Способ цементации стальных деталей электроэрозионным легированием
Изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим способам обработки, в частности способам цементации стальных деталей электроэрозионным легированием. Способ включает использование в качестве анода графитового электрода, а в качестве катода - детали из низкоуглеродистой легированной стали аустенитного класса. Легирование осуществляют с производительностью 1,0-5,0 мин/см2 и энергией разряда 0,036-6,8 Дж и формируют легированные поверхностные слои толщиной от 4-5 до 320-350 мкм. Технический результат - повышение твердости и износостойкости поверхностного слоя деталей. 1 табл.
Изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим способам обработки, в частности к электроэрозионному легированию.
Для придания поверхностному слою стали высокой твердости и износостойкости, для повышения границы контактной выносливости и границы выносливости при изгибе и скручивании используют способ цементации, состоящий в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде - карбюризаторе. Как правило, цементацию осуществляют при температурах, выше 930-950°С, когда стойкий аустенит, который растворяет углерод, присутствует в большом количестве. Конечные свойства цементируемые изделия приобретают в результате закаливания и низкого отпуска, выполняемых цементацией.
Для цементации обычно используют низкоуглеродистые (0,1-0,18%), чаще легированные стали. Для цементации крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2-03%). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, которая не насыщается углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закаливания [Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990. - С.231].
Процесс закаливания изделий сопровождает образование в них значительных остаточных напряжений в результате неравномерного распределения температуры по сечению и неодинакового изменения объема разных зон. Из-за совместимого действия температурных и структурных напряжений в цементируемом слое возникают напряжения сжатия, а в сердцевине - напряжения растяжения. Остаточные напряжения вызывают деформации изделий, иногда достаточно значительные [Гаркунов Д.Н. Триботехника. - М.: Машиностроение, 1989. - 327 с.]. Кроме того, существенным недостатком способа являются необходимость защиты отдельных участков детали, не подлежащих упрочнению, специальными покрытиями, обмазками и др., высокая трудоемкость, себестоимость и длительность процесса.
Известен способ электроэрозионного легирования (ЭЭЛ) металлических поверхностей - процесс перенесения материала на обрабатываемую поверхность искровым электрическим разрядом. Способ имеет ряд специфических особенностей:
- возможно диффузионное обогащение поверхности катода (детали) составными элементами анода (легирующего электрода) без изменения размера детали;
- легирование можно осуществлять в строго указанных местах, не защищая при этом остальные поверхности детали;
- отсутствие объемного нагревания детали;
- простая технология ЭЭЛ металлических поверхностей, а необходимая аппаратура малогабаритна и транспортабельна. [Электроискровое легирование металлических поверхностей / Гитлевич А.Е., Михайлов В.В., Парканский Н.Я., Ревутский В.М. / Кишинев: Штинца, 1985, стр.4].
При ЭЭЛ графитовым электродом шероховатость формируемой поверхности по сравнению с легированием металлическим электродом изменяется незначительно, что при следующей механической обработке, например шлифовкой, позволяет использовать эти поверхности в парах трения.
Ближайшим к заявляемому изобретению является способ ЭЭЛ графитом армко-железа и стали У8, У9. Выявленные при этом микроструктуры белого и переходного слоев показали, что при ЭЭЛ стали графитом в сформированном слое имеются почти все структуры и фазы равновесовой диаграммы состояния железо-углерод, а также неравновесовые структуры и фазы, возникающие при термической обработке стали. Варьирование энергией разряда в диапазоне 0,036-6,4 Дж позволяет изменять величину слоев от 4-5 до 50-70 мкм [Электроискровое легирование металлических поверхностей / Гитлевич А.Е., Михайлов В.В., Парканский Н.Я., Ревутский В.М. / Кишинев: Штинца, 1985, стр.4, 64-65].
Недостатком указанного способа является небольшая толщина формирующихся слоев.
В основу изобретения поставлена задача создать способ цементации стальных деталей электроэрозионным легированием, который бы позволял повысить твердость и износостойкость поверхностного слоя деталей.
Поставленную задачу решают тем, что в способе цементации стальной детали электроэрозионным легированием графитовым электродом, включающем использование в качестве анода графитового электрода и в качестве катода стальной детали, согласно изобретению в качестве катода используют деталь из низкоуглеродистой легированной стали аустенитного класса, легирование осуществляют с производительностью 1,0-5,0 мин/см2 и энергией разряда 0,036-6,8 Дж и формируют легированные поверхностные слои толщиной от 4-5 до 320-350 мкм.
Использование в качестве материала катода низкоуглеродистых легированных сталей аустенитного класса и осуществление легирования с производительностью 1,0-5,0 мин/см и с формированием поверхностных слоев толщиной от 4-5 до 320-350 мкм позволяет повысить твердость и износостойкость поверхностного слоя деталей.
Выбор предельных значений энергии импульсов для легирования углеродом обусловлен природой взаимодействия с твердыми деформируемыми металлами.
Нижний предел энергии разряда ограничивается эффективностью способа. Увеличение энергии разряда выше верхнего предела при ЭЭЛ графитом так же, как и при увеличении производительности легирования более 5 мин/см2, приводит к увеличению количества углерода в поверхностном слое, его охрупчиванию и отрицательно влияет на формирование слоев, полученных электроэрозионным способом.
Способ цементации стальных деталей осуществляют электроэрозионным легированием углеродом (графитовым электродом). В качестве материала катода (детали) используют низкоуглеродистые легированные стали аустенитного класса. Легирование осуществляют с производительностью 1,0-5,0 мин/см2, что позволяет при варьировании энергии разряда в диапазоне 0,036-6,8 Дж формировать поверхностные слои повышенной твердости толщиной от 4-5 до 320-350 мкм.
Изобретение поясняется конкретным примером.
Проводились исследования поверхностных слоев, сформированных в результате ЭЭЛ углеродом, хромоникелевой коррозионной стали аустенитного класса марки 12Х18Н10Т. Результаты исследований приведены в таблице. Для сравнения в таблице приведены результаты шероховатости поверхности после легирования стали 12Х18Н10Т электродом из твердого сплава марки Т15К6.
| Энергия разряда, Дж | ||||||||
| 0,036 | 0,1 | 0,31 | 0,5 | 1,41 | 2,83 | 3,4 | 6,8 | |
| Производительность ЭЭЛ, 1 мин/см2 | ||||||||
| hсл, ЭЭЛГр, мкм | 5 | 12 | 20 | 30 | 55 | 75 | 80 | 90 |
| Зона повышенной твердости*, ЭЭЛГр, Нμ, МПа | 3000**-8000*** | 3000-9000 | 3000-9000 | 3000-8000 | 3000-9000 | 5250-8000 | 4600-9000 | 3300-8000 |
| Ra Гр, мкм | 0,8 | 0,8 | 0,8 | 0,8-0,9 | 0,8-0,9 | 2,5-3,5 | 8,3-8,5 | 11,9-14 |
| Ra T15K6, мкм | 2,0 | 2,6 | 3,0 | 6,3 | 6,3-7,2 | 10,0 | 12,5 | 25 |
| Производительность ЭЭЛ, 5 мин/см2 | ||||||||
| hсл, ЭЭЛГр, мкм | 10 | 15 | 25 | 35 | 56 | 80 | 100 | 315 |
| Зона повышенной твердости, ЭЭЛГр, Нμ, МПа | 3000-9000 | 3000-10000 | 3000-10000 | 3000-9000 | 2900-11000 | 4000-11500 | 3500-9000 | 4000-10000 |
| Ra Гр, мкм | 1,0 | 1,2 | 1,2 | 1,0-1,2 | 1,6-2,0 | 2,9-3,7 | 5,3-6,5 | 11,7-14 |
| Ra T15K6, мкм | 3,2 | 3,2 | 3,2-6,3 | 6,3 | 6,3-8,2 | 10,0-12,5 | 12,5-25 | 30-50 |
| * Зона повышенной твердости - поверхностный слой детали, имеющий максимальную микротвердость на поверхности и снижающийся по мере углубления до микротвердости основы металла. ** Минимальная твердость в нижнем участке слоя. *** Максимальная твердость на поверхности слоя. |
Предлагаемый способ может быть также использован и для среднеуглеродистых легированных сталей. Так, при ЭЭЛ углеродом среднеуглеродистой легированной стали 40Х с производительностью 5 мин/см2 при энергии разряда 6,8 Дж толщина слоя повышенной твердости составляла более 1,15 мм. Шероховатость поверхности при этом соответствовала 11,7-14,0 мкм.
Способ цементации стальной детали электроэрозионным легированием графитовым электродом, включающий использование в качестве анода графитового электрода и в качестве катода стальной детали, отличающийся тем, что в качестве катода используют деталь из низкоуглеродистой легированной стали аустенитного класса, легирование осуществляют с производительностью 1,0-5,0 мин/см2 и энергией разряда 0,036-6,8 Дж и формируют легированные поверхностные слои толщиной от 4-5 до 320-350 мкм.
