Способ изготовления стальных деталей

 

Изобретение относится к энергосберегающим способам изготовления деталей из углеродистых и легированных сталей с высокой эксплуатационной стойкостью к коррозии и износу и может быть использовано в аграрной, металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности при металлообработке. Задачей изобретения является повышение эксплуатационной стойкости деталей из углеродистых и легированных сталей к износу и коррозии, а также экономия электроэнергии в процессе защиты деталей. Предложен способ, включающий нагрев, выдержку в азотирующей газовой среде и охлаждение, дополнительно вводят операцию подготовки поверхности методом обезжиривания в течение 5-15 мин, выдержку при химико-термической обработке проводят с добавлением углеродосодержащего газа при 560-680^oС в течение 0,5-5 ч до образования износостойкого карбонитридного слоя, а охлаждение совмещают с оксидированием и осуществляют с температуры выдержки в две стадии - сначала на воздухе в течение 1-60 с, а затем в среде охлаждения. Технический результат заключается в том, что способ позволяет увеличить глубину защитного покрытия до 5 мкм и его адгезионную прочность с исходным материалом, изменить напряженное состояние поверхностного слоя, создав в нем сжимающие напряжения, увеличить глубину диффузионной зоны до 0,6 мм, предотвратить или ослабить охрупчивающее влияние покрытия на свойства материала. 2 табл.

Изобретение относится к энергосберегающим способам изготовления деталей из углеродистых и легированных сталей с высокой эксплуатационной стойкостью к коррозии и износу и может быть использовано в аграрной, металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности при металлообработке.

Известен способ изготовления стальной детали, в котором вначале производят нагрев и выдержку в азотирующей газовой среде для получения поверхностного слоя из нитрида эпсилон железа, выдержку в окислительной атмосфере для образования слоя оксида железа и охлаждение (патент IP 53 - 371, С 23 С 11/18, 1978 г. ). Способ трудоемок и предназначен для изделий из нелегированных сталей.

Известен способ изготовления стальных деталей из нелегированных сталей, повышающий коррозионную стойкость деталей путем нагрева их до температуры 550 - 720^oС, выдержки в азотирующей газовой среде в течение 4 ч до получения поверхностного слоя из нитрида эпсилон железа толщиной до 25 мкм, затем выдержки в окислительной атмосфере до образования слоя оксида железа Fе₃ O₄ толщиной 0,2 - 1 мкм. Последующее охлаждение проводят в водно-масляной эмульсии.

Кроме того, после нагрева и выдержки в нитрирующей среде проводят охлаждение в безокислительной среде. При этом выдержку в окислительной атмосфере после нагрева до 350-550^oС проводят в воздушной или другой окислительной атмосфере в течение 2-120 с (патент SU 1407404, С 23 С 8/26, C 21 D 1/72, 30.06.88, бюл. 24).

Обработанные по известному способу детали имеют стойкость к действию солевого тумана в течение 240 ч и обладают высоким поверхностным натяжением.

Недостатком известного способа являются высокая энергоемкость и трудоемкость процесса изготовления стальной детали (более 1,5 - 2 ч по п.1 формулы изобретения и более 4,0 - 4,5 ч по п.4), что при большой программе производства стальных изделий нежелательно с точки зрения экономии электроэнергии.

Слой оксида железа толщиной 0,2 - 1 мкм, достигаемый в известном способе за две стадии термической обработки и отвечающий за коррозионную стойкость изделия, является весьма незначительным и недостаточным для качественной защиты рабочей поверхности деталей, так как быстро нарушается появлением питтингов коррозии при эксплуатации в коррозионно-активной среде и должен быть увеличен по крайней мере в 3-5 раз.

Использование для закалки стратегически дефицитного масла, являющегося продуктом переработки нефти, хотя и придает изделию декоративный блестящий цвет, также нежелательно с точки зрения обеспечения качественной закалки с прочной диффузионной подкорковой зоной, а также организации мест складирования его, хранения и доставки в период, когда растут цены на нефтепродукты.

К тому же использование масла в составе водной эмульсии при изготовлении стальных изделий является нежелательным с экологической точки зрения, так как требует введения операции очистки водной эмульсии от масла с целью избежания попадания его в цеховую канализацию, а также с точки зрения соблюдения правил техники безопасности (с целью исключения пожароопасной обстановки на термических участках).

Кроме того, выдержка в окислительной (воздушной) атмосфере в течение 120 с после нагрева до 550^oС, заявленная в известном способе, может привести к нестабильному получению высокого качества поверхностных и диффузионных слоев изделий; вероятности получения покрытий с ухудшенными физико-механическими свойствами ввиду приостановления процесса окисления деталей в воздушной среде в течение более 60 с; понижению температуры изделия (за счет подстуживания) ниже 540^oС; неудовлетворительной плотности окисной пленки и ее расслоения, что снижает коррозионную стойкость и износостойкость деталей, а значит и эксплуатационную стойкость изделий в целом. Выделение же значительного количества тепла (и к тому же неоправданного) в окружающую среду цеха в течение 120 с приводит также к ухудшению санитарно-гигиенических условий труда работающих, особенно в летний период работы.

Отсутствие же предварительной подготовки поверхности деталей перед обработкой в азотирующей газовой среде вообще ставит под сомнение возможность повышения коррозионной стойкости деталей, так как присутствие на поверхности деталей даже следов жира, грязи, СОЖ от механической обработки препятствует диффузии насыщающих элементов вглубь металла (материала) изделия и ухудшает адгезионную прочность поверхностного защитного слоя.

В связи с этим, известный способ не позволяет получить достаточного повышения эксплуатационной стойкости тяжело нагруженных деталей к износу и коррозии, изготавливаемых не только из углеродистых, но и легированных марок сталей.

Задачей настоящего изобретения является повышение эксплуатационной стойкости деталей из углеродистых и легированных сталей к износу и коррозии, а также экономия электроэнергии в процессе защиты деталей.

Технический результат заключается в том, что способ позволяет увеличить глубину защитного покрытия до 5 мкм и его адгезионную прочность с исходным материалом, изменить напряженное состояние поверхностного слоя, создав в нем сжимающие напряжения, увеличить глубину диффузионной зоны до 0,6 мм, предотвратить или ослабить охрупчивающее влияние покрытия на свойства материала.

Технический результат достигается тем, что в способе, включающем нагрев, выдержку в азотирующей газовой среде и охлаждение, дополнительно вводят операцию подготовки поверхности методом обезжиривания в течение 5...15 мин выдержку при химико-термической обработке проводят с добавлением углеродосодержащего газа при температуре 560...680^oС в течение 0,5...5 ч до образования износостойкого карбонитридного слоя, а охлаждение совмещают с оксидированием и осуществляют с температуры выдержки в две стадии - сначала на воздухе в течение 1 - 60 с, а затем в среде охлаждения.

Сущность способа заключается в том, что предварительное обезжиривание деталей способствует очистке их поверхности от жира грязи, остатков СОЖ после механической обработки, затрудняющих процессы насыщения и диффузии азота из нитрирующей среды вглубь детали.

Созданное за счет обезжиривания подготовленное состояние поверхности, а также добавление в процессе выдержки углеродсодержащего газа способствует ускорению процессов комплексного насыщения материала изделия азотом и углеродом за короткий промежуток времени (0,5...5 ч), в результате чего на поверхности детали под окисной пленкой формируется плотный карбонитридный слой Fe_2-3 (N, С) толщиной 8-15 мкм с высокой степенью адгезионной прочности и без резкой границы к основному металлу. Это способствует увеличению сопротивления развитию трещин при переходе диффузионного слоя, достигающего глубины до 0,6 мм, в основной металл, образованию избыточных карбонитридов железа, характеризующихся более высокой пластичностью и износостойкостью в отличие от нитрида железа, получаемого при обычном азотировании в частично диссоциированном аммиаке без добавления углеродсодержащего газа, и, следовательно, более низкой хрупкостью, а также склонностью к шелушению и выкрашиванию.

Наиболее дешевой и экологически чистой средой охлаждения является вода. Охлаждение в воде обеспечивает высокое качество окисной пленки глубиной до 5 мкм, образовавшейся в результате подстуживания деталей на воздухе в течение 1 - 60 с, и увеличивает ее плотность за счет обработки поверхности паром, образующимся при охлаждении детали с температуры химико-термической обработки и образования паровой рубашки, что увеличивает коррозионную стойкость изделия и придает ему отличный декоративный темно-синий цвет. От расслоения окисной пленки не остается и следа.

Образующаяся ниже зона соединений с твердостью Н_v=560...1200 кг/ мм², обогащенная нитридами железа, повышает прочностные свойства материала и его износостойкость.

Образование прочной износостойкой зоны в углеродистых и легированных сталях возможно лишь при быстром охлаждении с температур не ниже 550^oС, что обеспечивается минимальным (1. . .60 с) подстуживанием детали на воздухе и последующим быстрым охлаждением по предлагаемому способу.

Более длительное подстуживание (более 60 с) приводит к образованию промежуточных продуктов распада, падению предела пропорциональности, статической и усталостной прочности материала, ухудшению его износостойкости, а также образованию глубокой окисной пленки (более 5 мкм), расслаивающейся при последующей закалке, что, в свою очередь, приводит к снижению коррозионной и эксплуатационной стойкости изделия в целом и неоправданному увеличению длительности процесса.

Анализ патентной и научно-технической литературы показал, что предлагаемый энергосберегающий способ изготовления деталей из углеродистых и легированных марок сталей состоит из известных в практике термообработки технологических операций, но их совокупность и определенная последовательность являются новыми, решают поставленную задачу при минимальных затратах и позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого способа критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ обладает широкими функциональными возможностями по сравнению с известным способом, так как позволяет получить высокую коррозионную стойкость и износостойкость материала за одну стадию нагрева; применять его на финишных операциях изготовления деталей ввиду более низких температур (до 680^oС); экономить металл за счет минимальных припусков под термообработку.

Он также позволяет заменить дорогостоящие высоколегированные и нержавеющие стали на более дешевые - средне и малолегированные или углеродистые, детали из которых после изготовления по предлагаемому способу по стойкости не уступают вышеуказанным.

Предлагаемый способ приводит к экономии электроэнергии в 1,3...1,5 раза по сравнению с известным.

Детали, обработанные по предлагаемому способу, имеют стойкость к действию солевого тумана в течение 760 ч, в то время как по известному методу - 240 ч; потеря массы при испытании на износ в условиях сухого трения составляет 1...1,5 мГ; по известному способу 15...20 мГ.

Пример. Детали Агропрома - "сегменты", изготовленные из ст. 3, подвергали обработке по следующим режимам.

1 режим. Обезжиривание рабочей поверхности детали в растворе каустической соды в течение 5...15 мин. Нагрев до 620^oС в газовой смеси (50% МН₃ + 50% пропана); выдержка 3,5 ч; охлаждение на воздухе 30 с, затем в воде.

Через 760 ч испытаний в солевом тумане появилась 1 точка коррозии на плоской части детали.

Далее изменяли только время выдержки при химико-термической обработке и время подстуживания на воздухе перед закалкой.

2 режим. Обезжиривание рабочей поверхности по режиму 1. Выдержка при химико-термической обработке 0,5 ч; время подстуживания 1 с.

3 режим. Обезжиривание. Выдержка при химико-термической обработке 5 ч; время подстуживания 1 с.

4 режим. Обезжиривание. Выдержка при химико- термической обработке 0,5 ч. Время подстуживания 60 с.

5 режим. Обезжиривание. Выдержка при химико-термической обработке 5 ч. Время подстуживания 60 с.

6 режим. Обезжиривание. Выдержка при химико-термической обработке 0,5 ч. Время подстуживания 80 с.

7 режим. Обезжиривание. Выдержка при химико-термической обработке 5 ч. Время подстуживания 80 с.

8 режим. Обезжиривание. Выдержка при химико- термической обработке 0,5 ч. Время подстуживания 0,5 с.

9 режим. Обезжиривание. Выдержка при химико-термической обработке 5 ч. Время подстуживания 0,5 с.

Испытания на коррозионную стойкость проводили в камере солевого тумана с распылением солевого раствора с периодичностью каждые 14 мин в течение 1 мин.

Струя солевого раствора из пульверизатора была направлена под углом 45^o на сегмент, расположенный на расстоянии 200 мм от сопла.

При этом исключалось непосредственное попадание раствора на испытываемые детали. Испытания проводили при температуре 25 ±1^oС.

Определение очагов коррозии устанавливали внешним осмотром детали невооруженным глазом при естественном освещении.

В табл.1 представлены результаты испытаний.

Анализ результатов по коррозии свидетельствует, что граничные значения заявляемых параметров выбраны правильно.

Повышение времени подстуживания более 60 с хотя и увеличивает глубину окисной пленки до 5,5...5,8 мкм, однако не обеспечивает достаточной плотности ее и необходимого химического состава, что и привело к увеличению коррозии.

Уменьшение времени подстуживания менее 1 с снижает глубину окисной пленки до 0,6 мкм и практически не улучшает коррозионную стойкость поверхности.

Испытания на износостойкость в условиях сухого трения проводили на лабораторной установке модели "ПЛМ" дискового типа по схеме "диск-палец". Величину износа оценивали по абсолютной потере массы пальца (ст.3) до и после испытания и величине приведенного износа (потеря массы образца, отнесенная к единице пути трения - ΔР/S, мГ/км.

Испытания на износостойкость проводили при постоянной величине удельного давления 0,7 МПа и скорость скольжения 0,7 м/с, соответствующей начальному интервалу скорости испытания на износ (0,37-6 м/с).

В табл.2 представлены результаты испытаний.

Анализ результатов свидетельствует, что реализация предлагаемого способа позволяет повысить коррозионную стойкость "сегментов" более, чем в 3 раза, а износостойкость - более, чем в 10 раз, что очень важно, так как позволяет продлить срок службы деталей до 4 - 5 лет вместо 1 года.

Формула изобретения

Способ изготовления стальных деталей из углеродистых и легированных сталей, включающий нагрев, выдержку в азотирующей газовой среде и охлаждение, отличающийся тем, что поверхность деталей предварительно подвергают обезжириванию в течение 5-15 мин, выдержку проводят в азотирующей среде с добавлением углеродсодержащего газа при 560-680^oС в течение 0,5-5 ч до образования износостойкого карбонитридного слоя, а охлаждение совмещают с оксидированием и осуществляют с температуры выдержки в две стадии - сначала на воздухе в течение 1-60 с, а затем в среде охлаждения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2