Способ термоциклической обработки стальных деталей

 

Использование: способы упрочняющей термообработки сталей типа 40Х в автотракторостроении при изготовлении сопряженных пар трения, работающих в условиях повышенного гидроабразивного износа, например валики, детали шарнирных сопряжений и т.п. Сущность изобретения: стальную деталь нагревают 3...4 раза до температур выше A_c1 со скоростью 150...180°С/мин и охлаждают. Причем в промежутках между нагревами охлаждают на воздухе, а в последнем цикле до 650...630°С на воздухе, далее в масле с температурой 80...90°С. В результате предложенной обработки деталей создается мелкодисперсная мартенситная структура при равномерном распределении остаточного аустенита в мартенситной матрице, способная хорошо работать на износ. 1 з.п. ф-лы.

Способ термоциклической обработки деталей относится к способам упрочняющей термообработки сталей типа 40Х. Наиболее эффективно использование предлагаемого способа в автотракторостроении при изготовлении сопряженных пар трения, работающих в условиях повышенного гидроабразивного износа, например валики, детали шарнирных сопряжений и т.д.

Известны способы термической обработки сталей.

Цель - повышение их прочностных свойств и включающих однократный или многократный нагревы и охлаждения сталей с выдержкой при постоянной температуре (авт. св. N 602569, кл. C 21 D 1/78, 1975, ББр. з.1104259, кл. C 7 A, оп. 1966).

Однако недостатком этих способов является сопутствующее повышению прочности, снижение их пластических свойств до нежелательных пределов. При длительной выдержке при постоянной температуре стали приобретают крупнозернистую структуру, происходит обезуглерожвание поверхности, сопровождающееся появлением значительной окалины и опасности коробления (Федюкин В.К. Термоциклическая обработка сталей и чугунов. Л., изд. ЛГУ, 1977, с.5).

Известны способы термоциклической обработки сталей на мелкозернистую структуру, основанные на особенностях структурных превращений, возникающих в сплавах при многократных нагревах и охлаждениях (пат. США N 3642595, кл. 148-143, 1972; заявка ФРГ N 2351702, кл. С 21 D 1/78, 1975, авт. св. СССР N 440424, кл. C 21 D 1/00, 1974, авт. св. СССР N 459518, кл. С 21 D 1/00, 1975).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ термоциклической обработки стали (40Х), включающий 4-кратный печной нагрев со скоростью более 60^оС/мин до температуры 830 ± 10^оС с последующим охлаждением на воздухе до температуры 630 ± 10^оС. Охлаждение после последнего нагревания осуществлялось в масле, подогретом до 80^оС. Данный способ принят за прототип.

Однако применение этого способа к сталям типа 40Х не обеспечивает требуемого сочетания пластических свойств и износостойкости для осуществления высокой надежности и работоспособности деталей, так как для их достижения необходимо обеспечение мелкозернистой структуры с определенным соотношением аустенитной и мартенситной составляющих, с равномерным расположением остаточного аустенита в мартенситной матрице.

Целью предлагаемого изобретения является повышение износостойкости и пластических свойств стали путем обеспечения ее мелкозернистой аустенитно-мартенситной структуры.

Цель достигается тем, что в известном способе термоциклической обработки деталей, включающем многократный нагрев до температуры выше точки А_с1 и охлаждение ниже точки А_r1 в предварительных циклах на воздухе и в заключительном цикле в масле, нагрев производится со скоростью 150...180 град/мин (печной нагрев). Причем в заключительном цикле охлаждение осуществляют ступенчато с температуры нагрева в начале на воздухе до температуры 630. . .650^оС, затем в масле с температурой 80...90^оС. Согласно экспериментальным данным такое охлаждение на воздухе до 630...650^оС позволяет получить оптимальное количество аустенита в мартенситной матрице. Охлаждение в двух средах в заключительном цикле предлагаемой термообработки позволяет получить оптимальную износостойкую структуру, мелкозернистую, с равномерным распределением аустенита. Температура охлаждающей среды позволяет сохранить в структуре оптимальное количество аустенита и не создает внутренних термических напряжений. При меньшей температуре среды в детали возможно появление внутренних напряжений, приводящих к появлению микродефектов. При больших температурах в структуре появляется больше оптимального количества аустенита. Кроме того, количество циклов принимают равным 3...4. Высокоскоростной нагрев со скоростью 150...180 град/мин обеспечивает возникновение напряженного состояния по границам зоны (явление термонаклепа), способствующее повышению трещиностойкости материала.

Повышение износостойкости стали в результате предлагаемого способа термоциклической обработки объясняется деформационной обработкой стали в период многократных нагревов и охлаждений материала, которые действуют как термоудары. Происходит дробление структурного зерна и измельчение карбидных образований, возникающих в межграничной зоне. Создается мелкодисперсная мартенситная структура при равномерном распределении остаточного аустенита, хорошо работающая на износ.

Примеры осуществления предлагаемого способа с граничными значениями заявляемых параметров.

П р и м е р 1. Детали, изготовленные из стали 40Х, например, ролики толщиной 12 мм, диаметром 50^+0,02 мм, нагревают до температуры Т_н = 830^оС со скоростью 150^оС/мин. Затем охлаждают их на воздухе до температуры Т_н = 630^оС. Причем в заключительном цикле охлаждение ведут на воздухе до температуры Т_о = 630^оС, а затем в масле, подогретом до 80^оС. Количество циклов 3.

П р и м е р 2. Отличается от первого примера граничными параметрами нагрева: Т_н = 850^оС при скорости нагрева 180^оС/мин.

П р и м е р 3. Отличается от первого примера граничными параметрами охлаждения: Т^о = 650^оС. Критические температуры нагрева и промежуточных охлаждений выбирались экспериментально по кривой нагревов и охлаждений. Для этого на одной из деталей записывалась кривая нагревов и охлаждений с помощью автоматического электронного потенциометра ЭПП-09 и зачеканенной в изделие термопары типа ХА. При достижении температур фазового превращения А_с1, А_r1 определялась длительность технологического процесса.

Технический эффект, создаваемый заявляемым способом, заключается в повышении износостойкости и пластических свойств деталей, изготовленных из сталей типа 40Х, в результате обеспечения ее мелкозернистой аустенитно-мартенситной структурой при равномерном распределении остаточного аустенита в мартенситной матрице. Положительный эффект от использования изобретения состоит в повышении работоспособности деталей и соответственно увеличении срока их службы на 45...50% в сравнении с деталями, изготовленными с применением традиционных методов упрочнения сталей методом поверхностно-пластической деформации и с использованием токов высокой частоты. Кроме того, предлагаемый способ можно использовать для упрочнения деталей, восстановленных наплавкой на поверхности детали электродной проволокой типа 30ХГСА.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ, включающий многократный нагрев до температуры выше Ac₁ с промежуточным охлаждением ниже Ar₁ на воздухе и охлаждением в заключительном цикле в масле, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости и пластических свойств, нагрев ведут со скоростью 150 - 180^oС/мин, охлаждение в заключительном цикле осуществляют до 630 - 650^oС, а температуру масла поддерживают в интервале 80 - 90^oС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев проводят 3 - 4 раза.