Способ упрочнения стальных изделий

 

Использование: изобретение относится к термической обработке поверхности конструкционных материалов и изделий из них высококонцентрированными потоками энергии. Сущность изобретения: способ упрочнения стальных изделий заключается в том, что поверхность изделия многократно нагревают до температуры закалки импульсами сильноточного электронного пучка с длительностью импульса (0,5-3)·10^-6 с, энергией электронов 10 50 кэВ, плотностью энергии 2-5 Дж/см² и интервалом между импульсами не менее значения τ_o= [N·q/ρ·c(T₁-T_o)]²/a, где N число импульсов; q плотность энергии пучка, Дж/см², ρ,, c, a соответственно плотность кг/см³, удельная теплоемкость, Дж/кг К и коэффициент теплопроводности стали, см²/c; T_o исходная температура изделия, °С, T₁ температура отпуска стали, °С, но предварительно на поверхность изделия наносят покрытие из нитридов тугоплавких металлов, а после изделие погружают в жидкую среду с температурой Т ≅< 120 К. 3 табл.

Изобретение относится к термической обработке поверхности конструкционных материалов и изделий из них высококонцентрированными потоками энергии.

Известен способ упрочнения стальных изделий, реализуемый в устройстве. Поверхность стального изделия нагревают до температуры аустенизации сильноточным импульсным пучком релятивистских электронов (E0,5 МэВ) длительностью τ 10^-710^-7 с, а затем охлаждают за счет теплоотвода вглубь изделия. Недостатками данного способа являются: небольшая величина микротвердости упрочняемой поверхности изделия ≅950 кгс/мм²; небольшая толщина упрочненной поверхности изделия (≲100 мкм); необходимость принятия мер по обеспечению радиационной безопасности процесса, так как при обработке изделий используют электроны высоких энергий (E>0,1 МэВ).

Известен также способ упрочнения стальных изделий, который заключается в том, что поверхность изделия многократно нагревают до температуры закалки импульсами сильноточного электронного пучка с параметрами длительность импульса (0,5-3)˙10^-6с; энергия электронов 10-50 кэВ; плотность энергии 2-5 Дж/см², число импульсов 150-300; интервал между импульсами выбирается не менее значения τ_о=[N˙q/ ρ˙c(T₁-T_o)]²/a, где N число импульсов; q плотность энергии пучка, Дж/см²; ρ, c, a соответственно плотность, кг/см³, удельная теплоемкость, Дж/кг˙К и коэффициент температуропроводности стали в см²/с; T_o исходная температура изделия. ^oC; T₁ температура отпуска стали, ^оС.

Недостатками этого способа являются: максимальные значения микротвердости упрочняемой поверхности изделий в зависимости от марки стали ≅1450 кг/мм², что ограничивает возможности способа; износостойкость режущего инструмента, например сверл, обработанных способом прототипом, недостаточно высока; время обработки режущего инструмента довольно велико.

Целью изобретения является повышение микротвердости и износостойкости стальных изделий, а также сокращение времени их обработки.

Указанный технический эффект достигается тем, что в способе упрочнения стальных изделий, заключающемся в том, что поверхность изделия многократно нагревают до температуры закалки импульсами сильноточного электронного пучка с длительностью импульса (0,5-3)˙10^-6 с, энергией электронов 10-50 кэВ, плотность энергии 2-5 Дж/см² и интервалом между импульсами не менее значения τ_о= [N˙q/ ρ˙c˙(T₁-T_o)]²/a, где N число импульсов; q плотность энергии пучка; ρ, c, a соответственно плотность, кг/см³, удельная теплоемкость, Дж/кг˙К и коэффициент температуропроводности стали, см²/с; T_o исходная температура изделия, ^оС. Т₁ температура отпуска стали, ^оС, согласно изобретению предварительно на поверхность изделий наносят покрытие из нитридов тугоплавких металлов ионно-плазменным способом, а после обработки импульсами сильноточного электронного пучка изделие погружают в жидкую среду с температурой ≅120 К. В качестве покрытия из нитридов тугоплавких металлов использовали нитрид титана, нитрид циркония гафния или чередующиеся слои нитрида титана и нитрида циркония-гафния, нанесенные ионно-плазменным методом. Тепловой расчет и прямые измерения показывают, что при обработке быстрорежущей стали с покрытием из нитрида титана или из нитрида циркония-гафния импульсным электронным пучком с выбранными параметрами, температура поверхностного слоя несколько превышает температуру плавления стали (≈1450^оС) и заметно превышает эвтектическую температуру систем железо-титан (1085^оС) железо-цирконий-гафний (≈900^оС). В результате тонкий слой стали, расположенный непосредственно под покрытием, расплавляется, нитрид титана (нитрид циркония-гафния) растворяется в жидкой фазе и поверхностный слой режущего инструмента обогащается титаном и азотом или цирконием, гафнием и азотом, или всеми названными элементами одновременно. Действительно, до обработки электронным пучком режущий инструмент имеет желтый цвет, характерный для нитридов. После обработки одним- двумя импульсами этот цвет еще сохраняется, но с ростом числа импульсов он практически исчезает, и инструмент приобретает цвет, присущий стальному изделий. Рентгеноструктурный анализ, проведенный на модельных образцах, показал, что если до обработки импульсным электронным пучком на рентгенограмме быстрорежущей стали с покрытием видны линии нитрида титана или нитрида циркония-гафния, то после обработки 10 импульсами эти линии практически исчезают. Насыщение поверхностного слоя стальных изделий титаном и особенно азотом или цирконием, гафнием и азотом существенно повышает микротвордость и износостойкость режущего инструмента (табл. 1-3).

Наносимое покрытие из нитридов тугоплавких металлов должно быть тонким, так как только в этом случае оно успевает раствориться в расплаве быстрорежущей стали, образующемся при воздействии сильноточного электронного пучка с выбранными параметрами. Поэтому покрытие наносят ионно-плазменным методом. При этом покрытие выполняют в виде одного слоя или многих слоев, а каждый из слоев является однофазным или многофазным. Другим фактором, определяющим повышение микротвердости поверхностного слоя и стойкости режущего инструмента, является воздействие на материал биполярной волны напряжений, которая распространяется от облученной поверхности вглубь изделия. Источник возбуждения волны напряжений эффект термоупругости, вызванный быстрым расширением поверхностного слоя, разогретого до высоких температур при облучении сильноточным электронным пучком.

Основная особенность биполярной волны напряжений заключается в том, что она состоит из импульсов сжатия и разрежения и представляет собой знакопеременную нагрузку. При воздействии такой волны на материал в течение очень короткого времени (10^-7 с) происходит смена сжимающих и растягивающих напряжений, максимальные значения которых превышают динамический предел текучести. В результате в обрабатываемом материале развивается интенсивный деформационный процесс, который приводит к повышению плотности дефектов и динамическому старению. Многократное нагружение поверхностных слоев волной напряжения при увеличении числа импульсов, не влияет существенно на процесс динамического старения, обеспечивает эффект накопления дефектов и соответственно рост степени упрочнения зоны (повышение микротвердости). Следующим фактором, определяющим упрочнение поверхностной зоны, являются фазовые превращения, которые происходят при нагреве зоны до температуры закалки и ее резком охлаждении при закалке. Поскольку время воздействия сильноточного электронного пучка очень мало, фазовые превращения являются неравновесными. Рентгеноструктурные исследования показали, что по мере увеличения числа циклов в тонком поверхностном слое растет объемное содержание остаточного аустенита. После 50 циклов оно равно примерно 7% а после 300 циклов близко к 50% Таким образом, обработка стальных изделий сильноточными электронными пучками приводит к формированию в поверхностной зоне сложного структурно-фазового состояния в области границ зерен, межфазных границ и отдельных дефектов.

Дополнительная обработка холодом, например погружением в жидкий азот (Т= 77 К), приводит к превращению остаточного аустенита в мартеноит. Рентгеноструктурные исследования показали, что объемное содержание остаточного аустенита в поверхностном слое уменьшается примерно на 30-40% Одновременно обработка холодом создает остаточные напряжения в поверхностной зоне и, таким образом, изменяет квазистатическое поле напряжений, особенно в слоях, близких к поверхности. В результате микротвердость поверхностного слоя и стойкость режущего инструмента повышаются (табл. 1-3).

Обработку холодом можно проводить непосредственно от температуры нагрева поверхностной зоны импульсами сильноточного электронного пучка, но предпочтительней провести ее после электронно-лучевой обработки и охлаждения образца или инструмента до комнатной температуры.

Рабочая температура среды, используемая для охлаждения (Т≅120К), выбрана на основании анализа данных по температурам кипения и замерзания наиболее употребительных сред: кислород 90 К, азот 77 К, водород 20 К, гелий 4 К, аргон 87 К, триэтоксилан 103 К, неон 27 К, криптон 120 К. Наиболее употребительным и дешевым их этих сред является сжиженный азот, поэтому в экспериментах использовали азот.

Таким образом, обработка ионно-плазменных покрытий из нитридов тугоплавких металлов импульсами сильноточного электронного пучка в соответствии с прототипом приводит за счет многократного кратковременного поверхностного слоя до высоких температур к растворению покрытия в расплаве, образующемся на поверхности, и соответственно легированию поверхностного слоя режущего инструмента (сверл) и модельных образцов титаном и азотом или цирконием, гафнием и азотом. В результате такого жидкофазного легирования повышается микротвердость поверхностного слоя (табл. 1) и, соответственно, стойкость режущего инструмента (табл. 2, 3). Помимо этого поверхностный слой упрочняется за счет прохождения биполярной волны напряжений и обработки холодом в жидкой среде с температурой, не превышающей 120 К. Повышение стойкости режущего инструмента достигается при осуществлении меньшем, чем в прототипе, числе импульсов (N= 5-10). При дальнейшем увеличении числа импульсов, вплоть до указанных в прототипе, качество инструмента практически не меняется, т. е. стойкость инструмента изменяется в пределах разброса (табл. 3). Существенное снижение числа импульсов сильноточного электронного пучка сокращает время обработки режущего инструмента по сравнению с прототипом.

П р и м е р 1. Стойкость режущего инструмента проверяли на сверлах диаметром 6,8 мм, длиной 120 мм, изготовленных из стали Р6М5. Исследование фазового состава и измерение микротвердости в зоне воздействия пучка проводили на плоских образцах из стали Р6М5 диаметром 20 мм и толщиной 10 мм, прошедших стандартную для режущих инструментов термообработку (закалку и трехкратный отпуск). На часть плоских образцов и сверл наносили покрытие нитрида титана ионно-плазменным методом на установке ННВ 6.6-И1. Предварительно поверхность плоских образов и сверл подвергали химической очистке. Затем образцы и сверла устанавливали в камеру ионно-плазменной установки, производили ионную очистку, нагрев и осаждение износостойкого материала. Режим нанесения покрытия из нитрида титана: ток дуги 100А, ускоряющее напряжение 200 В, давление рабочего газа (азота) 3˙10^-3 мм рт. ст. Толщина покрытия составляла при этом 3-4 мкм.

После нанесения покрытия из нитрида титана сверла помещали в камеру импульсной электронно-лучевой установки "Расплав" (разработчик институт сильноточной электроники СО РАН), на их поверхность дополнительно обрабатывали импульсным сильноточным электронным пучком со средней энергией электронов eU= 15 кэВ, длительность импульса tu=0,7 мкс, плотностью энергии в пучке W= 2,5 Дж/см². Интервал между импульсами составлял 10, число импульсов N меняли от 1 до 200. Отдельно обрабатывали электронным пучком в том же режиме плоские образцы с покрытием из нитрида титана. Обработку холодом проводили быстрым погружением образцов и сверл в среду жидкого азота до приобретения ими температуры охлаждающей среды. После извлечения инструмента и образцов из сосуда с азотом их высушивали на воздухе. Для сравнения часть сверл в состоянии поставки и часть образцов без покрытия обрабатывали только импульсным сильноточным электронным пучком по указанному режиму.

Испытания сверл на стойкость проводили на сверлильном станке мод. 2Н125. Механической обработке подвергали нержавеющую сталь 12Х18Н10Т в следующем режиме: скорость резания 10 м/мин, подача 0,1 мм/об, глубина сверления 12 мм, охлаждение 5% водный раствор эмульсола ЭТ-2. За критерий износостойкости сверл принимали время их работы в минутах, за которое износ по задней поверхности режущей кромки достигал 0,8 мм. Плоские образцы после обработки импульсным сильноточным электронным пучком вынимали из камеры и разрезали в направлении, перпендикулярном облученной поверхности. После шлифования измеряли микротвердость непосредственно на облученной поверхности и на различных расстояниях от нее с помощью прибора ПМТ-3 при нагрузке 50 г.

Результаты измерений микротвердости поверхностного слоя образцов из стали Р6М5, обработанных по способу-прототипу при N=200 и по заявляемому способу при том же числе импульсов, представлены в табл. 1.

Из табл. 1 видно, что обработка образцов стали Р6М5 с покрытием из TiN по заявляемому способу позволяет увеличить микротвердость поверхностного слоя в ≈1,2 раза.

Результаты испытаний на стойкость сверл с покрытием из TiN, обработанных по способу-прототипу и по заявляемому способу при N=200, показаны в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что обработка сверл с покрытием из TiN по заявляемому способу позволяет увеличить их стойкость в ≈1,8 раза по сравнению с прототипом. Влияние числа импульсов сильноточного электронного пучка на стойкость сверл с покрытием из TiN, обработанных по предлагаемому способу, показано в табл. 3.

Обработка по заявляемому способу позволяет сократить число импульсов до N=10-50, так как дальнейшее увеличение этого числа практически не приводит к росту стойкости сверл.

П р и м е р 2. На другую часть плоских образцов и сверл из стали Р6М5, имеющих ту же геометрию и прошедших ту же предварительную обработку, что и в примере 1, наносили ионно-плазменное покрытие из нитрида циркония-гафния (80 об. Zr и 20 об. Hf) в режиме: ток дуги 80 А, ускоряющее напряжение 80 В, давление рабочего газа 3˙10^-3 мм рт. ст. Толщина покрытия при этом составляла 3-4 мкм. После нанесения покрытия из нитрида циркония-гафния плоские образцы и сверла обрабатывали импульсным электронным пучком в указанном режиме и холодом погружением в жидкий азот, а затем проводили измерения микротвердости и стойкости по методике, описанной в примере 1. Результаты измерений микротвердости представлены в табл. 1. Видно, что микротвердость поверхностного слоя образцов, обработанных заявляемым способом, возросла в ≈1,3 раза по сравнению с прототипом. В свою очередь, стойкость сверл с таким же покрытием после обработки заявляемым способом увеличилась в ≈2 раза по сравнению с прототипом (табл. 2).

Таким образом, применение изобретения позволяет существенно увеличить эффективность импульсной электронно-лучевой обработки стальных изделий по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ, заключающийся в том, что поверхность изделия многократно нагревают до температуры закалки импульсами сильноточного электронного пучка с длительностью импульса (0,5 3) · 10^-6с, энергией электронов 10 50 кэВ, плотностью энергии 2 5 Дж/см² и интервалом τ_o между импульсами не менее значения τ_o = [N·q/ρ·C(T₁-T_o)]²/a , где N число импульсов; q плотность энергии пучка, Дж/см²; ρ плотность, кг/см³; C удельная теплоемкость, Дж/(кг · К), a коэффициент температуропроводности стали, см²/с; T₀ исходная температура изделия, ^oС>; T₁ температура отпуска стали, ^oС,
отличающийся тем, что предварительно на поверхность изделий наносят покрытие из нитридов тугоплавких металлов ионно-плазменным способом, а после обработки импульсами сильноточного электронного пучка изделие погружают в жидкую среду с температурой T ≅ 120 К.

РИСУНКИ

Рисунок 1