СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛИ ИЗ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из легированных сталей, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, в том числе деталей, работающих в парах трения, режущего инструмента и штамповой оснастки.

Одними из ответственных деталей газотурбинных двигателей и установок являются зубчатые колеса, эксплуатация которых проходит в условиях воздействия высоких температур и значительных силовых нагрузок. Для повышения стойкости поверхностного слоя материала указанных деталей используют химико-термическую обработку (ХТО), в частности азотирование и нитроцементацию.

Широко известны процессы упрочнения поверхности деталей методами ХТО. Известен, например способ химико-термической обработки стальных изделий, включающий диффузионное насыщение элементами внедрения и замещения и последующий нагрев поверхности изделия (А.С. СССР №1515772, МПК С23С 8/00. СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ. Бюл. №36, 2013 г.).

Известен способ ХТО деталей, заключающий в высокотемпературном азотировании, закалке с последующим отпуском [Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали. М.: Машиностроение, 1976, с. 99-102]. В результате обработки получают высокоазотистый слой небольшой толщины. Такой слой хорошо противостоит коррозии в атмосфере, но плохо работает при высоких изгибных, контактных напряжениях и в условиях повышенного износа.

Известны также ионно-плазменные методы химико-термической обработки, например, методы ионного азотирования в плазме тлеющего разряда постоянного или пульсирующего тока, которые включают в себя две стадии - очистку поверхности катодным распылением и собственно насыщение поверхности металла азотом [Теория и технология азотирования / Лохтин Ю.М., Коган Л.Д. и др. // М., Металлургия, 1990, с. 89].

Известен также способ химико-термической обработки металлов и сплавов, при котором на стадии очистки изделий тлеющий разряд периодически переводят в импульсную электрическую дугу. Это позволяет интенсифицировать процесс за счет быстрого разогрева обрабатываемой поверхности в первые минуты до более высоких температур, чем температура процесса азотирования (А.С. СССР 1534092, МПК С23С 8/36, опубл. 07.01.90; BG 43787. МПК С23С 8/36. METHOD FOR CHEMICO-THERMIC TREATMENT IN GLOWING DISCHARGE OF GEAR TRANSMISSIONS. 1988).

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ химико-термической обработки детали из легированной стали, включающий активирование поверхности детали перед химико-термической обработкой, размещение детали в рабочей камере установки,, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температур химико-термической обработки и выдержку при этих температурах до формирования необходимой толщины диффузионного слоя (А.С. СССР №1574679, МПК С23С 8/36, опубл. 30.06.90; патент РФ №2144095, МПК С23С 8/38, опубл. 10.01.2000).

Недостатками известных способов и прототипа являются невысокая износостойкость поверхности из-за неоднородности диффузионного слоя и образования в диффузионном слое хрупких фаз, а также низкая производительность насыщения поверхностного слоя материала детали в процессе ХТО. ХТО с использованием известных способов приводит к следующим негативным явлениям: существует высокая вероятность образования неравномерного слоя с уменьшенной концентрацией насыщаемого вещества, неоднородной и пониженной твердостью материала поверхностного слоя, возникновением дефектных участков. Для удаления дефектных участков поверхностного слоя после ХТО проводится шлифование, однако при удалении обедненного дефектного слоя часто образуются прижоги и ряд других характерных дефектов поверхностного слоя и в результате к снижению износостойкости деталей.

Задачей предлагаемого изобретения является интенсификация процесса и повышение качества химико-термической обработки деталей за счет активации и обеспечения однородного состояния материала поверхностного слоя детали в процессе ХТО и, как следствие, повышение износостойкости деталей.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение производительности и качества процесса ХТО, а также повышение износостойкости деталей после ХТО.

Технический результат достигается тем, что в способе химико-термической обработки детали из легированной стали, включающем активирование поверхности детали перед химико-термической обработкой, размещение детали в рабочей камере, подачу в камеру рабочей насыщающей среды, нагрев детали до температуры химико-термической обработки и выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины диффузионного слоя, отличающийся тем, что активирование поверхности детали перед химико-термической обработкой проводят струйно-динамической обработкой шариками в два этапа, вначале шариками диаметром 1,5-2,0 мм, при давлении 0,3-0,5 МПа в течение 3-4 мин, а затем, шариками диаметром 0,6-0,8 мм при давлении 0,2-0,3 МПа в течение 1-2 мин.

Кроме того, возможно использование в способе следующих дополнительных приемов: химико-термическую обработку детали проводят ионно-плазменным методом; в качестве ионно-плазменного метода используют ионно-плазменное азотирование, или ионно-плазменную цементацию, или ионно-плазменную нитроцементацию.

Для оценки эксплуатационных свойств деталей, обработанных по предлагаемому способу, были проведены следующие испытания. Образцы из высоколегированных сталей (в частности, стали 16Х3НВФМБ, Р6М5, Х12М 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю) были подвергнуты обработке как по способам-прототипам (А.С. СССР №1574679, патент РФ №2144095), согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам обработки, так и по вариантам предлагаемого способа.

Режимы обработки образцов по предлагаемому способу.

Струйно-динамическая обработка стальными шариками из закаленной стали ШХ-15, твердостью HRC 60-62 ед. Расстояние от сопла до поверхности образца L=80 мм.

Режимы первого этапа обработки шариками: диаметр шариков: 1,3 мм -неудовлетворительный результат (Н.Р.); 1,5 мм - удовлетворительный результат (У.Р.); 1,8 мм (У.Р.); 2,0 мм (У.Р.); 2,2 мм (Н.Р.). Давление подаваемого сжатого воздуха: 0,2 МПа (Н.Р.); 0,3 МПа (У.Р.); 0,4 МПа (У.Р.); 0,5МПа (У.Р.); 0,7 МПа (Н.Р.). Время обработки: 2 мин (Н.Р.); 3 мин (У.Р.); 4 мин (У.Р.); 5 мин (Н.Р.).

Режимы второго этапа обработки шариками: диаметр шариков: 0,4 мм - (Н.Р.); 0,6 мм - (У.Р.); 0,7 мм (У.Р.); 0,8 мм (У.Р.); 1,0 мм (Н.Р.). Давление подаваемого сжатого воздуха: 0,1 МПа (Н.Р.); 0,2 МПа (У.Р.); 0,3 МПа (У.Р.); 0,4 МПа (Н.Р.). Время обработки: 0,5 мин (Н.Р.); 1 мин (У.Р.); 2 мин (У.Р.); 3 мин (Н.Р.).

На втором этапе обработке шариками, за счет использования более низкого давления воздуха и меньших размеров шариков снижается шероховатость поверхности и создается более однородная структура поверхностного слоя.

Химико-термическую обработку деталей проводили газовым и ионно-плазменным методами (отличие предлагаемого способа от существующих состояло в предварительной активации поверхности струйно-динамической обработкой стальными шариками). В качестве одного из методов ХТО применяли ионно-плазменное азотирование, ионно-плазменную цементацию и ионно-плазменную нитроцементацию.

Испытания показали на повышение износостойкости образцов по сравнению с прототипом в 1,3…1,6 раза (т.е. в результате использования активирования поверхности обработкой шариками перед ХТО). Скорость химико-термической обработки за счет увеличения скорости диффузии при ХТО возросла приблизительно в 1,2…1,5 раз. Исследование образцов показало на повышение однородности структуры диффузионной зоны материалов.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе химико-термической обработки детали из легированной стали следующих существенных признаков: активирование поверхности детали перед химико-термической обработкой; размещение детали в рабочей камере; подачу в камеру рабочей насыщающей среды; нагрев детали до температуры химико-термической обработки и выдержку при этой температуре до формирования необходимой толщины диффузионного слоя; проведение активирования поверхности детали перед химико-термической струйно-динамической обработкой шариками в два этапа: вначале шариками диаметром 1,5-2,0 мм, при давлении 0,3-0,5 МПа в течение 3-4 мин, а затем, шариками диаметром 0,6-0,8 мм при давлении 0,2-0,3 МПа в течение 1-2 мин, а также при использовании дополнительных приемов: химико-термическую обработку детали проводят ионно-плазменным методом; в качестве ионно-плазменного метода используют ионно-плазменное азотирование, или ионно-плазменную цементацию, или ионно-плазменную нитроцементацию, позволяет обеспечить заявленный технический результат предлагаемого изобретения - повышение производительности и качества процесса ХТО, а также повышение износостойкости деталей после ХТО.