Способ азотирования деталей из легированных сталей
Сущность изобретения: детали из легированных сталей подвергают объемной закалке, поверхностной закалке лазером с мощностью излучения 2 - 5 кВт, диаметром пучка 3 - 5 мм, скоростью перемещения луча 40 - 80 мм/с, высокому отпуску, механической обработке и азотированию на глубину не более глубины поверхностного закаленного слоя. 1 таба
К ПАТЕНТУ
Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5000558/02 (22) 28.08.91 (46) 15.12.93 Бюл. Na 45-46 (78) Карпухин Сергей Дмитриевич; Герасимов Сергей Алексеевич;.Елисеев Эдуард Анатольевич; Пучков Владимир Григорьевич (54) СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ
ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ (ю) RU (и) 2ОО46О Cl (sz) s сьзсву (57) Сущн сть изобретения: детали из легированных сталей подвергают объемной закалке, поверхностной закалке лазером с мощностью излучения 2 — 5кВт,,диаметром пучка 3 — 5 мм, скоростью геремещения луча 40 — 80 мм/с, высокому отпуску, механической обработке и азотированию на глубину не более глубины поверхностного закаленного слоя. 1 табл.
2004613
Изобретение относится к химико-термической обработке I4 может быть использовано для азотирования деталей из легированных сталей, работающих в условиях высоких контактных и иэгибных нагрузок, в :астности для шестерен зубчатгях передач.
Известен способ низкотемпературного (до 600 С) азотирования легированных сталей, эаключаloùëéñÿ в закалке, высоком оТпуске, механической обработке деталей и азотировании, Недостатком данно -о способа азотирования является образование в аэотированном слое нитридов железа и легирующих элементов по границам бывших аустенитных зер н, так называемой нитридной сетки, Границы зерен, состоящие из нитридов железа и легирующих элементов, обладают повышенной хрупкостью по сравне II4lo с боле=-.пластичным телом зерна,,что приводит в процессе эксплуатации азотированных деталей, работающих при контактных и иэгибных нагрузках, к эаро>кдени|о усталостных TpGLUI4H именно в и ITpI4pvioA сетке, Развитие усталостной трещины с большой ак ивностью происходит также по границам бывших аустенитных зерен и прлводит B итога к разруш. ;..ию аэотированного слоя и выходу деталей из строя, Известен способ упрочнения поверхности де1алей машин из легированных сталей с помощью обработки лазером, заключа.ошийся в нагреве локальных у- астков поверхно ги посредством воздейс вия ин генсивного потока лазерного излучения до тем. ператур выше критических и последующем охлаждении с высокой скоростью, приводящей к образованию мартенситных структур
IIа глубину до одного милллметра.
Недостатком данного способа поверхностной термической упрочняющей обработки деталей являются низкие l 3<> Q t 40 д5 0 55 цам бывших аустенитных зерен, Как показали исследования, толщина нитридной сетки зависит от величины бывшего аустенитного зерна: чем крупнее зерно, тем интенсивнее протекает процесс образования нитридной сетки при азотировании и увеличивается ее толщина. В известном способе азотирования измельчение аустенитного зерна достигается использованием поверхностной закалки токами высокой частоты. Однако поверхностная закалка токами высокой частоты позволяет измельчить зерно только до 11 — 12 балла, что приводит к образованию нитридной сетки при азотировании, хотя и незначительной толщины, Целью изобретения является повышение контактной и изгибной долговечности азотированных деталей эа счет полного устранения нитридной сетки. указанная цель достигается тем, что по предлагаемому способу аэотирования выполняется объемная закалка, поверхностная закалка лазером, высокий отпуск, механическая обработка и азотирование на глубину не более глубины поверхностного закаленного слоя, Известно, что увеличение скорости нагрева при закалка способствует получению в стали более мелкого зерна. Скорость нагрева при за <алке ТВЧ составляет 10 — 104 град/с, при закалке лазером — до 10 град/". При закалке лазером возможно измельчить зерна в легированной стали до 14 балла, Изменение зерна до 14 балла приводит к значительному увеличению протяженности высокоугловых (межзеренных) и малоугловых (межблочных) границ. К тому же в отличие от закалки ТВЧ после лазерной за«алки в полученных мелких зернах в результате фазового наклепа наблюдается увеличение внутризеренных дефектов (вакансий, дислокаций, дефектов упаковки и др,) в сотни раз по сравнению с поверхностной закалкой ТВЧ. Таким образом резкое увеличение количества дефектов кристаллического строения (увеличение на порядок протяженности высокоугловых и малоугловых границ, увеличение на несколько порядков количества внутризеренных дефектов), которые являются дополнительными путями диффузии азота, приводит к проявлению нового качества структуры азотированного сло-I: полному подавлению образования нитридов железа по границам бывших аустенитных зерен (нитридной сетки) и позволяет повысить изгибную и контактную долговечность аэотированных деталей, Описанная структура азотированного слоя может быть сформирована только по2004613 25 50 55 сле лазерного воздействия по определенным режимам, Режимы лазерной обработки должны обеспечивать: температурно-временной градиент, приводящий к фаэовым превращениям и измельчению зерна в стали; иэмельчение зерна на расстоянии от поверхности не менее 0,5-0,6 мм; отсутствие оплавления поверхности. Режимы лазерного воздействия, обеспечивающие заданные параметры обработанного слоя, выбирались с учетом теоретических предпосылок и корректировались по результатам экспериментов. Основными параметрами лазерной закалки непрерывными лазерами являются: диаметр пятна излучения d (мм), мощность излучения Р (кВт) и скорость перемещения детали (луча) ч (мм/с) относительно луча (деталл), которая определяет длительность лазерного воздействия, Диаметр пятна выбран 3 — 5 мм. Увеличение размера пятна увеличивает неоднородность распределения мощности по пятну, что приводит к неравномерности глубины эоны лазерного воздействия, Уменьшение диаметра пятна, как показали эксперименты, уменьшает стабильность лазерного воздействия и может привести к оплавлению поверхности. Мощность излучения при указанном диаметре пучка выбиралась таким образом, чтобы плотность мощности лазерного излучения обеспечивала локальный разогрев металла до температуры плавления без заметного испарения металла. Используя рекомендованные значения плотности мощности излучения 10 — 10 кВт/м и результаты экспериментов, выбрали верхний порог мощности излучения, не приводящий к оплавлению поверхности, величиной 5 кВт, нижний порог мощности излучения, обеспечивающий нагрев поверхности до температуры фазовых превращений 2 кВт. Скорость перемещения луча лазера относительно детали при. термической обработке должна обеспечивать длительность лазерного воздействия не менее 10 с, что для заданного размера пятна луча составляет не более 3000 мм/с. Эксперименты показали, что увеличение скорости перемещения луча выше 80 мм/с не обеспечивает необходимой глубины эоны лазерного воздействия, а при уменьшении скорости ниже 40 мм/с возможно оплавление поверхностии. Таким образом выбраны следующие режимы лазерной обработки, обеспечивающие требуемое качество зоны лазерного воздействия: Диаметр пятна луча 3 — 5 мм Мощность излучения 2 — 5 кВт Скорость перемещения 40 — 80 мм/с Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что в предлагаемом способе азотирования предварительная поверхностная термическая обработка проводится лазером с режимами: мощность излучения 2 — 5 кВт, диаметр пучка 3 — 5 мм, скорость перемещения луча 40-80 мм/с. Эти отличительные признаки по сравнению с прототипом позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна". В предлагаемом способе азотирования совокупность признаков в следующей последовательности: объемная закалка; поверхностная закалка лазером с режимами; мощность излучения 2-5 кВт, диаметр пучка 3-5 мм, скорость перемещения луча 40 — 80 мм/с; высокий отпуск; механическая обработка; аэотирование на глубину не более глубины поверхностно закаленного слоя, приводит к повышению контактной долговечности азотированных деталей за счет полного, устранения нитридной сетки посредством резкого увеличения количества путей диффузии азота по дефектам кристаллического строения. Именно это новое свойство совокупности признаков позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень". Предлагаемый способ аэотирования опробован в лабораторных условиях. Пример. По предлагаемой технологии были обработаны образцы из малоуглеродистой ниэколегированной стали 10ХЗГ2МЮФТ. По предлагаемой технологии образцы прошли закалку в печи ПН-35. Лазерная закалка осуществлена на лазерной установке непрерывного действия ХЛТУ-25. Высокий отпуск произведен в печи ПН-35. После этого образцы были подвергнуты окончательной обработке шлифованием для удаления окисленного слоя и газовому азотированию в среде аммиака в печи США — 6,5:22.10/6. Образцы в виде цилиндров длиной 30 мм и диаметром 14 мм с посадочными местами под подшипники прошли объемную закалку с температурой 850 С в масло. После этого образцы были обработаны на лазерной установке по режимам: Диаметр пятна луча 3мм 2004613 Мощность излучения Скорость перемещения луча относительно детали (скорость вращения образца) 3.0 кВт 80 мм/с (2 об/с) 10 (56) Авторское свидетельство СССР М 1574649, кл. С 21 С 1/78, 1990. Способ ээотирования Контактная долговечность, млн. иклов Применяемый Объемная закалка Т 850 С, масло Поверхностная закалка ТВЧ, Т 850-930 С, выдержка 3+1 с, масло Отпуск Т 600 С, выдержка 2 ч. воздух Чистовэя механическая обработка Аэотирование Т 550 С, выдержка 50 ч, степень дииссоциации аммиака 45-507; 11,5 Применяемый Объемная закалка Т 850 С, масло Поверхностная закалка лазером Отпуск 6000С, выдержка 2 ч, воздух чистовая механическая обработка Аэотирование Т 550 С, выдержка 50 ч, степень ииссо иа ии аммиака 45-55 14.7 Формула изобретения более глубины поверхностного закаленноСПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ, ro слоя, отличающийся тем, что поверхно ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ, включаю. стную закалку проводят лазером с щий объемную закалку, поверхностную за помощью излучения 2 - 5 кВт, диаметром калку, высокий отпуск, механическую пучка 3 - 5 мм, скоростью перемещения луобработку и азотирование на глубину не ча 40 -80 мм/с. Составитель И.Дашкова Редактор Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор В,Петрэш Заказ 3381 Тираж НПО "Поиск" Роспатента 113035, Москва, Ж 35, Раушскэя наб.. 4/5 Подписное Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Коэффициент. перекрытия (скорость перемещения образца вдоль образующей цилиндра ) 0.2 {5 мм/с} Поглощающее пок- 15 рытие черная гуашь Глубина закаленного слоя 0.5-0,6 мм. После высокого отпуска при температуре 600 С в течение 2 ч, окончательного шлифования нэ глубину 0,02 мм образцы подверг- 20 лись газовому азотированию по режиму: Температура аэотирования 550 С Время азотирования 50ч Диссоциация аммиака 45-50 Образцы, обработанные по предлагаемой технологии, имеют глубину поверхностной закаленной лазером эоны 05-0,6 мм, глубину аэотированного слоя 0,5-0,6 мм, размер бывшего аустенитчого зерна 13-14 номер в пределах азотированного слоя и 8-9 номер в сердцевине. Результаты сравнительных испытаний на контактную долговечность образцов, обработанных по применяемой и предлагаемой технологии аэотирования, приведены в таблице. Таким образом, использование предлагаемого способа аэотирования позволяет уменьшить размер бывшего аустенитного зерна вплоть до 14 номера, полностью устранить нитридную сетку в азотировэнном слое и повысить контактную долговечность азотированных деталей на 30 >.
