СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ Российский патент 1997 года по МПК C21D1/42 C23C8/22 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для термообработки деталей, изготавливаемых из легированных сталей и применяемых в конструкции автомобиля.

Из книги Лахтина Ю. М. Леонтьевой В.П. "Материаловедение. Учебник для машиностроительных высших учебных заведений" М: Машиностроение, 1980, с. 230, известен способ термообработки легированных сталей цементация, заключающийся в насыщении углеродом поверхностного слоя с последующей объемной закалкой детали. При этом твердость поверхности сплава как правило составляет 58-62 HRC, твердость сердцевины 32-45 HRC, а глубина упрочненного слоя до твердости 515 HV 0,9-1,4 мм.

Такая термообработка широко применяется во многих областях машиностроения и, в частности, для корпусов шарниров равных угловых скоростей (ШРУС) приводов передних колес автомобилей ВАЗ. Эти корпуса шарниров изготавливаются из легированных сталей типа 16ХГ, 19ХГН, 20ХГНМ методом холодного выдавливания. Таким методом получают сложные и высокоточные детали, которые не требуют последующих операций шлифовки.

Однако у такого способа термообработки есть существенный недостаток. Например, для корпусов ШРУС, состоящих из корпусной части, в которой расположен шарнир, и хвостовой части, существующей для передачи крутящего момента, хвостовая часть, подвергнутая цементации, имеет несовершенные показатели по прочности и долговечности. Существенное улучшение этих показателей, особенно по циклической долговечности и моменту появления первой трещины при кручении, достигается при защите хвостовой части от цементации с помощью специальных паст и последующей закалке хвостовой части токами высокой частоты (ТВЧ). Однако такие пасты как правило токсичные, по экологическим и экономическим ограничениям не применяются в серийном производстве.

Задачей данного изобретения является повышение прочностных показателей деталей из легированных сталей, а также их циклической долговечности и момента образования первой трещины, и снижение влияния последней на циклическую долговечность.

Это позволит повысить размеры, снизить массу, повысить стабильность качественных характеристик.

Для этого в способе термообработки деталей из легированной цементируемой стали, заключающемся в том, что поверхностный слой детали насыщают углеродом при температуре нагрева 930 950^oC с последующей закалкой в закалочном масле и низкотемпературным отпуском, согласно изобретению дополнительно проводят высокий отпуск детали, ее нагрев токами высокой частоты и закалку эмульгаторов, после чего выполняют низкотемпературный отпуск.

Сравнение заявляемого решения с уровнем техники по научно-технической и патентной документации на дату приоритета показало, что совокупность существенных признаков заявляемого решения не была известна, следовательно оно соответствует условию патентоспособности "новизна".

Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенный способ имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический эффект, следовательно предлагаемое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.

Предложенный способ промышленно применим, т.к. может быть осуществлен на известном промышленном оборудовании, следовательно соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Были проведены сравнительные испытания образцов деталей с одинаковыми геометрическими размерами. Под N 1 был представлен образец без термообработки. Под N 2 образец, прошедший только цементацию. Под N 3 образец, прошедший только закалку ТВЧ. Под N 4 образец, прошедший термообработку по заявляемому способу, основными этапами которого, упрочняющими образец, являются цементация и закалка ТВЧ с промежуточным высоким отпуском. Основным показателем, характеризующим прочность силовых деталей, какой и является хвостовая часть ШРУС, является предел текучести, после которого деталь теряет свои геометрические размеры. У детали N 2, прошедшей только цементацию, предел текучести увеличивается на 56% У детали N 3, прошедшей только закалку ТВЧ, предел текучести увеличился также на 56% У детали N 4, термообработанной по заявляемому способу, предел текучести увеличился на 134% Это увеличение больше чем суммарный прирост предела текучести образцов, каждый из которых прошел только один вид термообработки (или цементацию, или закалку ТВЧ). Результаты полученных при испытаниях образцов сравниваемых механических характеристик сведены в таблицу.

Кроме того, были проведены испытания на циклическую долговечность, при которых образцы нагружались пульсирующим крутящим моментом от 0 кгм до 100 кгм с частотой 1 Гц. Они показали, что циклическая долговечность деталей, термообработанных по заявляемому способу, превышает требования методики (200 тысяч циклов). Для сравнения были проведены испытания образцов, предварительно нагруженных крутящим моментом, до появления первой трещины. Начальная трещина у образцов с цементацией фиксировалась при моменте 170 200 кгм, а у образцов, обработанных по заявляемому способу, при моменте более 250 кгм. Затем детали с трещинами были испытаны на циклическую долговечность. Результаты испытаний показали, что у образцов, прошедших цементацию, долговечность оказалась в 3 7 раз меньше базовой величины 200 тысяч циклов, а у образцов, обработанных по заявляемому способу, превысила базовое число циклов.

На фиг. 1 показана глубина упрочненного слоя детали после насыщения ее поверхностного слоя углеродом (цементации); на фиг. 2 глубина упрочненного слоя детали после закалки ее токами высокой частоты (ТВЧ); на фиг. 3 глубина упрочненного слоя детали после термообработки ее заявляемым способом, включающим и цементацию, и закалку ТВЧ.

На фигурах цифрой 1 обозначена корпусная часть ШРУС, в которой располагается сам шарнир, а цифрой 2 его хвостовая часть, на которой выполнены шлицы, служащие для передачи крутящего момента.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

Детали из легированной стали, изготовленные методом холодного выдавливания, помещают для насыщения их поверхности углеродом в технологическую печь, в которой и проводят химико-термическую обработку при температуре 930-950^oC.

Затем выполняют их закалку в баке с заколоченным маслом и мойку с целью удаления масла с поверхности деталей. Далее производят низкотемпературный отпуск в печи с температурой нагрева 160-180^oC. Нагрев до температуры высокого отпуска (750-780^oC) проводят токами высокой частоты (индукционный нагрев). Далее детали охлаждают на воздухе в течение регламентированного времени, например для стали 19ХГН оно составляет 2-3 мин. Затем нагревают детали токами высокой частоты до температуры 880-900^oC и закаливают их в 5-10%-ном водном растворе охлаждающей жидкости с добавками эмульгаторов. В частности, используется водный раствор охлаждающей жидкости OSMANILA E2. И в заключении выполняют низкотемпературный отпуск в печи с температурой нагрева 160-180^oC в течение 120-150 мин.

В таком технологическом процессе допускается использование одного и того же оборудования, работающего как в режиме последовательного выполнения операций высокого отпуска, охлаждения и последующей закалки детали, так и в режиме групповой обработки деталей пооперационно.

Таким образом, наряду с усложнением технологического процесса за счет введения дополнительных операций, заявленный способ термообработки имеет целый ряд преимуществ. Во-первых, повышаются прочностные характеристики и увеличивается ресурс работы ответственных деталей. Появляется возможность совмещения выполнения операций высокого отпуска и последующей закалки на одном и том же оборудовании с использованием индукционного нагрева. За счет высокой степени механизации и автоматизации процесса достигается высокий уровень стабильности в качестве, а следовательно исключаются случаи брака.

Использование: область машиностроения, может быть использовано для термообработки деталей, изготавливаемых из легированных сталей и применяемых в конструкции автомобиля. Сущность: для повышения прочностных показателей таких деталей применяют способ их термообработки, заключающийся в насыщении поверхности слоя детали углеродом при температуре нагрева 930-950^oC с последующей закалкой в масле и низкотемпературным отпуском, дополнительно проводимом высоком отпуске с последующей закалкой токами высокой частоты и охлаждением в 5-10% водном растворе охлаждающей жидкости с добавками эмульгаторов и последующим низкотемпературным отпуском. 3 ил., 1 табл.

Способ термической обработки деталей из легированной стали, включающий цементацию при 930 950^oС, охлаждение, высокий отпуск, закалку и низкий отпуск, отличающийся тем, что охлаждение после цементации ведут в масле, затем проводят дополнительный низкий отпуск, нагрев под высокий отпуск и закалку осуществляют токами высокой частоты, а охлаждение с температуры закалки ведут в 5 10%-ном водном растворе охлаждающей жидкости с добавками эмульгаторов.