Способ графитизации низкоуглеродистых сталей, совмещенный с предварительной цементацией в области температур полиморфного превращения

Изобретение относится к термической и химико-термической обработке стальных деталей, а именно к процессам графитизации и термической обработки материалов посредством отжига в среде карбюризатора.

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.]. Данный способ заключается в изотермической выдержке деталей в контролируемой атмосфере эндогаза, скорость насыщения углеродом составляет при этом 0,1…0,15 мм/ч. Насыщение со скоростью 0,15…0,25 мм/ч также может производиться в среде, неконтролируемой по углеродному потенциалу, получаемой при капельной подаче жидких карбюризаторов.

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.

Известен способ цементации стали 55С2 в пастообразном карбюризаторе, содержащем сажу, углекислый натрий и ПВА при различных температурах и с различными выдержками [Летов С.С. Исследование графитизации кремнистых сталей при цементации в карбонатно-сажевых карбюризаторах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Курск, 2004.]. Цементация образцов стали 55С2 проводится в цементационных контейнерах с высушенным сажево-карбонатным покрытием на поверхности деталей. В качестве наполнителя в контейнере используется отработанный древесноугольный бондюжский карбюризатор. Перед цементацией детали подвергаются закалке с температуры 850°С в воду.

Цементация кремнистой стали, закаленной перед науглероживанием, позволяет получить в диффузионных слоях большое количество графитных включений (на уровне или даже выше, чем у традиционно графитизированных сталей) за относительно короткое время. Высокая скорость графитизации является следствием большого количества дефектов в закаленных слоях, которые заполняются атомами углерода, поступающими из высокоактивной среды и кристаллизующимися на их внутренней поверхности в присутствии кремния в решетку графита.

Недостатком способа является необходимость в предварительной закалке, что не всегда возможно для деталей, имеющих сложную, ажурную форму и склонных к появлению закалочных трещин и применения специального оборудования для приготовления и нанесения пасты на детали.

Известен способ поверхностной графитизации сталей производится при двухступенчатой нитроцементации [Летова О.В. Поверхностная графитизация конструкционных сталей при двухступенчатой нитроцементации. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Курск, 2012.]. На первом этапе нитроцементация проводится при температурах в области т. А₁ для системы Fe-N с целью максимально возможного насыщения стали азотом. На втором этапе, проходящем при температурах выше т. А₃ системы Fe-C, происходит деазотирование диффузионного слоя с образованием дефектов структуры и заполнение этих дефектов углеродом.

При увеличении длительности первой (низкотемпературной) ступени нитроцементации увеличивается глубина графитосодержащего слоя, а при увеличении длительности и температуры второй ступени (высокотемпературной) увеличивается содержание графита в диффузионных слоях стали 40 при ее нитроцементации в высокоактивной пасте на основе желтой кровяной соли и аморфного углерода. Способ позволяет получить на поверхности стали графитизированный слой толщиной 0,2…0,3 мм с содержанием графита от 2 до 5%.

К недостаткам данного способа также следует отнести необходимость применения специального оборудования для приготовления и нанесения пасты на детали и проведения азотирования и цементации при повышенных температурах, малая толщина диффузионного слоя дает малый припуск на износ, применение специальной пасты для насыщения азотом и углеродом для реализации технологического процесса по данному способу.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ ступенчатой изотермической цементации в области температур полиморфных превращений в стали [Патент RU №2463380, С23С 8/26, д.п. 10.10.2012 г.]. Способ включает нагрев, цементацию в течение 2 часов при температуре насыщения выше Ас₃ (920…940°С), подстуживание до температуры полиморфного превращения Ar₁ (727+10)°С, выдержку при данной температуре в течение. 2 часов.

Недостатки способа сложность технологического процесса, низкое качество цементованного и графитизированного слоя.

Охлаждение цементируемых деталей после аустенизации до диапазона температур полиморфного превращения способствует ускорению проникновения углерода вглубь материала за счет повышения скорости диффузии в области температур полиморфного превращения [Сазонов Б.Г. Экстремальная диффузионная активность в стали в состоянии предпревращения / Металловедение и термическая обработка металлов. - 1990. - №7 - С. 13-15]. [О состоянии предпревращения металлов и сплавов: методика и результаты экспериментальных исследований и практических разработок // И.В. Тихонова, О.В. Кузовлева, А.Е. Гвоздев // Электронное издание №17583 от 27. 10. 2009. № гос. Per. 0320902220. - 1 электон. Опт. Диск (CD-ROM)]. Эффективная глубина цементации по данному способу достигает 0,9…1,0 мм, при этом структура слоя имеет характер, присущий структурам цементованных слоев, полученных при изотермической и термоциклической цементациях.

Основной целью предлагаемого изобретения является сокращение продолжительности и упрощение технологического процесса графитизации за счет возможности использования имеющегося оборудования, получение качественного цементованного, а затем и графитизированного слоя с высокими стабильными антифрикционными характеристиками.

Техническим результатом изобретения является получение на стальных деталях поверхностного графитизированного слоя (большой) глубины, сокращение и упрощение процесса обработки.

Технический результат достигается тем, что в способе графитизации низкоуглеродистых сталей включающем нагрев деталей в среде карбюризатора до температуры на 20…40°С выше точки Ас₃, выдержку при данной температуре в течение 0,2…2,0 часов, нагрев и выдержку при температуре на 20…40°С выше точки Ас₃ осуществляют для получения аустенитной структуры и формирования необходимой глубины науглероженного слоя, затем производят подстуживание до температур полиморфного превращения Ar_3…Ar₁, с последующей выдержкой при данной температуре в течение 6,0-8,0 часов для окончательного формирования цементованного, а затем и графитизированного слоя требуемой глубины.

Необходимо отметить, что физическая сущность предлагаемого способа графитизации заключается в том, что формирование графитовых включений в интервале температур двухфазного неравновесного состояния (феррит-аустенит) обусловлено, во-первых, образованием структурных вакансионных комплексов [Новиков И.И. Фазовые превращения в кристаллических телах (современное состояние проблемы) // Инженерно-физический журнал. 1980. Т 39. №6 СП 18-1132.] и, во-вторых, заполнением их атомами углерода, так как диффузия углерода, особенно при наличии феррита, существенно выше, чем самодиффузия железа.

Новые существенные признаки:

1. Нагрев до температуры выше Ас₃ на 20…40°С и выдержка до завершения α→γ перестройки кристаллической решетки железа, то есть превращения феррито-перлитной смеси в аустенит.

2. Выдержка при температуре выше Ас₃ на 20…40°С в течение 0,2…2,0 часа, для обеспечения необходимой глубины цементованного слоя.

3. Охлаждение до температуры Ar_3…Ar₁ выдержке при данной температуре в течение 6,0…8,0 часов, необходимой для ускоренной диффузии углерода, окончательного формирования глубины цементованного слоя и последующего протекания процесса графитизации.

Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с уже известными обеспечивают получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Изобретение поясняется фигурами где:

Фиг. 1 - показан режим графитизации с предварительной цементацией при изотермичекой выдержке в области температур пред- и после полиморфного превращения А - аустенитизация; Ц - цементация; Г - графитизация;

Фиг. 2 - показан график изменения микротвердости науглероженного слоя в зависимости от расстояния от поверхности после аустенизации при 920…940°С - 20 мин, подстуживания до 720°С и выдержкой: 1-0 часов; 2-1 час; 3-2 часа; 4-3,5 часа; 5-5 часов; 6-6 часов; 7-8 часов;

Фиг. 3 - эвтектоидная и доэвтектоидная зоны на поверхности стали, науглероженной по режиму: нагрев до 920…940°С, выдержка 20 мин, подстуживание до 720°С, выдержка 2 часа и охлаждение с печью до комнатной температуры, 250^х

Фиг. 4 - показаны включения графита на поверхности стали, науглероженной по режиму: нагрев до 920…940°С, выдержка 20 мин, подстуживание до 720°С, выдержка 6 часов и охлаждение с печью до комнатной температуры, 250^х

Фиг. 5. - показан графитизированный слой на поверхности стали, науглероженной по режиму: нагрев до 920…940°С, выдержка 20 мин, подстуживание до 720°С, выдержка 6 часов и охлаждение с печью до комнатной температуры (электронный микроскоп).

Способ графитизации низкоуглеродистых сталей включает в себя нагрев деталей в среде карбюризатора до температуры выше на 20…40°С Ас₃, выдержку при данной температуре в течение 0,2…2,0 часов, охлаждение до температур полиморфного превращения (Ar₃…Ar₁), выдержку при данной температуре в течение 6,0…8,0 часов и охлаждение (Фиг. 1).

Пример. Для получения качественных и количественных характеристик графитизированного слоя в работе были произведены исследования процесса науглероживания стали марки Ст 3 (ГОСТ 380-2005) в среде твердого карбюризатора (ГОСТ 2407-83). Науглероживание осуществляли в металлических ящиках, герметизируемых огнеупорной глиной. После науглероживания образцы разрезали и готовили микрошлифы для определения глубины науглероженного слоя Измерение глубины науглероженной зоны проводили на металлографическом микроскопе ММР-2Р при увеличении 100^х, на микрошлифах, приготовленных по ГОСТ 1763-68. Кроме того, были выполнены измерения микротвердости поверхностного слоя образцов после дополнительной термической обработки по режиму: закалка с температуры 860°С и отпуск при 220°С. Измерения проводили с помощью микротвердомера ПМТ-3 в соответствии с ГОСТ 9450-76. За глубину науглероженного слоя принимали расстояние от поверхности образца до феррито-перлитной структуры, соответствующей центральной части образца или до значений микротвердости, соответствующих микротвердости центральной части образца.

На фиг. 2 представлены результаты измерения микротвердости науглероженного слоя в зависимости от расстояния от поверхности образца после аустенизации при 920…940°С - 20 мин, подстуживания до 720°С и с выдержкой различное время. Из рисунка видно, что в результате аустенизации стали в среде карбюризатора глубина науглероженного слоя составляет ~0,4 мм. Последующая выдержка при 720°С в течение 2 часов вызывает, как увеличение глубины, так и повышение микротвердости науглероженного слоя, что связано с формированием в поверхностном слое стали цементита. Дальнейшее увеличение времени, выдержки до 8 часов приводит к уменьшению микротвердости практически до исходного состояния, что обусловлено образованием графита на структурных вакансиях [Новиков И.И. Фазовые превращения в кристаллических телах (современное состояние проблемы) // Инженерно-физический журнал. 1980. Т 39. №6 С1118-1132], образующихся в результате γ→α - перестройки и распада метастабильного цементита.

Исследование микроструктуры стали, науглероженной по режиму: нагрев до 920…940°С, выдержка 20 мин, подстуживание до 720°С, выдержка 2 часа и охлаждение с печью до комнатной температуры вызывает образование на поверхности цементованного слоя глубиной ~0,9 мм (рис. 3). Обработка по режиму: нагрев до 920…940°С, выдержка 20 мин, подстуживание до 720°С и выдержка 6 часов приводит к появлению в поверхностном слое глубиной ~0,9 мм включений графита величиной около 10…50 мкм (Фиг. 4, Фиг. 5).

Проведение всех этапов технологического процесса графитизации с применением цементации в области температур полиморфных превращений позволяет сократить время цементации в 1,5…2,0 раза при достижении глубины слоя, аналогичного глубине, достигаемой при изотермической цементации при температуре выше Ас₃ (920…940°С), и сократить время графитизирующей выдержки, уменьшить затраты на энергоресурсы за счет использования ускоренной цементации и последующей графитизации при использовании существующего оборудования.