Поверхностно-упрочненная прецизионная гиря и способ ее изготовления

Изобретение относится к весоизмерительной технике. Гиря выполнена из аустенитной нержавеющей стали и имеет поверхностный слой, подвергнутый упрочнению. Упрочненный поверхностный слой является диффузионным слоем с повышенной концентрацией углерода и/или азота, полученным в результате термообработки в газовой атмосфере. Способ изготовления гири включает формирование ее из заготовки аустенитной нержавеющей стали, отделку поверхности, доводку по массе и термообработку в газовой атмосфере. Технический результат - повышение твердости, износостойкости, сопротивления царапанию, коррозии и питтингу. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предпосылки к созданию изобретения

Настоящее изобретение относится к прецизионным гирям типа, который используется для следующих целей:

1. Калибровки и испытания приборов для определения веса и других видов измерительных устройств.

2. Калибровки и контроля других гирь более низкого класса точности.

3. Взвешивания предметов на приборах для определения веса, и/или

4. Выполнения измерений иных, чем взвешивание, с устройством, использующим, по меньшей мере, одну гирю, например, для измерения усилия, давления и других физических характеристик.

В данном контексте термин “гиря” обозначает физическое воплощение определенного количества массы в виде твердого, долговечного искусственного объекта, такого как компактное металлическое тело. Обычно количество массы, представленное гирей, известно в пределах определенного поля допуска, которое называют также “максимальной допустимой погрешностью” (МДП). На основании этих максимальных допустимых погрешностей гири согласно официальным стандартам разделяют по классам точности.

В США обычно, но не исключительно используют в качестве стандарта весов Стандарт ASTM Е 617 “Типовые технические условия на лабораторные гири и стандарты на прецизионные массы”. Он охватывает гири от 1 миллиграмма до 5000 килограмм и подразделяет гири на 8 классов согласно таблице допусков. Так, например, 1-кг гиря наиболее точного класса по ASTM (ASTM Класс 0) имеет допуск ±1,3 миллиграмма, в то время как 1-кг гиря наименее точного класса по ASTM (ASTM Класс 7) имеет допуск ±470 миллиграммов.

Что касается общемировой практики, то официальным стандартом на гири являются Рекомендации OIML 111 “Гири классов Е₁, Е₂, F₁, F₂, M₁, M₂, М₃”, опубликованные Международной Организацией метрологии (метрологии OIML). Они охватывают гири массой от 1 миллиграмма до 50 килограмм и подразделяют гири на 7 классов согласно таблице допусков. Так, например, 1-кг гиря наиболее точного класса по OIML (OIML Класс Е₁) имеет допуск ±0,5 миллиграмм, в то время как 1-кг гиря наименее точного класса по OIML (OIML Класс М₃) имеет допуск ±500 миллиграммов.

В дополнение к определению структуры классов, основанной на допусках на массу, оба стандарта содержат требования к физическим характеристикам гирь, т.е. форме, структуре, материалу, плотности, отделке поверхности, резервам на точную отделку и идентификационной маркировке.

Обычно требования к физическим характеристикам являются более жесткими в случае гирь более точных классов. Так, например, гиря класса 0 ASTM или классов Е₁, Е₂ OIML:

- должна состоять из однокомпонентного твердого куска материала и не может иметь полости, в которую можно добавлять или из которой можно извлекать материал в целях калибровки;

- ее масса должна регулироваться только путем абразивной обработки, шлифовки, электролиза или иного подходящего способа удаления материала с поверхности (т.е. массу можно только удалять, но ни в коем случае не добавлять);

- должна обладать номинальной плотностью не менее 8000 кг/м³ при очень узком поле допуска (в связи с чем практически исключается применение материалов иных, чем сталь);

- должна обладать гладкой поверхностью (согласно OIML R111 – “глянцевитой поверхностью”) при отсутствии заметных царапин или иных дефектов поверхности;

- должна обладать коррозионной стойкостью;

- должна обладать твердостью и износостойкостью, равными или превышающими аналогичные характеристики аустенитной нержавеющей стали; и

- должна быть практически не магнитной (в пределах очень узкого допуска на магнитную восприимчивость).

Аустенитная нержавеющая сталь марок AISI (Американский Институт черной металлургии) 316, 317, 318 или 321, или аналогичные сплавы относятся к числу предпочтительных материалов для изготовления прецизионных гирь того типа, к которому относится настоящее изобретение. Современные гири, выполненные из одного из этих материалов, будут отвечать требованиям к материалу в отношении плотности, коррозионной стойкости, твердости и низкой магнитной восприимчивости, хотя износостойкость будет отвечать только минимальным требованиям, т.е. не лучше, чем у аустенитной нержавеющей стали. Сопротивление износу и коррозии, однако, непосредственно связано с постоянством значения массы гири, что является одной из наиболее желательных характеристик, в особенности в отношении гирь наиболее высокого класса точности. Потеря массы в связи с износом поверхности в течение интервала между калибровками, например в течение одного или двух лет, должна быть небольшой по сравнению с максимальной допустимой погрешностью для соответствующей гири, чтобы свести к минимуму опасность того, что гири, применяемые в ответственных случаях, могут в любое время между калибровками выйти за пределы допуска. Кроме того, как упоминалось выше, гири наивысшего класса точности никогда нельзя восстановить до значения более высокого класса точности, поскольку регулировку можно выполнять только путем удаления массы гири. Таким образом, высокопрецизионная гиря, масса которой оказалась ниже допустимой из-за износа, должна быть или списана, или отнесена к гирям более низкого класса точности с более широкими допусками.

Объект изобретения

Поэтому объектом настоящего изобретения является обеспечение прецизионной гири, отвечающей всем требованиям соответствующих стандартов, но улучшенной по сравнению с существующими гирями за счет повышения постоянства массы благодаря более высокой твердости поверхности, более высоким износостойкости и сопротивлению царапанию и более высокой коррозионной стойкости в сравнении с применяемыми до сих пор гирями.

Сущность изобретения

Согласно настоящему изобретению, указанная задача может быть решена за счет обеспечения прецизионной гири из аустенитной нержавеющей стали с упрочненным поверхностным слоем. В обычных областях применения гиря может относиться к типу, отвечающему техническим требованиям к прецизионным гирям, таким как гири классов Е₁, Е₂, F₁, F₂ OIML, или один из классов 0-3 ASTM, но настоящее изобретение применимо в равной степени к гирям, которые могут быть выполнены по другим стандартам или индивидуальным техническим требованиям.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения гирю делают из тех марок аустенитной нержавеющей стали, которые содержат хром, один или несколько переходных металлов, таких как никель и/или марганец, и, по меньшей мере, один дополнительный переходный элемент, такой как молибден, для повышения коррозионной стойкости, и в которых отсутствуют феррит, а также мартенсит. Примерами марок нержавеющей стали с такими предпочтительными характеристиками могут служить UNS-S3xxxx и UNS-S2xxxx, где хххх означает четырехзначное число, например UNS-S30403, UNS-S31603, UNS-S32100, UNS-S28200. В упомянутой Единой системе числового кодирования (UNS) S обозначает нержавеющие материалы, 3 – стандартную хромоникелевую аустенитную сталь и 2 – хромомарганцевую аустенитную сталь. Гирю выполняют из сырья, например, приданием путем механической обработки заданной формы заготовке. Путем механического, химического и/или электрохимического способа удаления материала с поверхности заготовки производится доводка и уточнение массы гири, так что качество поверхности и значение массы уже обеспечиваются в предварительных пределах допусков до того, как гиря будет снабжена упрочненным поверхностным слоем.

Далее в предпочтительном варианте реализации упрочненный поверхностный слой получается в результате термообработки в газовой атмосфере, содержащей, например, метан, этан, аммиак или этилен. Способы термообработки этого типа известны, например, под техническими наименованиями “науглероживание”, “цементация”, “азотирование”, “нитроцементация”, “диффузионная металлизация” и “образование диффузионного слоя”. В результате термообработки образуется диффузионный слой с повышенным содержанием углерода и/или азота, простирающийся на определенную глубину от поверхности гири. Диффундирующие атомы должны иметь меньший диаметр, чем атомы железа, и они предпочтительно должны быть междоузельными в кристаллической структуре аустенитной стали.

Предпочтительным для гирь, являющихся предметом настоящего изобретения, является термообработка, описанная выше, при которой температура технологического процесса ниже 350^оС, что позволяет не допустить образования интерметаллических соединений и/или выделений, которые могут вызвать проблемы, связанные с коррозией и/или окислением.

Один из специально разработанных процессов термообработки, относящийся к упомянутой категории, известен под торговыми наименованиями “Kolsterizing™” и/или “Kolsterisieren™” и/или “Kolsterisation™” и/или “Hardcor™”. Этот процесс принадлежит компании Hardiff BV, Surface Treatment Technology, 7333 PA Апелдорн, Нидерланды. Описание процесса приведено, например, в статье “Anti-wear/corrosion treatment of finished austenitic stainless steel components: the Hardcor process”, R.H. van der Jagt, B.H.Kolster and M.W.H.Gillham, “Materials & Design”, vol. 12, №1, February 1991. Твердость слоя, полученного с помощью такой обработки, является наибольшей на внешней поверхности и постепенно уменьшается с увеличением глубины до значения твердости немодифицированного материала сердцевины. Обработка ведет к небольшому увеличению массы.

Процесс изготовления гири может при одном из вариантов реализации изобретения заканчиваться термообработкой, описанной в предыдущем параграфе. Другие варианты реализации изобретения могут включать в себя дополнительные операции полирования и/или точной доводки гири после ее термообработки. Так, например, в этот момент можно компенсировать увеличение массы, вызванное термообработкой, путем равномерного удаления материала по всей поверхности гири, если только допуск на нее не был сделан в ходе операций отделки и доводки гири перед термообработкой.

В результате гиря с упрочненным поверхностным слоем, являющаяся предметом настоящего изобретения, обладает более высокой твердостью, лучшими износостойкостью и сопротивлением царапанию, а также повышенным сопротивлением коррозии, в особенности питтингу.

Дополнительные детали изобретения будут очевидны благодаря следующему описанию вариантов реализации, проиллюстрированных на чертежах.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена типичная прецизионная гиря типа, к которому относится настоящее изобретение;

на фиг.2 показана концентрация углерода и/или азота в поверхностном слое гири в соответствии с настоящим изобретением, как функция глубины;

на фиг.3 показана твердость поверхностного слоя гири, являющейся предметом настоящего изобретения, в зависимости от глубины.

Подробное описание предпочтительного варианта реализации изобретения

На фиг.1 показана типовая форма прецизионной гири 1, рекомендованная, например, в упомянутых стандартах OIML R 111 и ASTM 617. Обычно изобретение будет реализовано в гирях соответствующему одному или обоим из числа этих стандартов, однако следует понимать, что настоящее в равной мере применимо к гирям, выполненным согласно другим стандартам или индивидуальным техническим требованиям, например гирям в форме дисков, колец или в любой произвольной конфигурации, которые могут быть встроены или использованы в сочетании с взвешивающим или испытательным устройством любого типа, предназначенным для определения величины массы, усилия, давления или иного физического количественного показателя.

Диаграмма на фиг.2 иллюстрирует изменение концентрации углерода и/или азота в процентах С и/или N в зависимости от глубины (d) в мкм, измеренной по направлению от поверхности гири после ее термообработки. Концентрация на поверхности в общем повышается до величины порядка 5-6%, в то время как концентрация во внутренней части гири остается на уровне, существовавшем до термообработки, составляющем около 0,03%.

Диаграмма на фиг.3 иллюстрирует изменение твердости в зависимости от глубины в пределах упрочненного поверхностного слоя гири в соответствии с настоящим изобретением. На внешней поверхности гиря обладает твердостью по Виккерсу (HV 0,05) в переделах от 1000 до 1200, которая постепенно уменьшается в интервале глубины от 5 до 50 мкм до уровня твердости немодифицированного материала сердечника, т.е. приблизительно до 200. Обработка обычно вызывает увеличение массы в размерах 1 мг в расчете на квадратный сантиметр площади поверхности. Эту дополнительную массу можно компенсировать либо за счет первоначальной механической обработки и отделки либо за счет операции тонкой доводки и/или полировки, выполняемой после операции упрочнения поверхности, например путем равномерного удаления материала со всей поверхности гири на глубину около 1,2 мкм, или настолько, насколько требуется для приведения значения массы гири в рамки применяемых допусков.

Можно считать очевидным, что в пределах объема и принципиальной концепции настоящего изобретения существует возможность многочисленных вариантов реализации гирь с упрочненной поверхностью, а также то, что количественные показатели, такие как твердость и толщина слоя, приведены только в качестве примеров и не являются ограничивающими рамки изобретения показателями.

1. Прецизионная гиря для выполнения, по меньшей мере, одной процедуры из группы процедур, состоящей из: калибровки прибора для определения веса; калибровки измерительного устройства, не являющегося прибором для определения веса; калибровки гирь более низкого по сравнению с указанной прецизионной гирей класса точности; определения массы предмета на приборе для определения веса; определения физических количественных показателей, иное, чем указанное определение массы, причем указанная гиря включает аустенитную нержавеющую сталь, и содержит также поверхностный слой и указанный поверхностный слой подвергнут упрочнению.

2. Прецизионная гиря по п.1, которая соответствует требованиям, предъявляемым к гирям и изложенным в стандарте, опубликованном, по меньшей мере, одной из организаций, к которым относятся Международная Организация метрологии, Американское Общество испытаний и материалов и Национальный Институт стандартов и технологии.

3. Прецизионная гиря по п.1, которая является встроенной частью устройства.

4. Прецизионная гиря по п.1, в которой аустенитная нержавеющая сталь содержит хром и, по меньшей мере, один переходный металл из группы, состоящей из никеля и марганца, и, по меньшей мере, еще один переходный металл, не входящий в указанную группу.

5. Прецизионная гиря по п.4, в которой, по меньшей мере, одним дополнительным переходным металлом является молибден.

6. Прецизионная гиря по п.1, в которой в аустенитной нержавеющей стали отсутствуют феррит и мартенсит.

7. Прецизионная гиря по п.1, в которой аустенитная нержавеющая сталь принадлежит к группе, состоящей из стали марок UNS-S3xxxx или UNS-S2xxxx, где хххх означает четырехзначное число.

8. Прецизионная гиря по п.1, в которой упрочненный поверхностный слой является диффузионным слоем с повышенной концентрацией, по меньшей мере, одного элемента из углерода и азота, причем указанная повышенная концентрация вызвана термообработкой в газовой атмосфере.

9. Прецизионная гиря по п.8, в которой в ходе указанной термообработки применяется температура технологического процесса ниже 350°С.

10. Прецизионная гиря по п.8, в которой указанная термообработка включает в себя диффузию атомов в поверхностный слой, причем диффундирующие атомы имеют диаметр меньший, чем атомы железа.

11. Прецизионная гиря по п.10, в которой поверхностный слой имеет кристаллическую структуру и диффундирующие атомы являются междоузельными в указанной кристаллической структуре.

12. Прецизионная гиря по п.8, в которой газовая атмосфера содержит, по меньшей мере, один газ из группы, состоящей из метана, этана, аммиака и этилена.

13. Прецизионная гиря по п.1, в которой глубина упрочненного поверхностного слоя составляет величину порядка 5-50 мкм.

14. Прецизионная гиря по п.1, в которой упрочненный поверхностный слой обладает твердостью внешней поверхности порядка 1000-1200 по шкале твердости Виккерса HV 0,05.

15. Способ изготовления прецизионной гири по п.1, который включает в себя следующие стадии: формирование прецизионной гири из заготовки, состоящей из аустенитной нержавеющей стали; отделка поверхности с целью достижения, по меньшей мере, предварительного допуска на отделку поверхности; доводка прецизионной гири путем удаления материала с поверхности с целью достижения, по меньшей мере, предварительного допуска на массу; термообработка прецизионной гири в газовой атмосфере.

16. Способ по п.15, который дополнительно включает стадию полировки поверхности с целью достижения конечного допуска на отделку поверхности, причем указанная стадия полировки имеет место после стадии термообработки.

17. Способ по п.15, который дополнительно включает стадию точной доводки прецизионной гири с целью достижения конечного допуска на массу, причем указанная стадия точной доводки имеет место после стадии термообработки.

18. Способ по п.15, в котором в ходе стадии термообработки применяется температура технологического процесса ниже 350°С.

19. Способ по п.15, в котором газовая атмосфера содержит, по меньшей мере, один газ из группы, состоящей из метана, этана, аммиака и этилена.