Способ цементации стальных изделий

,8016119 С 8/22 ПИ ИЕ ИЗОБ НИ о л. Ф 45нститут стал 3 о обрары цеН. Кря н 1 нвано т 088. 8)идетельст1 1) 1/78,н о СССР1981. прерывного лазерного излучения рабатываемой поверхностью, изот ческую выдержку обрабатываемых лий при б 50-1100 С в течение О, 2 ч и последующую закалку лучом прерывного лазера без опланлени верхости. 1 спользонание данног соба обеспечивает повышение экс атационой стойкости пар сухого ия н 1,5 раза по сравнению с о боткой по известному способу сиженил коэффициента сухого р пара в 1,1-1,5 раза. 3 табл. иСПОС АМЕЛИЙ (57) Изоб гии, в ча обработке н но термическои по имико- анием тости к С ИСПОЛЬ лазерно нтации, имашиностророчненияых, преимух сталей. спользовано н ерхностного у н, из готонлен, . - .- гвено аши мникелены Способ Осуществляют следующил об разом.Обрабатываемый образец пол.ещают в инлуктор и тока частоты (ТВЧ) нагревают до ры изотермической выдержки стороны открытого торца ин подводят иже;: гируемый пор зерный луч, При этом лет тору, находящимся на движу со й.ают персл 1 ещеьне относ зер .;. го луча. Пос.г Оконча цесса цементации проводят ческую выдержк, при 650-1 1 и к химико-термич использованием л ли или из ми выс ементации,в машиноемпера упрощенных преат дчктоых стаи гущелси фЦел лао и и индукявляется понь обработанных условиях су ю изобретения зносостойкостпри работе в ения за счет а сухого трен олеламся ни ельн елий ния иизоте00 С нижения коэяхо н фициент СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ И ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское сУ 812835, кл. С Б ЦЕМЕНТАЦИИ СТАЛЬНЫХ тение относится к металлур э чучения, а именно к деме бретение относится к металлурв частносткЫ. обработке сного излучения, а именно ци л:ожет быть использованос 1 рсьи для понерхностног;я;., е талей машиниз ГО тонтвенно их хромоникел Цель изобрет стоикости об работе в усл счет снижени трения. Спос батываемых и ментации ток жекцию порош ного газа в ния - повышение и аботанных изделий виях сухого трени коэффициента сух б включает нагрев делии до температ ми высокой частоть а графита струей ону взаимодействичение 0,005-2 ч; затем индуктор отключают и снимают с движущегося стола,обрабатываемое изделие охлаждают навоздухе, после чего по достижении изделием комнатной температуры проводят закалку лазером без оплавленияповерхности, при этом лазерный луч ; повторяет траекторию, имевшую местопри лазерной цементации. Для лазерного воздействия используют СО -лазерЛТ 1-2, движущийся стол имеет возможности одновременного перемещения по двум осям и вращения вокруг третьейоси. По окончании закалки как и поизвестному способу проводят обра, ботку холодомпогружением закален-ного изделия в жидкий азот на 30 мин и низкий отпуск при 160-200 С в низ -котемпературных печах (сушильных20шкафах). Насыщение расплавленногоповерхностного слоя углеродом из ин,жектируемого порошка графита позволя, ет сформировать упрочненный слой глу, биной до 3 мм и содержанием углерода 25 , до 4,5 Е. Предварительный нагрев об- :рабатываемого изделия до проведения лазерной цементации позволяет дос-тичь глубины упрочненного слоя4,5 мм при содержании в нем углерода 5,253. При этом одновременно обеспечивается снижение мощности лазер - , ного луча в процессе цементации до(0,03-0,8) 10 Втм . Иэотермическаявыдержка обрабатываемого иэделия пос -о ле лазерной цементации при 650-1100 С(цементованного слоя) обеспечивает .формирование структуры феррита ипластинчатого цементита в поверхностном слое, способствует распаду аусте- О нита. Последующая закалка лазеромбез оплавления поверхности приводит к получению твердого (11 - 12 ГПа) по -верхностного слоя глубиной до 4,5 мм,состоящего иэ мартенсита и карбидов.Изотермическая выдержка обрабатываемого изделия после лазерной цементации при 650 (цементованногослоя)- 1100 С вызывает протеканиеопроцессов графитизации в насыщенном углеродом слое при содержании последнего свыше 2,5 Е, изотермическая выдержка при 650 (цементованносо слоя) - 1100 С при содержании углерода в цементаванном слое менее55 2,5 Х является нецелесообразной. Формирование в результате изотермичес. кой выдержки при 650 (цементованного слоя) - 1100 С и последующей закал- о ки лазером беэ оплавления поверхности твердой (10-13 ГПа) мартенситно-цементитной структуры поверхностного слоя с регламентированным количеством графита обеспечивает снижение коэффициента сухого трения при взаимодействии металлических поверхностей, что благоприятно сказывается на износостойкости цементованного слоя. Из данных, приведенных в табл. 1 следует, что, чем.выше температура изотермической выдержки; тем меньше должна быть ее длительность, эа счет чего обеспечивается ускорение всего процесса обработки.П р и м,е р. Образцы размером 45 х 15 мм иэ стали 14 ХНЗМА помещают в нагревательное индукционное устройство цилиндрической формы с открытым верхнем торцом и внутренним диаметром 50 мм, высотой 30 мм.При помещении образца или детали в индуктор на его поверхности закрепляют незачехленную хромель-алюмелевую термопару так, чтобы спай термопары касался поверхности обрабатываемого иэделия. Лазерную обработку при нагреве на 1100 С проводят сразу же, после достижения поверхностью указанной температуры. Во всех остальных случаях нагрева стали на более низкие температуры (825 С и ниже) используют трехминутную выдержку перед началом лазерной цементации. Нагрев осуществляют индукционным способом, охлажцение - после отключения и снятия индуктора на воздухе. Такимобразом, общее время пребывания обрабатываемого изделия при 1100 С не превыошает 3,3 мин и полный (сквозной) прогрев изделий на глубину свыше 1 О мм не происходит, .т.е, свойства сердцевины не претерпевают значимого ухудшения, На расстоянии 4 мм от верхней поверхности образца под углом к поверхности 60 располагают сопло длясинжекции порошка графита. Лазерную цементацию проводят при расплавления поверхностного слоя излучением непрерывного СО -лазера ЛТ 1-2 при2плотности мощности (О, 3-1, 8) 10 Вт км, инжекции в эоиу расплава порошка графита ГЛв струе гелия при скорости перемещения поверхности образца относительно ла. ерного луча 7-12 ычс расходе порошка 0,81,1 г"мин , расходе газа-носителя- (1611982 рости относительного перемещения труцтихсл поверхностей 0,8 ь 0,1 м судельнотт нагрузке 150 1 15 ИПа по 5схеме диск (колодка) .Пары трения изготавливают из стали 14 ХНЗМА в различных вариантах химико-термической обработки (ХТО).А:ХТО согласно известному способу;Б; Лазерная цементация по предлагаемому способу (табл. 2),Чистота паверхности пар тренияперед началом испытаний соответствует 8 классу.15 Результаты измерений коэФФициентд сухого трения приведены в табл.З.Па предлагаемому способу обработаны детали паваротно-загрузачнагомеханизма доменной калоши. Условияэксплуатации исключают смазку механизма (запыленность и рабочие темопературы да 300 С). Основная причинавыхода механизма иэ строя - эаклинивацие трущихся частей и изгибание элементов конструкции. В ходе ускоренныхиспытдций детд:ш, обработанные по предлагаемому способу, показали эксплуатационную стойкость в 1,5 раза. больтттутст, чем абрдбатдццые по известному 30 способу зд счет сцттжения коэффициента сухого трения пдры в 1,1 - 1,5 раза. 5 ции поверхности образца площадью 535 мм составляет 8,3- 15 с. Темпе 2ратуру изотермической выдержки (и низкого отпуска) определяют с точностью +20 С. Лазерную закалку прооводят при плотности мощности (0,67- 0,93) 10 Вт-м при скорости пере 8 -2мещения лазерного луча 15 мм с После выдержки в жидком азоте в течение 30 мин (после прекращения кипения азота) отпуск при 160- 180 С проводят в электропечах в течение 2 ч. Характеристики упрочненных слоев, полученные при химико-термической обработке по предлагаемым режимам, представлены в табл. 1.Из данных табл. 1 следует, что несоответствие параметров изотермической выдержки (температуры и времени) не приводит к получению удовлетворительного качества цементованнаго слоя. Так, отсутствие изотермической выдержки после цементации или снижение температуры до 600 С це приводитОк полному распаду остаточного аустес В нита в цементованном слое. Увеличение длительности цзотермической выдержкц свыше 2-х часов не приводит к получению новых свойств упрочцецного слоя, а лишь вызывает дополнительные непроизводительные расходы. Использование температуры иэотермпческой выдержки свыше 1100 С приводит к протеканию обезуглероживация при любых, даже малых временах изатер - мической выдержки (табл. 1. п.6).В результате прохождения полного цикла химико-термической обработки по предлагаемому способу получен па верхностный упрочненный слой глубиной 1,0-4,25 мм с содержанием углерода 0,70-5,257. и твердостью 59- 63 НКС. При обработке па известному способу достигается меньшая глубина 45 науглероживания слоя при более низком содержании в нем углерода(табл. 1).Для получения более полной ицФормации об изменении коэФФициента су хого трения после осуществления химико-термической обработкй по предлагаемому способу произведены испытания на машине трения СИТпри скоФормула изобретения Способ пе мецтдции стальных изделий ттреттмутттеств ццо ттз храмаццкелсвыхстаттей, дтст 1 течдтстщийт нагрев поверхностиобрдбдтывдсмаго изделия да температуры ттеметттдттшт, собственно цемецтапию, цзотермцческую выдержку и закалку, о т л и ч д ю щ и й с я тем, чтд,с целью повышения изцосостойкасти обработанных изделий зд счет снижениякоэФФипиецтд сухого трения, нагрев дотемпературы насыщения осуществляют токами высокой частоты, насыщение осуществляют путем ицжекции порошка граФита струей инертного газа в зонувзаимодействия непрерывного лазерногоизлучения с поверхностью ттэатермическую выдержку проводят при 6501100 С 0,005-2,0 ч, а последующую закалку - лучом непрерывного лазерабез оплавления оверхноси.1611982 Т а блица 1 Режим работы 0,76-4,50 Мартенсит +карбиды + остаточный аустенит (до 153) 5 9-63 0,5-3,0 Мартенсит +карбиды 0,72-4,10 0,75-4,400,72-5,200,72-4,50 59-60 59-60 61-63 61-62 1,0-3,7 1,0-3,7 1,0-3,9 1,0-38 Мартейсит +карбиды + остаточный аустенит (до 15 Х) О, 73-4,100,73-4,10 0,73-4,10 57-59 57-59 57-59 1, 0-3,5 1,0-3,5 1, 0-35 Мартенсит +карбиды обезуглероживание О, 80-э, 00 0,80-4,30 О, 80-0,25 0,65-0,20 5 9-60 5 9-61 51-5 7 51-53 1,3-4, 1 1, 3-4,2 1,3-4,4 1,3-4, 4 1, Лазерная цементацияпри мощности излучения (0,7-1,8) ф 10 ф Втя .к м , скорости перемещения луча 7-12 ммтс , расходе порошка, 2. Нагрев до 650 С, выдержка 3 мин, лазерная цементация по п.1при плотности мощности (0,3-0,8) ф 10 Вт юм , изотермическаявыдержка (С) закалкалазером, обработкахолодом, низкий отпуск;Ор 054 ч1 чС=2 чс=10 ч3. То же, что по п,2,но изотермическаяовыдержка при 600 С:с = О 05 ч- 1 ч1=2 ч4. Нагрев до 825 С, выдержка 3 мин, лазерная цементации по п.1,при плотности мощности лазерного излучения (0,15-0,50)к 10 Вт м изотермическая выдержка (Г)закалка лазером, обработка холодом, низ"кий отпуск:0,05 ч= 0,5 ч- 1 ч2 ч5. Нагрев до 1100 С, выдержка 3 мин, лазернаяцементация по и. 1 приплотности мощности лазерного луча (0,030,10) 1) Вт м"изотермическая выдержка(й), закалка лазером,обработка холодом,Характеристики поверхностного слоя Глубина, мм Твердость НКС Содержание Состояние поуглерода, верхностимас,7О 1611982 Продолжение табл. 1 Режим работы Характеристики поверхностного слоя Глубина, мм Твердость НЕС Содержание Состояние поуглерода, верхностимас,низкий отпуск: с = 0,005 ч 0,80-5,25 61-63 1,7-4,5 0,09-0,37 0,21 (при исходном 2,45) 30-4232 1,7-4,52,9 1 ч 1 ч 1,7-4,5 с=2 ч 6. То же, что по п,5,но изотермическая о выдержка при 1150 С 0,005 чО, 33 (при Обезуглероисходномживание2,45) 38-46 1,8-4,0 Мартенсит +карбиды 0,8-0,9 0,9-1,1 Та блица 3 Таблица 2 Примечание Пара трения Коэффициентсухого тре- ния Температура иэо- термической вью держки, С Вариант одержание углероа в цементованом слое (на поерхности), мас.Х Б 1 0,8 Б 2. 1,5 БЗ 2,3 Б 4 2,3 Б 5 4,8 550 600 820 1100 1100 Частичнаяграфитиэация цементованного слоя 7. Обработка по известной схеме: газоваяцементация при 930950 С 12 ч, изотермическая выдержка при580-600 С 4 ч, закалка с печного нагреваот 780 С 30 мин в масло, обработка холодом, низкий отпуск А-А А-Б 1 А- Б 5 Б 1-Б 1 Б 2-Б 2 БЗ-БЗ Б 4-Б 4 Б 5-Б 5 О, 19-0,22 0,18-0,20 0,17-0,18 О, 18-0,20 0,17-0,18 0,15-0,16 0,15-0,16 0,14"0,16 Цементит +мартенсит +свободныйграфитРезкое обезуглероживание