Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЛЕГИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к способам поверхностного упрочнения металлов, и может быть использовано при изготовлении деталей, работающих в условиях изнашивания и знакопеременных нагрузок.

Известен способ лазерного легирования поверхности низкоуглеродистых и среднеуглеродистых легированных сталей различными легирующими элементами. Насыщение поверхности легирующими элементами проводят с помощью лазерного нагрева, сущность которого заключается в расплавлении участка поверхности стали вместе с добавляемыми легирующими элементами, предварительно нанесенными на обрабатываемый участок (см. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Кокора А.Н. «Лазерная обработка материалов». М.: «Машиностроение», 1975 г., с. 296).

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является принятый в качестве прототипа способ поверхностного легирования деталей из стали 40, описанный в патенте РФ №2428503, С23С 8/08 от 10.09.2011. Способ заключается в термодиффузионном насыщении поверхности легирующими элементами. Предварительно на поверхность деталей наносится обмазка, содержащая легирующий элемент. Процесс термодиффузионного насыщения включает нагрев подготовленных деталей до заданной температуры, выдержку и охлаждение в печи. Согласно изобретению на первоначальном этапе проводят процесс предварительного поверхностного локального легирования с использованием лазерного нагрева из обмазки. Затем последующее термодиффузионное насыщение ведут в печи при нагреве до температуры Т=650-750°C с выдержкой в течение 3-4 часов с последующим охлаждением в печи. В качестве легирующих элементов используют металлы из ряда Cr, V, Ti. Данный способ дает возможность получать толщину легируемого слоя до 175 мкм.

Известные способы легирования обеспечивают ограниченную толщину легированного слоя, как правило, не превышающую 200 мкм. Процесс легирования занимает длительное время, как правило, несколько часов.

Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является увеличение толщины диффузионного слоя, сокращение длительности процесса термодиффузионного насыщения поверхности стальных деталей.

Для решения поставленной задачи предлагается способ легирования поверхности детали из стали, включающий нанесение на легируемый участок поверхности детали обмазки, содержащей легирующие элементы, нагрев легируемого участка поверхности детали с нанесенной обмазкой до температуры выше температуры плавления обмазки, поддержание этой температуры легируемого участка поверхности детали в течение заданного времени и последующее охлаждение детали, в котором нагрев легируемого участка поверхности детали с нанесенной обмазкой осуществляют со скоростью нагрева 180-220°C в секунду до температуры 1200-1250°C с выдержкой в течение 2-3 мин, причем одновременно с нагревом легируемого участка поверхности детали принудительно охлаждают противоположную нагреву поверхность детали с помощью охлаждающей жидкости и отводят тепло вглубь детали из прилегающей к легируемому участку зоны поверхности.

Если легируют поверхность детали в виде пластины, то при этом жидкостью охлаждают противоположную поверхность пластины.

Если легируют внешнюю поверхность полой детали, то при этом жидкостью охлаждают стенку полости детали.

Решение поставленной технической задачи достигается благодаря тому, что нагрев легируемого участка поверхности детали со скоростью нагрева 180-220°C в секунду приводит к быстрому нарастанию градиента температуры по толщине легируемого участка детали, а интенсивный отвод тепла из зоны детали, противоположной легируемой, и вглубь детали и далее из нее путем принудительного охлаждения детали охлаждающей жидкостью за пределами легируемого участка поверхности детали позволяет поддерживать повышенный градиент температуры по толщине легируемого участка поверхности детали в течение всего процесса легирования. В результате резко увеличивается скорость диффузионного процесса на этапе термодиффузионного насыщения в процессе нагрева и выдержки, достигается большая глубина диффузии, причем на большую глубину, чем в известных способах.

Высокая скорость диффузии легирующих элементов позволяет провести процесс термодиффузионного насыщения при меньшей выдержке. При этом сохраняется высокая твердость легированной поверхности за счет образования мелкозернистой структуры и высокой концентрации легирующего элемента в поверхностном слое.

Предлагаемый способ может быть реализован следующим образом.

На поверхность деталей из конструкционных сталей наносится обмазка, состоящая из порошка легирующего элемента и связующего, например жидкого стекла. В качестве легирующих элементов могут быть использованы металлы из ряда В, Cr, Ti, V и другие металлы. Затем на поверхность воздействуют токами высокой частоты (ТВЧ), в результате поверхность быстро (в течение нескольких секунд) нагревается до температуры 1200-1250°C, а противоположная нагреву поверхность подвергается интенсивному охлаждению, например, водой. Проводят выдержку 2-3 минуты при обеспечении высокой разницы температур легируемой и противоположной сторон детали и далее деталь охлаждается. Скорость охлаждения выбирается из условия потребности закалки. Таким образом, в процессе обработки диффузия выбранного легирующего элемента идет вглубь детали.

Такой способ поверхностного легирования позволяет получить диффузионный слой толщиной 1100-1500 мкм, равномерный по всей легируемой поверхности детали вне зависимости от сложности ее геометрии.

Далее представлены результаты исследования деталей-образцов из стали 65Г, подвергнутых легированию в соответствии с предлагаемым способом и их сравнение с известными способами легирования.

Пример 1

Плоские детали-образцы, изготовленные из стали 65Г, подвергались поверхностному легированию с термодиффузионным насыщением поверхностного слоя бором по способу, изложенному выше. Подготовленные детали-образцы с нанесенной обмазкой, содержащей бор, нагревали ТВЧ до достижения легируемой поверхностью температуры Т=1250°C со скоростью нарастания температуры поверхности 180-220°C и выдерживали при этой температуре 2-3 мин. Противоположную нагреву сторону детали охлаждали водой. После выдержки деталь охлаждали на воздухе. Толщина диффузионного слоя составила 1080-1150 мкм.

Пример 2

Цилиндрические втулки с центральным отверстием, изготовленные из стали 65Г, подвергались поверхностному легированию с термодиффузионным насыщением поверхностного слоя бором по способу, изложенному выше. Подготовленные детали-образцы с нанесенной на внешнюю поверхность втулки обмазкой, содержащей бор, нагревали ТВЧ до достижения легируемой поверхностью температуры Т=1250°C со скоростью нарастания температуры поверхности 180-220°C и выдерживали при этой температуре 2-3 мин. Стенку полости втулки охлаждали водой. После выдержки втулки охлаждали на воздухе. Толщина диффузионного слоя составила 1080-1120 мкм.

Очевидно, что предлагаемый способ легирования поверхности детали не ограничивается приведенными примерами и он может использоваться для деталей любой формы. Также очевидно, что в предлагаемом способе легирования можно использовать и иные легирующие элементы, кроме В, Cr, Ti, V.

Из примеров видно, что заявляемый способ по сравнению с известными способами позволяет достигать больших значений толщины диффузионного слоя при сокращении длительности процесса термодиффузионного насыщения до 3-х минут вместо нескольких часов.

Таким образом, изобретение позволяет получить увеличение толщины диффузионного слоя, сократить длительность процесса термодиффузионного насыщения поверхности стальных деталей из конструкционных сталей.