Способ обработки карданных колец игольчатых подшипников из стали Российский патент 2024 года по МПК C21D1/78 C21D9/40 C23C8/22 C22C38/20 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к химико-термической обработке карданных колец игольчатых подшипников, которые эксплуатируются в автомобильной промышленности и специальной технике, и может быть использовано в подшипниковой промышленности при производстве подшипников.

Из уровня техники известно техническое решение «Способ закалки колец подшипника качения и подшипник качения» по патенту РФ на изобретение № 2493269, МПК C21D 9/40, C21D 1/42, С22С 38/20, F16C 33/64, F16C 33/32, опубл. 20.06.2013. В известном решении способ закалки подшипника качения включает предварительную закалку материала колец, последующую индукционную закалку с нагревом по меньшей мере части материала колец и их охлаждением, при этом предварительную закалку осуществляют в виде объемной закалки колец из стали, содержащей, мас. %: С 0,95-1,05, Si 0,15-0,3, Mn 0,15-0,3, Cr 0,35-0,5, Ni, Cu не больше 0,3, Р, S не больше 0,3 и Fe, путем их нагрева до температуры 830-870°С и выдержки общим временем не меньше 1 ч с последующим охлаждением, а индукционную закалку осуществляют путем нагрева поверхностного слоя кольца током высокой частоты при общей продолжительности нагрева 15-50 с до температуры 820-1050°C с последующим охлаждением на протяжении 4-10 с до температуры ниже температуры начала мартенситного преобразования с последующим охлаждением на протяжении 30-60 с до температуры окружающей среды.

Недостатком известного решения является низкая технологичность, так как предварительная и окончательная закалки выполняются на разных этапах, кроме того, индукционный нагрев не обеспечивает равномерного нагрева заготовки, что отрицательно влияет на качество обрабатываемых деталей. А нагрев заготовки в среде, не исключающей окислительные процессы, приводит к увеличению вероятности появления дефектных слоев, образующихся в процессе нагрева.

Известен состав в виде пасты, содержащий сажу и до 55% карбамида, применяемый в интервалах температур 550-600°С (Патент 2254396 Российской Федерации, МПК С23С 8/76. Способ нитроцементации металлов в пастах/ заявитель и патентообладатель Курская государственная сельскохозяйственная академия им. проф. И.И. Иванова - 2003128356/02; заявл. 19.09.2003; опубл. 20.06.2005). Состав применим к ограниченному количеству сталей и недостаточно эффективен при высокотемпературной цементации.

Известный способ закалки тонкостенных колец роликового подшипника за а.с. СССР №1475932 (опубл. 30.04.1989, МПК C21D 1/06, C21D 1/60), что включает индукционное нагревание колец и их охлаждение.

Недостатком известного способа является необходимость постоянного контроля температуры при охлаждении детали, которая обусловливается разной интенсивностью охлаждения для разной температуры поверхности кольца подшипника. Также указанный способ нуждается в использовании спреера сложной конструкции.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ термообработки стальных деталей для повышения их прочностных показателей, заключающийся в насыщении поверхностного слоя углеродом при температуре нагрева 930-950°С, с последующей закалкой в масле и низкотемпературным отпуском (Патент 2087550 Российской Федерации, МПК C21D 1/42, С23С 8/22. Способ термической обработки деталей из легированной стали / заявитель и патентообладатель АО «АвтоВАЗ» - №95114513/02; заявл. 04.08.1995; опубл. 20.08.1997).

Реализация данного способа требует дополнительного проведения высокотемпературного отпуска термообработанной стальной детали, закалки токами высокой частоты, использования 5-10% водного раствора охлаждающей жидкости с добавкой эмульгаторов и последующего низкотемпературного отпуска.

Недостатками известных способов и прототипа являются невысокая износостойкость поверхности из-за неоднородности диффузионного слоя и образования в диффузионном слое хрупких фаз, а также низкая производительность процесса. Химико-термическая обработка с использованием известных способов приводит к следующим негативным явлениям: существует высокая вероятность образования неравномерного слоя с уменьшенной концентрацией насыщаемого вещества, неоднородной и пониженной твердостью материала поверхностного слоя, возникновением дефектных участков. Для удаления дефектных участков поверхностного слоя после химико-термической обработки проводится шлифование, однако при удалении обедненного дефектного слоя часто образуются прижоги и ряд других характерных дефектов поверхностного слоя, что приводит в результате к снижению износостойкости деталей.

Техническая задача заявленного решения заключается в интенсификации процесса химико-термической обработки карданных колец игольчатых подшипников, при которой будет обеспечено атомарное насыщение углеродом и, как следствие, повышение износостойкости деталей.

Техническим результатом заявленного решения является обеспечение требуемого диффузионного насыщения углеродом, достижение равномерности глубины слоя по площади изделия, снижение закалочных деформаций в процессе обработки и сокращение энергозатрат за счет совмещения выполнения операций на одном оборудовании.

Технический результат достигается за счет применения разработанной технологии химико-термической обработки карданных колец игольчатых подшипников из стали, содержащей, мас. %: С (углерод) 0,12-0,19, Si (кремний) 0,17-0,37, Mn (марганец) 0,85-1,15, P (фосфор) <0,03, S (сера) <0,035, Cr (хром) <0,3, Ni (никель) <0,3, Cu (медь) <0,3, Fe (железо) - остальное, на автоматизированной линии химико-термической обработки.

Цементационно-закалочная печь автоматизированной линии химико-термической и термической обработки разделена условно на 6 зон, имеет перегородки в верхней части, над конвейерной лентой. В каждой зоне устанавливается определенная температура, а также производится регулируемая подача технологических веществ - метанола в жидком состоянии и газообразного пропан-бутана - расходуемых на создание защитно-науглероживающей атмосферы.

Нагрев осуществляется в газозащищенной камере в течение 585±135 мин. Временной интервал зависим от размера кольца игольчатого подшипника.

В первой зоне происходит нагрев деталей до температуры 890±5°C, что обеспечивает аустенитное превращение в стали 15Г1. Далее нагрев ведут до 935±20°С во второй зоне, до 940±20°C в третьей, до 940±20°C в четвертой, до 940±20°C в пятой и до 845±10°C в шестой зоне с использованием карбюризатора для атомарного насыщения углеродом, состоящим из смеси метанола и пропана. Подача метанола производится в зоны 2, 3, 4, 5, 6, в которых уже установлена температура цементации. Подача пропан-бутана подается осуществляется в зоны 3, 4, 5 и 6. Расход метанола - 15-20 л/ч, расход пропан-бутана - 100-1000 л/ч в зависимости от величины углеродного потенциала.

После прохождения шестой зоны детали с конвейерной ленты попадают в закалочный масляный бак, оборудованный масляным спрейером, который образует струи масла перед масляным зеркалом бака, служащие для предотвращения появления брызг. Дополнительно в маслобаке установлены насосы для обеспечения циркуляции масла, за счет которой увеличивается интенсивность процесса закалки и сбивается паровая рубашка на закаливаемых деталях. Процесс осуществляется в закалочном масле И20-А ГОСТ 20799 или МЗМ 26 ТУ 0253-050-48120848-2009 при температуре масла до 70±10°C в течение 7±5 мин.

После маслобака закаленные детали по конвейеру попадают в моечную машину, где они струйным методом при помощи моечного состава очищаются от остатков масла и затем потоком воздуха осушаются. Процесс осуществляется при температуре до 50°C в течение 17±5 мин в моечном растворе на основе воды с добавкой эмульсионного средства, напр. марки «Юниклин» 200 ТУ 2480-001-17109824-2015 концентрацией 1-3%, а также консерванта нитрита натрия в количестве 5-10 г/л.

Затем по конвейеру детали поступают в отпускную печь конвейерного типа для низкотемпературного отпуска при температуре 165±5°C в течение 150±30 мин. Температура отпуска и заданное время процесса обеспечивают снятие разного рода напряжений, вызываемых закалкой, и получение изделий с конечными требуемыми физико-механическими свойствами.

Осуществление обработки в одном непрерывном цикле без перемещения деталей между этапами обработки позволяет: сократить технологический цикл за счет исключения межоперационного транспортирования деталей; снизить затраты на энергоресурсы за счет оптимизации технологического процесса путем совмещения выполнения операций на одном оборудовании и, как следствие, высвобождение отдельных термоагрегатов, предназначенных только для выполнения одной операции термообработки.

Заявленный способ химико-термической обработки карданных колец игольчатых подшипников может быть произведен, в частности, с использованием автоматизированной линии химико-термической обработки мод. JH-802 или на аналогичном оборудовании, обеспечивающим поддержание заявленных технологических параметров.

Результаты опытных работ, проведенных на базе ООО «10-ГПЗ», подтверждены положительными лабораторными заключениями ОАО «ОК-Лоза» на соответствие требованиям нормативно-технической документации по качеству химико-термической обработки колец игольчатых подшипников из стали 15Г1 по ТУ 14-1-2247-08.

Сравнение заявляемого решения с уровнем техники по научно-технической и патентной документации на дату проведения исследований 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".

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к химико-термической обработке карданных колец игольчатых подшипников, которые эксплуатируются в автомобильной промышленности и специальной технике, и может быть использовано в подшипниковой промышленности при производстве подшипников. Способ обработки карданных колец игольчатых подшипников из стали включает предварительный нагрев, цементацию, подстуживание перед закалкой, закалку, промывку и отпуск, при этом осуществляют обработку колец подшипников из стали, содержащей, мас.%: С (углерод) 0,12-0,19, Si (кремний) 0,17-0,37, Mn (марганец) 0,85-1,15, P (фосфор) <0,03, S (сера) <0,035, Cr (хром) <0,3, Ni (никель) <0,3, Cu (медь) <0,3, Fe (железо) - остальное, в одном термоагрегате с конвейерной лентой путем многозонного нагрева в газозащищенной камере в течение 585±135 мин, в первой зоне, в которой нагрев ведут до 890±5°C, во второй зоне - до 935±20°, в третьей зоне - до 940±20°C, в четвертой зоне - до 940±20°C, в пятой зоне - до 940±20°C, в шестой зоне - до 845±10°C с использованием карбюризатора для атомарного насыщения углеродом, состоящего из смеси метанола и пропана, с последующей закалкой в закалочном масле при температуре масла до 70±10°C в течение 7±5 мин, промывкой в моечном растворе на основе воды с добавкой эмульсионного средства для очистки от загрязнений, концентрацией 1-3%, а также консерванта нитрита натрия в количестве 5-10 г/л, при температуре до 50°C в течение 17±5 мин и низкотемпературном отпуске при температуре 165±5°C в течение 150±30 мин. Технический результат заключается в обеспечении требуемого диффузионного насыщения углеродом, достижения равномерности глубины слоя по площади изделия, снижении закалочных деформаций в процессе обработки и сокращении энергозатрат за счет совмещения выполнения операций на одном оборудовании.

Способ обработки карданных колец игольчатых подшипников из стали, включающий предварительный нагрев, цементацию, подстуживание перед закалкой, закалку, промывку и отпуск, отличающийся тем, что осуществляют обработку колец подшипников из стали, содержащей, мас.%: С (углерод) 0,12-0,19, Si (кремний) 0,17-0,37, Mn (марганец) 0,85-1,15, P (фосфор) <0,03, S (сера) <0,035, Cr (хром) <0,3, Ni (никель) <0,3, Cu (медь) <0,3, Fe (железо) - остальное, в одном термоагрегате с конвейерной лентой путем многозонного нагрева в газозащищенной камере в течение 585±135 мин, в первой зоне которой нагрев ведут до 890±5°C, во второй зоне - до 935±20°С, в третьей зоне - до 940±20°C, в четвертой зоне - до 940±20°C, в пятой зоне - до 940±20°C, в шестой зоне - до 845±10°C с использованием карбюризатора для атомарного насыщения углеродом, состоящего из смеси метанола и пропана, с последующей закалкой в закалочном масле при температуре масла до 70±10°C в течение 7±5 мин, промывкой в моечном растворе на основе воды с добавкой эмульсионного средства для очистки от загрязнений, концентрацией 1-3%, а также консерванта нитрита натрия в количестве 5-10 г/л, при температуре до 50°C в течение 17±5 мин и низкотемпературном отпуске при температуре 165±5°C в течение 150±30 мин.