Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ ДЛИННОМЕРНОЙ ПОЛОЙ СТАЛЬНОЙ ДЕТАЛИ

Изобретение относится к области обработки поверхности металлического материала путем взаимодействия поверхности с ионизированным газом и может быть использовано, например, при упрочнении внутренней поверхности длинномерных прецизионных цилиндров скважинных насосов, работающих в условиях абразивного износа.

Известен способ химико-термической обработки стальных изделий (ЕР 0419675, МПК⁵ С23С 8/04, опубл. 1991 г.), включающий местную защиту поверхности изделий путем нанесения обмазки, причем предварительно на наружную поверхность изделий наносят слой из синтетической резины, а на него наносят смесь, содержащую, по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, включающей буру, оксид бора, жидкое стекло, фриту, металлический порошок или фольгу, и по крайней мере один компонент, выбранный из группы, включающей оксид титана, оксид железа, оксид цинка, тальк, карбонат кальция, силикат, глинозем, окись алюминия, двуокись циркония, окись магния, карбид кремния, графит и каолин, нагрев и диффузионное насыщение в атмосфере газового карбюризатора.

Недостатком такого способа является то, что он может быть использован только при низкотемпературных процессах химико-термической обработки, так как при высокой температуре обработки и длительном времени выдержки, защитный слой из синтетической резины будет выгорать, а нанесенные на его поверхность компоненты будут выкрашиваться с поверхности изделия и не обеспечат ее защиту.

Наиболее близким к заявляемому и принятым в качестве прототипа является способ химико-термической обработки длинномерной полой стальной детали (патент RU 2180017, МПК⁷ С23С 38/04, опубл. 2002 г.), включающий нанесение на наружную поверхность защитного слоя и диффузионное насыщение внутренней поверхности ионизированным газом. Предварительно наносят защитный слой на наружную поверхность изделий, а затем на него наносят смесь оксидов железа с жидким стеклом, нагрев и диффузионное насыщение в атмосфере газового карбюризатора, согласно изобретению в качестве защитного слоя наносят огнеупорную глину и просушивают его, а весовое соотношение жидкого стекла и оксидов железа составляет 1:3. После просушивания огнеупорной глины смеси оксидов железа с жидким стеклом способствует защите металла наружной поверхности от насыщения углеродом и азотом в процессе химико-термической обработки, что повышает качество упрочняемого изделия. Нанесение на наружную поверхность изделия после просушивания огнеупорной глины смеси оксидов железа с жидким стеклом способствует защите металла наружной поверхности от насыщения углеродом и азотом в процессе химико-термической обработки, что повышает качество упрочняемого изделия.

Однако такой способ сложен в осуществлении, так как предусматривает несколько нетехнологичных длительных операций: нанесение огнеупорной глины, ее просушивание, нанесение смеси оксидов железа с жидким стеклом. Кроме того, защитный слой может растрескиваться и отслаиваться в связи с неравномерным нанесением и термическими напряжениями. После азотирования требуется трудоемкая операция удаления его и тщательная очистка деталей.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение способа азотирования длинномерной полой стальной детали, обеспечивающего ее геометрическую точность и повышение его производительности.

Поставленная задача решается усовершенствованием способа химико-термической обработки длинномерной полой стальной детали, включающего нанесение на наружную поверхность защитного слоя и диффузионное насыщение внутренней поверхности ионизированным газом.

Это усовершенствование заключается в том, что в качестве защитного наносят медесодержащий слой толщиной от 0,01 мм до 0,1 мм, а диффузионное насыщение внутренней поверхности осуществляют азотированием на глубину не более 0,35 мм.

Такое выполнение способа позволяет упростить защиту наружной поверхности обрабатываемой детали и обеспечить требуемые геометрические параметры обработанной детали за счет снижения внутренних остаточных напряжений и повышения равномерности формирования упрочненного слоя, что исключает дополнительную механическую обработку - трудоемкие и нежелательные операции правки и хонингования. Предлагаемый способ защиты высокопроизводительный (до 0,2 м²/мин).

Нанесение слоя толщиной меньше 0,01 мм не обеспечит требуемой защиты наружной поверхности, увеличение толщины защитного слоя более 0,1 мм нецелесообразно, так как увеличивает расход материала защитного слоя и усложняет процесс его нанесения.

Осуществление диффузионного насыщения внутренней поверхности азотированием на глубину не более 0,35 мм позволяет упрочнить внутреннюю поверхность длинномерной полой детали, обеспечив при этом требуемые геометрические параметры обработанной детали за счет снижения внутренних остаточных напряжений и повышения равномерности формирования упрочненного слоя, что исключает дополнительную механическую обработку - трудоемкие и нежелательные операции правки и хонингования.

Способ осуществляется следующим образом.

На наружную поверхность стальной длинномерной полой детали наносят защитный медесодержащий слой толщиной от 0,01 мм до 0,1 мм. Для этого можно использовать известные дешевые растворы, включающие водорастворимые соли меди, хлориды щелочно-земельных металлов и воду. После чего деталь помещают в вакуумную камеру ионно-вакуумной химико - термической обработки и осуществляют ее азотирование на глубину не более 0,35 мм.

Предлагаемым способом обработали цилиндры скважинных штанговых насосов из стали 38Х2МЮА, длиной 4262⁺¹⁰ мм, внутренним диаметром 44,45^+0,05 мм, наружным диаметром 57,85_-0,3 с разностенностью до 0,6 мм и остаточными напряжениями до 10 кГ/мм². На наружную поверхность цилиндра наносили защитный слой (на 5 литров раствора 360 г дигидрата хлорида меди CuCl₂·H₂O и 140 г хлорида аммония NH₄Cl, остальное дистиллированная вода) толщиной 0,06 мм. После чего детали размещали в камере с использованием специальной оснастки по 18 штук и осуществляли их азотирование при t=500-530°C в течение 6-14 часов на глубину не более 0,35 мм. В результате получили цилиндры с упрочненной внутренней поверхностью и требуемой размерной точностью по непрямолинейности в пределах 0,1 мм на 1000 мм, и увеличенным внутренним диаметром не более чем на 0,015 мм, что соответствует требованиям к геометрическим параметрам готовой детали.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет упростить и повысить производительность получение детали с упрочненной внутренней поверхностью и требуемыми геометрическими характеристиками.