Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЦЕМЕНТАЦИИ СО СТУПЕНЧАТЫМИ ИЗОТЕРМИЧЕСКИМИ ВЫДЕРЖКАМИ В ОБЛАСТИ ТЕМПЕРАТУР ПОЛИМОРФНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ

Изобретение относится к химико-термической обработке стальных деталей, а именно к процессам цементации. Изобретение может быть использовано в машиностроении, автотракторостроении и других отраслях промышленности для поверхностного упрочнения деталей машин, изготовленных из низкоуглеродистых сталей.

Известен способ цементации при изотермической выдержке при температуре выше Ас₃ (920-940°С) [Производство зубчатых колес газотурбинных двигателей: Произв.-практ.издание / Ю.А.Елисеев, В.В.Крымов, И.П.Нежурин и др.; Под ред. Ю.С.Елисеева. - М.: Высш. шк., 2001. - 493 с: ил].

Недостатками способа являются длительное время выдержки, определяемое из расчета 0,15 мм/ч - при глубине слоя до 1 мм, и 0,1 мм/ч - при глубине слоя более 1 мм. Продолжительность процесса цементации может составлять 8-10 часов и более в зависимости от требуемой глубины слоя. Также возможны нестабильность качества получаемого слоя и разброс его параметров.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ поверхностного упрочнения [патент РФ 2283893 С2]. Способ включает проведение не менее трех циклов, состоящих из нагрева до температуры выше Ас₃ и охлаждения до температуры ниже Ar₁. Нагрев и охлаждение производятся в твердом карбюризаторе. Нагрев осуществляется пачками импульсов электромагнитного излучения до температуры 1220±10 K, охлаждение проводят до температуры 910±10 К. Скорость нагрева и охлаждения составляет более 1 К/с. Выдержка при экстремальных температурах каждого цикла составляет до двух минут.

К недостаткам данного способа следует отнести необходимость применения специального оборудования, реализующего нагрев пачками электромагнитных импульсов, необходимость использования сложной управляющей аппаратуры для реализации технологического процесса по данному способу.

Основной целью изобретения является сокращение продолжительности технологического процесса цементации за счет оптимизации химико-термической обработки стали, упрощение управления технологическим процессом с возможностью использования имеющегося оборудования без его существенной модернизации, получение качественного цементационного слоя с высокими стабильными прочностными характеристиками.

Техническим результатом изобретения является получение на стальных деталях поверхностного слоя, обладающего высокой твердостью и износостойкостью, сокращение времени обработки, улучшение качества цементационного слоя и переходной зоны.

Технический результат достигается тем, что нагрев до температуры выше Ас₃ проводят в печи при температуре 920-940°С с выдержкой в течение двух часов, охлаждение вместе с печью осуществляют до температуры Аr₁, составляющей 727+10°С, с выдержкой не менее двух часов.

Получение технического результата изобретения достигается тем, что нагрев в насыщающей среде до температуры 920-940°С способствует активному проникновению углерода в сталь и интенсификации процесса в начальный период, преимущественно на небольшую глубину. Получение активных атомов достигается путем диссоциации окиси углерода, что и достигается увеличением температуры при цементации. Дальнейший рост температуры ограничивается ухудшением структуры металла и повышенной склонностью к внутреннему окислению.

Охлаждение цементируемых деталей в контейнере с твердым карбюризатором до температуры полиморфного превращения 727+10°С способствует ускорению проникновения углерода вглубь материала за счет наличия градиента концентрации углерода и скачкообразного повышения скорости диффузии в области температуры полиморфного превращения.

Выдержка при температуре полиморфного превращения Аr₁ необходима для завершения процессов диффузии, начатых при температуре Ас₃, и ускоренного достижения требуемой глубины цементуемого слоя. Общая продолжительность процесса насыщения при этом сокращается в 1,5-2 раза.

Предлагаемый способ цементации со ступенчатыми изотермическими выдержками в области температур полиморфного превращения заключается в том, что на первоначальном этапе при насыщении при температуре выше точки Ас₃ происходит активный рост концентрации углерода в приповерхностном слое. Традиционная изотермическая цементация обеспечивает скорость роста диффузионного слоя в пределах 0,15 мм/ч - при глубине слоя до 1 мм и 0,1 мм/ч - при глубине слоя более 1 мм. Согласно известным закономерностям скорость насыщения снижается с увеличением времени выдержки. Длительность процесса в зависимости от требуемой глубины слоя может достигать 8-10 ч и более. Основные недостатки традиционной химико-термической обработки во многом устраняются при совмещении этого процесса с термоциклической обработкой. Термоциклическая обработка заключается в нагреве выше точки Ac₁ и последующего охлаждения до температуры ниже точки Аr₁. От количества циклов будут зависеть размер зерна, глубина слоя, структура. При измельчении структуры стали, достигнутой при термоциклической обработке, увеличивается протяженность межфазных границ, и диффузия при насыщении происходит более интенсивно. Это увеличивает глубину проникновения углерода и сокращает продолжительность процесса цементации. Термоциклическая обработка способствует образованию измельченной структуры цементованного слоя, зависящей от количества циклов, устраняет цементитную сетку по границам зерен. К недостаткам следует отнести усложнение процесса управления термоциклической цементации.

Технический результат обеспечивается за счет накопления дислокаций и образования полигональной субструктуры стали. Формирование дислокационной структуры при термоциклической обработке при полиморфных превращениях в области температур точки Ar₁ приводит к фазовому наклепу за счет разницы удельных объемов и модулей упругости образующихся фаз. Адсорбция и диффузия протекают быстрее в объеме металла, имеющего много дефектов типа дислокаций, блоков субмикроструктуры, границ зерен. Структурные изменения, происходящие при переходе температур в точках Ar₁ и Ас₁ когда кристаллическая решетка претерпевает γ→α→γ - превращения, ускоряют последующую диффузию атомов углерода в металле.

В предлагаемом способе на первоначальном этапе при насыщении при температуре выше точки Ас₃ происходит активный рост концентрации углерода в приповерхностном слое. При последующем охлаждении в условиях γ→α-превращений кристаллической решетки в области температур полиморфного превращения, структура насыщаемого поверхностного слоя находится в нестабильном состоянии. Известна закономерность, согласно которой коэффициент диффузии понижается по экспоненциальному закону при понижении температуры. Были проведены исследования с целью проверки изменения коэффициента диффузии в области температур полиморфного превращения. Для этого образцы из стали У8, структура которой представляет собой перлит, подвергались нагреву и выдержке в течение 4 часов в температурном диапазоне с 680 до 840°С с шагом 20°С с целью выявления закономерности изменения концентрации углерода в поверхностном слое образцов при понижении температуры выдержки. В этих условиях был определен коэффициент диффузии [Драпкин Б.М, Кононенко В.К., Безъязычный В.Ф. Свойства сплавов в экстремальном состоянии. - М.: Машиностроение, 2004. - 256 с: ил.]. Результаты исследований показали, что коэффициент диффузии скачкообразно возрастает в области температур полиморфного превращения. Возрастание коэффициента диффузии приводит к ускорению процесса насыщения углеродом в диапазоне температур Ar₁-Ar₃ и при выдержке в области фазового перехода Аr₁.

Проведение всех этапов технологического процесса при ступенчатой изотермической цементации позволяет сократить время обработки в 1,5-2,0 раза при достижении глубины слоя аналогичного глубине, достигаемого при классической изотермической цементации при температуре выше Ас₃ (920-940°С). Способ сочетает в себе достоинства процессов, аналогичных маятниковой термоциклической обработке в области температур полиморфного превращения А₁ и изотермической цементации при температуре выше Ас₃.

Пример. Была проведена цементация образцов, нарезанных из прутка Ст3 диаметром 10 мм. Образцы закладывались в контейнер с твердым карбюризатором. Первоначально производились нагрев и выдержка в печи при температуре 920-940°С в течение двух часов, после чего производилось охлаждение до температуры 727+10°С и выдержка при данной температуре в течение двух часов. По окончании эксперимента образцы охлаждались в контейнере на воздухе естественным образом и резались для проведения металлографических исследований.

Металлографические исследования образцов показали, что эффективная глубина насыщения составила 0,95-1,0 мм, при этом структура слоя имела смешанный характер, характерный структурам цементационных слоев, полученных при изотермической и термоциклической цементациях.

Способ цементации со ступенчатыми изотермическими выдержками в области температур полиморфного превращения совмещает в себе достоинства изотермической и термоциклической обработок, при этом его можно осуществить на имеющемся промышленном оборудовании без его значительной модернизации и, следовательно, больших материальных затрат. Понижение температуры обработки позволяет снизить затраты на энергоресурсы.