Способ высокотемпературной цементации стальных изделий
Изобретение может быть использовано для поверхностного упрочнения стальных изделий высокотемпературной газовой цементацией. Целью изобретения является интенсификация процесса при сохранении механических свойств стали. Изделия подвергают высокотемпературной цементации в среде углеводородов, диффузии, перекристаллизации, закалке и низкому отпуску, причем стадию диффузии проводят при нагреве с температуры насыщения до 1200-1250°С с последующей изотермической выдержкой при этой температуре. Скорость нагрева V при этом определяют из соотношения V=(T<SB POS="POST">2</SB>-T<SB POS="POST">1</SB>)/D<SB POS="POST">1</SB>/D<SB POS="POST">ср</SB>Τ<SB POS="POST">1</SB>[(C<SB POS="POST">1</SB>-C<SB POS="POST">2</SB>)/(C<SB POS="POST">3</SB>-C<SB POS="POST">1</SB>)<SP POS="POST">2</SP>-1], а продолжительность изотермической выдержки - из соотношения Τ<SB POS="POST">2</SB>=Τ<SB POS="POST">1</SB>D<SB POS="POST">1</SB>/D<SB POS="POST">2</SB>[(C<SB POS="POST">3</SB>-C<SB POS="POST">2</SB>)/(C<SB POS="POST">4</SB>-C<SB POS="POST">3</SB>)<SP POS="POST">2</SP>-1], где T<SB POS="POST">1</SB> - температура насыщения, °С T<SB POS="POST">2</SB> - достигаемая температура на стадии диффузии, °С Τ<SB POS="POST">1</SB> - продолжительность насыщения, мин Τ<SB POS="POST">2</SB> - продолжительность изотермической выдержки при достигнутой температуре, мин D<SB POS="POST">1</SB> - коэффициент диффузии углерода в γ=FE при температуре насыщения T<SB POS="POST">1</SB>, см<SP POS="POST">2</SP>/с D<SB POS="POST">2</SB> - коэффициент диффузии углерода в γ=FE при достигнутой температуре T<SB POS="POST">2</SB>, см<SP POS="POST">2</SP>/с D<SB POS="POST">ср</SB> - коэффициент диффузии углерода в γ=FE при T<SB POS="POST">ср</SB>=T<SB POS="POST">2</SB> + T<SB POS="POST">1</SB>/2, см<SP POS="POST">2</SP>/с C<SB POS="POST">1</SB> - поверхностное содержание углерода в стали после насыщения, мас.% C<SB POS="POST">2</SB> - исходное содержание углерода в стали до ХТО, мас.% C<SB POS="POST">3</SB> - допустимое поверхностное содержание углерода в стали при температуре T<SB POS="POST">2</SB>, мас.% C<SB POS="POST">4</SB> - заданное поверхностное содержание углерода в стали, мас.%. Это позволяет интенсифицировать процесс цементации с сохранением механических свойств изделий. 2 табл.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
PECllVE „„Я0„„1527 1 (51)4 С 2 С 8/06 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР (21) 4401242/23-02 (22) 25.01.88 (46) 07 12.89. Бюл. М 45 (72) А.Г.Гончаров и P.Ï.Уварова (53) 621.785.52 (088.8) (56) Патент США М 3796615, . С 23 С »/10, 1974. (54) СПОСОБ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение может быть:использовано для поверхностного упрочнения стальных иэделий высокотемпературной газовой цементацией. Целью изобретения является интенсификация процесса при сохранении механических свойств стали. Изделия подвергают высокотемпературной цементации в среде углеводородов, диффузии, перекристаллизации, закалке и низкому отпуску, причем стадию диффузии проводят при нагреве с температуры насыщения до 1200-1250 С с последующей изотермической выдержкой при этой температуре. Скорость нагрева V при этом определяют из соотношения V = (Т Т1) /D,/D р $<((С< С ) /(С3» -М вЂ” 13 Изобретение относится к черной металлургии, а именно к химико-термической обработке, и может быть использовано для поверхностного упрочнения стальных деталей машин. Целью изобретения является сокращение длительности процесса при сохранении механических свойств стали. Согласно способу высокотемпературной, например, вакуумной цементации, 2 а продолжительность иэотермической выдержки - из соотношения = i, D,/ /D ((C -С,) (С,-С,) — 1), где Т, температура:насыщения, С; Т вЂ” достигаемая температура на стадии диффузии, о С; 2„- продолжительность насыщения,, мин; I, - продолжительность иэотермической выдержки при достигнутой тем-пературе, мин; D — коэффициент диффузии углерода в у-Ге при температуре насыщения,Т,, см2/с; D — коэффи" циент диффузии углерода в y-Fe npu достигнутой температуре T„ см2/с; D, — коэффициент диффузии углерода Тд Ti g y-Fe при Т = — — — — см /с в у С, — поверхностное содержание углеро- ® да в стали после насыщения, мас.Ж; С вЂ” исХодное содержание углерода в стали до ХТО, мас.Ф; С вЂ” допустимое С, поверхностное содержание углерода в стали при температуре Т, мас.3; 2 С вЂ” заданное поверхностное содержание углерода в стали, мас.Ж: Это попозволяет интенсифицировать процесс цементации с сохранением механических свойств изделий. 2 табл. включающему ва куумирование, на грев изделий до температуры процесса, насыщение в среде углеводородов, стадию диффузии, перекристаллизацию, закалку и низкий отпуск, стадию диффузии проводят при нагреве с температуры насыщения до 1200-1250 С и последующей изотермической выдержке при этой температуре, причем скорость нагрева определяют из соотношения 152731 (1) 3 Т1" Т1 CR 1 л ((«Л )2 Нижним пределом интервала температур стадии диффузии является температура насыщения, а верхним пределом 1250 С. Повышение температуры снижает 55 положи!ельный эффект, так как ввиду особенности диаграммы Fe-С в этом интервале температур скорость нагрева а продолжительность иэотермической выдержки из соотношения (2) где Т, — температура насыщения, С; Т вЂ” достигаемая температура на 10 2 о стадии диффузии, С; - продолжительность насыщения, 1 мин; 7 - продолжительность изотермиЬ ческой выдержки при достиг- 15 нутой температуре, мин; Р— коэффициент диффузии угле1 рода в у-Fe при температуре насыщения Т;, см /с; D — коэффициент диффузии углеро- 20 да в 1 Fe при достигнутой температуре Т, см /с; D — коэффициент диффузии углероср да в y-Fe npu Т1+ Т, 25 С вЂ” поверхностное содержание углерода в стали после насыщения, мас.Ф; С вЂ” исходное содержание углерода 30 в стали до химико-термической обработки, мас.Ф; С вЂ” допустимое поверхностное со3 держание углерода в стали при темпеРатУРе Т, мас.Ф; С вЂ” заданное поверхностное содержание углерода в стали, о, мас. ь. Нагрев от температуры насыщения до температуры изотермической диффуо зионной выдержки (1200-1250 С) необходимо проводить с регламентированной скоростью, определяемой из соотношения !.1). Проведение нагрева с расчетной скоростью гарантирует со- 45 хранение поверхности изделия в целостности, снижение скорости. ниже расчетной увеличивает время обработки, а увеличение скорости нагрева выше расчетного значения приводит к оплавлению поверхности (табл.1). необходимо:снизить и уменьшить продолжительности иеотермической выдержки при 1300 С не компенсирует увеличение времени на нагрев до этой температуры (табд.1). В таблице 2 показаны механические свойства стали 12ХНЗА после цементации по известному и предлагаемому способам. Как видно, механические свойства после высокотемпературной вакуумной цементации по предлагаемому способу находятся на уровне свойств стали после цементации по известному способу. Данные табл. 1 и 2 позволяют сделать вывод о том, что интенсификация процесса цементации при сохр :..чии механических свойс-гв стали достигнута. Пример. Дпя цементации по предлагаемому и известному способам использовали промышленную печь и полупромь1шленную модернизированную печь с рабочим пространством р 200 «400 мм. Подготовленные образцы из стали 12XHÇA загружали в печь, вакуу" мировали до 65 Па, включали нагрев. Температуру контролировали термопарой. С целью получения максимального положительного эффекта насыщение проводили при 1100 С. После достижения 1100 С делали выдержку в течение 1Омин для выравнивания температурного поля, а затем проводили насыщение в течение 12 мин в среде .природного газа при постоянном давлении 9,9 кПа. После завершения стадии насыщения печь вакуумировали до 65 Па и осуществляли нагрев до 1250 С регламентированной скоростью. Скорость нагрева регулировали изменением величины подаваемого напряжения. Необходимую скорость нагрева определяли из соотношения {1) Tt- т! Ч D, „ГС, -С вЂ” ",k(— ) - !) Dcp С, -С, где V — скорость нагрева, С/мин; Т, — температура насыщения, 1100 С; T„ температура изотермической диффузионной выдержки, 1250 С;, - продолжительность насыщения, 10 мин; С, — поверхностное содержание углерода в стали после насыщвния,, согласчо диаграмме Ге-С при 5 15 1100 С равновесное содержание углерода 1,9 мас.4; исходное содержание углерода в стали 12ХНЗА до химикотермической обработки, 0,13 мас.Ф; допустимое поверхностное содержание углерода в стали при температуре изотермической выдержки Т, при 1250 С максимальное содержание углерода согласно диаграмме состояния 1,5 мас.Ф, для повышения надежности сохра, ени поверхности изделия беэ оплавления принимаем допустимое содержание углерода 1,35 мас.ь; коэффициент диффу3HH B Fe при Т „при 1100 C D, = 8,9» »«10 смг/с; коэффициент диффузии углерода Т +Т» при температуре Т 2 при ч1175 C D ср = 19,16" »10 смгУс (недостающие значения определены из соотно27317 я 1 Способ высокотемпературной цементации стальных изделий, включающий вакуумирование, нагрев до температуры цементации, насыщение в среде углеводородов, стадию диффузии, перекрис20 таллизацию, закалку и низкий отпуск, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса при сохранении механических свойств стали, стадию диффузии проводят при на25 греве с температуры насыщения до температуры 1200-1250 C и последующей изотермической выдержке при этой температуре, причем скорость нагрева V определяют из соотношения 30 Тг — Т, В С,-c„ — — -. "(— — ) D p С, С, а продолжительность изотермической выдержки 2 из соотношения 35 nL = — 1(— - — г) 2 — 1 где Т, — температура насыщения, C; Т вЂ” достигаемая температура на стадии диффузии, С; - продолжительность насыщения, мин; 7 - продолжительность изотермической выдержки при достигнутой температуре, мин; D — коэффициент диффузии углерода в y-Fe при температуре насыщения Т,, смг/с; D — коэффициент диффузии углерода в у-Fe при достигнутой 50 температуре Т, смг/с; D коэффициент диффузии углерода в »-Fe npu Тг+Т, Т = ††- смг/с сР 2 э С, — поверхностное содержание в стали после насыщения, мас.Ф, С вЂ” исходное содержание углерода в стали до химико-термической обработки, мас.Ф; t ср Продолжительность изотермической выдержки определяли из выражения л D,C» 9 л л 1. .(= 2 40 где С вЂ” заданное поверхностное содержание углерода в стали, 0,95 мас.В; Dz — коэффициент диффузии углерода в -Fe при Т, при 1250 С 45 n = 36,83. 10 смг/с, остальные значения, как в (1). Подстановка значений в формулу (2) дает значение 3,5 мин. После завершения стадии диффузии садку охлаждали до 700 С и проводили перекристаллизацию термоциклированием 55 (6 термоциклов) в интервале 750-9yp C. Затем образцы закаливали в масле и подвергали их низкому отпуску (180 С, 2 ч) шения Р П + йТ =- PyD + + К Т+6Т Подстановка значений в выражение (1} дает значение скорости нагрева V = 25 С/мин. Для испытаний ударной вязкости испольэовали маятниковый копер MK-30. Толщину цементированного слоя замеряли на тра вле ных ми крошлифах ., Механические свойства образцов, подвергнутых обработке по предлагаемому способу не ниже, чем после обработки по известному способу, а продолжительность цементации уменьшилась примерно в 2 раза. Формула изобретения 1527317 С вЂ” заданное поверхностное содержание углерода в стали, ма с. 6. С вЂ” допустимое поверхностное содержание углерода в стали при температуре Та, мас.Ф; Таблица 1 Температура, 4С Продолжительность, мин Скорость нагрева, С/>в>н Примечание Нагрев Насыщение Изотер- Стадия Цеменмическая диффу- тация выдержка эии Диффузионная вы-. держка расчет- фактимая ческая Предлагаемый способ 6 4 10 1,05 20 1050 1250 Беэ дефектов То же 33,3 33,3 Herpes c расчетной скорсотью 1, 08 12 1100 1200 1, 12 12 1100 1250 1,07 12 1100 1300 1>13 12 1100 1250 13 25 21>5 21,5 12,5 24,5 8,2 20,7 11,8 23,8 10 18 1,8 12 1100 1250 8 11,35 1250 25 15 17,7 17,7 1,15 3,5 1,2 Известный способ 50 70 1,1 20 2050 1050 1, 7 12 1100 1100 Беэ де- Иэотср 4>-:, фектов ческий То we процесс 39 51 Табnè ца 2 Ударная вязкость цементированных (толщина 1 мм) ° образцов, дж/смз Способ Твердость, HRC Поверхность Сердцевина цементации Ударная вязкость сердцевины (после ложной цемен. тации HB 2 HH) > Дж/смэ ПредлагаеHbl>> Составитель И.Дашкова Техред и. Олийнык Редактор 8.Петраш Корректор М.Пожо Заказ 7486/37 Тираж 942 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035> Москва, Ж-35, Раушская наб., д . 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101 59-60 59-61 58-60 Известный 58-60 59-60 36-37 34-37 35-36 34-37 35-36 12 3,5 0,5 5,7 50,5 58 49 49,5 33.3 33,3 25 25 16,6 16,6 25 50 Оплавление Беэ дефектов То же 99 103 98 Ускоренный нагрев Замедленный нагрев Нагрев с расчетной скоспстье
