СПОСОБ ЦЕМЕНТАЦИИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННЫМ ЛЕГИРОВАНИЕМ Российский патент 2008 года по МПК B23H9/00 

Изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим способам обработки, в частности к электроэрозионному легированию.

Для придания поверхностному слою стали высокой твердости и износостойкости, для повышения границы контактной выносливости и границы выносливости при изгибе и скручивании используют способ цементации, состоящий в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде - карбюризаторе. Как правило, цементацию осуществляют при температурах, выше 930-950°С, когда стойкий аустенит, который растворяет углерод, присутствует в большом количестве. Конечные свойства цементируемые изделия приобретают в результате закаливания и низкого отпуска, выполняемых цементацией.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые (0,1-0,18%), чаще легированные стали. Для цементации крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2-03%). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, которая не насыщается углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закаливания [Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990. - С.231].

Процесс закаливания изделий сопровождает образование в них значительных остаточных напряжений в результате неравномерного распределения температуры по сечению и неодинакового изменения объема разных зон. Из-за совместимого действия температурных и структурных напряжений в цементируемом слое возникают напряжения сжатия, а в сердцевине - напряжения растяжения. Остаточные напряжения вызывают деформации изделий, иногда достаточно значительные [Гаркунов Д.Н. Триботехника. - М.: Машиностроение, 1989. - 327 с.]. Кроме того, существенным недостатком способа являются необходимость защиты отдельных участков детали, не подлежащих упрочнению, специальными покрытиями, обмазками и др., высокая трудоемкость, себестоимость и длительность процесса.

Известен способ электроэрозионного легирования (ЭЭЛ) металлических поверхностей - процесс перенесения материала на обрабатываемую поверхность искровым электрическим разрядом. Способ имеет ряд специфических особенностей:

- возможно диффузионное обогащение поверхности катода (детали) составными элементами анода (легирующего электрода) без изменения размера детали;

- легирование можно осуществлять в строго указанных местах, не защищая при этом остальные поверхности детали;

- отсутствие объемного нагревания детали;

- простая технология ЭЭЛ металлических поверхностей, а необходимая аппаратура малогабаритна и транспортабельна. [Электроискровое легирование металлических поверхностей / Гитлевич А.Е., Михайлов В.В., Парканский Н.Я., Ревутский В.М. / Кишинев: Штинца, 1985, стр.4].

При ЭЭЛ графитовым электродом шероховатость формируемой поверхности по сравнению с легированием металлическим электродом изменяется незначительно, что при следующей механической обработке, например шлифовкой, позволяет использовать эти поверхности в парах трения.

Ближайшим к заявляемому изобретению является способ ЭЭЛ графитом армко-железа и стали У8, У9. Выявленные при этом микроструктуры белого и переходного слоев показали, что при ЭЭЛ стали графитом в сформированном слое имеются почти все структуры и фазы равновесовой диаграммы состояния железо-углерод, а также неравновесовые структуры и фазы, возникающие при термической обработке стали. Варьирование энергией разряда в диапазоне 0,036-6,4 Дж позволяет изменять величину слоев от 4-5 до 50-70 мкм [Электроискровое легирование металлических поверхностей / Гитлевич А.Е., Михайлов В.В., Парканский Н.Я., Ревутский В.М. / Кишинев: Штинца, 1985, стр.4, 64-65].

Недостатком указанного способа является небольшая толщина формирующихся слоев.

В основу изобретения поставлена задача создать способ цементации стальных деталей электроэрозионным легированием, который бы позволял повысить твердость и износостойкость поверхностного слоя деталей.

Поставленную задачу решают тем, что в способе цементации стальной детали электроэрозионным легированием графитовым электродом, включающем использование в качестве анода графитового электрода и в качестве катода стальной детали, согласно изобретению в качестве катода используют деталь из низкоуглеродистой легированной стали аустенитного класса, легирование осуществляют с производительностью 1,0-5,0 мин/см² и энергией разряда 0,036-6,8 Дж и формируют легированные поверхностные слои толщиной от 4-5 до 320-350 мкм.

Использование в качестве материала катода низкоуглеродистых легированных сталей аустенитного класса и осуществление легирования с производительностью 1,0-5,0 мин/см и с формированием поверхностных слоев толщиной от 4-5 до 320-350 мкм позволяет повысить твердость и износостойкость поверхностного слоя деталей.

Выбор предельных значений энергии импульсов для легирования углеродом обусловлен природой взаимодействия с твердыми деформируемыми металлами.

Нижний предел энергии разряда ограничивается эффективностью способа. Увеличение энергии разряда выше верхнего предела при ЭЭЛ графитом так же, как и при увеличении производительности легирования более 5 мин/см², приводит к увеличению количества углерода в поверхностном слое, его охрупчиванию и отрицательно влияет на формирование слоев, полученных электроэрозионным способом.

Способ цементации стальных деталей осуществляют электроэрозионным легированием углеродом (графитовым электродом). В качестве материала катода (детали) используют низкоуглеродистые легированные стали аустенитного класса. Легирование осуществляют с производительностью 1,0-5,0 мин/см², что позволяет при варьировании энергии разряда в диапазоне 0,036-6,8 Дж формировать поверхностные слои повышенной твердости толщиной от 4-5 до 320-350 мкм.

Изобретение поясняется конкретным примером.

Проводились исследования поверхностных слоев, сформированных в результате ЭЭЛ углеродом, хромоникелевой коррозионной стали аустенитного класса марки 12Х18Н10Т. Результаты исследований приведены в таблице. Для сравнения в таблице приведены результаты шероховатости поверхности после легирования стали 12Х18Н10Т электродом из твердого сплава марки Т15К6.

 Энергия разряда, Дж0,0360,10,310,51,412,833,46,8Производительность ЭЭЛ, 1 мин/см²h_сл, ЭЭЛГр, мкм512203055758090Зона повышенной твердости*, ЭЭЛ_Гр, Н_μ, МПа3000**-8000***3000-90003000-90003000-80003000-90005250-80004600-90003300-8000Ra _Гр, мкм0,80,80,80,8-0,90,8-0,92,5-3,58,3-8,511,9-14Ra _T15K6, мкм2,02,63,06,36,3-7,210,012,525Производительность ЭЭЛ, 5 мин/см²h_сл, ЭЭЛ_Гр, мкм101525355680100315Зона повышенной твердости, ЭЭЛ_Гр, Н_μ, МПа3000-90003000-100003000-100003000-90002900-110004000-115003500-90004000-10000Ra _Гр, мкм1,01,21,21,0-1,21,6-2,02,9-3,75,3-6,511,7-14Ra _T15K6, мкм3,23,23,2-6,36,36,3-8,210,0-12,512,5-2530-50* Зона повышенной твердости - поверхностный слой детали, имеющий максимальную микротвердость на поверхности и снижающийся по мере углубления до микротвердости основы металла.
** Минимальная твердость в нижнем участке слоя.
*** Максимальная твердость на поверхности слоя.

Предлагаемый способ может быть также использован и для среднеуглеродистых легированных сталей. Так, при ЭЭЛ углеродом среднеуглеродистой легированной стали 40Х с производительностью 5 мин/см² при энергии разряда 6,8 Дж толщина слоя повышенной твердости составляла более 1,15 мм. Шероховатость поверхности при этом соответствовала 11,7-14,0 мкм.

Изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим способам обработки, в частности способам цементации стальных деталей электроэрозионным легированием. Способ включает использование в качестве анода графитового электрода, а в качестве катода - детали из низкоуглеродистой легированной стали аустенитного класса. Легирование осуществляют с производительностью 1,0-5,0 мин/см² и энергией разряда 0,036-6,8 Дж и формируют легированные поверхностные слои толщиной от 4-5 до 320-350 мкм. Технический результат - повышение твердости и износостойкости поверхностного слоя деталей. 1 табл.

Способ цементации стальной детали электроэрозионным легированием графитовым электродом, включающий использование в качестве анода графитового электрода и в качестве катода стальной детали, отличающийся тем, что в качестве катода используют деталь из низкоуглеродистой легированной стали аустенитного класса, легирование осуществляют с производительностью 1,0-5,0 мин/см² и энергией разряда 0,036-6,8 Дж и формируют легированные поверхностные слои толщиной от 4-5 до 320-350 мкм.