Способ комплексного поверхностного упрочнения деталей — SU 1779694 (original) (raw)
СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 51)5 С 21 ЕНИ КСНОГО ПОВЕРХИЯ ДЕТАЛЕЙ об применяется для тальных деталей и изобретения: прокалку токами высопри температуре ысококонцентрирорева. 2 табл 1 ил,единение "АзовЛ.К.Лещинский, енко, С.Т.Северин, шина, Н.Х.Соляник и нск: Наука и техник834.льство СССР1/09, 1981. и поверхностное у рным лучом), При дан о увеличение глуби нения слоя за счет у ментованного слоя. днако цементованны озвтектического, эв ектического состава кой хрупкостью. тацию (лазе можн упроч ны це прочнение ВКИН ном способе воэны композитного величения глубислой со структу ктического ил акже обладае ыс ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(56) Трение и износ. Ми1985, т, И, М 5, с. 827 Авторское свидетеМ 1014925, кл. С 21 О Изобретение относится к машиностроительной и металлургической промышленности и может применяться для повышения стойкости деталей оборудования из конструкционных сталей и металлообрабатывающего инструмента,Известен способ комплексного поверхностного упрочнения, включающий предварительное аэотирование и последующую поверхностную обработку ВКИН - высококонцентрированнь 1 м источником нагрева (лазерным лучом).К недостаткам данного способа относятся высокая хрупкость композитного упрочнения слоя, состоящего из отдельных азотированного слоя и слоя лазерного воздействия, а также низкая работоспособность ввиду малой глубины упрочненного слоя, Укаэанные недостатки особенно проявляются при упрочнении тяжелонагруженных деталей оборудования со значительным допустимым пределом износа (до 1-2 мм),Известен способ комплексного поверхностного упрочнения, включающий цеменЖ , 1779694 А 1(54) СПОСОБ КОМПЛЕ НОСТНОГО УПРОЧНЕН (57) Использование: спо повышения стойкости инструмента, Сущност водят поверхностную з кой частоты, отпуск 280-320. С и обработку ванным источником наг Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является способ комплексного упрочнения, включающий объемную закалку, промежуточный отпуск при температуре 300-500 С и последующую обработку ВКИН, В случае применения предварительной объемной закалки повышается прочность всей сердцевины детали, а окончательная обработки ВКИН способствует дополнительному повышению износостойкости. Однако при этом снижается пластичность и трещиностойкость комплексно-упрочненной детали из-эа высокой хрупкости ПЬверхностного слоя обработкиВКИН и внутренней закаленной сердцевины.Целью изобретения является повышение работоспособности упрочненных деталей за счет повышения трещиностойкости путем торможения эксплуатационных трещин.Поставленная цель достигается тем, что способ комплексного поверхностного упрочнения включает поверхностную закалку токами высокой частоты (ТВЧ) и обработку В КИН.Новым является то, что перед обработкой ВКИН выполняют промежуточный объемный отпуск при 280-320 С.Строение композитного упрочнения слоя при обработке по предлагаемому способу показано на чертеже.Отпуск закаленной стали после закалки ТВЧ приводит к получению равновесной структуры благодаря выделению углерода из мартенсита закалки и остаточного аустенита, снижению внутренних микронапряжений, и в результате этого, повышению пластичности и трещиностойкости. Выбор интервала изменения температуры отпуска в пределах 280-320 С обусловлен, во-первых, необходимостью реализации после объемного отпуска в слое закалки ТВЧ 1 и 1 превращений при отпуске с получением фазового состава стали: отпущенный малоуглеродистый мартенсит Д С 0,1) с кубической решеткой + пластинчатый цементит (такая структура стали наиболее благоприятна с точки зрения повышения пластичности и трещиностойкости при сохранении на достигнутом высоком уровне прочности и твердости), и во-вторых, необходимостью реализации во внутреннем опущенном слое (фиг.1), возникающем при последующей обработке ВКИН 111 и И превращений при отпуске с образованием структуры сорбита с наиболее высокой пластичностью.Как установлено ранее для случая обработки ВКИН объемно-закаленных сталей, образование зоны отпуска под зоной воздействия ВКИН обусловлено распространением тепла вглубь материала и нагревом до температуры ниже А 1. Наличие эоны отпуска с повышенной пластичностью вызывает повышение трещиностойкости комплексно-упрочненного материала, а также торможение эксплуатационных трещин, распространяющихся от поверхности из твердого слоя воздействия ВКИН при переходе в более мягкий и пластичный отпущенный слой, Зффективность положительного влияния отпущенного слоя определяется полнотой протекания в нем превращений при отпуске сталей, особенно 111 и 1 Ч превращений, Однако высокаяскорость нагрева при обработке ВКИН10 -10 С/с) вызывает смещение температур начала всех превращений вверх по тем 5 пературной шкале, обусловленное самимхарактером превращений как диффузионных.При упрочнении по предлагаемому способу (закалка ТВЧ + объемный отпуск при10 280-320 С + обработка ВКИН) во внутреннем отпущенном слое (фиг,1) превращенияпроисходят в две стадии:1 и 11 превращения при объемном отпуске ранее закаленного металла от нагрева15 ТВЧ11 и И превращения в отпущенном слоепри нагреве ВКИН.Выбор указанного интервала изменения температуры отпуска обусловлен следу 20 ющим.Повышение температуры промежуточногоотпуска выше 320 С вызовет при объемномотпуске протекания в слое закалки ТВЧ(фиг.1) 111 и И превращений, и в результате25 этого, образование здесь структуры троостита или сорбита с пониженной прочностью. С учетом значительной толщины этогослоя последний факт может вызвать снижение общей конструктивной прочности комп 30 лексно-упрочненной детали, Снижениетемпературы промежуточного отпуска ниже280 С не обеспечит протекание во внутреннем отпущенное слое (фиг,1) при последующей обработке ВКИН с высокими35 скоростями нагрева 111 и И превращений.что может стать причиной низкой пластичности и трещиностойкости комплексно-упрочнвнной детали,Предложенная совокупность признаков40 по предлагаемому способу способствует повышению долговечности детали за счет повышения их прочности, пластичности,трещиностойкости, и кроме того, появлению нового технического свойства: способ 45 ности к торможению эксплуатационныхтрещин, обусловленной взаимосвязью нескольких признаков; закалки ТВЧ, промежуточного отпуска при строго определеннойтемпературе и обработки высококонцентри 50 рованным источником нагрева, и отличаетпредложенное решение как от прототипа,так и от аналогов.Следовательно, данное техническое решение соответствует критериям: "новизна",55 "положительный эффект" и "существенныеотличия",Способ поясняется иллюстрацией, гдепоказаны слой закалки ТВЧ (поз,3) при обработке ТВЧ, отпущенный слой и слой воэ 17796945 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 действия ВКИН (поз, 1,2) при последующейобработке ВКИН,Способ осуществляется следующим образом.Упрочняемые детали плоской, цилиндрической или сложной формы подвергаютзакалке ТВЧ в индукторе с последующимохлаждением в воде или масле, Затем осуществляют промежуточный объемный (печной) отпуск при 280-320 С (конкретноезначение температуры задается технологическими условиями для каждой марки стали)с охлаждением с печью или на воздухе.Окончательная операция - обработка рабочей поверхности детали ВКИН.Пример конкретного выполнения.Цилиндрические образцы диаметром35 мм и длиной 200 мм из сталей У 8 и75 х 2 МФ подвергали комплексному упрочнению по двум способам: способу-прототипу (закалка в печиотпуск при 300 С,400 С, 500 С + поверхностное упрочнениеВКИН плазменной струей) и предлагаемомуспособу (закалка ТВЧ + обьемный отпускпри температуре 200 С, 280 С, 300 С,320 С, 400 С + поверхностное упрочнениеВКИН плазменной струей).Режим закалки в печи назначался следующим; температура нагрева 820 С, выдержка 1 ч, охлаждение в масле.Режим закалки ТВЧ назначался следующим; мощность машинного генератора100,кВт; частота тока 2,5 кГц. зазор междудеталью и индуктором 2 мм; скорость вращения детали в индукторе 0,1 об/мин; токгенератора 180 А; напряжение 380 В; температура нагрева 900 С.Объемный отпуск образцов осуществлялся в лабораторной печи с контролем температуры нагрева с погрешностью + 5 С,Время выдержки образцов в печи при заданной температуре отпуска 1 ч. Охлаждениее - замедле н ное с и еч ью.Режимы плазменной обработки назначались следующими: ток обработки 400 А;линейная скорость перемещения плазмотрона 0,01 м/с, расход плазмообразующегогаза (аргона 2,0 м /ч; расход охлаждающейзводы 2,0 м /ч; диаметр отверстия соплаплазмотрона с секционированной межэлектродной вставкой 7 мм, расстояние отсреза сопла до обрабатываемой поверхности 5 мм. Иэ упрочненных по двум способам образцов вырезались образцы стандартных размеров для механических испытаний;пятикратные образцы 05 мм и рачетной длиной 25 мм для определения прочностных характеристик: предела текучести га,2 и предела прочности гав, а также пластических характеристик; относительного удлинения д и относительного сужений 1/ по ГОСТ 1497-73;призматические образцы 10 х 10 х 55 мм для определения ударной вязкости КС по ГОСТ 9454-78 и коэффициента интенсивнодсти напряжения Кс по РО - 50-344-82: для инициирования разрушения по методике в зоне плазменного упрочнения выполнялся электроэрозионный надрез глубиной 0,5 мм с радиусом в вершине 0,1 мм; испытания проводились на маятниковом копре МКс осциллографированием процесса разрушения;кольцевые образцы с наружным диаметром 35 мм, внутренним диаметром 16 мм и толщиной 10 мм для определения износостойкости по методу трения "металл по металлу с абразивной прослойкой" на машине МИМ, контроле в виде колодок изготавливались из термоупрочненной стали Р 6 М 5, в качестве эталонов испытывались образцы аналогичных размеров из тех же сталей в объемно-закаленном состоянии (закалка при 820 С в печи с охлаждением в масле), износостойкость оценивалась по коэффициенту износостойкости где Л Рэ, Л Ру - потеря веса при 4-х часовом испытании соответственно образцов-эталонов и образцов, упрочненных по указанным способам;замеры твердости рабочей упрочненной поверхности образцов.Результаты испытаний приведены в табл. 1.По данным таблицы видно, что упрочнение по предлагаемому способу по сравнению со способом-прототипом обеспечивает повышение прочностных характеристик в 1,3-1,5 раза, пластических характеристик в 1.4-2,0 раза, ударной вязкости в 1,3-1,4 раза, трещиностойкости в 1,3-1,5 раза при сохранении других эксплуатационных характеристик (твердости рабочей поверхности, износостойкости) на достигнутом высоком уровне, При температуре промежуточного объемного отпуска, меньшей предлагаемого интервала изменения (200 С), снижаются пластические характеристики и трещиностойкость, а при большей температуре (400 С) снижаются прочностные характеристики.1779694 Таблица 1 Сталь Спос акалускпроч 1,82 1,82 1,82 870 870 Зака пуск упро пера 1,82 183 70 70 70 70,18 ,18 ,18 ,18 ,18 930 930 930 930 930 Наряду с вышеуказанными количественными параметрами предлагаемый способ комплексного упрочнения обеспечивает и более благоприятные качественные характеристики разрушения,Установлено, что при комплексном упрочнении с промежуточным объемн ым отпуском при температуре 280-320 С реализуется торможение трещины по механизму искривления траектории при переходе иэ твердой зоны плазменного воздействия в более мягкую зону отпуска, Данный факт обуславливает повышениедтрещиностойкости (КС и Кс). Повышению прочностных и пластических характеристик (г 70,2: г 7 ь; д; 1 с) способствует реализация в самой зоне отпуска высокоэнергоемкого микровязкого разрушения при предлагаемом способе,С целью реализации полученного припредлагаемом способе нового свойства - торможения трещин дополнительно были проведены динамические испытания описан ных выше образцов с различной энергиейразрушения и регистрацией металлографическим способом длины трещины (табл, 2). Формула изобретения10 Способ комплексного поверхностногоупрочнения деталей и инструмента, включающий закалку, отпуск и обработку высококонцентрированным источником 15 нагрева, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения работоспособности деталей путем торможения эксплуатационных трещин, закалку проводят токами высокой частоты, а отпуск осуществляют 20 при 280-320 С.1779694 10 Таблица 2 оставитель С. Самотугинехред М.Моргентал Коррект Редак аков роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 4417 Тираж ПодписноеИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5