделий из сталей и сплавов являются: возможное трещинообразование, вызванное технологической наследственностью, изменение химического состава поверхностного слоя стали, что, в зависимости от среды нагрева, приводит к стабилизации аустенита в поверхностном слое и существенному уменьшению усталостной прочности и коррозионной стойкости сталей и сплавов мартенситного и переходного классов.
Известен способ термической обработки шаров после штамповочного или прокатного нагрева, включающий выравнивание температуры по сечению каждого шара естественным путем на воздухе до температуры выше температуры закалки, затем подстуживание шаров до температуры закалки путем орошения их водой. Далее проводят закалку шаров в воде закалочной ванны до температуры 300°C, во время прохождения закалочным барабаном половины оборота. После закалки проводят самоотпуск шаров. Патент РФ № 2455369, опубл. 10.07.2012.
Недостатками данного способа является неоднородность микроструктуры и твердости шаров и, как следствие, увеличение градиента температуры по сечению шаров при орошении водой при подстуживании. Кроме того, шары в закалочной установке охлаждаются до температуры, обеспечивающей самоотпуск, что приводит к образованию недостаточного количества мартенсита в микроструктуре и не позволяет получать шары особо высокой твердости.
Известен способ термической обработки деталей подшипников из теплостойкой подшипниковой стали, содержащей в качестве карбидообразующих элементов молибден, хром, вольфрам и ванадий, включающий ступенчатый нагрев под закалку, охлаждение и многократный отпуск. Нагрев под закалку проводят в вакууме, при этом первый подогрев ведут до температур не выше 590-610°С с выдержкой до полного прогрева деталей, второй подогрев ведут со скоростью не менее 25°С в минуту до температуры 825-835°С с выдержкой не более 10-20 минут, окончательный нагрев ведут со скоростью не менее 25°С в минуту до температур 1060-1075°С, а последующее охлаждение с температур закалки проводят азотом сначала при давлении не менее 8 бар до 500-550°С, а затем при давлении не более 2 бар до температуры не менее 50°С, после закалки проводят обработку холодом при температуре минус 70°С с выдержкой не менее часа и отогревом до комнатной температуры. Патент РФ № 2776341, опубл. 19.07.2022.
Недостатком данного способа является недостаточно полное мартенситное превращение, что, в свою очередь, приводит к пониженной прочности и твердости материала из-за остаточных напряжений.
Известно техническое решение, выбранное в качестве ближайшего аналога, представляющее собой широко распространенный способ изготовления тел качения подшипников (Контер Л.Я. Стали для теплостойких подшипников. М: НИИНАвтопром, 1978. – 78 с.). Согласно данному способу, соляные ванны или печи камерного типа предварительно подогревают до 820-830°С. Время предварительного подогрева устанавливают в зависимости от типа используемого оборудования и величины садки. После подогрева садка перемещается в соляную ванну с односторонним расположением электродов для окончательного нагрева под закалку. При окончательном нагреве до температур 1200-1240°С используют соляные ванны с выдержкой 8-10 секунд на 1 мм сечения, но не менее 20-ти секунд для деталей до 25 мм сечения и 6-8 секунд для деталей свыше 25 мм сечения. Объем садки должен обеспечивать незначительное снижение температуры используемой ванны с расплавом соли. Последующее охлаждение производится в закалочных маслах И-12А или И-20А (ГОСТ 20799), МЗМ 16 при температурах 80-130°С. Далее производится 3-х кратный технологический отпуск в селитровых ваннах или печах камерного типа при температурах 565-580°C с охлаждением садки после каждого отпуска до температур не выше 50°С. При этом перерыв между закалкой и первым отпуском не должен превышать 4-х часов. По окончании проведения указанных операций производится предварительная промывка обрабатываемых деталей в соответствующих горячих моющих растворах и последующая дробеочистка от остатков солей. Подбор окончательных режимов термической обработки ведется для каждой партии деталей подшипников отдельно, методом проведения пробных закалок. Повторная закалка партии не допускается. Контроль и регулировка температур расплавов соляных ванн в процессе обработки производится при помощи радиационных пирометров.
Недостатками данного решения являются низкая технологичность и недостаточно высокое качество получаемых изделий.
Техническая задача заявляемого изобретения заключается в создании способа обработки деталей из стали, позволяющего повысить качество обработанного материала и обеспечить технологичность процесса.
Технический результат заявляемого решения заключается в повышении технологичности способа обработки деталей из стали и улучшении показателей материала деталей, получаемых в результате обработки.
Повышение технологичности способа достигается, в частности, за счет сокращения времени цикла обработки в процессе производства и упрощения осуществления способа.
Улучшение показателей материала деталей достигается, в частности, за счет уменьшения в нем дефектных слоев, достижения оптимальных показателей прочности, твердости материала.
Заявляемый технический результат достигается тем, что способ термической обработки детали из стали характеризуется тем, что осуществляют ступенчатый нагрев детали в вакууме в замкнутой камере, при котором первоначально повышают температуру до 630-660°С и выдерживают в данной температуре в течение 3-15 минут, затем повышают температуру до 890-910°С и выдерживают в данной температуре в течение 3-15 минут, затем повышают температуру до 1070-1090°С и выдерживают в данной температуре в течение 2-10 минут, затем повышают температуру до 1180-1240°С и выдерживают деталь в течение периода времени, равного 15-60 секунд на 1 мм сечения детали, затем осуществляют охлаждение детали азотом с объемной долей не менее 99,99% под давлением 8-15 бар до 100°С с последующим охлаждением до 50°С под давлением 1-3 бар в замкнутой камере и трехкратный отпуск при температурах 550-585°С в течение 1,5-3,5 часов.
Ступенчатый нагрев детали из стали, когда температуру повышают по этапам, сначала до 630-660°С и выдерживают в данной температуре в течение 3-15 минут, затем повышают до 890-910°С и выдерживают в данной температуре в течение 3-15 минут, затем повышают до 1070-1090°С и выдерживают в данной температуре в течение от 2-10 минут позволяет обеспечить равномерный нагрев садки при проведении обработки для подготовки исходной микроструктуры к последующим изменениям. Точное время выдержки выбирается исходя из объема обрабатываемой детали, однако диапазон ограничивает минимально и максимально допустимые значения, при которых осуществляются необходимые изменения в структуре материала без потери их качественных характеристик.
В связи с плохой теплопроводностью материала, предварительный нагрев разбит на этапы для подготовки к структурным изменениям. Режим подобран так, чтобы не происходил перегрев поверхностных слоев и обеспечивался необходимый прогрев сердцевины деталей, для получения необходимой структуры. При нагреве детали на первоначальном этапе до температуры менее чем 630°С, на втором этапе до температуры менее, чем 890°С, на третьем этапе до температуры менее чем 1070°С не обеспечивается достаточный поэтапный прогрев сердцевины детали, для получения ее необходимой структуры. При нагреве детали на первоначальном этапе до температуры более чем 660°С, на втором этапе до температуры более чем 910°С, на третьем этапе до температуры более чем 1090°С происходит перегрев поверхностных слоев детали, ухудшающих качество их структуры.
Дальнейшее повышение температуры до 1180-1240°С и выдержка садки в течение периода времени, рассчитываемого, исходя из расчета 15-60 секунд на 1 мм сечения тела качения, обеспечивает окончательный нагрев детали для проведения охлаждения и получения необходимой микроструктуры и механических свойств в результате закалки. Предпочтительно, повышение температуры до 1180-1240°С осуществляют не менее чем на 20°С каждую минуту. Указанная скорость способствует более эффективному образованию необходимой структуры материала. Режим при температуре ниже указанного диапазона может привести к пониженной твердости детали, и, следовательно, к снижению прочности при работе в различных температурных диапазонах. При температуре выше указанного диапазона наблюдается рост зерна, приводящий к крупноигольчатому мартенситу, что, в свою очередь, приводит к снижению прочности детали.
За счет равномерного распределения температуры в печи +/-5°С и, соответственно, более равномерного нагрева обрабатываемых тел качения, а также более точного исполнения заданных времен выдержки на технологических температурах (отсчет времени выдержки начинается после подхода на необходимую температуру, из-за различного веса садок время подхода на необходимую температуру всегда разное) достигается идентичность результатов при проведении термической обработки.
Нагрев в вакууме в замкнутой камере позволяет обеспечить нагрев детали в среде, исключающей окислительные процессы, в целях минимизации вероятности появления дефектных слоев, образующихся в процессе нагрева. Обезуглероженный слой при таком виде обработки в процессе нагрева и охлаждения детали составляет 0-20 мкм, т.е. в 10-15 раз меньше, чем при использовании соляных и селитровых ванн, когда при перемещении заготовки из ванн с расплавами солей происходит окисление поверхности на воздухе, что напрямую влияет на величину обезуглероженного слоя.
Охлаждение детали азотом с объемной долей не менее 99, 99% под давлением 8-15 бар до 100°С с последующим охлаждением до 50°С под давлением 1-3 бар в замкнутой камере обеспечивает равномерное охлаждение всей садки с необходимой скоростью для получения необходимой микроструктуры в каждой детали, находящейся в садке. Использовании азота с объемной долей менее 99,99% может привести к появлению обезуглероженного слоя. Давление менее 8 бар приводит к недостаточной скорости охлаждения, что не обеспечивающей необходимую структуру и твердость материала. Для обеспечения давления более 15 бар необходимо специальное оборудование, усложняющее технологический процесс осуществления заявленного способа. Охлаждение на последующем этапе под давлением менее 1 бар приводит к увеличению цикла обработки, при охлаждении более 3 бар происходит ускоренное охлаждение, которое приводит к повышенным напряжениям и деформации.
Трехкратный отпуск при температурах 550-585°С в течение 1,5-3,5 часов обеспечивает формирование окончательных параметров материала детали, требования к которым установлены в отраслевой документации. Отпуск при температуре менее 550°С характеризуется повышенной твердостью и увеличенным количеством остаточного аустенита, которые приводят к пониженной прочности и нестабильности размеров.  Отпуск при температуре более 585°С приведет к снижению твердости ниже технически допустимых требований.  Указанный промежуток времени обеспечивает дисперсионное твердение. При превышении верхнего значения указанного диапазона увеличивается цикл термообработки, ухудшающий технологичность заявленного способа.  При уменьшении нижнего значения, не успевает произойти процесс дисперсионного твердения, что негативно влияет на прочность, твердость и пластичность материала.
Осуществление обработки в одном непрерывном цикле (закалка + отпуск), без перемещения детали между этапами обработки, позволяет сократить технологический цикл, исключить трудоемкие вспомогательные операции подготовки детали к обработке и последующей дробеотчистки ее поверхности после проведения термической обработки от остатков расплавов солей, образующихся в процессе обработки в соляных ваннах, увеличить объем загружаемых деталей в печь по сравнению с соляными ваннами до 300 кг. Кроме того, заявленный способ отличает отсутствие вредных факторов воздействия на оператора.
Заявляемый способ обработки детали из стали предпочтительно использовать для детали, изготовленной из стали 8Х4В9Ф2 (ЭИ-347), характеризующейся следующим составом, 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. Способ может быть применим также для обработки изделий из теплостойких и быстрорежущих марок стали, легированных вольфрамом, молибденом, ванадием и хромом.
Особенно актуален заявленный способ при обработки тел качения (шариков, роликов) и может быть произведен, в частности, с использованием вакуумной однокамерной закалочной термической печи 15.VPT-4035/36IQN производства Seco/Warwick или аналогичном оборудовании, обеспечивающим поддержание заявляемых технологических параметров.
Деталь подвергают ступенчатому нагреву в вакууме в замкнутой камере, при котором первоначально повышают температуру до 630-660°С и выдерживают в данной температуре в течение 3-15 минут, затем повышают температуру до 890-910°С и выдерживают в данной температуре в течение 3-15 минут, затем повышают температуру до 1070-1090°С и выдерживают в данной температуре в течение 2-10 минут, затем повышают температуру до 1180-1240°С и выдерживают деталь в течение периода времени, равного 15-60 секунд на 1 мм сечения детали, затем осуществляют охлаждение детали азотом с объемной долей не менее 99,99% под давлением 8-15 бар до 100°С с последующим охлаждением до 50°С под давлением 1-3 бар в замкнутой камере и трехкратный отпуск при температурах 550-585°С в течение 1,5-3,5 часов.
Результаты опытных работ, проведенных на базе ООО «ВЗСП» подтверждены положительными заключениями лабораторий на соответствие требованиям нормативно технической документации, нормам металлографического контроля и контроля твердости деталей в процессе проведения обработки.
Заявленный способ обработки тел качения (шариков, роликов) подшипников из указанной марки стали позволил достичь технологических свойств стали по микроструктуре и твердости, отвечающим требованиям отраслевых нормативных документов. При этом при обработке тел качения, изготовленных из заявленного состава стали, обеспечивается сокращение обезуглероженного слоя до 20 раз относительно классической технологии при соблюдении требований внутриотраслевой документации, регламентирующей качество термической обработки.
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.