Способ термической обработки для повышения износостойкости изделий из графитизированного чугуна

Авторы патента:

Пустовойт Виктор Николаевич (RU)

Домбровский Юрий Маркович (RU)

Долгачев Юрий Вячиславович (RU)

C21D5/00 - Термообработка литейного чугуна

C21D1/10 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2591906:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет"(ДГТУ) (RU)

Изобретение относится к области термической обработки изделий из графитизированных чугунов и может быть использовано в энергомашиностроении, двигателестроении, сельхозмашиностроении и других отраслях промышленности. Для повышения износостойкости изделий из графитизированного чугуна с ферритной матрицей осуществляют нагрев изделия токами высокой частоты и последующую закалку, при этом в качестве исходного материала используют чугун с количеством графитных включений более 200 1/мм², а скорость индукционного нагрева составляет 400-500 град/с. 1 табл., 3 ил.

Способ термической обработки для повышения износостойкости изделий из графитизированного чугуна

Изобретение относится к области термической обработки деталей из графитизированных чугунов и может быть использовано в энергомашиностроении, двигателестроении, сельхозмашиностроении и других отраслях промышленности с целью повышения износостойкости графитизированного чугуна с ферритной матрицей.

Известен способ термической обработки для повышения износостойкости рабочих поверхностей чугунных цилиндров (например, автомобильных двигателей) с применением закалки при нагреве токами высокой частоты, обеспечивающий глубину закаленного слоя не более 0,3 минимальной толщины стенки цилиндра (а.с. СССР №77898, класс 18 с, 2₁₀, 1948 г.).

Достоинством этого способа является сокращение закалочного коробления и обеспечение высокой износоустойчивости рабочих поверхностей изделий. Однако без соответствующих рекомендаций способ не обеспечивает необходимой твердости и структурной однородности для получения надежных показателей износостойкости при обработке изделий из графитизированных чугунов с ферритной матрицей.

Известен способ поверхностной закалки деталей из чугуна, включающий нагрев поверхности детали токами высокой частоты на глубину более 3 мм при удельной мощности электромагнитного воздействия 8-10 кВт/см²с последующим охлаждением водяным душем (патент РФ №2428487, МПК С21D 1/10, C21D 1/42, H05B 6/36, C21D 5/00, 2010).

Этот способ обработки обеспечивает повышение износостойкости и, как следствие, ресурса работы детали, однако способ предъявляет существенные требования к удельной мощности электромагнитного воздействия (8-10 кВт/см²), что технически сложно выполнимо, а также достаточно энергозатратно.

Наиболее близким по выполнению и достигаемому результату является способ термической обработки деталей из высокопрочных чугунов для повышения их износостойкости, включающий последовательное применение двух концентрированных источников нагрева поверхности детали: ТВЧ с последующей закалкой и нагрев излучением непрерывного лазера с плотностью энергии светового потока 240-260 Вт/мм² при скорости сканирования 0,6-0,8 см/с - и последующее быстрое охлаждение за счет высокой теплопроводности обрабатываемого материала (а.с. СССР №1668417, МПК C21D 1/09, C21D 5/00, 1988 г.).

Такой способ обработки обеспечивает значительное повышение износостойкости и ресурса работы различных деталей в условиях трения при больших удельных нагрузках. Недостатком способа является необходимость в использовании двойной обработки концентрированными источниками энергии, что отражается на высокой себестоимости и энергоемкости предлагаемой обработки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение износостойкости изделий из графитизированного чугуна с ферритной матрицей проведением термической обработки без дополнительного нагрева лазерным излучением.

Технический результат достигается тем, что в способе термической обработки изделий из графитизированного чугуна, включающем нагрев изделия токами высокой частоты и последующую закалку, отличием является то, что в качестве исходного материала используют чугун с ферритной матрицей и количеством графитных включений более 200 1/мм², а скорость индукционного нагрева составляет 400-500 град/с.

Ниже приведен пример реализации способа.

Образцы нагревают на установке с ламповым генератором ВЧГ4-25/0,44 (рабочая частота 440 кГц) в 4-х и 5-и витковых индукторах с внутренним диаметром соответственно 17 и 25 мм.

Обрабатывают образцы ферритного ковкого чугуна цилиндрической формы диаметром 16 мм.

Износостойкость зависит от твердости и однородности структуры поверхностного слоя.

О высокой твердости судят по наличию в структуре «белых слоев», которые образуются при закалке ТВЧ с высокой скоростью нагрева и представляют собой белую нетравящуюся зону в виде оторочки вокруг графитовых включений (Любарский И.М., Палатник Л.С. Металлофизика трения. - М.: Металлургия, 1976. - C.89). Микротвердость «белого слоя» определяют на микротвердомере ПМТ-3. Структуру белого слоя исследуют на атомно-силовом микроскопе «Nanoeducator» компании NT-MDT.

Об однородности судят по слиянию оторочек «белого слоя» вокруг графитных включений между собой, наблюдаемых при изучении микрострурктуры на оптическом микроскопе «Neophot-21».

Режимы и результаты обработки образцов приведены в табл.1

Таблица 1 - Режимы и результаты обработки образцов.

№	Количество графитных включений на мм²	Скорость нагрева, град/с	Наличие «белого слоя»	Слияние оторочек «белого слоя»
1	150	450	Да	Нет
2	200	450	Да	Да
3	250	450	Да	Да
4	250	350	Нет	-
5	250	400	Да	Да
6	250	450	Да	Да
7	250	500	Да	Да
8	250	550	-*	-

* - в последнем режиме (при обработке образца №8) происходит оплавление поверхности.

На рис. 1 представлены изображения микроструктуры ковкого чугуна в исходном состоянии (а) и после закалки ТВЧ по режиму №1 табл.1 (б).

Микроструктурный анализ показывает, что после закалки ТВЧ с высокой скоростью нагрева (400-500 град/с) образуется «белый слой» (рис. 1б и режимы №1-3, 5-7 табл.1). При меньшей скорости (режим №4 табл.1) и большей скорости (режим №8 табл.1) «белый слой» не образуется.

При меньшей скорости нагрева (ниже 400 град/с) образование аустенита происходит путем нормального (диффузионного, а не сдвигового) механизма роста (Дьяченко С.С. Образование аустенита в железоуглеродистых сплавах. - М.: Металлургия, 1982. - C.75-79), при котором исчезают когерентные малоугловые границы, образуются высокоугловые границы зерен и снижается плотность дислокаций. При большей скорости нагрева (выше 500 град/с) возникает опасность оплавления металла вокруг графитовых включений.

Результаты исследования на атомно-силовом микроскопе приведены на рис. 2, где: а - графитовое включение (темное пятно размером около 30 мкм) окруженное «белым слоем» (отдельно выделена зона «белого слоя» исследуемая более тщательно); б, в, г - АСМ-изображение, сечение и 3D- изображение «белого слоя». Исследование показывает, что «белый слой» представляет собой мартенситную наноструктуру, отличающуюся высокой твердостью из-за большой плотности дислокаций. Микротвердость в районе «белого слоя» - 10 ÷ 13 ГПа, что значительно больше твердости получаемой после обработки ТВЧ по известному способу (прототип ~ 4 ÷ 4,5 ГПа или 40 ÷ 45 HRC), и сопоставимо с твердостью после дополнительной обработки лазерным излучением, также по известному способу (прототип ~ 8 ÷ 9,5 ГПа или 60 ÷ 63 HRC).

Количество графитовых включений на 1 мм² более 200 делает возможным слияние оторочек «белого слоя» между собой, с образованием однородной наноструктуры (рис. 3 и режимы 2, 3, 5-7 табл.1). На рис. 3а показана - однородная наноструктура «белого слоя», полученная при плотности графитовых включений более 200 1/мм² (увеличение снимка ×500), а на рис. 3б - пример слияния микрообъемов «белых оторочек» при близком расположении графитовых включений.

При количестве графитовых включений на 1 мм² менее 200 (рис. 1б и режим №1 табл.1) слияние оторочек «белого слоя» не происходит. Регулирование количества графитовых включений на единицу площади может осуществляться на стадии отжига белого чугуна на ковкий.

Таким образом, предлагаемый способ термической обработки изделий из графитизированного чугуна с ферритной матрицей позволяет получить высокое сопротивление износу благодаря высокой твердости и однородности поверхностного слоя без проведения дополнительного нагрева заготовок лазерным излучением.

Способ термической обработки изделий из графитизированного чугуна с ферритной матрицей, включающий индукционный нагрев изделия токами высокой частоты и последующую закалку, отличающийся тем, что в качестве исходного материала используют чугун с графитными включениями в количестве на 1/мм² более 200, а скорость индукционного нагрева составляет 400-500 град/с.

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к получению тормозных локомотивных колодок из фрикционного чугуна. Для повышения долговечности и износостойкости трибологической пары «колесо-колодка» тормозную колодку получают из фрикционного чугуна, содержащего углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, барий, кальций, железо и примеси, путем термической обработки, включающей нагрев в печи до температуры 950-1000°С, выдержку в течении 2 часов и охлаждение вместе с печью до комнатной температуры с обеспечением феррито-графитовой микроструктуры.

Способ терморелаксационной обработки деталей из легированного чугуна. // 2556191

Изобретение относится к области термической обработки деталей из легированного чугуна с различной формой графита. Способ включает контроль исходной структуры, термическую обработку, азотирование, механическую обработку, при этом исходную структуру детали контролируют на содержание графита, цементита и феррита, термообработку для деталей из чугуна, содержащего в структуре графит шаровидной формы, до 10% графита нешаровидной формы и до 20% феррита, проводят путем высокого отпуска и старения, при содержании в структуре от 10 до 80% графита нешаровидной формы и от 20 до 85% феррита путем аустенизации, охлаждения со скоростью 5-15°С в секунду до температуры верхнего бейнита, изотермической выдержки, высокого отпуска и старения, а при содержании в структуре от 10 до 80% графита нешаровидной формы, от 20 до 85% феррита и до 80 % цементита путем предварительного диффузионного отжига, аустенизации, охлаждения со скоростью 5-15°С в секунду до температуры верхнего бейнита, изотермической выдержки, высокого отпуска и старения, после термообработки контролируют структуру деталей, осуществляют механическую обработку поверхности детали с припуском, обеспечивающим при последующей после азотирования механической обработке удаление слоя ε-фазы, после чего участки детали с наименьшей толщиной стенки подвергают деформационному наклепу, затем детали фосфатируют, проводят низкотемпературное азотирование, рабочую поверхность детали подвергают электрохимическому травлению, хонингуют и фосфатируют.

Способ получения бейнитного чугуна при термической обработке // 2490335

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению отливок из высокопрочных чугунов с шаровидным графитом. .

Способ термической обработки чугунных фрикционных клиньев тележки грузового вагона, закалочное устройство для его осуществления и фрикционный клин из чугуна // 2489499

Изобретение относится к области термической обработки и к конструктивным элементам железнодорожных грузовых тележек, в частности к конструкциям литых фрикционных клиньев из чугуна для восприятия и гашения колебаний надрессорной балки тележки грузового вагона.

Способ термической обработки чугуна с шаровидным графитом // 2449043

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам термической обработки чугунов с шаровидным графитом. .

Чугун и способ его получения // 2432412

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, и может быть использовано при производстве литых изделий, отличающихся высокими механическими свойствами, в том числе при динамическом нагружении.

Способ поверхностной закалки чугуна и индуктор для его осуществления // 2428487

Изобретение относится к технологии термообработки деталей, а именно к поверхностной закалке электрической индукцией, и используется преимущественно при изготовлении износостойких элементов фрикционного гасителя колебаний (ФГК) тележек грузовых вагонов.

Способ упрочнения лезвий рабочих органов почвообрабатывающих орудий // 2420601

Изобретение относится к области термического упрочнения лезвий почвообрабатывающих орудий и может быть использовано в сельскохозяйственном машиностроении. .

Способ получения чугуна с шаровидным графитом и аустенитно-ферритной металлической матрицей // 2415949

Изобретение относится к металлургии, в частности к способу получения чугуна с шаровидным графитом. .

Скользящий компонент компрессора, основание скользящего компонента, спиральный компонент и компрессор // 2387878

Изобретение относится к разработке скользящих компонентов, применяющихся в компрессорах. .

Способ термообработки заготовки из нержавеющей хромистой стали // 2591901

Изобретение относится к области термической обработке и может быть использовано при обработке заготовок высоконагруженных конструкций из стали 20Х13 и 30Х13 с заданными одновременно механическими и магнитными свойствами, в частности, при производстве короткозамкнутых роторов дисковой формы для торцевых гистерезисных двигателей высокооборотных центробежных устройств.

Способ изготовления горячекатаной кремнистой стали // 2591788

Изобретение относится к области металлургии. Для исключения возникновения дефектов кромки при производстве горячекатаной кремнистой стали и получения горячекатаной кремнистой стали с поверхностью хорошего качества способ изготовления горячекатаной кремнистой стали включает нагрев, черновую прокатку и чистовую прокатку плоской заготовки из кремнистой стали.

Способ улучшения металлического покрытия на стальной ленте // 2590787

Изобретение относится к нанесению металлического покрытия на стальную ленту (1). Для повышения коррозионной стойкости покрытия проводят оплавление покрытия посредством индукционного нагрева с помощью по меньшей мере одной катушки (2) индуктивности при максимальной температуре (ПТМ), превышающей температуру плавления (Ts) материала покрытия, затем в охлаждающем устройстве (3) охлаждают до температуры (ТА) быстрого охлаждения, лежащей ниже температуры плавления, при этом покрытие в течение времени (th) выдерживают при температуре, превышающей температуру плавления (TS), и что время выдержки (th) посредством перемещения по меньшей мере одной катушки (2) индуктивности относительно охлаждающего устройства (3) согласуют с максимальной температурой (ПТМ) и толщиной покрытия, чтобы полностью расплавить покрытие на всю его толщину вплоть до слоя, граничащего со стальной лентой.

Способ диффузионного упрочнения стальных деталей // 2589954

Изобретение относится к химико-термической обработке металлов и может быть использовано для упрочнения деталей машин и инструмента в машиностроительной, металлургической, химической, строительной и других отраслях промышленности.

Способ термомеханической обработки стальных изделий // 2588936

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к обработке высокопрочных изделий, работающих при воздействии значительных динамических и циклических нагрузок.

Способ обработки твердосплавных пластин режущего инструмента // 2587198

Изобретение относится к области металлургии, а именно к электроимпульсной обработке твердосплавных пластин режущего инструмента, и может быть использовано в металлообрабатывающей, машиностроительной и инструментальной отраслях промышленности.

Способ обработки металлов давлением // 2585920

Изобретение относится к области металлургии и может быть применено при обработке металлов давлением. Для снижения сопротивления металла деформированию и усиления релаксационных процессов на движущуюся проволочную или полосовую заготовку в области зоны деформации одновременно воздействуют СВЧ-излучением и импульсным током в продольном направлении вдоль заготовки, вызывающего электропластический эффект в металле при амплитудной плотности тока Jm примерно 103 А/мм2, длительности импульсов τ примерно 10-4 сек и частоте следования импульсов в несколько сот Гц в зависимости от скорости движения заготовки.

Способ получения листа нормализованной кремнистой стали // 2585913

Изобретение относится к области металлургии. Для исключения образования плотных оксидов в процессе нормализации и повышения качества полосы получают лист нормализованной кремнистой стали путем горячей прокатки и нормализации.

Способ обработки металлических деталей в условиях акустического резонансного воздействия и устройство для осуществления способа // 2584618

Изобретение относится к металлообрабатывающей промышленности, инструментальному производству и машиностроению. Для улучшения эксплуатационных свойств режущего инструмента и деталей за счет повышения твердости, прочности, износостойкости и ударной вязкости осуществляют обработку деталей в условиях акустического воздействия, включающую нагрев и охлаждение деталей в резонаторной камере при давлении 1,5-4,5 атм, причем нагрев ведут в пределах температур от 150 до 450°C, а охлаждение проводят при воздействии на детали циркулирующим потоком сжатого воздуха на резонансной частоте в диапазоне 500-5000 Гц.

Способ импульсного электронно-ионно-плазменного упрочнения твердосплавного инструмента или изделия // 2584366

Изобретение относится к области упрочняющей обработки изделий из твердых сплавов. Техническим результатом изобретения является повышение ресурса работы инструментов, деталей машин и механизмов, работающих в условиях резания, трения и абразивного износа.

Способ управления атмосферой защитного газа в камере с защитным газом для обработки металлической полосы // 2592653

Изобретение относится к управлению атмосферой в камере с защитным газом для непрерывной обработки металлических полос. Технический результат - повышение качества управления. Металлическую полосу (3) направляют в камеру (2) с защитным газом и выводят из нее с помощью запирающих механизмов (4). По меньшей мере один из запирающих механизмов (4) содержит два или более уплотнительных элементов (5, 6) для металлической полосы (3), проходящей через него, благодаря чему образуется по меньшей мере одна уплотнительная камера (7) между двумя уплотнительными элементами (5, 6). Давление (P2, PD) газа в камере (2) с защитным газом и в уплотнительной камере (7) запирающего механизма (4) измеряют и давление (PD) в уплотнительной камере (7) регулируют. При этом перепад давления между камерой (2) с защитным газом и уплотнительной камерой (7) поддерживают максимально возможно долго в оптимальном значении. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.