Способ химико-термической обработки деталей из низкоуглеродистых легированных сталей

 

Использование: в машиностроении для упрочнения деталей оснастки для литья под давлением, Детали из низкоуглеродистых легированных (преимущественно титаном и хромом) сталей подвергают цементации с промежуточным охлаждением в два этапа при температурах 1250-1100° С и 1000-950° С соответственно. После охлаждения на воздухе осуществляют дополнительную цементацию при температуре второго этапа, закалку с этой температуры и отпуск. При этом температуру этапов определяют исходя из условий образования аустенито-карбидных колоний на первом этапе цементации на базе карбида титана, на втором - на базе карбида хрома. 2 табл,Ј ил.

СОК)3 СОВЕТСКИХ

СО ЦИ АЛ И СТИЧ Е СК ИХ

РЕСПУБЛИК (st)s С 23 С 8/22

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4874911/02 (22) 16.10.90 (46) 07.01.93. Бюл, М 1 (71) Днепропетровский металлургический институт (72) В.И,Мовчан, А.П.Бачурин, В.В.Владимирова, B.È.Òðåòüÿê и Н.Н.Грицаенко (56) Авторское свидетельство СССР

Гч. 1629349, кл. С 23 С 8/22, 1987, (54) СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИCTblX ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ (57) Использование: в машиностроении для упрочнения деталей оснастки для литья под

Изобретение относится к химико-термической обработке (ХТО) и может быть использовано в машиностроении для упрочнения деталей оснастки для литья под давлением.

Для деталей машин и аппаратов, работающих в условиях знакопеременных нагрузок, высоких температур и давлений, а также агрессивных коррозионных сред большое значение приобретают свойства поверхностного слоя, В связи с этим технический прогресс в различных областях науки и техники неразрывно связан с проблемой создания и внедрения в практику защитных покрытий и диффузионных слоев на металлах и сплавах. а в ряде случаев это единственно возможный метод повышения эксплуатационны> свойств, иногда по существу метод получения принципиально нового композиционного материала.

„„ Ц„„1786181 Al давлением, Детали из низкоуглеродистых легированных (преимущественно титаном и хромом) сталей подвергают цементации с промежуточным охлаждением в два этапа при температурах 1250 — 1100 С и 1000 — 950

С соответственно. После охлаждения на воздухе осуществляют дополнительную цементацию при температуре второго этапа, закалку с этой температуры и отпуск. При этом температуру этапов определяют исходя из условий образования аустенито-карбидных колоний на первом этапе цементации на базе карбида титана, на втором — на базе карбида хрома. 2 табл,2 ил.

Известен способ термической обработки деталей из конструкционных сталей, заключающийся в цементации при 940.".10 С последующим отпуском при 650 100C,çàêàë е с температуры 850 С и дополнительном науглероживании поверхности в среде полимеров при 220410 С, При этом повышается твердость и износостойкость, Недостатками такого способа являются, во-первых, значительная карбидная неоднородность, возникающая в стали определенного состава, цементованной при различных температурах (при которых форма и распределение карбидной фазы не регулируется) и, во-вторых, недостаточная глубина рабочей поверхности с повышенной твердостью, полученная дополнительным науглероживанием при сравнительно низкой температуре, Все это заметно снижает эксплуатационные характеристики обработанных изделий.

1786181

Известен также способ; упрочнения поверхности стали, состоящей в том, что рабочую часть поверхности стальной детали предварительно подвергают цементации, после чего производят диффузионное насыщение одним или более элементами из группы, включающей Nb, Cr, Мо, Та, Ti и N, в результате чего эти элементы взаимодействуют с углеродом и карбидами, причем, обеспечивается формирование участков высокой твердости и износостойкости .

Недостатком этого способа является неравномерность образования легированных карбидов по площади рабочей поверхности и глубине слоя, которая тоже не может быть большой, посколькудиффузионная подвйжность перечисленных легирующих элементов значительно ниже; чем у углерода.

Наиболее близким техническим решени- 2ù ем к предлагаемому является способ термической обработки легированных сталей, преимущественно хромистых с содержанием хрома от 7 до 25%, включающий цементацию в определенных температурно-концентрационных условиях, обеспечивающих образование в структуре аустенито-карбидных колоний, которые создают композиционное упрочнение рабочего слоя, значительно повышающего характеристики износостойкости и прочности деталей.

Недостатком известного способа является преимущественное использование хромистых сталей, что сужает круг поверхностно-упрочняемых легированных износостойких и разгаростойких сплавов, 35

Целью изобретения является повышение износостойкости и разгаростойкости сложнолегированных сталей с низким исходным содержанием углерода.

Поставленная цель достигается тем, что 40 в способе, включающем цементацию и охлаждение, цементацию с промежуточным охлаждением ведут в два этапа при температурах 1250-1100 и 1000-950О С соответственно, после охлаждения на воздухе 45 осуществляют дополните ьную цементацию при температуре второго этапа, закалку с этой температуры и отпуск, при этом температуру этапов определяют исходя из условий образования ауст.нито-карбидных колоний на первом этапе цементации на базе карбида титана. на второй стадии на базе карбида хрома. !

Предлагаемый способ иллюстрируется фиг. 1 и 2,где графически показаны участки изотермического сечения диаграмм состояни Fe-Ti-С- сплавов при 1000 С (фиг.1) и

Fe-Cr-С-сплавов при 950 С (фиг,2).

Наличие вышеупомянутых отличительных от прототипа признаков свидетельствует о соответствии предполагаемого изобретения критерию "новизна". Поскольку заявляемая совокупность существенных признаков, позволяет достигнуть цель: повышение износостойкости и разгаростойкости сложнолегированных сталей, изобретение соответствует критерию "положительный эффект" по наличию разницы в результатах при использовании известного и заявляемого решений. Для определения соответствия заявляемого технического решения критерию "существенные отличия" по каждому отличительному признаку был проведен поиск по научно-технической литературе и патентной документации.Поскольку среди известных не обнаружено технических решений, содержащих признаки, сходные с отличительными признаками и выполняющие заявленную функцию, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Цементация сталей, легированных хромом, приводит к композиционномуупрочнению диффузионного слоя карбидными волокнами, растущими от поверхности к сердцевине в аустенитной матрице. При этом для данного содержания хрома в стали; температура цементации определяется таким образом, чтобы на изотермическом сечении диаграммы состояния сплавов Fe—

С-Сг состав сплава соответствовал углу кон1 нодного треугольника, описывающего сосуществование трех фаз — феррита, карбида и аустенита. Происходящий при этом направленный рост тонкодиспергированной упрочняющей фазы благоприятствует высокой степени упрочнения изделия в целом, поскольку малоуглеродистая вязкая сердцевина заключена в прочную оболочку композита, Однако, в сложнолегированных сплавах при данной температуре в виде колоний растут карбиды на базе одного легирующего элемента, а карбиды на базе другого легирующе. о элемента могут выделяться в любом месте (преимущественно по границам зерен) и в любой форме (глобулярной или ограненной). Такие нерегулярно расположенные карбиды затрудняют рост колоний в частности на базе хромистых карбидов. Но если аустенито-каобидные колонии уже образовались и понизить температуру цементации, то выделение и рост карбидов будет продолжаться с колониальной морфологией. Поэтому, сгедует вначале развязать колониальный рост карбидно-аустенитных агрегатов на базе леги рующего элемента при более высокой температуре, с тем, чтобы при последую1786181 щем понижении температуры до уровня роста колоний другого легирующего элемента и те и другие карбиды росли в виде волокон.

При охлаждении сложнолегированного сплава в науглерож вающей среде происходит изменение распределения карбидов в некоторой зоне диффузионного слоя. Чтобы сгладить возникшую карбидную неоднородность проводят повторную цементацию сплава при температуре более низкой ступени, При этом вновь выделяющиеся карбиды или очень мелкие, глобулярные, имеющие дисперсность, соизмеренную с дисперсностью колоний на базе этого карбида и вытянутые в волокна. Таким образом удается получить композиционное упрочнение сложнолегированных сплавов в диффузионном слое. Стали, легированные титаном, подвергаются композиционному упрочнению в интервале температур 1250—

950 С. При этом содержание титана должно находиться в пределах 0,7 — 2 . Температура цементации данного сплава подбирается по виду изотермического сечения диаграммы состояния Fe — Ti — С сплавов так, чтобы содержание титана в сплаве соответствовало углу коннодного треугольника, описывающее трехфазное равновесие аустенит + феррит + карбид. В любом другом случае неизбежно образование карбидной неоднородности (см, табл, 1).

Стали, легированные хромом упрочняются по тому же принципу в интервале содержания хрома 17 — 25 и температур

1200 — 950 С. Но в случае сложнолегированной стали (Ti и Cr) первая более высокая температурная ступень цементации определяется условиями образования колоний титанистых карбидов 1250 — 1100 С, а вторая ступень должна быть более низкотемпературной — 1000 — 950 С. Это обстоятельство регулирует пределы легирования стали указанными элементами. При наличии хрома, . титана должно быть не менее 1%, а при наличии титана, хрома должно быть не более 20 (табл. 1), Пример. Цементации подвергали сталь, содержащую 2 Ti и 17 / Cr и низким исходным содержанием углерода (0,1 ).

При этом температура первого этапа, определяется соответственно 1250 С, а второго

950 С, Образцы 1 х 1 х 1 см запаковывали в контейнер с твердым карбюризатором и отжигали в селитовой печи при температуре

1250 С 0,5 ч. охлаждали с печью до 950 С и выдерживали 6 ч. После цементации охлаждали контейнер на воздухе, Повторную цемента цию и ро водил и и ри температуре

950 С 4 ч. Нагрев под закалку до темпера-1 туры 950 С и при низком отпуске 200 С.

40 Охлаждение от первой ступени цементации до второй, видоизменяя морфологию аустенитокарбидных колоний, вносит некоторую карбидную неоднородность в распределении карбидов. Устранению этой

45 неоднородности путем повторной цементации подвергали только образцы сплава 2 с благоприятной структурой, т.к, хорошо известно, что значительная карбидная неоднородность (1 и 1И варианты) снижает эксплуатационные характеристики изделий. Изменение температуры повторной цементации выше и ниже уровня, необходимогб для образования колоний в исходной стали приводит к росту карбидов разной величины неравномерно располо55 женных в аустените. цементация же при температуре 1000 С приводит к выделению из аустенита мелких карбидов соответствующихдисперсности распределения карби5

35 проводили с добавлением твердого карбюриэатора в пространство печи для того, чтобы предотвратить обезуглероживание, Сталь, содержащую 1 Ti и 20 Cr c исходным низким содержанием углерода (0,1%) подвергали цементации по аналогичному режиму, но при э ом температура первого этапа цементации составила 1100О С, а второго 1000 С.

Структуру диффузионной зоны контролировали металлографически. Результаты металлографического анализа и испытаний представлены в табл. 2.

Как следует из таблицы температура первой стадии цементации, определенная таким образом, чтобы содержание титана соответствовала углу коннодного треугольника (фиг. 1) составляет 1100 С для 1 Ti.

Повышение температуры до 1150 С приводит к выделению избыточного аустенита, что нарушает колониальный рост карбидноаустенитных агрегатов и приводит к карбидной неоднородности. Понижение температуры цементации до 1050 С приво- дит к выделеник глобулярных карбидов и их росту в аустените и не сопровождается образованием аустенито-карбидных колоний, Равномерное распределение карбидов достигается лишь при температуре первой стадии цементации 1100" С.

Температура второй стадии цементации определена подобным же образом для системы Fe — Cr — С и составляет 1000 С. Повышение температуры до 1050 С приводит: к возникновению карбидной неоднородности, понижение до 900 С дает аналогичный результат. Равномерное распределение карбидов наблюдается лишь при температуре 1000 C.

1786181

3а базовый обьект взята пресс-форма из стали Х2В8 после армирования, используемая в настоящее время в промышленности, Сравнительные испытания показали по- I вышение стойкости пресс-форм. обработанных по предлагаемому способу.

Формула изобретения

Способ химико-термической обработки деталей из низкоуглеродистых легированных. сталей, преимущественно титаном и хромом, включающий цементацию при температуре образования аустенитокарбидных колоний и охлаждение, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что. с целью-повышения износостой-, 15 кости и раэгаростойкости, цементацию ведут в два этапа при температурах 1100-1250 С и 950-1000 С соответственно с промежуточным охлаждением, после охлаждения на воздухе проводят дополнительную цемен2р тацию при температуре второго этапа, закалку с этой температуры и отпуск, причем температуру этапов определяют из условий образования аустенитокарбидных колоний на первом этапе цементации на базе карби25 да титана на втором — на базе карбида хрома.

Табли ца 1

Структура диффузионной зоны

Необходимая температура Ементации, С

Содер1нание всплаве,,4

Титана

0,2

Карбидная неоднородность

950

Аустенито-карбидные колонии на базе титана

0,7

То же

«,1Ig

1290

2

2,4

Карбидная неоднородность

Хром

900

Карбидная неоднородность

Аустенито-карбидные колонии на базе хрома

То же

1200

25 дов в колонии. Твердость такого рабочего слоя максимальная.

Сплав 1, содержащий 2f, Т и 17 Сг подвергали аналогичной ХТО, при этом температура первого этапа составила 1250 С, а второго 950 С (cM. табл, 2), Цементация прй более высоких и более низких температурах приводит к возникновению карбид-, ной неоднородности аналогично сплаву 2, По аналогии со сплавом 2 проводили последующую термическую обработку, но с учетом изменения состава стали: повторную цементацию при 950 С, закалку с 950 С и отпуск при 200 С.

Сравнительные испытания сплава-прототипа, обработанного по известному способу, и сплавов 1 и 2, обработанных по предлагаемому способу„показали, что изно-. состойкость образцов, обработанных по предлагаемому способу повышается.

Для испытаний на пазгаростойкость были изготовлены пресс-формы для литья алюминия под давлением из сплава 1 и 2, обработанных по предлагаемому способу.

Температурная область роста колоний на базе карбида хрома в сложнолегированном сплаве

Температурная область роста колоний на базе карбида хрома в сложнолегированном сплаве

1786181

Таблиц ° 2 и

Сплав

Стой KoctI оснасткм

Обьем нарбиднс и

Фазы

Форма выделения карбидов

Объем карбидной

Фазы

Форма выделения карбидов

Те ьтература цементации

11 ступень, ьс

1 ступень

Карбидная ь2одно роди ос т ь

35 . 52

1ОСО

1300 I COO

05 60 0,0239 18000

950

1250 950

900 Карбидная неод нороднбсть .

900

30 50

Глобулярные карбиды. 15 нера внонерно располоке нные

1200

1050 Карбидная неоднородность

35 08

1150 1050

50 58 0,0295 17000

1000

1100 1000

Карбидные волокна и мелкие глобулм по границам зерен

1050 900

Глобулярные карбиды неравномерно располоиенные

900 Карбидная неоднородность

30 51

30 50 0,0085 10000

Карбидные волокна

950

Ге 0,1 Щ ОЗ 0,4 д 5, -е- / а

4 /2. 1

Составитель В.Молчан

Техред М.Моргентал Корректор И,Шулла

Редактор А.Рожкова

Заказ 233 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

1- 222i; 172 Сг

2 - 12 Tii 202 Cr

3 - 172 Сг - прототип

Оплавленне на поверхности и гло були разной величины

Карбидные волокна 32 и глобули разной велмчимы неравномерно располоиенные

Карбидные волокна и глобули разной величины, неравномерно распопокенные

Темпе ратура повторной цементации, С

Нелкодисперсные равномерно-распределенные карбидные волокна и глобули

Нелкодиспедсные равноиерно распределенные карбидные волокна и глобупм

Износ суммарный после окомча тельной т/о е4

)1

Ф С