Способ обработки деталей из нержавеющих хромистых сталей

) 5 ОСУДАРСТВЕННЫЙ О ИЗОБРЕТЕНИЯМ ПРИ ГКНТ СССР МИТЕТОТКРЫТИЯМ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИАВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ.%36шиностроительное научноное объединение. им. Ка вита конденсат насосах, на лов центро ляющих аконструкци та (шнека) ция ных, пов бежн ппа и на происходит в питат магистральных, не ерхностях внутренни ых рабочих колес и ратов, а при нал соса предвключенно его плоскостях. ельных, фтяных х кананаправичии в го вин(21) 4856364/02(54) СПОСОБ ОБРАБОНЕРЖАВЕЮЩИХ ХРО(57) Использование: дляонной и кавитационнойорганов центробежныхность изобретения: це ереповенский В.Г, Эрозия тического оборудо, с,67-71ТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ МИСТЫХ СТАЛЕЙповышения эрозистойкости прочных рабочих колес. Сущнтробежные колеса Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам повышения эрозионной и кавитационной стойкости проточных органов центробежных рабочих колес из нержавеющих хромсодержащих сталей, и может быть использовано для повышения кавитационной стойкости многих деталей машин: предвключенные винты (шнеки), направляющие аппараты, гребные винты судов и других. из нержавеющих хромистых сталей собирают в пакет, нагревают до температуры аустенизации, подвергают цементации, закаливают и отпускают, При проведении цементации в твердом карбюризаторе его помещают в каналы центробежного колеса, а сборку в пакет проводят с проставками, повторяющими профиль сопрягающихся с ними поверхностей основного и покрывного дисков рабочего колеса, после чего стягивают пакет с помощью стяжного элемента с закладкой между колесами и проставками герметизатора. Цементацию в жидком или газообразном карбюраторе проводят при вращении пакета колес, 2 з.п,ф-лы, 4 ил 3 табл,Известен способ повышения кавитационной стойкости хромистых нержавеющих сталей типа 20 Х 13, 14 Х 17 Н 2, Х 18 и других, 0 посредством объемной или поверхностной (Л закалки с отпуском на структуру мартенсит Я отпуска, 1(ЛНедостатком такого способа являетсяотносительно низкая кавитационная стойкость и поэтому не удовлетворяющая возникшие потребности машиностроения в кавитационных материалах.Известно также, что с повышением содержания углерода в стали увеличивается количество твердой составляющей - карбида, повышающего сопротивление кавитационному разрушению стали в отожженном состоянии вследствие рассредоточения энергии удара на большую площадь. Часть5 10 15 20 25 30 35 40 50 энергии воспринимается карбидами, защищающими в какой-то мере феррит от разрушения, в связи с чем затрудняется возникновение трещины и ее распространение,Таким образом, раскрыта роль карбидной фазы в снижении кавитационной эрозии для сталей, содержащих ферритоарбидную смесь в отоженном или высоко- отпущен нам состоя нии.Для обеспечения значительной стойкости при кавитационном воздействии структура должна иметь большое сопротивление пластической деформации и высокое сопротивление хрупкому разрушению, Такой структурой является мартенсит, Известно, что углеродистая сталь (0,42 о/о) после закалки и отпуска на 300 С обладает наивысшим сопротивлением отрыву (253 кг/мм ).Рентгеноструктурное изучение поведения мартенсита при микроударном воздействии подтвердило, что мартенсит претерпевает такие структурные превращения, которые обеспечивают ему наибольшее сопротивление отрыву и высокую кавитационную стойкость,Из экспериментальных данных следует, что пластическая деформация в результате микроударного воздействия вызывает частичный распад мартенсита, о чем свидетельствует уменьшение отношения С/а, Вследствие пластической деформации возникают мелкие зародыши карбидной фазы, окруженные мартенситом с пониженной концентрацией углерода, С течением времени увеличивается количество обедненного углеродом мартенсита и концентрация углерода по всему объему, подвергающегося микроударному воздействию, становится более однородной, Таким образом, распад мартенсита происходит аналогично тому, .как он осуществляется при низкотемпературном отпуске,Наблюдаемые изменения микрообъемов, выражающиеся в возникновении пластической деформации и частичном распаде мартенсита, обуславливают его упрочнение и высокое сопротивление пластической деформации. Эти изменения, интенсивно развиваясь на первом этапе микроударного воздействия, обеспечивают длительный инкубационный период, а на втором этапе мартенсит уже находится в состоянии высокого сопротивления отрыву, что обеспечивает высокую стойкость и сопротивление разрушению.На основании изложенного, т,е, роликарбидной фазы в снижении кавитационной эрозии для сталей в отожженном или высокоотпущенном состоянии, а также роли мартенсита в сопротивлении микроударному нагружению при кавитации и учитывая высокую кавитационную стойкость инструментальных сталей ХГ, Х 12 Ф 1, Х 18 и других, делаем вывод, что сочетание высокопрочного мелкодисперсного мартенсита хромистой нержавеющей стали мартенситного или мартенситоферритного класса с большим количеством равномерно распределенных мелкодисперсных избыточных карбидов, обеспечит более высокую кавитационную стойкость, чем структура только одного мартенсита. Но такая структура по аналогии с инструментальными высокохромистыми сталями типа Х 12 будет обладать большой хрупкостью. Поэтому она должна иметь минимальное соотношение глубины по отношению к толщине упрочняемой детали, при равномерном распределении по всей поверхности последней. Такая структура может быть получена карбидизацией (цементацией) хромистых нержавеющих сталей на глубину 0,6-1,5 мм в зависимости от конструкции и условий нагружения деталей с последующей их закалкой в масле и низкотемпературного отпуска на твердость НВСэ 65-68 ед.Наличие в такой детали очень прочногои твердого поверхностного слоя со структурой скрыто- или мелкокристаллического мартенсита с большим количеством равномерно распределенных избыточных мелко- дисперсных карбидов НЯСэ 65-68 ед, при относительно вязкой сердцевине со структурой мелкокристаллического мартенситаан не ниже 40 Дж/см и НЯСэ 45-50 ед.обеспечивают чрезвычайную кавитационную эрозионностойкость,Для сравнения на закаленных и отпущенных образцах из стали 20 Х 13 на структуру мартенсит отпуска; К 900-1 - закалка от 900 С в масле+ отпуск 150 С, НВСэ 43 ед, и 980-1 - закалка от 980 С в масле + отпуск 150 С, НЙСз 51-52 ед. через 12 ч испытания 5 на ударно-эрозионном стенде (УЭС) при окружной скорости вращения образцов 80 м/с потеря веса составила 0,2883 и 0,0403 г соответственно. При этом на первом образце имелись каверны диаметром около 1,5 и 0,2 мм и глубиной около 1 мм, На цементированном, закаленном и отпущенном образце Кзакалка от 980 С в масле+ отпуск 150 С, НКСГ 63-64 ед., потеря веса за каждые 12 ч испытаний на тех же параметрах работы 5 стенда составила соответственно 0,0317;0,0427; 0,0467, 0,0760; 0,0820; 0,0928 и 0,0874 г или 0,4593 г за 84 ч испытаний, При этом в месте соударения образца со струей воды, на всю его ширину, имело место рельефа общей эрозии поверхности металла наглубину до 0,2 мм без следов каверн и других характерных признаков разрушения целостности цементированного слоя, присущего кавитационной эрозии.В табл.1 приведен химический состав стали типа 20 Х 13 Л различных плавок, применяемых для исследования кавитационной эрозии.В табл.2 и 3 приведены результаты стендовых испытаний, выраженных в потере веса за различное время испытаний образцов из стали типа 20 Х 13 после различных способов упрочнения.Известен способ обработки деталей из нержавеющих хромистых сталей, преимущественно центробежных колес, включающий нагрев до температуры аустенизации, выдержку, закалку и отпуск.Однако известный способ не обеспечивает достаточно высокой кавитационной стойкости оборудования, в частности рабочих колес и предвключенных винтов центробежных насосов, что приводит к выходу из строя деталей и узлов насосов и дополнительным затратам на его ремонт и замену изношенных деталей и узлов.Целью изобретения является повышение эрозионной и кавитационной стойкости элементов проточных частей центробежных колес и предвключенных винтов из нержавеющих хромистых сталей.На фиг.1 представлен пакет центробежных колес в сборе с проставками для проведения цементации в твердом карбюризаторе; на фиг.2 - то же, для проведения цементации в жидком карбюризаторе; на фиг.3 - то же, для проведения цементации в газообразном карбюризаторе; на фиг.4 - сравнительная эрозионная стойкость образцов из стали 20 Х 13.Способ осуществляется при помощи конструктивных элементов, включающих пакет центробежных колес 1 в сборе с проставками 2, повторяющими профиль сопряженных с ними поверхностей основного 3 и покрывного 4 дисков, Между колесами 1 и проставками 2 осуществляется закладка герметизатора 5 в виде уплотнительной смеси, а между собой колеса 1 и проставки 2 стягиваются с помощью стяжного трубчатого элемента 6 со стяжным клином 7.При использовании жидкого карбюризатора насыщение внутренних поверхностей 8 и 9 проточной части центробежных колес 1 осуществляют при вращении на стяжном элементе 6, выполняющем в данном случае роль вала, Колесо 1 или пакет центробежных колес погружается при этом полностью в карбюризирующую сре- ду 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 В случае использования газообразного карбюризатора, насыщение поверхностей проточных частей центробежных рабочих колес 1 осуществляется путем интенсивной продувки газообразной наугероживаю- щей среды при температуре 900-930"С через каналы 10 рабочих колес 1 с использованием корзины 11 и диффузора 12.Способ обработки деталей из нержавеющих хромистых сталей, преимущественно центробежных колес, осуществляют следующим образом.Предварительно собранный пакет центробежных колес 1 нагревают до температуры аустенизации, затем проводят выдержку для цементации проточной части центробежных колес 1, закалку и отпуск.При проведении цементации в твердом карбюризаторе его помещают в каналы 10 центробежных колес 1, а сборку в пакет проводят с проставками 2, повторяющими профиль сопрягающихся с ними поверхностей основного 3 и покрывного 4 дисков рабочего колеса 1, после чего стягивают пакет с помощью стяжного элемента 6 с закладкой между колесами 1 и проставками 2 герметизатора 5.Цементацию в жидком карбюризаторе проводят при вращении пакета колес 1,Цементацию в газообразном карбюризаторе проводят в шахтной печи, где в специальную корзину с диффузором помещают пакет из центробежных колес 1, через рабочие органы которых вентилятором продувают газообразный карбюризатор при 900-950 С.П р и м е р 1, Способ обработки деталей из нержавеющих хромистых сталей с цементизацией в твердом карбюризаторе,В нижнюю проставку 2 в виде кольца укладывают центробежное колесо 1, затем в отверстие ступицы колеса 1 устанавливают стяжной трубчатый элемент 6. В каналы 10 центробежного колеса 1 закладывают карбюризатор или пасту для цементации, а также образцы-свидетели. Отверстие со стороны всоса центробежного колеса 1 закрывают второй проставкой 2, на которое укладывают второе, по порядку, центробежное колесо 1 и так до полного набора пакета, Пакет стягивают посредством верхнего и нижнего стяжных клиньев 7, а между проставками 2 закладывают герметизатор 5 в виде уплотнительной смеси,Собранный пакет центробежных колес помещают в цементационную печь с температурой не выше+300 С и прогревают при этой температуре по всему сечению. Затем нагревают пакет до температуры 600 СС целью интенсификации процесс цементации проводят при вращении пакета колес 1.П р и м е р 3. Способ обработки деталей из нержавеющих хромистых сталей с цементацией в газообразном карбюризаторе,На дно корзины 11 укладывается нижняя проставка 2 в виде кольца с ребрами, а затем на нее всасывающей стороной первое центробежное колесо 1. После этого на основной диск 4 центробежного колеса 1 устанавливают вторую проставку 2 и т,д, По мере набора пакета центробежных колес 1 устанавливают следующую корзину 11. Собранные секции корзины 11 соединяютсястяжными элементами 6 и устанавливают в цементационную газовую печь, Печь закры 40455055 со скоростью не более 100 С/ч и прогревают при этой температуре по всему сечению, После этого печь с пакетом центробежныхколес 1 нагреваютдо температуры цементации, т.е. 900 - 930"С со скоростью нагрева печи и прогревают по всему сечению. Послепрогрева пакет выдерживают 8-10 ч и охлаждают с печью со скоростью не более 70 С/ч до температуры не выше 100 С;Затем пакет центробежных колес 1 раз бирают в обратной последовательности, производят осмотр (визуальный) цементируемых поверхностей, обращая особое внимание на отсутствие окисления цементируемой поверхности, Образцы-сви детели анализируются с целью определения качества цементируемого слоя (глубины, отсутствие перегрева в структуре, соответствие твердости НВСэ 65 ед,).П р и м е р 2. Способ обработки деталей 20 из нержавеющих хромистых сталей с цементацией в жидком карбюризаторе.В начале производится сборка пакета предварительно просушенных при 200- 300 С центробежных колес на стяжном эле менте 6. Затем пакет центробежных колес 1 прогревают в ванне при температуре аустенизации 550-600 С 50-60 мин с последующим переносом в высокотемпературную ванну с температурой цементации 900- 30 960 С, продолжительность цементации 60- 90 мин с повышением температуры ванны в конце процесса (на 15-20 мин до конца) до 960-980 С с последующей закалкой в масле и низкотемпературным отпуском, После 35 этого производится контроль глубины и твердости цементированного слоя на образце свидетеле (0,6-1,0 мм активной зоны, НВСэ 65-68 ед,). вают крышкой и осуществляют продувку печи подачей аммиака или инертного газа, а затем включают нагрев и при достижении 200 С осуществляют подачу карбюризатора в виде капель сентина. Продувку заканчивают при 750-800 С, При нагреве печи количество капель сентина/мин 50-75, при выдержке - 120-150 капель/мин, Цементацию проводят при 900-930 С с продолжительностью 5-7 ч. После выдержки проводят охлаждение вместе с печью до температуры не выше 200 С и подачей сентина в количестве 50-75 капель/мин, Открывать печь целесообразно последостижения температуры не выше 100 С во избежание окисления поверхности.При газовой цементации производится защита поверхностей основного 3 и покрыв- ного 4 дисков центробежных колес 7 от цементации следующим составом, мас,%:Свинцовый сурик 4Окись алюминия 8Тальк 16Жидкое стекло 72Контроль качества цементации проводится визуально - на отсутствие окисления на цементируемой поверхности, т,е, зеленого налета, и в лабораторных условиях на глубину слоя (0,8-1,2 мм) и твердость НВСэ не менее 65 ед. на закаленном образце-свидетеле.Формула изобретения 1, Способ обработки деталей из нержавеющих хромистый сталей, преимущественно центробежных колес, включающий нагрев до температуры аустенизации, выдержку, закалку и отпуск, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения эрозионной и кавитационной стойкости, перед закалкой проводят цементацию проточной части центробежных колес, предварительно собрав их в пакет.2, Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что при проведении цементации в твердом карбюризаторе его помещают в каналы центробежного колеса, а сборку в пакет проводят с проставками, повторяющими профиль сопрягающихся с ними поверхностей основного и покрывного дисков рабочего колеса, после чего стягивают пакет с помощью стяжного элемента с закладкой между колесами и проставками герметизатора.3, Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что цементацию в жидком или газообразном карбюраторе проводят при вращении пакета колес,10 1765250 Таблица 1 Плавка Ст Сч Тд Химический состав, мас,а Мп В 14 анализа Марка стали НЕ С Вь по эксперименту по журналулитейнцеха 0,016 34110 014 342а 1 ОхЭл 20 х 13 л О, 13 0,19 0,27 О, 30 0,33 О, 50 3,01,53 0,30 0,29 0,16 0,030 2607 О 13 0,27 0,012 3916 2114,19 0,012 0,10 0,25 О,О Таблица 2 в состоянии отжига и последукюей Ох 13 из поковки,и литьл термообработки Зависимость эрозионной стойкости стали 2 ь . мьаь П/и Способ Образе ид термообработки Ллительностьиспытаний в вердость, НКС едня Потеря веса в г после ис- пытания инечание потер веса,осл акалки отпуска асах НКСэ 1516 или НВ 207-21 16.1329 15,6251 0,5075 16.1369 15.5925 0,5439 Известный 2 х 3 2 х13.3623 1 Э.0253 То же самое 25 12 х 1 0,4750 за 12 36 часов 12 испытаний 12 0.2883 6,4301 6.3898 6,2030 0,0403 0,1868 0.2479 0.2883 16.3898 16.2030 15,9551 15.5366 15,0148 51" 5243 3.980 С в Н,отпуск прис"150"170 С 1 испытани11111 806 2 х 13 "900-1 Э,900 С, а м.,о.150-170 С 3, 1000-1050 С,0,600 С + аэо- тирование 2 х А"1 29 ед-ос050,ЧЛслоя 16,0 1.05 52 12 мет. и отирован. релагаеый 66-67твердостьвины НКСа 15,Э 468 15.Э 052 15.3586 5 3468 0.01 0,041 Карбидиэацнд950 Счасов,слой 2,16 мм,3.9 ЭО С в М.+о.150 С 2 х Кердце ед,1-и1 испытанДд111 -" 15.3784 15,3121 15.25 Э 7 15.1977 15.1680 15,2957 15,2530 15 2063 15.2055 0,0419 0.0663 0.0584 0,0560 0.0297 0 0317 0.0427 0,0467 0.0008 15.4203 5 3784 15.3121 15,2537 15.1 77 15,3274 15.2957 15.2530 15.2063 Э 2 х 13К11 -Карбил и за по режиму и К, но калка от Н, +отпус к 12 О. 4601 за 12 84 часов 12 испытаний Т ияК" 1эаВО С 6150 С 10 2 х К3-64 15.2055 15.1295 15.0470 14.9542 12 2 12 12 Изве стный 12 2, 8117 1.0848 412-77 412-78 412 "26 412-27 18.7580 18.8196 18.99858.9570 осле отжига 15 или НВ 207 ПТВЭО Лла сразис эрозионстойкостьпоковок. идй г г 12 НВ 207 1 т 850 12-43 12-44 15 0,159 0,064 18.5727 18.53561765250 Таблица 3 Эоозионная стоикость Раз ич р личных плавок литой стали типа 20 х 13 л в зависиности от термической обработки Примечание Продолжительностьиспыт. час Средняяпотерявеса, г Способ г Твердость ЧКСэ Вес образца, г Иаркиров- Вид термической обрабпт"ка образ- кицапослепосле до испита- после ис- потеря везакалкиотпуска ния 1 пытанияса, г 13,753 18,Э 142 18,4437 18,5236 42,0 42,0 41,0 41,0 17-28 17-29 0,2821 0,3906 Отжиг Сталь 10 хЭгплавка ВО,Э 36 Э 12 Известный по заводскому ре"мч0,7507 0,6526 0,0380 0,0312 17-3017-3 117.817"9 18,9645 18,9350 19,2676 18,9042 40,4 40,0 66,0 66,0 18,2128 18,2324 19,2296 18,8730 40,030,063,063 07017 12 0,0346 12 Предлагаемый 15 15 52,0 51,0 2,3553 2,5053 0,1366 0,0504 Изве стный 89 10 32-1 32-2 32 т 3 32-4 8,9186 18,Э 501 18,9086 18,657 15 1554,052,0 16,5633 16,4448 18,8720 18,5953 Сталь 20 х 13 лплавка г 32 2,4303 12 00935 12 Зак,от 990 Св масле,отпуск 150 С 11 32-5 12 32-6 Зак.от 990 Св масле,отпуск 200 С 48,0 48,0 53,0 53,0 18,9636 18,8094 18,8114 18,6128 0,1522 0,1966 0,1764 12 1 Э 411-38 14 412-4 15 411-110 16 411-111;7 412-87 8 412-83 Зак.от 990 фСв масле отпуск 150 ьС 4843,5 18,641 135329 839 о 8 18,4360 0,243 О,459 0,1826 2 19 412-89 20 412-90 Зак,от 990 ЯСв масле,отп,200"С 46 46 51 50 18,8879 18,3879 18,5327 13,6667 0,2527 0,2212 0,2367 12 65 365Пред. 21 411-49 лага 41-50 еный 65 65 19, 0148 18,9630 18,9794 О,ОЭ 54 18,9272 . 0,0358 0,0356 12 То же самое, отпуск 200 С То же самое, отпуск 250 С 23 411-51 24 4 11-52 25 411-55 26 4 11-56 27 411-57 23 411-58 750 С "Эч +650 жСч охохлажд,с печью Зак. от 990 Св масле, отпуск 150 аСЗак.от ЭЭО Св масле,отпускЦементация,зак,от 990 Св масле, отпуск 200 С Ценентацияс,он 1 мм акти 2 нм общинзак от 990 СотпТо же самоеотпуск 150 С 6666 66 66 66 66 65 65 63 63 62 62 18,9615 19,2660 18,5948 18,5464 18,9044 18,7128 18,9330 9,2 Э 50 18,5522 18,4973 18,8638 18,6676 0,0315 0,0310 0,0426 0,0491 0,0406 0,0454 0,0315 12 0,0458 12 0,0430 121765250 л/лг рЪ оиолившои нлниошв.00 Огпнлливпи илнош 1 виппл 1 ор н опвв ыйшпи нинуле лн гУ 1 лнипнор лаюъ/л 41 рг оьлжшО виппи вгу ргр ггу ВР 1Ф 4 ц Юу Ь Ц Ье йа плгпиУО рЯО йЬ Сэ %э 1 о ь 3 цз ъ л ь ф эпьугпг-Оввв 1 зг л ь ,О)Влф Ч Ь % пол г 1 ов ппвр и вшпп нинр О вр.и:аз и г-у и Орван 10 нл вл иввгвинуг-уггрин Оуулн уг-г 1 Ф рэлривв 01 гпин ниоврои" бг 1 оин 0001 ли и ллношяиоо Оол г 1 ов пвв иившпи иин оглжш випви1 и гпглжшв аиэпиру 1 грин гг-г 1 пглжш вивпи ву 1 вр 1 ВН Л - и г глжшп вивои уэу 1-:01 ин г- а Феда ктор Составитель А. ЛаденкоТехред М,Моргентал орректор Е. Пап Заказ 3357 ВНИИПИ Госуда Тираж Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва.Ж, Раушская наб., 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 Ь Ь Ь %Ь Ь) Ь ь Ь ОфюЬФве