Способ термической обработки детали из стали Российский патент 2023 года по МПК C21D9/40 C21D9/36 C21D1/25 

Техническое решение относится к области машиностроения и металлообработки, в частности, к термической и химико-термической обработке, и может быть использовано при термической обработке деталей из стали.

Известен способ закалки изделий из сталей и сплавов мартенситного и переходного классов, заключающийся в том, что обрабатываемое изделие после подготовки садки нагревают при обычной для данной стали температуре закалки. После выдержки при температуре нагрева изделие переносят в ванну с расплавом солей (щелочей). Температура расплава может быть в интервале от 400°С до температуры на 30-40°С выше начала мартенситного превращения обрабатываемой стали (сплава). В этом расплаве изделие выдерживают в течение времени до температуры, при которой не происходит выделения вторичных фаз, охрупчивающих металл и одновременно исключающих стабилизацию аустенита. Для большинства сплавов время выдержки составляет 3-5 мин. Затем изделие вынимают из расплава и охлаждают на воздухе. Для изделий из сталей и сплавов переходного класса производят дополнительное охлаждение до обычных, для данной марки стали, минусовых температур. Авторское свидетельство № 246554, МПК C21D 6/00; C21D 1/607; C21D 1/673; C21 D 6/04; опубликовано 1969.06.20.

Недостатками такого способа закалки изделий из сталей и сплавов являются: возможное трещинообразование, вызванное технологической наследственностью, и изменение химического состава поверхностного слоя стали, что, в зависимости от среды нагрева, приводит к стабилизации аустенита в поверхностном слое и существенному уменьшению усталостной прочности и коррозионной стойкости сталей и сплавов мартенситного и переходного классов.

Известен способ термической обработки шаров после штамповочного или прокатного нагрева, включающий выравнивание температуры по сечению каждого шара естественным путем на воздухе до температуры выше температуры закалки, затем подстуживание шаров до температуры закалки путем орошения их водой. Далее проводят закалку шаров в воде закалочной ванны до температуры 300°С, во время прохождения закалочным барабаном половины оборота. После закалки проводят самоотпуск шаров. Патент РФ № 2455369, МПК C21D 9/36; опубликован 10.07.2012.

Недостатками данного способа являются неоднородность микроструктуры и твердости шаров и, как следствие, увеличение градиента температуры по сечению шаров при орошении водой при подстуживании. Кроме того, шары в закалочной установке охлаждаются до температуры, обеспечивающей самоотпуск, что приводит к образованию недостаточного количества мартенсита в микроструктуре и не позволяет получать шары особо высокой твердости.

Известен также способ термической обработки стальных деталей в двухкамерной печи, выбранный в качестве ближайшего аналога, при котором обрабатываемые изделия нагревают в камере нагрева печи до температуры закалки, затем охлаждают в масле или в безокислительной среде, или в вакууме в камере охлаждения печи, или на воздухе. ОСТ 92-1311-77 Детали из сталей и сплавов. Технические требования и термическая обработка (с Изменениями N 13, 14).

Недостатком данного способа является использование дополнительного оборудования для закалки деталей с применением масла с дополнительным обеспечением мер по охране и безопасности труда при работе с ним, что приводит увеличению материальных затрат, труда и времени при применении данного способа, а также возможному загрязнению окружающей среды горячим отработанным маслом, что уменьшает экологичность процесса.

Задачей заявляемого технического решения является создание способа обработки деталей из стали, позволяющего повысить качество обработанного материала и обеспечить технологичность и экологичность процесса.

Технический результат заявленного решения заключается в повышении технологичности и экологичности способа обработки деталей из стали и улучшении показателей качества материала деталей, получаемых в процессе обработки.

Повышение технологичности способа достигается, в частности, за счет сокращения времени цикла обработки в процессе производства и увеличения безопасности способа при охлаждении детали с помощью масла.

Повышение экологичности способа достигается, в частности, за счет осуществления процесса охлаждения деталей в замкнутой камере и предотвращения загрязнения окружающей среды горячим отработанным маслом.

Улучшение показателей качества материала деталей достигается, в частности, за счет уменьшения в нем дефектных слоев, достижения оптимальных показателей прочности, твердости материала.

Заявляемый технический результат достигается тем, что способ термической обработки детали из стали характеризуется тем, что осуществляют ступенчатый нагрев детали в замкнутой камере нагрева вакуумной закалочной печи, при котором первоначально деталь загружают в камеру нагрева, температура в которой достигает 600°С, затем повышают температуру до 700°С и выдерживают деталь при данной температуре в течение 3-15 минут, затем повышают температуру до 800°С и выдерживают деталь при данной температуре в течение 3-15 минут, затем повышают температуру до 810-860°С и выдерживают деталь в течение периода времени, равного 90-120 секунд на 1 мм сечения детали, затем осуществляют охлаждение детали в замкнутой камере охлаждения вакуумной закалочной печи с закалочным масляным баком с установленной мешалкой при температуре 30-80°С в течение 5-25 минут и отпуск при температуре 150-175°С в течение 2-4 часов. Предпочтительно после охлаждения детали проводят обработку холодом при температуре от -65°С до 0°С в течение 30-60 минут.

Термическая обработка детали из стали, при которой осуществляют ступенчатый нагрев детали в замкнутой камере нагрева вакуумной, предпочтительно двухкамерной, печи, при котором первоначально деталь загружают в камеру нагрева, температура в которой достигает 600°С, значительно сокращает время процесса, что обеспечивает его технологичность.

Ступенчатый нагрев детали из стали, при котором повышают температуру до 700°С и выдерживают деталь при данной температуре в течение 3-15 минут, затем повышают температуру до 800°С и выдерживают деталь при данной температуре в течение 3-15 минут позволяет обеспечить равномерный нагрев садки при проведении обработки, для подготовки исходной микроструктуры к последующим изменениям. Точное время выдержки выбирается исходя из объема обрабатываемой детали, однако диапазон ограничивают минимально и максимально допустимые значения, при которых осуществляются необходимые изменения в структуре материала, обеспечивающие увеличение показателей качества материала обрабатываемой детали.

Дальнейшее повышение температуры до 810-860°С и выдержка садки в течение периода времени, определяемого, исходя из расчета 90-120 секунд на 1 мм сечения детали, обеспечивает окончательный нагрев детали для проведения охлаждения и получения необходимой микроструктуры и механических свойств в результате закалки, что увеличивает показатели качества материала обрабатываемой детали. Режим при температуре ниже указанного диапазона может привести к пониженной твердости детали, уменьшая показатели качества материала и, следовательно, снижая прочность детали при работе в различных температурных диапазонах. Кроме того, при температуре выше указанного диапазона наблюдается рост зерна аустенита, приводящий к крупноигольчатому мартенситу, и увеличение количества остаточного аустенита, что, в свою очередь, приводит к снижению прочности детали, что также уменьшает показатели качества материала обрабатываемой детали.

Нагрев в замкнутой камере нагрева вакуумной печи, предпочтительно двухкамерной, позволяет обеспечить нагрев детали в среде, исключающей окислительные процессы, для минимизации вероятности появления дефектных слоев, образующихся в процессе нагрева, что увеличивает показатели качества материала обрабатываемой детали. Глубина обезуглероженного слоя при таком способе обработки в процессе нагрева и охлаждения детали составляет 0-10 мкм, что в 10-20 раз меньше, чем при использовании соляных и селитровых ванн, а также шахтных печей, когда происходит неизбежное окисление материала поверхности горячей детали при контакте с воздухом, что увеличивает показатели качества материала обрабатываемой детали. Кроме того, осуществление нагрева в замкнутой камере печи за счет равномерного распределения температуры в печи с точностью ±5°С и, соответственно, более равномерного нагрева обрабатываемой детали, а также более точного исполнения заданных времен выдержки на технологических температурах (отсчет времени выдержки начинается после подхода на необходимую температуру, из-за различного веса садок время подхода на необходимую температуру всегда разное) достигается идентичность результатов при проведении термической обработки, что обеспечивает технологичность заявляемого способа. Кроме того, равномерное распределение температуры в замкнутой камере вакуумной печи за счет того, что равномерный нагрев обрабатываемой детали препятствует возникновению напряжений в материале, сводит к минимуму изменение формы и размеров детали, что увеличивает показатели качества материала, обеспечивает технологичность заявляемого способа, вследствие отсутствия дополнительной обработки детали.

Охлаждение детали в замкнутой камере охлаждения вакуумной закалочной печи с закалочным масляным баком с установленной мешалкой для циркуляции масла при температуре 30-80°С в течение 5-25 минут обеспечивает равномерное охлаждение всей садки с необходимой скоростью для получения нужной микроструктуры материала, что увеличивает его показатели качества. Кроме того, охлаждение детали согласно заявляемому способу способствует получению необходимого объемного соотношения аустенита и мартенсита в структуре материала, и сведения к минимуму изменений геометрических параметров детали, вследствие разного удельного объема этих структур и возникновению напряжений в материале, что обеспечивает технологичность заявляемого способа, вследствие отсутствия необходимости дополнительной механической обработки детали. Охлаждение детали при температуре масла менее 30°С приводит к повышенным напряжениям в материале и изменению геометрических параметров детали за счет ее неравномерного охлаждения, что уменьшает технологичность способа вследствие необходимости дополнительной обработки детали для придания ей необходимой формы и размеров, а также уменьшает показатели качества материала. При этом охлаждение при температуре более 80°С приводит к неполному мартенситному превращению, что уменьшает твердость и повышает содержание остаточного аустенита, снижая прочность детали, тем самым уменьшая показатели качества материала обрабатываемой детали. Охлаждение в течение менее 5 минут также приводит к неполному мартенситному превращению с уменьшением показателей качества материала, а в течение более 25 минут приводит к увеличению длительности цикла охлаждения и, соответственно, всего цикла термообработки, что уменьшает технологичность способа. Осуществление охлаждения в замкнутой камере исключает загрязнение окружающей среды горячим отработанным маслом, что обеспечивает экологичность заявляемого способа, а также минимизирует его вредное воздействие на оператора, повышая безопасность и, следовательно, технологичность способа.

Отпуск при температуре 150-175°С в течение от 2-х до 4-х часов обеспечивает переход нестабильной структуры мартенсита закалки в более стабильную структуру мартенсита отпуска, стабилизацию остаточного аустенита и снятие внутренних напряжений в материале, а также формирование окончательных параметров детали, требования к которым установлены в отраслевой документации, что обеспечивает увеличение показателей качества материала обрабатываемой детали, а также технологичность способа за счет получения детали без необходимости дополнительного изменения ее геометрических параметров. Отпуск при температуре менее 150°С характеризуется повышенной твердостью и повышенными внутренними напряжениями в материале, а также нестабильностью структурных составляющих, которые приводят к пониженной прочности и нестабильности размеров детали в процессе эксплуатации, что уменьшает показатели качества материала. Отпуск при температуре более 175°С приводит к снижению твердости ниже технически допустимых требований, что негативно скажется на износостойкости детали, уменьшая показатели качества материала. Кроме того, уменьшение времени отпуска не устраняет внутренние напряжения в материале, что не позволяет получить заданного комплекса механических свойств, что, в свою очередь, уменьшает прочность и износостойкость детали, уменьшая показатели качества материала, а увеличение времени отпуска увеличивает цикл термообработки, уменьшая технологичность способа.

В предпочтительном варианте заявляемого способа после охлаждения детали проводят обработку холодом при температуре от -65°С до 0°С в течение 30-60 минут для превращения остаточного аустенита в мартенсит, что повышает твердость, прочность и износостойкость материала, дополнительно увеличивая показатели качества материала обрабатываемой детали, а также для стабилизации геометрических размеров детали, что повышает технологичность заявляемого способа. При осуществлении обработки холодом при температуре выше 0°С степень превращения остаточного аустенита в мартенсит будет недостаточно полной, что может оказать негативное влияние на твердость и прочность детали, уменьшив показатели качества материала. При этом, обработка холодом при температуре ниже -65°С нецелесообразна, так как мартенситные превращения, при данной температуре, завершаются. Кроме того, осуществление охлаждения в течение менее 30 минут не обеспечивает превращение остаточного аустенита в мартенсит внутри детали, а только в поверхностных слоях материала, что уменьшает прочность и твердость детали, уменьшая показатели качества материала. При этом охлаждение холодом более 60 минут увеличивает время цикла обработки холодом, уменьшая технологичность способа, и, к тому же, не влияет на результаты обработки, так как мартенситные превращения за указанный период времени при указанной температуре завершаются.

Осуществление процесса термообработки в вакуумной закалочной печи и перемещение детали между камерами нагрева и охлаждения происходит автоматически и занимает короткий промежуток времени, что не позволяет произойти подстыванию детали, соответственно сохраняется ее поверхностная твердость, что увеличивает показатели качества материала, сокращается технологический цикл, исключаются трудоемкие вспомогательные операции по извлечению и перемещению детали на другое оборудование, что обеспечивает технологичность заявляемого способа, а также исключаются вредные факторы воздействия на оператора и окружающую среду, что обеспечивает экологичность и повышает безопасность процесса.

Заявляемый способ термической обработки детали из стали предпочтительно использовать для детали, изготовленной из стали ШХ15, характеризующейся составом, масс. %: углерод 0,95 - 1,05, кремний 0,17 – 0,37, марганец 0,20 – 0,40, хром 1,30 - 1,65, сера – не более 0,02, фосфор - не более 0,027, никель - не более 0,30, медь - не более 0,25, титан - не более 0,01, железо – остальное; или из стали ШХ15СГ, характеризующейся составом, масс. %: углерод 0,95- 1,05, кремний 0,40 – 0,65, марганец 0,90 – 1,20, хром 1,30 -1,65, сера - не более 0,02, фосфор - не более 0,027, никель – не более 0,30, медь - не более 0,25, титан – не более 0,01, железо – остальное. Способ может быть применим также для обработки детали, изготовленной из сталей марок, ШХ15-Ш, ШХ15-В, ШХ15-ШД, ШХ15СГ-Ш, отличающихся способом получения.

Особенно актуален заявленный способ при обработке колец и тел качения подшипников и может быть произведен, в частности, с использованием вакуумной двухкамерной закалочной термической печи CMDe9 производства Seco/Warwick или аналогичного оборудования, обеспечивающим поддержание заявляемых технологических параметров.

Деталь подвергают ступенчатому нагреву в замкнутой камере вакуумной печи, при котором первоначально деталь загружают в камеру нагрева, температура в которой достигает 600°С, затем повышают температуру до 700°С и выдерживают деталь при данной температуре в течение 3-15 минут, затем повышают температуру до 800°С и выдерживают деталь при данной температуре в течение 3-15 минут, затем повышают температуру до 810-860°С и выдерживают деталь в течение периода времени, равного 90-120 секунд на 1 мм сечения детали, затем осуществляют охлаждение детали в закалочном масляном баке с установленной мешалкой для циркуляции масла с температурой 30-80°С в течение 5-25 минут и отпуск при температуре 150-175°С в течение 2-4 часов.

Результаты опытных работ, проведенных на базе ООО «ВЗСП» подтверждены положительными заключениями лабораторий на соответствие требованиям нормативно технической документации, нормам металлографического контроля и контроля твердости деталей в процессе проведения обработки.

Заявленный способ обработки колец и тел качения подшипников из указанных марок сталей позволяет достичь технологических свойств стали по микроструктуре и твердости, отвечающим требованиям отраслевых нормативных документов. При этом при обработке деталей, изготовленных из указанных марок сталей, обеспечивается сокращение обезуглероженного слоя до 20 раз относительно классической технологии при соблюдении требований внутриотраслевой документации, регламентирующей качество термической обработки.

Представленный пример реализации способа не исчерпывает возможные варианты исполнения и не ограничивает каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения и использования в объеме заявляемой формулы.

Изобретение относится к области машиностроения и металлообработки, в частности к термической и химико-термической обработке, и может быть использовано при термической обработке деталей из стали. Способ термической обработки детали из стали характеризуется тем, что осуществляют ступенчатый нагрев детали в замкнутой камере нагрева вакуумной закалочной печи, при котором первоначально деталь загружают в камеру нагрева, температура в которой достигает 600°С, затем повышают температуру до 700°С и выдерживают деталь при данной температуре в течение 3-15 минут, затем повышают температуру до 800°С и выдерживают деталь при данной температуре в течение 3-15 минут, затем повышают температуру до 810-860°С и выдерживают деталь в течение периода времени, равного 90-120 секунд на 1 мм сечения детали, затем осуществляют охлаждение детали в замкнутой камере охлаждения вакуумной закалочной печи с закалочным масляным баком с установленной мешалкой при температуре 30-80°С в течение 5-25 минут и отпуск при температуре 150-175°С в течение 2-4 часов. Предпочтительно после охлаждения детали проводят обработку холодом при температуре от -65°С до 0°С в течение 30-60 минут. Технический результат заключается в повышении технологичности и экологичности способа обработки деталей из стали и улучшении показателей качества материала деталей, получаемых в процессе обработки.

1. Способ термической обработки детали из стали, при котором осуществляют ступенчатый нагрев детали в замкнутой камере нагрева вакуумной закалочной печи, при котором первоначально деталь загружают в камеру нагрева, температура в которой достигает 600°С, затем повышают температуру до 700°С и выдерживают деталь при данной температуре в течение 3-15 минут, затем повышают температуру до 800°С и выдерживают деталь при данной температуре в течение 3-15 минут, затем повышают температуру до 810-860°С и выдерживают деталь в течение периода времени, равного 90-120 секунд на 1 мм сечения детали, затем осуществляют охлаждение детали в замкнутой камере охлаждения вакуумной закалочной печи с закалочным масляным баком с установленной мешалкой при температуре 30-80°С в течение 5-25 минут и отпуск при температуре 150-175°С в течение 2-4 часов.

2. Способ термической обработки детали из стали по п.1, отличающийся тем, что после охлаждения детали проводят обработку холодом при температуре от -65°С до 0°С в течение 30-60 минут.