Способ термомеханической обработки металлических изделий

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) 01 Р 8/001 С 21 Р 5/О 4 (,51) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН Г1 по пп.1,. 2 и 3, о т л и я тем, что количесттавляет 5-10. АВТОРСКОВЬ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(72) С.И.Соболевский и В.П.Колпак (71) Днепропетровский металлургический институт(56) 1. Авторское свидетельство СССР В 652231, кл. С 21 Р 5/00, 1977.2. Авторское свидетельство СССР В 667596, кл, С 21 Р 8/00, 1975.(54)(57) 1. СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛ 1 Й, пре имущественно чугуна, включающий нагрев трением в интервале Ас - темпе.1ратура солидуса при одновременном механическом давлении инструмента и охлаждение, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения износостойкости путем получения в поверхностном слое структуры аустенита сравномерно распределенными карбидами,нагрев и охлаждение производят циклически, при этом в каждом цикле тем"нературу контактной зоны повышают на30-650 С, охлаждение ведут до 600500 бС, а давление на инструмент увеличивают на 0,4-0,6 МПа.2. Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что давление инструментом продолжают в процессе охлаждения.3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что суммарноедавление осуществляют в пределах4-8 МПа,4. Способч а ю щ и й сво циклов сос1 11357Изобретение относится к способам термомеханической обработки металлических изделий и может быть использовано при обработке штампового инст румента. 5Известен способ термообработки из делий из высокохромистых чугунов типа ИЧХ 12 М, включающий многократную закалку (нормализацию) при последовательном увеличении температуры нагрева под каждую последующую закалку Температура повышается следующим образом; первую закалку ведут с 750 С,б вторую - с 8500 С, третью - с 950 С. В результате такой обработки струк тура чугуна представляет собой матрицу в виде мартенсита и карбидов . типа Ме 1 С Я .Однако в результате такой обработки невозможно получить структуру, 20 соответствующую требованиям, предъяв. ляемым к структуре материалов для работы в условиях трения и изнашивания. Износостойкая структура должна состоять из вязкой матрицы с равно мерно распределенными карбидами равноосной формы. Мартенситная структу" ра довольно хрупкая и чугуны с подобной структурой плохо работают в условиях ударного нагружения. 30Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ по-. верхностной термомеханической обработки стали с содержанием углерода 0,6 Х, включающий нагрев трением при давлении 00-900 кгс/мм со скоростью 12-3)х 10 С/с с последующим охлаждением со скоростью 1 3-5)х 10 С, В результате обработки на поверхнос ти детали формируется ферритно-перлитная структура с высокой плотностью дислокаций, зафиксировав которую резким охлаждением получают поверхностный слой с высокой тв рдостью и из носостойкостью 21 .Горяченаклепанное состояние ферритно-перлитной структуры не может обеспечить надежную работу упрочненных изделий в условиях ударных нагружений, поскольку повышенная плотность дислокаций (10 -1 О см ) в сочетании с последующим резким охлаж дением ведут, в известной степени, к повышению хрупкости и недостаточной иэносостойкости. Высокие удельные давления, применяемые в известном способе, могут привести к массо переносу в зоне контактного трения,появлению задиров и т.д., что снижает качество обрабатываемой поверхности.Цель изобретения - повышение иэносостойкости путем получения в поверхностном слое структуры аустенитас равномерно распределенными карбидами.Поставленная цель достигается тем,что согласно способу термомеханической обработки металлических изделий,преимущественно чугуна, включающемунагрев трением в интервале Ас - темс 1пература солидуса при одновременноммеханическом давлении инструмента иОхлаждение, нагрев и охлаждение производят циклически, при этом в каждом цикле температуру контактнойзоны повышают на 30-65 С, охлаждеОние ведут до 600-5000 С, а давлениена инструмент увеличивают на 0,40,6 МПа,Давление инструментом продолжаютв процессе охлаждения.Суммарное давление осуществляют впределах 4-8 МПа.Количество циклов составляет 5-10,Сущность способа состоит в следующем,Обрабатываемый инструмент деталь)зажимают в специальном патроне иприжимают к вращающемуся со скоростью 2 м/с ролику из стали Ст.3. Нагрев инструмента производят эа счеттепла трения до 740-1150 С. ОбработОку проводят при ступенчатом увеличении температуры с шагом 30-65 ОС. Дав.ление инструмента на вращающийся ролик увеличивают с шагом 0,4-0,6 ХПав пределах 4-8 МПа.По достижении необходимой температуры поверхностным слоем обрабатываемой детали, находящейся под давлением, в зону трения подают порциюводыР 11, = 0,075 МПа), что приводит к охлаждению упрочняемого слоядо 500-.600 цС. Обработку повторяют5 10 раэ. При определенных параметрах трения создаются условия для структурно термической активации поверхностного слоя, приводящего к значительному увеличению диффузионной поверхности. атомов и сокращению времени обработки, Использование трения необходимо для термомеханического воздействия на поверхность обрабатываемой детали,3 11 З 577 которое приводит к дроблению хрупкой составляющей половинчатого чугуна - карбидов (Ме 1 С ) и механическому наклепу аустенита в нагретом состоянии.При удельных давлениях менее 4 МПа -не происходит активация поверхностЭных слоев обрабатываемой детали и скорость структурных изменений невелика из-за малой диффузионной подвиж. ности атомов. При давлениях, меньших 1 О 4 МПа, достичь температуры фазовых превращений не удается и чугун оста ется в области существования феррита и цементита графита). Таким образом при использовании давлений, меньших 4 МПа, не реализуются физические основы, заложенные при проектировании предлагаемого способа термической обработки чугуна, т.е. не осуществляет" ся термический и механический наклеп аустенита, так как матрица чугуна не переходит в аустенитное состояние.Повышение удельного давления свыше 8 МПа приводит к схватыванию трущихся поверхностей и переносу материала контртела 1 на обрабатываемый чугун. Если увеличить давлениес шагом, меньшим 0,4 МПа 0,1-0,2 МПа, то для достижения условий структурнотермической активации при трении,при которой константы диффузии увеличиваются на 5-10 порядков, необходимы большие временные затраты. Если увеличить давление с большим шагом . (0,8-1,0 МПа и более), то при повы 35 шенных давлениях 6-7 МПа 1 температура контактной эонь 1 после очередного цикла охлаждения настолько быст ро увеличивается, что контроль темпеф ратуры методически осуществить невозможно.Повышение контролируемой температуры приповерхностного слоя свыше 1150 С приводит к сильному разогреву поверхностного слоя и потере прочности происходит осадка обрабатываемого материала). При давлении 4 МПа и достижении температуры приповерхностного слоя обрабатываемой детали,О находящейся под давлением, 740 С в зону трения подается порция воды Р 11 О = 0,075 МПа), что приводит кноохлаждению рабочего слоя до 500- 600 С.Охлаждение поверхностного слоя до 55температур ниже 500 С приводит к поОлучению структуры со значительнымиостаточными напряжениями, для снятия которых необходимы термические выдержки. В противном случае остаточные напряжения, сосредоточенные в тон ких поверхностных слоях обрабатываемого иэделия, будут приводить к быстрому разрушению этого слоя и уменьшению износостойкости обрабатываемого материала. При остановке процесса охлаждения выше 600 С не обеспечиваОется термический.наклен переохлажденного аустенита. В этом случае необходимо увеличивать удельное давление при обработке для увеличения механического наклепа. Если охлаждение поверхностного слоя после подачи охладителя прервать при 650-680 С, тооэто приводит в конечном итоге к падению твердости поверхности обрабатывае мой детали и снижению износостойкости. Давление в течение всей обработки не снимается, а охлаждение инструмента происходит с помощью воды, по. даваемой в зону контакта. В противном случае при снятии давления происходило бы дополнительное охлаждение прим поверхностного слоя и подача охлади теля в зону контакта не имела бы смысла. Если же охлаждение приповерх. ностного слоя происходит лишь путем снятия при прилагаемой нагрузки, то скорость охлаждения в этом случае будет недостаточной для получения же лаемого эффекта. Совмещение охлаждения поверхностного слоя водой и снятием нагрузки приводит к настолько интенсивному отводу тепла, что осуществить контроль температуры охлаждения поверхностного слоя 1,500-600 Со невозможно. При реализации такой схемы охлаждения 1,совместное охлаж дение водой и за счет снятия нагрузки во время трения в приповерхностном слое обрабатываемого изделия происходят фаэовые превращения (распад аустенита), что приводит к поте ре иэносостойкости. Применение более 10 циклов нагрев охлаждение не рационально, так как при большем количестве циклов износостойкость чугуна практически не иэ меняется из-за того, что, вероятно, аустенитная матрица в процессе пре дыдущих циклов набрала оптимальную плотность дислокаций, увеличение или уменьшение которой не способствует повышению износостойкости.П р и м е р. Проводят обработку пб предлагаемому и известному спо1135779 Износ, г/м 10К Пь известному способуОднократный нагрев при давлении 8 МПа с последующим охлаждениемводой при снятом давленииПо предлагаемому способудй 2 ОС; ЬР=0,4 МПа; п=10; С =933 С, Р -=8 МПа61=30 С; ЬР=04 МПа; п=10; й, = 1050 С; Р = 8 МПае=65 ОС; ЬР 0,5 МПа; а=б; с, =11 ООпС; Р =7 МПазЬ =100 С; Р=0,6 МПа; п=5, й =150 С; Р =7 МПа1 й 120 С; ЬР=0,.6 МПа; п=4,=1150 С; Р =6,5 МПа0По режиму 2, но йр 330 С0По режиму 3, но й= 310 СПо режиму 4, но 1 ОА = 360 СОПо режиму.5,но О = 410 СПо режиму б,но 1= 375 СоПо режиму 2, но 1 О = 665 СПо режиму. З,но 1 О = 685 С0По режиму 4, но 1 п = 650 Со0По режиму 5, но о= 665 С0По режиму 6, но 1 О 655 С 3,4 2,12 2 3 1,71 1,65 1,88 1,97 2,36 2,02 8/9 1,71 1,97 10 2,17 11 12 2,27 3 14 1,72 1,90 15 2,11. 17 По режиму 2, но при охлаждении давление снимают 18 По режиму 3, но при охлаждении давление снимают 19 По режиму 4, но при охлаждении давление снимают 2,73 2,02 1,91 собам на машине трения по схеме ро" лик - колодка.Обрабатываемое изделие (колодка из половинчатого чугуна состава: С 3,84; Б 2,11; Мп 3,4; Сг 2,2; Я 0,054 Р 0,046; НВС 46,5) прижимается к вращающемуся со скоростью 2 м/с ролика из Ст.З. Нагрев чугуна проводят за счет тепла трения. Обработку проводят по режимам, приведенным в таблице. Равномерность распределения карбидов в структуре оценивается путем подсчета количества карбидов в 10 произвольных объемах размером 2 х 2 мм микрошлифа изделия до и после обработки. Проведенные подсчеты показывают, что если до об работки в некоторых микрообъемах колебания количества карбидов достигали +703, то после обработки по оптимальным режимам эта цифра составляет +18-25 Х.Сравнительные испытания на износ проводят по режиму: сухое трение скольжения чугуна по стали при давлении 2,5 МПа и скорости скольжения 2 м/с, путь трения 5000 м.Проведенные испытания на износ 5 подтверждают, что оптимальными параметрами термомеханической обработки являются: шаг увеличения температуры приконтактной зоны 30-65 С; шаг увеоличения давления 0,4-0,6 МПа; ин тервал повышения температуры 7401150 С; интервал изменения давления 4-8 МПа; количество циклов нагрев - охлаждение 5-10. 15 В результате проведения обработокпо оптимальным режимам в рабочем1(поверхностном) слое половинчатогочугуна образуется аустенитная структура с равномерно распределенными 20 карбидами (цементитом) равнооснойформы, .что повьппает износостойкостьиэделий примерно в 2 раза.Ожидаемый экономический эффектсоставляет 25 тыс. руб. в ге.1135779 Продолжение таблицы Износг/м 10 Режим Условия обработки чугуна 20 2,26 21 22 23 24 2526 27 1,78 4,78 28 29 3,36 П р и м е ч а н и е: При проведении обработки по режимам 2-6 температураоохлаждения в каждом цикле составляет 500 600 С,при проведении обработки по режимам 24-27 последнийцикл охлаждения с 950 С проведен до комнатной темпе 0ратмиры,Редактор Н;Яцола По режиму 5, но при охлаждении давлениеснимают По режиму 6, но при охлаждении давление снимают По режиму 2, но охлаждение проводят снятием нагрузки По режиму 3, но охлаждение проводят снятием нагрузки По режиму 4, но охлаждение проводят снятием нагрузки По режиму 5, но охлаждение проводят снятием нагрузки По режиму 6, но охлаждение проводят снятием нагрузкиОПо режиму 3, но еще 5 циклов нагрева до 1050 С и охлаждениядо 570 С при Р = 8 МПаИ=40 С; ЬР=0,6 МПа; п=10, й =1140 С, Р 10 МПаоТрехкратная нормализация (закалка) с температур 750, 850 и950 С с охлаждением до 500-600 С Составитель И.ЛипгартТехред С.Легеза Корректор М.Леонтюк Заказ 10248/18 Тираж 552 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5