Способ химико-термической обработки металлических изделий

(51)5 С 23 С 8 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫГИЯМПРИ ПНТ СССР ТОРСНОМУ Р 29учно-исследова ский институт етельство СССРС 11/18, 1979ельство СССРС 8/26, 1986ельство СССРП 7/62, 977 4) СПОСОБ ХЖП 1 КО-ТЕРИИЧЕСКОЙТ 1 Я 1 БТЛЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ7) Изобретение относится к ме РА" Р емеИзобретение относится к металлур- са насыщения, (иногда до нескольких гии и может быть использовано при га десятков часов), отсутствие необходи- , зовой химико-термической обработке мой гомогенности структуры диффузион-, металлических изделий, ного слоя, существенное понижениеИзвестны способы газовой химико- прочностных и особенно пластических (Л термической обработки, включающие по- характеристик за счет обеднения леги- Я мещение в замкнутую герметичную каме" . руюцими элементами, диффундирующими ру с газовой насыщающей средой изде- от сердцевины к поверхности, и обралий, их нагрев, выдержку и последую- . зования на неи в результате взаимо щее охлаждение, обеспечивающие форми- действия с насьпцающими элементами вы-, .рование диффузионных слоев с опредесококонцентрированных .фаз, в т.ч.пенньии параметрами по толщине, отрук- хрупких, например -Фавн (при авоти- )р туре и свойствам. Приведенные решения ровании, карбонитрации).еаза касаются таких процессов, как газовая Приведенные недостатки отрицательцементация, газовая нитроцементация, но влияют на срок службы обрабатываезовое,азотирование, газовая карбо- , мых изделий, повышают трудоемкость ихизготовления, увеличивают энергоемпо кость процесса обработки, способству" об ют повышенному расходу насыщающих ред агентов.М.га нитрация.Недостатками смико-термическойчрезмерно большая собов газовой хиработки являютсялительность процес(71) 11 ентральный нательский технологич(56) Лвторское свидР 876785,кл. С 23.Лвторское свидет1 Р 1420987, кл. С 23Лвторское свидетР 1531503, кл, С 23 лургии и может быть использовано пригазовой химико-термической обработке.Сущность способа: металлические изделия нагревают до температуры диффузионного насыщенияр вьщерживоают приэтой температуре с одновременной подачей насьпцающей среды, во время вьдержки на обрабатываемые изделия воз-действуют упругими волнами звуковогополя частотой 40-1600 Гцр уровнемзвукового давления" 100-170 дБ, временем звукового воздействйя 3-5 мин ипаузами между звуковйм воздействием3-5 мин. Способ позволяет увеличитьстойкость изделий и интенсифицироватьпроцесс насыщения. 2 табл.3.,52826 4; 17Известен способ обработки поверхности изделий, включающий помещениев замкнутую рабочую камеру с газовойсредой изделия, стальных шариков ипорошка легирующего элемента (например, карбонила молибдена), приведениев движение шариков ( ф 0,95-2,5 мм)до столкновения с обрабатываемой поверхностью изделияс помощью ультразвукового поля (й17,3 кГц), создаваемого .в рабочей камере при колебаниях одной из ее стенок с заданнойамплитудой смещения (60 мкм).Для реализации этого способа необходимо иметь магнитострикционныйультразвуковой преобразователь, ультразвуковое волновое устройство, генератор, специальный конический концентратор, специальную камеру с под-.вижной стенкой, Данный способ обеспечивает повьппение стойкости и увеличение срока службыизделий в 1,5-2 разаи является эффективным для упрочне;ния (с одновременным восстановлением)деталей форм ЛПД и обработки внутренней поверхйости труб с целью повышения .их долговечности,Недостатками известного способаявляются слишком малая толщина упрочненного слоя (не превышает 0,01 мм),невозможность получения глубоких диффузионных слоев, так как какая-либои 1 тенсификация диффузии невозможнаиз-за низкой температуры (не превышает комнатную) на обрабатываемом изделии, невозможность обработки окончательно изготовленных изделий с острь 1 ми кромками, йевозможность выполнения многократных переточек изделий(в частности, инструмента) из-за малого диффузионного слоя, имеющее мес-то повьппение прочностных и пластичес-,ких характеристик поверхностного.деформированного слоя быстро утрачивается под воздействием температуры изза снятия наклепа, ухудшение шероховатости поверхности, особенно при ис-,пользовании шариков диаметром более1,5 мм, необходимость использованиядорогостоящего оборудования и аппаратуры, малая эффективность способа приобработке изделий сложной формы и невозможность обработки иэделий с от- -; верстиями диаметром менее .3 мм, процесс не представляется возможным интенсифицировать (или сделать этоочень трудно) за счет повышения темгературы и применения активной насы-щающей среды, так как рабочая камеране может быть герметизирована,Наиболее близким к изобретению является способ азотирования стальныхиэделий, заключающийся в нагреве из-делий, выдержке в азотсодержащей среде и оххлаждении.Недостатками этого способа являют-10 ся большая длительность процесса насьпцения, отсутствие необходимой гомогенности структуры диффузионного слоя.Целью изобретения является увеличение стойкости изделий и интенсифи 15,кация процесса насьпценияПоставленная цель достигается тем,что согласно способу химико-термической обработю осуществляют нагрев металлических изделий до температуры20 диффузионного насьпцения, выдержку приэтой температуре с одновременной по-,:дачей в зону насыщения, представляю-щей собой замкнутый объем насыщающейсреды, и охлаждение, причем на насы-25 щающую среду и обрабатываемые метал 1 лическиеизделия воздействуют упругими волнами звукового ноля с частотой40-1600 Гц, уровнем звукового давле-ния 100-170 дБ, временем звукового30 воздействия 3-5 мин и паузами междузвуковым воздействием 3-5 мин.Звуковое поле генерируется газовьщакустическим излучателем, который работает от сета сжатого воздуха приперепаде давлений 0,2-4,0 атм. Газо-,вый акустический излучатель.размеща;ется на крышке стандартной электрической печи.Созданное в рабочем пространствепечи гомогенное звуковое поле указан;ных параметров обеспечивает возникновение мощных радиацианных давлений иакустическйх потоков,которые одно+временно возбуждают насьпцающую среду,резко повьппая ее активность, и приводят к образованию на поверхности об- .рабатываемого изделия, как и по всемуего объему, большого количества точечных и линейных дефектов (вакансии,5 О дислокации), обеспечивающих благоприятные условйя для протекайия диффузионных процессов с одновременныи:.дислокационныМ старением высоколеги 1-,рованного пересыщенного твердого раствора и выделением из него высоко;"дисперсной упрочняющей Фазы.4При частотах ниже нижнего и вышеверхнего указанных пределов не дости-,175282 ббтоте ниже нижнего тор и внешнотсутствует структурный резо- раметрич йнанс в обрабатываемой детали, а при . Собственно муфель обрабатываемоечастоте выше верхнего предела струк-изделие и насыщающую среду можйо рас-,ч-5турныи резонанс практически Неуправ- . сматривать как самостоятельные колеляем. :. : . бательные системы, При этом вполне. Отмеченные особенности создания допустимой представляется возможностьрезонансных явлений в подсистемах перекачки энергии .от внешнего источ (насыщающая среда, обрабатываемое из ника в одну из подсистем и затемделие) в отдельных случаях уменьшают германентпо в другие,диффузионную подвижность насыщающих При подобчой сложной колебательной. атомов, ухудшают условия массопереМо-.Ухуд У м ссоперено системе можно предположить, что однаса, а в других случаях могутприво-или даже все подсистемы не будут гардить даже к заметному снижению проч" 15 монировать по частоте между собой.Ностных Ч пластических характеРистнк чци ыва.читывая, что резонанс представля"упрочненмых слоев ет собой кардинальное усиление амплиПри звуковом давлении ниже 100 дБУ",уды выужденных колебаний осциллятоскорость протекания диффузионных про- ра прй приближении его :обственнойцессов практически постоянная и имеет 20частоты к частоте излучателя, необхонедостаточные:значения дпя существен- . димо рассматривать спектры частот-ного ускорения ФормиРЬвания упрочненвсех подсистем.ных слоев по сравнению с прототипом.1 и.Гри ргссмотоении механизма волноПри звуковом давлении более 170 дБ во ъ ":оздействия особое вь.имание слескорость Формирования диффузионных 25дует уделять резонансу структуР, кото-слоев продолжает возрастать, но по рые имеют место на поверхности обрасравнению с отмеченным интерваломбатываемого материала так как каждая100-170 дБ) пРирост незначителен и из нс.,х н,из г,х имеет собственную частоту,не носит монотойного характера.РУчитывая, что Резонанс структур мсжатПри времени звукового воздействия 30,.в.оказывать существенное влияние наменее 3 мин механические свойства взаимную реакционную диффузию, т,е,диффузионных слоев НЮ дос тиг ают мак ф на че 1 ер а сгр едена перераспределение углерода илегисимальных значений, при превышении рующих эле ерующих элементов между твердым раст-.выдержки происходит резкое снижение ьором и каремеханических свойств до значений в м.-ние е уе бмание следует обрацать на обер",оныисходном состоянии,тех насыщающих атомов, которые предИаксимальный уровень механических авлставляют наибольпий интерес, т.е,свойств Формируется нри паузах 3- . ыожнс поегпол жит аможнс предположить, что за счет изме 5 мин. При увеличении пауз дальней-пения чттоть збпения ча:тоты излучателя можно подобшего увеличения свойств не происхо- - 40ать такие услови ирать такие условия, при которых одиндит. При меньшей паузе уровень меха- из ас пцаюпщх эле ент вбдать наи ольшсй подвижностью, а друщей среды резко возрастает. ..не будут обладать способностью к мас-сопереносу. При этом условии можнодпя случая хймико-термической об- . заключить, что прецлагаемой химикоработки комплексным часьш 1 ением метал- термической обработкой даже с испольлами и неметаплами, осуществляемой в зеванием сложных насьнцающиХ сред мож-: печи типа СОЦИО с использованием низ- . но добиться протекания диффузионных",кочастотного газового акустического щ, процессов требуемого элемента и фор,излучатеЛя, осциллятором (колеблющей- . мирования на поверхности заданныхся системой) являются герметически :. структур и Фаэ., щающая среда (газовая), представляю-. представляющей обрабатываемое издею55щая собои в качестве основных диИУн- лие, то наиболее вероятно, что на по:дирующих элементов атомы азота, угле- верхности обрабатываемого объекта бу"рода и молибдена. В целом вся .колеба дет образовываться Я -фаза, Если пос",тельная система, включающая осцнлля- ле образования 6-Фазы вывести на резонансную частоту атомы углерода или молибденато можно не только усилить их диффузионную подвижность, но и одновременно разрушить плотную сетку Е-фазы.5При рассмотрении механизма диффузии следует .иметь в виду,что резо" нане может наступить не только при полном совпадении частот осциллятора и генератора, но и при их кратном или дробном соотношении. 15 На основании изложенного можно бьгло бы выбрать для исследования следующий вариант обработки: добитьсярезонанса обрабатываемого иэделия сцелью появления на его поверхноститочечных и линейных дефектов, способствуюцих протеканию диффузионных процессон, а также на поверхности обра.батываемых изделий резонанса структур для перевода их в метастабильное(неравновесйое) состояние, кроме того,параметрического резонанса (сначала 25возбудить муфель и через него изделие и насыщаюцую среду), добиться резонанса насыщающей газовой смеси, .создав условие, при котором в обрабатываемую поверхность диффундируют последовательно молибден, углерод, азот,а затем и в целом тройной комплексуглерод-азот-молибден, Учитывая, чтоколебательная система является нелинейной (для которой характерен постоянный приток энергии извне), создать условия, при которых могут иметьместо стабильные антоколебания однойиз подсистем или всех вместе,40Лналиэируя причины повышения коэффициента диффузии для предлагаемойхимико-термической обработки, можнопредположитьчто поверхность насыщаемого металла находится под влиянием частотных циклических наряженийот звуковых вОлн. В этом случае возможно заметное повышение твердости обрабатываемого изделия, Однако это повышение может иметь место до извест 50ного уровня. Затем между процессамигенерирования и аннигиляции дислокаций может наступить равновесие, закоторым последует разупрочнение (известный процесс возврата), объясняемое диффузией с участием вакансий придвижении перегибов на дислокацию, причем концентрация вакансий предполагается аномально высокой. Рассмотрим известные уращгиич 1йИЛ = Л ехр(-- )оКТЬБЛ = Д ехр(-- ),о о Кгде, - коэффициент диФфузии иа л икающего элемента,коэффициент начальной диффуозии, зависящий от типа кристаллической решетки йасыщающего элемента,Д - коэффициент начальной диффуоэииЬ И - энтальпия,Ь Б - энтропия;Р. - газовая постоянная;Т - температура процесса,Энтальпия Ь И характеризуется, нпервую очередь, энергией образованиявакансий и энергией перескока атомав вакансию, тогда предэкспоненциальный множитель 71 можно выразить черезоД, как функцию частоты перескокаатомов, Отсюда следует, что увеличение числа вакансий должно повышатьэнтропию и при этом должен повышаться коэфФициент начальной диффузии Ло.В случае предлагаемой химико-термической обработки, когда в осцилляторе процесс образования точечных илинейных дефектов носит непрерывныйхарактер, возможность наступления разупрочнения является маловероятной.Если при гармонических колебаниях,для которых характерна малая амплитуда, может иметь место структурньв резонанс, приводящий к появлению дислокаций и образованию вакансий, то приобертонных колебаниях следует дополнительно ожидать возникновения новыхфаз с колебательным движением.При выполнении предлагаемой химико- термической обработки следует иметь в виду,что колебательная система любой атомной решетки представляет собой подсистему осциллятора и является механически неустойчивой (даже несмотря на то, что атомы в кристаллических решетках, при условии равенства .волнового вектора нулю колеблются синфазно и, в целом, частоты смещений акустических колебаний кристаллической решетки стремятся к нулю). В связи с этим для интенсификации диффузионных процессов, происходящих как в. газовой насыщающей среде, так и внасьпцающем металле, эФфективным может оказаться создание комплекса резонансных частот вплоть до фазового и структурного резонанса, В теоретическом плане процесс предлагаемой химико-термической обработки может быть достаточно усилен, если в подсистемах осциллятора и, особенно, в кристаллах обрабатываемого металла вызвать про дольные колебания, которые по значениям гораздо более поперечных,П р и и е р 1. Обработка по известному способу - газовое аэотирование, 15Обработку проводят в шахтной печи С 1;Д 91-04,06/9,5, Насыщающая среда т диссоциированный аммиак и молекулярный азот в соотношении 1:3. Степень диссоциации аммиака 25-30%, расход насыщающей среды 10 л/мин. Избыточное давление 40 мм вод.ст. Длительность обработки 40 ч, Температура насьпцения 540+10 С.Насыщаемый образец размером 10 п 10 25 н 55 мм с чистотой обработки 1,25 из стали 40 Х с твердостью 2900-3000 ИПа.В результате обработки на поверхности получен диффузионный слой, ха. рактеризующийся глубиной азотирования 300,28-0,31 мм, твердостью поверхности 8600-9000 ИПа (Н ,), наличие хрупкой,. б;фазы - отдельные следы толщиной 10-15 мкм.П р и м е р 2. Обработка по известному способу - газовая цемента- ЦИЯОбработку проводят в шахтной печи СИЦИ.06/9,5. Насьпцающая среда- газообразные продукты разложения синтина, расход синтина 110 - ." 120 кап/мин в течение первого часа насыщения и 70-80 кап/мин в течение всего последующего процесса, температура насыщения 920-,940 С, длительность обработки 4 ч, Используемые образцы аналогичны указанным в примере 1. После цементации выполняют двойную закалку при 850-, 860 С с охлаждением в масле и последующий низкотемперао турный отпуск при 170-190 С в течение 2-2,5 ч.Полученнье свойства упрочненногослоя; глубина. цементации 0,3-0,4 мм, твердость поверхности 7800-8600 ИПа (Н .), наличие сетки карбидов - отдельные следы разорванной сетки.П р и м е р 3. Обработка по известному способу - поверхностно-пластическое деформированне в порошковойнасьпцающей среде с наложением мощногоультразвука,Способ включает помещение в замкнутую рабочую камеру с газовой средой лабораторных образцов, характеристика которых дана в примере 1,стальных шариков диаметром 2 мм и порошка карбонила молибдена дисперсностью 1-5 мкм,Замкнутая рабочая камера имеет нижнюю подвижную стенку-основание.Иарики приводятся в движениедостолкновения с обрабатываемой поверхностью образца с помощью ультразвукового поля с частотой 17,3 кГц. Нижняя стенка колеблется с амплитудойсмещения 60 мкм. Способ реализуют сиспользованием магнитострикционногопреобразователя, генератора и специального конического концентратора,Длительность обработки 10 мин, температура обработки комнатная.достигаемые параметры упрочненногослоя: толщина упрочненного слоя 40-:50 мкм, глубина диффузии С 3-5 мкм,глубина диффузии Мо 1 мкм, твердостьповерхности 3600-3880 1 Ша (Н ).П р и м е р 4. Обработкапо иэвестному способу - комплексное насыщение металлами и неметаллами.Процесс выполняют в электропечиС 1 П 91-04.06/9,Ъ при 500-550 С.Газообразная среда насьпцения - продукт разложения карбамида и карбониламолибдена, расход насыщающей порошковой смеси 300-350 г/ч, длительностьобработки 5 ч, избыточное давление80-100 мм вод.ст, Характеристйка об-,разцов аналогична укаэанной в примере 1. Насьпцающая среда подается с помощью дозатора роторного типа.Характеристика упрочненного слоя:толщина диффузии 0,3-0,35 мм, твердость поверхности 8600-10500- ИПа (Нр),наличие С,-фазы - отсутствует.П р и м е р 5. Обработка по предлагаемому способу,Выполняют процессы газовой химико- термической обработки: цементации, азотирования и комплексного насыщения металлами и неметаллами лабораторныхобразцов, указанных в примере 1. Технологические режимы указанных процес- сов химико-термической обработки со-, ответствуют приведенным в примерах 1, 2, 4.1000-1600 0,25-4 175826, 12Исключением является то чт.о с целью, вание. Насыщаемые объекты указаны вускорения формирования диффузионного примере 6,слоя и улучшения его эксплуатационных у б бсловия обработки:характеристик в рабочем пространстве с 1 астота звуковогопечи создают звуковое поле с частотой поля ГГц. При этом уровень звуково- Уровень звукоровень звуковогого давления 100- 170 дБ., перепад дав- давления, дБ 100-170ления 0,25-.4,0 атм, общая ллитель- П ерепад давленйя,ность звуковой. обработки 10 мин. . 10 атмС помощью частотомера выходят на-, бДлительность обрарезонансную частоту и добиваются диф- б отки, мин5ференцированного резонанса в каждойТемпература насыщеподсистеме осциллятора, " . С540ния, СПолученные параметры упрочненного 15 В резуль а б брезультате обработки на поверх-слоя." толщина диффузии 0,35-0,4 мм, ности получен диффузионный слой хатвердость поверхности 9500-11500 К 1 а(Н )рактеризующийся следующими параметраН ), наличие Я -фазы или сетки карбидов - нет., Глубина азотированВ целом повышается конструктивная 20 ного слояу мм 0.35-0 040плас ические характерис- ТвердоСтьКПа , 1000-12400тики (КС на 257) . Н з;)П р и и е р 6, Обработка по из- . Хрупкостс. фрупкость"с.-фаза отвестному способу (прототипу) - газосутствуетвое азотирование. . 25ИП " 2800къгэ а 2800Обработку проводят в шахтной печи, ХС, мджмп 0,32Насыщающая среда- диссоциированный Стойкость инструмейта при обработаммиак и молекулярный азот в соотно- ке деталей из стали ЗОХГСЛ с твердосшении 1:3. Степень диссоциацииПН . тью ЗОНКС указана в табл, 2., 25-3 ОЕ, расход насьпцающей средыаким о разом, из приведенных .10 л/мин. Избыточное давлениеТаким об азом и иО и предлагаемь способ обеспечивает карНасыщаемые объекты: образцы из . динальное уско нифдинальное ускорениешормирования дифстали Р 6 И 5 размером 8 х 8 к 70 мм и 10 хфузионных слоев с получе бп 5 мм с чистотой обработки 1,25, высокого комплек авысокого комплекса их своиств, можетподвергнутые закадке на зерно балла быть использован практически на всехи трехкратному отпуску при 560 Спредприятиях, где имеется термический3 раза каждый, имеющие твердость участок, отделение или цех.64 1%С; сверла из стали Р 6 И 5 ф 5,фрезы концевые с затылованньм зубом Ф о р м у л а и з о б р е т е н и яВ результате обработки на пЬверхФ э -Способ химико-термической обработки металлических иэделий включаюности получают диффузионный слой, ха- ур диьу н 1,ов х . нагрев до температуры диффузионногорактеризующийся следующими параметра- насыщения, выдержку при этой темпера 1туре с одновременчой подачей насыщаю :.Глубина азотироваиия, мм. .:0,03-0 035щей среди и охлаждение,о т л иТвердость поверх- "увеличения стойкости изделий и ивтен-,ности, ИПа 95 ОО;11000;сификации процесса насыщениявыр )Э( у)держку осуществляют под периодичесИМ фИПа 2500 ким воздействием упругих волн низкоЕС, манж/мп0 25 частотного звукового псщя, генерируе-,.Стойкость инструмента при обработ-мых газовьм акустическим изст ческим излучателемке деталей из материала ЗОХГМ с твер- с частотой 40-1.600 Гц урц, уровнем звукодостык ЗЕВС указана в табл. 1., фф вого давления 100-170 Бд, временемзвукового воздействия, 3-5 мин и пауПи е р 7 Обработка по пред " эмми междУ звУковым воздействием 3лагаемому способу - волновое азотиро миифе13 141752826 Таблица 1 Режимы резания Инструмент Скорость,м/мин Подача СверлаФрезы 40 0,07 мм/об 10 50 О, 10 мм/зуб. 5 90 Таблица 2 Режимы резания Инструм Глубина,Стойкость,мин ентСкоростьм/мин дача Сверла40 0,07 мм/обФрезы, 50 . 0,10 мм/зуб.аааеаааааааа3 0 оставитель Г.Дудик-.ехред И,Коргентап КоРРектор НЕа Тупица иям при ГКНТ. Заказ 2737ВНИИПИ Госуд Подписноепо изобретениям и открыЖ, Раушская наб., д,аекий комбинат "Патент", г.Ужгоро Стойкостьмин