Способ обработки стальных деталей

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для прочнения стальных деталей сложной формы в условиях массового производства Сущность изобретения: стальные детали подвергают газотермобарической обработке в атмосфере газообразного азота при давлении 10 - 200 МПа и температуре 750 - 1100° С в течение 05 - 5 ч После этого детали нагревают в соляной ванне до 850 - 1050 °С, выдерживают в течение времени необходимого для получения твердого раствора азотд и охлаждают по режиму, предотвращающему образование остаточного аустенита Закаленные детали подвергают отпуску при 100 - 180°С в течение 0,5 - 2 ч

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Рессийскей Федераций не патентам и теварнъпа знакам

1 (21} 5063725/02 (23) 300992

{46) 30.1 133 Бвл, Na 43И

P5) Омельченко АВ„ Фролов АН; Шелагуров МА;

Гетманова МЕ. Белоусов Г.С. (73) Ulenarypoa Михаил Александрович (54 СПОСОБ ОБРАБОТКИ. СТАЛЬЙИХ ДЕТАщй

f57) Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для прочнения стальных деталей слакной формы в условиях массового произ(19> 3Ш (m Щ9Д7ДД С1 (51) 5 СЗЗС8 6 водства Сущность изобретения: стальные детали подвергают газотермобарической обработке в атмосфере газообразного азота при давлении 10—

200 МПа и температуре 750 — 1100 С в течение

0,5 - 5 ч. После этого детали нагревают в соляной ванне до 850 - 1050 С, выдерживают в течение временц необходимого для получения твердого раствора азота; и охлаждают по режиму, предотвращающему образование остаточного аустенита

Закаленные детали подвергают отпуску при 100—

ИВ С в течение 6,5 -2 ч.

2003732.зобретнение относится к металлургии

;. може. быть использовано для упрочнения ста;:ьчых деталей сложной формы в условиях массе ого производства.

Известен способ упрочнения деталей,,например шестерен, инструмента, штанг, включающий цементациюв аустенитной области, закалку и отпуск (1).

После обработки известным способом деталей сложной формы с технологическими отверстиями, какие имеют, например, плунжерные пары и корпуса распылителей дйзельных двигателей, имеет место отличие в твердости поверхности детали по глубине отверстия, а именно, в интервале от 58 до 52

HRC.

Низкая твердость у дна отверстия приводит к интенсивному износу в процессе эксплуатации детали.

Различие па твердости появляется вследствие отсутствия канвекции насыщеннога газа в. полость отверстия в процессе цементации детали.

У корпуса распылителя; обработанного согласно известной технологии, эксплуатационная стойкость не превышает 3 тыс. ч.

Наиболее близким к предложенному является способ азотирования деталей; включающий выдер>кку в токе аммиака в аг температур 570 590оC e Te eHve

20-50 ч, после чего температуру снижают до

500-51ООС и а зоти руют в течение 15-30 ч (2).

Известный режим широко применяется в настоящее время на машиностроительнЫх заводах, при массовой обработке деталей, в частности для- поверхностного упрочнения деталей двигателей сложной формы с технологическими отверстиями — плунжерных пар, корпусов распылителей и др.

Толщина насыщенного азотам упроч. неннаго слон на деталях из сталей 25 Х 5М .и 18 Х 2Н4МА составляет 0,30-.0,35 мм, твердость по глубине технологического отверстия колеблется г>т 59 до 54 НЯС. Присутствие в диффузионном слое на поверхности деталей упрочняющей фазы в виде кубического нитрида CrN, изаморфнога матрице, предпочтительнее дпя обеспечения эксплуатационной стойкости, чем ромбоэдричэско го карбида, Сг2зС6, фактически образующегося при цементации., Способом t2j (так же как и способом (1))

s условиях массового производства невозможно добиться равномерного упрочнения деталей сложной формы,по всей поверхности, в том числе и па поверхности технологических отверстий, что связано с

: отсутствием конвекции насыщенного газа в полости отверстия. Кроме того. при реализации известнога способа невозможно добиться постоянства азотного потенциала насыщающей атмосферы в каждой точке реакционного пространства, в котором проходит обработку садка с деталям1, что впоследствии приводит к значительному разбросу по стойкости (ресурсу), особенно заметному в условиях массового производства. Вследствие непостоянства азотного потенциала стойкость корпусов распылите"0 лей, обработанных в одной садке, колеблется от 2 до 4 тыс, ч.

Кроме того. известный способ длитепен — не менее 35 ч и неэкологичен, поскольку аммиак токсичен. целью изобретения является повышение эксплуатационной стойкости и ее стабильности в условиях массового производства, сокращение времени обработки и обеспечение ее экологичности.

Для достижения указанной цели пред- . лагается способ обработки стальных деталей, включающий нагрев, выдержку в азатсодержащей среде, охлаждение и закалку с последующим отпуском, в котором, согласно изобретению, детали выдерживают в среде газообразного. молекулярного азота при его давлении 10-200 Мйа, температуре 75Î-1100 .С в течение 0,5-5 ч. По окончании выдержки детали. охлаждают до

30 комнатной температуры и подвергают закалке: нагрев в соляной печи (50 NaO+

-+50,4 КС1) до 850-1050 С, выдержка 5-10 мин, охлаждение в 5-8 -ном растворе

NaCI. После закалки детали подвергают отпуску при температуре 100-180 С в течение

0,5-2 ч. Если после охлаждения в 5-8Я,-ном растворе NaCt в стали. сохраняется еще некоторое количество аустенита, закалку необходимо r.,ðoäoë>Kèòü в криогенной среде, Обработке предложенным способом подвергали детали сложной формы с технологическими отверстиями — корпуса распылителей из стали 18Х2Н4МА и плунжерные пары из стали 25Х5М.

Вследствие того, чта величина азотнага потенциала задается во время выдержкидеталей двумя параметрами — давлением и, в меньшей мере, температурой, которые можно с высокой степенью точности поддерживать постоянными в течение всего времени выдержки, о"еспечивается равная стойкость деталей, обработанных в одной садке.

Использование безвредного газа — азо.та обеспечивает экологичность предлагае55 мой технологии по сравнению с известной.

За счет использования при обработке высоких давлений азота в сочетании с высокими температурами и последующей перезакалкой обеспечивается сохранение мелкозернистой структуры, активизация

«003732 нию поверхности и снижению ресурса работы деталей.

Время выдержки при закалке определяют стандартным способом.

5 Охлаждение проводят по режиму, обеспечивающему полное протекание мартен- ситного превращения — для стали 25Х5М это

5 — 8 %-ный раствор NaCl, для 18Х2Н4МА охлаждение необходимо продолжить а жид10 ком азоте.

Отпуск при температуре ниже 100 С недостаточен для снятия закалочных напряжений; выше 180 С вЂ” приводит к снижению эксплуатационной стойкости.

15 Выдержка приотпуске менее 0,5ч недостаточна для снятия закалочных напряжений. Выдержка более 2 ч экономически нецелесообразна.

4

Выдержка более 5 ч нецелесообразна по экономическим соображениям, т.к. получаемые слои имеют глубину > 3 мм, что более чем достаточно для эффективного уп-. рочнения. 5

Нагрев под закалку следует проводить в соляной ванне(50% NaCt+50% КС1) вследствие того, чо детали после закалки подвергаются только финишному шлифованию, и, кроме того, расплав соли снижает деазо- 5 тирование поверхности.

Нагрев под закалку ниже 850 С. недостаточен для растворения нитридов и перевода азота а твердый раствор. Нагрев выше

1050 С приводит к сильному деазотироаадиффузии азота в поверхностный слой, следствием чего является повышение стойкости деталей при эксплуатации. так, ресурс работы корпусов распылителей из стали

18Х2Н4МА с 2 — 4 тыс. ч повысился да 10 тыс. ч, а у плунжерных пар из стали 25Х5М с 3-5 до 12 тыс.ч. При этом необходимо отметить отсутствие сажеобразования в отверстиях корпусов распылителя, через которые происходит впрыскивание топлива. Это происходит именно потому, что поверхность отверстия равномерно насыщена азотом, чего в случае известного способа получить невозможно .

В предлагаемом способе выдержка при . температуре ниже 750 С недостаточна для эффективной диффузии азота и получения глубины упрочненного слоя 1 мм и выше, поэтому эксплуатационная стойкость деталей была бы низкой. Обработка выше

1100 С привела бы к значительному росту .зерна. следствием чего было бы падение стойкости деталей. Кроме того, в поверхностном слое присутствует остаточный- азотно-углеродистый аустенит, который вследствие его стабильности невозможно полностью превратить.в мартенсит даже путем проведения криогенной обработки. Наличие же в поверхностном слое остаточного .аустенита приводит в процессе эксплуатации деталей к изменению,ее геометрических раЗмеров и выходу из строя (зак: нивание плунжерной пары).

Дэв ние при обработке ниже 10 МПа недостаточ.о для создания требуемой концентрации азн а в поверхностном слое, что веде- к падению эффекта упрочнения. Давление свыше 200 Mli:- создает избыточную концен рацик азота, что приводит к охрупчиванию повермнос i ного слоя

Выдержка менее 0,5 ч не позволяет получить слой глубиной свыше 1 мм, что при эксплуатации деталей приведет к преждевременному выходу их из строя.

Предложенным способом обработаны партии деталей по 500 шт. в каждой — корпуса распылителей из стали 18Х2Н4МА и плунжерные пары из стали 25Х5М. . Детали помещают в нагревательное устройство газостата и герметизируют его камеру; После этого камеру вакуумируют, заполняют газообразным азотом и повышают его давление до 10-200 МПа. По дости-. жении требуемого согласно технологии давления включают нагревательное устройство и повышают температуру до 7501100 С, выдерживают при этих режимах

0,5 — 5 ч и проводят охлаждение до комнатной температуры, Азотированные изделия подвергают нагреву под закалку до 850-1050 С в соляной ванне 50% йаО + 50% KCI, выдерживают

5-10 мин и охлаждают по- режиму, предотв ращающему образование остаточного аустенита — для плунжерных пэр из стали

25Х5М, охлаждение проводят в 5-8%-ном растворе КаС1 в воде, для корпусов распылителей из стали 18Х2Н4МА необходимо продолжить охлаждение, например, в жидком азоте или твердой углекислоте. После закалки детали подвергают отпуску при

100 — 180 С в течение 0,5-2 ч.

Обработанные предложенным способом детали подвергают ускоренным стендовым испытаниям, которые имитируют реальную работу деталей при поступлении топлива с.абразивом.

Стендовые испытания показали, что ресурс работы корпусов распылителей повысился с 2-4 до 8-10 тыс, ч, а плунжерных пар с 3-5 до 10-12 тыс. ч при отсутствии рэ",броса па стойкости деталей, обработанных по одному режиму.

2003732

Составитель А. Омельченко

Редактор С. Кулакова Техред М.Моргентал Корректор M.Ñàìáîðñêàÿ

Тираж . Подписное

НПО "Поиск". -Роспатента

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

Заказ 3311

Произаодстаенно-издательский комбинат "Патент", г. Уигород. ул.Гагарина. 101

Предложенный способ менее длителен высоких нагрузках, в том числе и в агрессивпо времени, чем известный и экологически ных средах, поскольку топливо, особенно чистый, дизельное, содержит значительное количество серы.

Все зти преимущества делают предла-. 5 гаемое техническое решение перспектив- (56) 1. Лахтин Ю. М. Химико-термическая . ным для внедрения на заводах, где обработка металлов. 1985, с. 114. требуются. глубокие упрочненные слои на .. 2. Авторское свидетельство СССР . деталях, работающих в условиях износа при * М 899712, кл. С 23 С 8/26, 1980..

Формула изобретенйя в течение 0.5-5,0 ч, а после охлаждения

СПОСОВ OspASOTKH СтМЬНЫХ дЕ- детали подвергают закалке путем нагрева, до 850 - 1050 С в соляной ванне и вы е ж- ки, обеспечивающей пол ение тве раствора азота, после чего и ово т охазотосодеРжащей сРедЕ и охлаждение. О 15р ора азота naene «его и ово т ох.Гатмосфере газообразного азота при даале- образование остаточного аустенита, и от-.

„нии - а, темпеРатУРе - пуск при 100-: 180 С в течение 0,5-2,0 ч,