СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТЕРМООБРАБОТАННЫХ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ
METHOD OF HEAT-TREATED STEEL PARTS SURFACES HARDENING

Техническое решение относится к электрофизическим и электрохимическим способам обработки деталей, в частности к электроэрозионному легированию графитовым электродом и ионному азотированию поверхностей стальных деталей.
Одним из основных показателей качества машин является их надежность. Наиболее распространенной причиной отказов машин признана не поломка, а износ и повреждение рабочих поверхностей их деталей и рабочих органов. Как правило, все разрушения деталей начинаются с разрушения их поверхностей.
Применение упрочняющих и защитных покрытий существенно повышает качество продукции в машиностроении, обеспечивает надежную работу узлов и деталей в тяжелых условиях эксплуатации оборудования, позволяет снизить материальные и энергетические затраты на эксплуатацию машин, уменьшить расход дорогостоящих конструкционных материалов. Поэтому исследования, направленные на создание новых и повышение качества уже существующих защитных покрытий, актуальны и своевременны.
Одним из наиболее простых с технологической точки зрения методов создания защитных покрытий является поверхностное электроэрозионное легирование (ЭЭЛ). Его достоинствами являются: локальность воздействия, малый расход энергии, отсутствие объемного нагрева материала, простота автоматизации и «встраиваемости» в технологический процесс изготовления деталей, а также возможность совмещения операций.
Применяя ЭЭЛ, можно или повысить твердость металлической поверхности нанесением на нее материала более высокой твердости или диффузионным введением в поверхностный слой необходимых химических элементов из окружающей среды или из материала анода, или понизить твердость поверхности, нанося на нее более мягкие материалы [Лазаренко Н.И. Электроискровое легирование металлических поверхностей. - М.: Машиностроение, 1976. - 45 с].
2
В табл.1 приведены основные режимы работы установки с ручным вибратором модели «ЭИЛ-8А», а также рекомендуемое время легирования 1 см поверхности (производительность процесса ЭЭЛ). Для емкостей накопительного конденсатора C=20 мкФ и C=300 мкФ установка имеет по 8 режимов работы.
Однако ЭЭЛ термообработанных деталей, подвергаемых в условиях эксплуатации высоким удельным нагрузкам, например деталей штампов, валов прокатных станов и других подобных деталей, не всегда приводит к желаемому результату. Причиной выхода из строя некоторых из них является то, что под слоем повышенной твердости после ЭЭЛ появляется зона отпуска, то есть зона сниженной твердости. Это приводит к так называемому продавливанию упрочненного слоя и, как следствие, к быстрому износу детали. ЭЭЛ в данном случае принесет вред, особенно, если допустимый износ легированной поверхности превышает толщину слоя повышенной твердости [Лазаренко Н.И. Электроискровое легирование металлических поверхностей.- М.: Машиностроение, 1976. - 45 с.].
Согласно источнику из уровня техники [Андреев В.И. Повышение эксплуатационных характеристик рабочих поверхностей деталей // Вестник машиностроения. - 1978. - №7. - С. 71-72] «провал» твердости в зоне термического влияния можно устранить путем применения после ЭЭЛ дополнительной обработки для создания наклепа методом поверхностного пластического деформирования. Однако в данном случае общего повышения твердости в переходной зоне не наблюдается.
В соответствии со способом, известным из уровня техники [Патент  на винахiд №103701, 23Н 5/00. Спосiб змiцнення поверхонь сталевих деталей, пiдданих термiчнiй обробцi. / B.C. Марцинковський, В.Б. Тарельник / Опубл. 11.11.2013, Бюл. №213. Прототип], проведение ионного азотирования (ИА) или до, или после ЭЭЛ позволяет устранить зоны пониженной твердости при использовании электродов из чистых твердых износостойких металлов. Кроме того, при этом наблюдается плавное изменение твердости упрочненного слоя и увеличение общей глубины зоны повышенной твердости.
2
Недостатком такого способа является низкая производительность процесса, поскольку уже при повышении производительности до 0,4 см/мин нежелательная шероховатость и сплошность поверхности при ЭЭЛ хромом, вольфрамом и твердым сплавом Т15К6 соответственно составляют 4, 6; 7,8 и 5,4 мкм и 90, 55 и 80%, что значительно сужает область применения способа для упрочнения деталей машин.
Известен способ цементации стальных деталей электроэрозионным легированием (ЦЭЭЛ) [Способ цементации стальных деталей электроэрозионным легированием. Пат. 2337796. Российская Федерация. МПК B23H 9/00 / Марцинковский B.C., Тарельник В.Б., Белоус А.В.; Заявл. 05.10.2006; Опубл. 10.04. 2008, Бюл. №31. - 3 с.], который имеет ряд достоинств, основными из которых являются:
- достижение 100% сплошности упрочнения поверхностного слоя;
- повышение твердости поверхностного слоя детали за счет диффузионно-закалочных процессов;
- легирование можно осуществлять в строго указанных местах, не защищая при этом остальную поверхность детали;
- отсутствие объемного нагрева детали и связанных с этим поводок и короблений;
- простота применения технологии;
- гибкая привязка к имеющемуся оборудованию;
2
- процесс упрочнения не требует специальной подготовки и высокой квалификации рабочего. В данном способе используется энергия разряда 0,036-6,8 Дж и производительность 1,0-0,2 см/мин.
2
При цементации стальных деталей электроэрозионным легированием толщина упрочненного слоя зависит от энергии разряда и времени легирования (производительности процесса). С увеличением энергии разряда и времени легирования толщина упрочненного слоя увеличивается. При этом возрастает и шероховатость поверхности. Так, при ЭЭЛ углеродом среднеуглеродистой легированной стали 40Х (Ra=0,5 мкм) с производительностью 5 мин/см при энергии разряда 6,8 Дж толщина слоя повышенной твердости составляет более 1,15 мм. Шероховатость поверхности при этом соответствует Ra=11,7-14,0 мкм.
В табл. 2 приведены зависимости производительности, шероховатости и сплошности поверхностного слоя стали 40Х от энергии разряда при ЭЭЛ стали 40Х графитом и твердыми износостойкими металлами.
Известен также способ ЦЭЭЛ, который используют для снижения шероховатости поверхности деталей машин и, следовательно, для расширения области их применения. Данный способ состоит в том, что ЦЭЭЛ проводят поэтапно, снижая на каждом этапе энергию разряда [Патент  на винахiд №101715, 23Н 9/00. Спосiб  сталевих деталей електроерозiйним легуванням / B.C. Марцинковський, В.Б. Тарельник, М.П. Братущак / Опубл. 25.01.2013, Бюл. №8. Прототип].
2
В известном способе используется энергия разряда 0,036-6,8 Дж и производительность 14,0-2,0 см/мин.
Несмотря на очевидные достоинства, основным из которых является снижение шероховатости поверхности деталей машин с сохранением качества поверхностного слоя (отсутствие микротрещин, наличие слоя повышенной твердости, 100% сплошность и др.), данный способ имеет ряд недостатков. Прежде всего, это - снижение микротвердости поверхностного слоя в результате отпуска при повторной (поэтапной) обработке поверхности графитовым электродом, но с меньшей энергией разряда. Кроме того, наряду со снижением микротвердости поверхности снижается глубина слоя повышенной твердости.
2
2
2
Для устранения указанных выше недостатков создан способ упрочнения поверхностей термообработанных стальных деталей, который, как и способы, известные из уровня техники, включает операцию электроэрозионного легирования и операцию ионного азотирования, причем операцию ионного азотирования осуществляют до или после операции электроэрозионного легирования в течение времени, достаточного для насыщения поверхностного слоя детали азотом на глубину зоны термического влияния для предотвращения снижения в ней твердости, но при котором в соответствии с заявляемым техническим решением операцию электроэрозионного легирования выполняют графитовым электродом с энергией разряда 0,1-6,8 Дж и производительностью 0,2-4,0 см/мин. При этом операцию электроэрозионного легирования графитовым электродом по меньшей мере в два этапа со снижением энергии разряда на каждом последующем этапе, причем первый этап легирования графитовым электродом выполняют с энергией разряда 0,1-6,4 Дж и производительностью 0,2-4,0 см/мин, а второй этап легирования графитовым электродом проводят с энергией разряда 0,1-2,83 Дж и производительностью 0,2-2,0 см/мин.
В данном случае поэтапное электроэрозионное легирование графитовым электродом (ЦЭЭЛ) до ионного азотирования (ИА) приводит к снижению микротвердости в зоне термического влияния (т.е. под слоем повышенной твердости может образоваться зона пониженной твердости), при этом после ИА в течение времени, достаточного для насыщения поверхностного слоя детали азотом на глубину зоны термического влияния, провал твердости устраняется.
Аналогичные результаты можно получить, если ионное азотирование в течение времени, достаточного для насыщения поверхностного слоя детали азотом на глубину зоны термического влияния проводить до ЦЭЭЛ. Причем с целью снижения шероховатости поверхности ЦЭЭЛ следует проводить поэтапно, снижая на каждом этапе энергию разряда. В данном случае твердость в зоне термического влияния снижаться не будет, так как свойства азотированной поверхности практически не изменяются при повторных нагревах вплоть до 500-600°C, в то время как при нагревах цементированной и закаленной поверхности до 225-275°C ее твердость снижается.
Следует отметить, что в отдельных случаях, хотя и крайне редко, когда после первого этапа ЦЭЭЛ величина шероховатости поверхности детали находится в необходимых пределах технического задания, т.е. удовлетворяет требованиям чертежа, можно ограничиться одним этапом ЦЭЭЛ.
По сравнению с процессом цементации с закалкой процесс ЦЭЭЛ с азотированием, протекает при более низкой температуре. Азотированная поверхность имеет более высокую твердость, износостойкость и коррозионную стойкость, а также улучшенную полируемость. Свойства азотированной поверхности практически не изменяются при повторных нагревах вплоть до 500-600°C, в то время как при нагревах цементированной и закаленной поверхности до 225-275°C твердость последней снижается.
Учитывая это свойство, в предварительно азотированной поверхности не следует ожидать снижения твердости в зоне термического влияния после ЦЭЭЛ.
При ЦЭЭЛ стальной азотированной поверхности происходит процесс, аналогичный нитроцементации, только в данном случае насыщение поверхности азотом и углеродом протекает поочередно, а во время традиционной нитроцементации - одновременно.
Таким образом, техническая задача данного решения, заключающаяся в повышении качества поверхности термообработанных стальных деталей, по сути, решается методом нитроцементации.
Учитывая вышесказанное, а также то, что при ЭЭЛ графитовым электродом величина шероховатости ниже, чем при легировании металлическим электродом, но с такой же энергией разряда, проведение металлографических и дюрометрических исследований стальных поверхностей после ЦЭЭЛ и ИА, выполняемых в различных последовательностях, представляет научный и практический интерес. Ниже приведен пример конкретного применения заявляемого технического решения со ссылками на иллюстративный материал, где
- на фиг. 1 представлен образец для ИА и ЦЭЭЛ в соответствии с заявляемым техническим решением;
- на фиг. 2 представлена фотография, иллюстрирующая процесс обработки образцов на токарном станке;
- на фиг. 3 представлены шлифы, изготовленные из образцов, упрочненных в соответствии с заявляемым способом.
Для ИА и ЦЭЭЛ использовали специальные образцы из стали 40Х, термообработанные аналогично способу, описанному в документе из уровня техники [Патент  на винахiд №103701, 23Н 5/00. Спосiб змiцнення поверхонь сталевих деталей, пiдданих термiчнiй обробцi. / B.C. Марцинковський, В.Б. Тарельник / Опубл. 11.11.2013, Бюл. №21], на твердость 3900-4000 МПа, а также на твердость 3000-3100 МПа. Образцы изготавливали в виде катушки, состоящей из двух дисков, диаметром 50 мм и шириной 10 мм, соединенных между собой проставкой диаметром 15 мм, имеющей два технологических участка такого же диаметра, фиг. 1. Поверхности дисков шлифовали до Ra=0,5 мкм.
2
Процесс ЦЭЭЛ осуществляли в автоматическом режиме с помощью установки модели «ЭИЛ-8А». Образцы закрепляли в патроне токарного станка, после чего производили поэтапное ЦЭЭЛ путем последующего легирования графитовым электродом марки ЭГ-4 (ОСТ 229-83) с энергией разряда 0,42 Дж (1-й этап) и 0,1 Дж (2-й этап) и с производительностью соответственно 0,4 и 0,2 см/мин. Ионное азотирование образцов проводили при температуре 520°C в течение 12 ч на установке НГВ-6,6/6-И1. Упрочнение образцов выполняли в различной последовательности: ИА; ЦЭЭЛ; ЦЭЭЛ+ИА; ИА+ЦЭЭЛ.
Из упрочненных образцов вырезали сегменты, из которых изготовляли шлифы, фиг. 3, которые исследовали на оптическом микроскопе «Неофот-2», где проводили оценку качества слоя, его сплошности, толщины и строения зон подслоя - диффузионной зоны и зоны термического влияния. Одновременно проводили дюрометрический анализ на распределение микротвердости в поверхностном слое и по глубине шлифа от поверхности.
Замер микротвердости выполняли на микротвердомере ПМТ-3 вдавливанием алмазной пирамиды под нагрузкой 0,05 Н.
На всех этапах обработки измеряли шероховатость поверхности на приборе профилографе-профилометре мод. 201 завода «Калибр».
В табл. 3 представлено распределение микротвердости в поверхностном слое образцов стали 40Х, термообработанных на твердость 3900-4000 МПа и упрочненных различными способами, а также приведены результаты влияния этих способов упрочнения на шероховатость формируемого упрочненного поверхностного слоя.
Анализ таблицы 1 показывает, что как при ЦЭЭЛ, так и при ЭЭЛ хромом, вольфрамом и твердым сплавом Т15К6 образцов стали 40Х, термообработанных на твердость 3900-4000 МПа, под слоем повышенной твердости располагается зона отпуска («провал твердости»). В данном случае эта зона располагается на глубине ≈60 мкм и составляет 3800 МПа. ИА, проводимое на указанных режимах, как до ЦЭЭЛ, так и после устраняет характерный «провал твердости», при этом в обоих случаях отмечается плавное снижение твердости.
Таким образом, при упрочнении термообработанных деталей методом ЭЭЛ необходимо или до, или после легирования подвергать их ИА в течение времени, достаточного для насыщения металла азотом на глубину зоны термического влияния, причем, с целью снижения шероховатости поверхности проводить ЦЭЭЛ поэтапно, снижая на каждом этапе энергию разряда.
При этом в качестве электрода-инструмента целесообразно применять графитовый электрод, что обеспечивает при всех прочих равных условиях наибольшую твердость и наименьшую шероховатость поверхностного слоя.
В результате происходит процесс поочередного насыщения поверхностного слоя азотом и углеродом, то есть процесс нитроцементации.
Следует отметить, что наибольшая твердость (12000 МПа) и глубина зоны повышенной твердости (≈220 мкм) отмечается при ЦЭЭЛ, проводимом после ИА.