Способ термообработки борированных стальных изделий

 

Использование: при индукционной термической обработке борированных изделий . Сущность изобретения: борированные образцы из стали 45 и 40Х греют токами высокой частоты со скоростью 70-90 град/с до температуры, определяемой из соотношения гн° тэ° - А(2...4) VH, где тн - температура нагрева, °С, т.э - температура эвтектической реакции, °С, VH - скорость нагрева, град/с, А - размерный коэффициент , град , с1/2. Охлаждение при закалке проводят со скоростью 800-1000 град/с до температуры мартенситного превращения с последующим самоотпуском. Применение способа позволяет увеличить срок службы упрочняемых изделий, предотвратить технологический брак, получить диффузионную зону обрабатываемых поверхностей с комплексом повышенных физико-механических характеристик 2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5f)5 С 21 0 1 /78, 1 /10

ГОСУДАР СТВЕ ННЫ Й КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

С

О

00 ( (21) 4844532/02 (22) 28,06.90 (46) 15,06.92. Бюл. ¹ 22 (71) Днепропетровский государственный университет им. 300-летия воссоединения

Украины с Россией (72) И.М.Спиридонова, В.Д.Колючая, В.И,Мостовой, Е.Ю,Береза и В.Б.Павлов и

О.О.Паненко (53) 621.785 (088.8) (56) Диффузионные покрытия на металлах.

Киев: Наукова думка, 1965, с,63-75, (54) СПОСОБ ТЕРМООБРАБОТКИ БОРИРОВАННЫХ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ (57) Использование: при индукционной термической обработке борированных изделий, Сущность изобретения: борированные

Изобретение относится к области металлургии, в частности к химико-термической обработке, а также к способам индукционной термической обработки сталей, и может быть использовано для упрочнения изделий, работающих в условиях износа при динамических нагрузках.

Известен отжиг борированных изделий, осуществляемый при температуре образования борсодержащей эвтектики в пределах 1050 — 1200 С. Он предполагает образование эвтектического слоя большей толщины по сравнению с толщиной боридного слоя и с большей равномерностью свойств. Однако при этом происходит снижение исходной микротвердости упрочненной зоны. Кроме того, под действием локально неравномерных знакопеременных нагрузок эвтектика, полученная пере Ы 1740448 А1 образцы из стали 45 и 40Х греют токами высокой частоты со скоростью 70 — 90 град/с до температуры, определяемой из соотношения тн = Ь вЂ” А(2„,4) VH, где тн - температура нагрева, С, ь — температура эвтектической реакции, С, VH — скорость нагрева, град/с, А — размерный коэффициент, град, с, Охлаждение при закалке проводят со скоростью 800 — 1000 град/с до температуры мартенситного превращения с последующим самоотпуском. Применение способа позволяет увеличить срок службы упрочняемых изделий, предотвратить технологический брак, получить диффузионную зону обрабатываемых поверхностей с комплексом повышенных физико-механических характеристик. 2 табл. плавлением боридного слоя, часто выкрашивается, наблюдаются сколы.

Известны способы получения эвтектических покрытий, в частности борсодержащих, с помощью нагрева токами высокой частоты . При формировании борсодержащих эвтектических покрытий на стальных изделиях с предварительно электролитически осажденным слоем образуется эвтектика толщиной до 1 мм с твердыми включениями, износостойкостью в 1,8 раза больше, чем для борированной стали 45. Процесс ведут при температуре нагрева до 1250 — 1280 с со скоростью нагрева 250 — 600 С/с. Эти слои характеризуются неравномерностью, пористостью, что требует введения дополнительной операции мехобработки. Нагрев ТВЧ вертикальных поверхностей ограничен вследствие потери деталью формы.

1740448

Обоснована необходимость снижения частоты и мощности индукционного тока в двухступенчатой схеме закалки с целью предотвращения хрупкого разрушения деталей, работающих при динамических на- 5 грузках.

Наиболее близкой к предлагаемой является закалка ТВЧ борированных изделий, включающая предварительное электролизное борирование в течение 1,5 — 2 ч при тем- 10 пературе борирования 950 С и токе электролиза 0,25 А/см с последующей норг мализацией при 820 — 840 С в течение 2 ч и финишную операцию закалки ТВЧ с отпуском. При этом образуются боридные слои 15 толщиной до 180 мкм и закаленный на мартенсит подслой. При эксплуатации упрочненных изделий в начальный период (4 ч работы) износ в 6 раз ниже серийных неборированных закаленных объемно, Срок 20 службы в 1,3 раза выше серийных. Однако после обработки ТВЧ боридного слоя толщиной более 150 мкм наблюдается склонность его к самоликвидации в локальных областях существования критических оста- 25 точных напряжений и при серийном выпуске изделий, обработанных по такой технологии, появляется большое количество брака, Целью изобретения является увеличение толщины слоя и его износостойкости, снижение обезборивания слоя, предотвращение сколов и трещин за счет обеспечения плавного перехода свойств борированного слоя к сердцевине изделия, что позволит увеличить долговечность борированных стальных изделий.

Поставленная цель достигается тем, что нагрев осуществляют ТВЧ со скоростью 7090 С/с до температуры начала контактного подплавления, определяемой по формуле сн = тэ А(2 4) Чн, а охлаждение осуществляют равномерно по всей поверхности со скоростью 8001000 С/с до температур мартенситного превращения с последующим самоотпуском с помощью тепла внутренних слоев изделия.

По данному способу процесс электролизного борирования ведут по режимам, обеспечивающим толщину слоя не более

150 мкм. При этом в слое должны отсутствовать поры и трещины. В отличие от прототипа нагрев борированных изделий ТВЧ до температур контактного плавления предупреждает вероятность сколов, ускоряет диффузию атомов бора, увеличивая таким образом толщину диффузионной эоны и перенасыщенность бором фазы FezB, формирует плавность перехода значений

55 микротвердости к сердцевине изделия. При нагреве ТВЧ со скоростью 70 — 90 С/с происходит снижение температуры контактного плавления на границе фаз FezB, Гез(В, С), -Fe по сравнению с температурами плавления для данных фаз на равновесной диаграмме состояния системы Fe-В-С и создаются условия для образования контактной переплавленной зоны при сохранении на поверхности зоны боридов с повышенными значениями микротвердости, При этом фаза FeB не выявлена, а следовательно, отсутствуют растягивающие остаточные напряжения на границе фаз, Данная многослойная система обладает высокими физико-механическими свойствами. Кроме того, проведение ступенчатого охлаждения позволяет предотвратить сколы.

Пример, Борированные образцы из стали марок 45 и 40Х с толщиной слоя 130 и

105 мм соответственно подвергались термообработке на установке с генератором ВЧГ60/0,066, Изменение скорости нагрева проводили от 50 до 110 С/с через 20 С/с, изменение температуры нагрева варьировали в пределах 1050 — 1150 С, Охлаждение проводили при скоростях 150 — 200, 800—

1000, 1500 — 1800 С/с. Температуру контролировали шлейфовым осциллографом и оптическим пирометром "Проминь", металлографический анализ проводили с помощью микроскопа "NEOP HOT".

Микротвердость измеряли на приборе ПМТ3, износ определяли на стенде и при полевых испытаниях по изменению размера рабочей части изделия. Результаты приведены в табл.1, 2.

В табл.1 приведены значения толщины структурных составляющих борированного слоя после охлаждения со скоростью 150200 С/с.

Как видно из результатов, приведенных в табл,1 и 2, нагрев ТВЧ до температур эвтектических реакций (для стали 45 1100 С, для стали 40Х 1120 С) приводит к образованию зоны со структурой равновесной эвтектики, Нагрев до температур ниже эвтектических на 50 — 60 С не вызывает структурных изменений, не происходит перераспределения бора в борированном слое, сохраняется скачкообразность изменения микротвердости и остаточных напряжений, а значит сохраняется вероятность сколов, При скоростях нагрева менее 70 С/с в зависимости от температуры нагрева образуется либа эвтектика, либо сохраняется боридный слой, что не обеспечивает повышенных прочностных характеристик диффузионного слоя. Повышение скорости

1740448

Тн = Тэ — А(2...41/ V„, Таблица1 н

Заключение н 1 О С

Vz>1О О/с

Вид обработки

Толщина зоны, мкм

Нарка стали бори- контакт- антек- поддов ного тики слоя подплав.

130 500

Предлагаемый; 45 способ

t — ОД 50 а н

2 v<

Неудовл.рез-т «сколы, неровности

Неудовл.рез-.т - разруш.при работе

Та на . Нудоалат.раз-т - надостат. толанна упрочнанной зоны

Неудовл .рез-т - сколы,неровности

Оптимальный рез-т

Тоже .

30 900

20 750

700

135 600

4 1ч„

6 v„

О 7„

2@V„7 0

4/v„

e4v„

t о э со э

105 Следы

130

Прототип

t а а

Предлагаемый способ

t а

<а а

t а э

800

90 50

130

Прототип

Неудовл.рез-т - недостат.толщина упрочненной зоны

700 э н

140 600

Предлагаемый способ

Неудовл.рез-т - сколы,неровности

Оптимальный рез-т

То же

90

- 21"н сэ 41та

800.

100 40

130

700

Прототип

Неудовл.рез-т - микротрещины

О Т/„

45 110

t,— 2 v„

Предла гаемый способ

140 . 700

750

Неудовл.рез-т -сколы,неровности

Неудовл.рез-т - не-.. достат.толщина упрочненной зоны

То же, трещины

Неудол.рез-т - микротрещины

110 30

t - 4wv„ а сэ 6{v„

700

110 20

130

Прототип

4 - 04ц

40Х, 50 э н

90 300

50 500

Предлагаемый способ

Неудовл.рез-т - сколы,неровности

Неудовл.рез-т - разруш.при работе

Неудовл.рез-т - разруш.при работе

Неудовл.рез"т

Недостат.толщина упрочнен.зоны

70 Следы 20 400

400

100

Прототип нагрева более 90 С/с увеличивает вероятность образования микротрещин и сколов, Результаты, приведенные в табл,2, показывает, что охлаждение со скоростью более 1000 С/с приводит к возникновению трещин, которые могут распространяться вглубь материала, Охлаждение со скоростью ниже 800 С/с приводит к неполной закалке на мартенсит упрочненной зоны, не достигается плавность перехода физикомеханических свойств, возникают зоны разупрочнения, происходит выкрашивание и ускоренный износ материала изделия.

Полевые испытания, проведенные на звездочках свеклоуборочной техники, упрочненных по данному способу, показали повышение срока их службы в 2,5 — 3 раза.

Износостойкость борированного слоя при этом после 500 ч работы увеличивалась в

4 — б раз по сравнению с серийными.

Формула изобретения

Способ термообработки борированных стальных изделий, включающий нагрев под закалку токами высокой частоты, закалку и отпуск, отличающийся тем, что, с целью увеличения толщины слоя и его износостойкости, снижения обезборирования слоя, 5 предотвращения сколов и трещин за счет обеспечения плавного перехода свойств борированного слоя к сердцевине изделия, нагрев осуществляют со скоростью 70 — 90 С/с до температуры, определяемой из ооотно10 шения тн — тЕмпЕратура нагрЕва. С;

15 t3 — температура эвтектической реакции, С;

VH — скорость нагрева. OC/c;, с1/2

А — размерный коэффициент, град .

20 а охлаждение при закалке проводят со скоростью 800 — 1000 град/с до температуры мартенситного превращения с последующим самоотпуском, 1740448

Продолжение табл. 1

Вид обработки

VÐ1О С/e

c„+ 10 С

Заключение

Толщина зоны> мкм

Иарка стали боридов контакт- эвтек- подного тики слоя подплав.

40Х 70

2- Чк

4 Vè со 6,1ч э н

100 300

Предлагаемый способ

350

105 г50

Прототип с — 0+V

2&VIНI е — 4-ГЧч ,.>> 6.Гч

Э ч

110 350

Предлагаемый способ

ЭО

40Х

350

105

Прототип

c, — 0.1ׄ

c - 2-Бц

110 350

Предлагаемый способ

40Х

400

85 30

c, - 4Гчн вв 6. ч э ч

Следы

105

350 То же

350 То же

Прототип

Таблица2

Вид обработки

Скорость охлаждения, С/с

Качество поверхности

Толщина зоны, мкм

Иикротвердость, Н ГПа

Иа рка стали боридов конт. подплав. подслоя подслоя бори- конт дов подплав

150-200

Прототип 800-1000

1500-1800

700 15

750 17

700 19

7,5

150-200

800- 1000

1500-1800

12 9

12,5 9

Предлагаемый способ

150-200

800- 1000

1500- 1800

Прототип

7>5 7,5

40Х

150-200

800- 1000, 1500" 1800

Предлагаемый способ

12 8

l2,5 9,5

13 9

Гладкая трещины

Составитель И.М.Спиридонова

Техред М.Моргентал Корректор М.Кучерявая

Редактор О.Спесивых

Заказ 2052 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям.и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Гладкая

« I I»

Иикротрещ.

Гладкая

» I I»

Иикротрещ.

Гладкая

>1

Иикротрещ.

100

900 16

1000 19

850 20

350 16

350 18

350 19

550 21

650 20

450 21,5

Неудовл.реэ-тколы, неровности

Оптимальный рез-т

То же

Неудовл.рез-тнедостат. толщина упроч.зоны

Неудовл.рез-т - сколы,неровности

Оптимальный реэ-т

То же

Неудов.рез-т - микротрещины

Недов. рез-т - сколы, неровности

Неудов.рез-т - недостат.толщина упроч эоны,микротрещи ны