Способ химико-термической обработки металлических изделий Советский патент 1992 года по МПК C23C8/26 C21D1/09 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при газовой химико-термической обработке металлических изделий.

Известны способы газовой химико- термической обработки, включающие помещение в замкнутую герметичную камеру с газовой насыщающей средой изделий, их нагрев, выдерлку и последующее охлаждение, обеспечивающие формирование4 диффузионных слоев с определенными параметрами по толщине, структуре и свойствам. Приведенные решения касаются таких процессов, как газовая цементация, газовая нитроцементация, газовое азотирование, газовая карбо- нитрация.

Недостатками способов газовой химико-термической обработки являются чрезмерно большая длительность процесса насыщения, (иногда до нескольких десятков часов), отсутствие необходимой гомогенности структуры диффузионного слоя, существенное понижение прочностных и особенно пластических характеристик за счет обеднения легирующими элементами, диффундирующими от сердцевины к поверхности, и образования на ней в результате взаимодействия с насыщающими элементами высококонцентрированных фаз, в т.ч. хрупких, например Ј-фаза (при азотировании, карбонитрации).

Приведенные недостатки отрицательно йлияют на срок службы обрабатываемых изделий, повышают трудоемкость их изготовления, увеличивают энергоемкость процесса обработки, способствуют повышенному расходу насыщающих реагентов.

XJ

ю 0ч

10

Известен способ обработки поверхности изделий, включающий помещение в замкнутую рабочую камеру с газовой средой изделия, стальных шариков и порошка легирующего элемента (например, карбонила молибдена), приведение в движение шариков ( 0,95-2,5 мм) до столкновения с обрабатываемой по- верхностью изделия с помощью ультразвукового поля (f 17,3 кГц), создаваемого в рабочей камере при колеба- ниях одной из ее стенок с заданной амплитудой смещения (60 мкм).

Для реализации этого способа необ- 15 холима иметь магнитострикционный ультразвуковой преобразователь, ультразвуковое волновое устройство, ге не- ратор, специальный конический концентратор , специальную камеру с под- 20 вижной стенкой. Данный способ обеспечивает повышение стойкости и увеличение срока службы изделий в 1,5-2 раза и является эффективным для упрочнения (с одновременным восстановлением) 25 деталей форм ЛПД и обработки внутренней поверхности труб с целью повышения их долговечности.

Недостатками известного способа являются слишком малая толщина упрочненного слоя (не превышает 0,01 мм), невозможность получения глубоких диффузионных слоев, так как какая-либо интенсификация диффузии невозможна из-за низкой температуры (не превышает комнатную) на обрабатываемом изделии, невозможность обработки окончательно изготовленных изделий с острыми кромками, невозможность выполнения многократных переточек изделий (в частности, инструмента) из-за малого диффузионного слоя, имеющее место повышение прочностных и пластических характеристик поверхностного деформированного слоя быстро утрачивается под воздействием температуры из- за снятия наклепа, ухудшение шероховатости пов ерхности, особенно при ис- дюльзовании шариков диаметром более 1,5 мм, необходимость использования дорогостоящего оборудования и аппаратуры, малая эффективность способа при обработке изделий сложной формы и невозможность обработки изделий с от- верстиями диаметром менее 3 мм, процесс не представляется возможным ин,- тенсифицировать (или сделать это .очень трудно) за счет повышения тем пературы и применения активной насы30

-Q

35

40

45

55

0

5 0 5

).

0

щающей среды, так как рабочая камера не может быть герметизирована.

Наиболее близким к изобретению является способ азотирования стальных изделий, заключающийся в нагреве изделий, выдержке в азотсодержащей среде и охлаждении.

Недостатками этого способа являются большая длительность процесса насыщения, отсутствие необходимой гомогенности структуры диффузионного слоя.

Целью изобретения является увеличение стойкости изделий и интенсификация процесса насыщения.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу химико-термической обработки осуществляют нагрев металлических изделий до температуры диААузИонного насыщения, выдержку при этой температуре с одновременной подачей в зону насыщения, представляющей собой замкнутый об-ьем насыщающей среды, и охлаждение, причем на насыщающую среду и обрабатываемые металлические1 изделия воздействуют упругими волнами звукового поля с частотой 40-1600 Гц, уровнем звукового давле- ния 100-170 дБ, временем звукового воздействия 3-5 мин и паузами между звуковым воздействием 3-5 мин.

Звуковое поле генерируется газовым акустическим излучателем, который работает от сети сжатого воздуха при перепаде давлений 0,2-4,0 атм. Газовый акустический излучатель размещается на крышке стандартной электрической печи.

Созданное в рабочем пространстве печи гомогенное звуковое поле указанных параметров обеспечивает возникновение мощных радиационных давлений и акустических потоков, которые одног временно возбуждают насыщающую среду, резко повышая ее активность, и приводят к образованию на поверхности обрабатываемого изделия, как и по всему его объему, большого количества точечных и линейных дефектов (вакансии, Q дислокации), обеспечивающих благоприятные условия для протекания диффузионных процессов с одновременным . дислокационным старением высоколегиГ рованного пересыщенного твердого ра- - створа и выделением из него высоко- дисперсной упрочняющей фазы.

При частотах ниже нижнего и выше верхнего указанных пределов не достигается устойчивый резонанс в насыщаю-.

гr-k Г- 5

0

5

5

щей среде. При частоте ниже нижнего предела отсутствует структурный резонанс в обрабатываемой детали, а при частоте выше верхнего предела струк- I турный резонанс практически неуправляем.

Отмеченные особенности создания резонансных явлений в подсистемах (насыщающая среда, обрабатываемое изделие) в отдельных случаях уменьшают диффузионную подвижность насыщающих атомовs ухудшают условия массоперено- са, а. в других случаях могут приводи даже к заметному снижению прочностных я пластических характеристик упрочненных слое.

При звуковом давлении нигсе 100 дБ скорость протекания диффузионных процессов практически постоянная и «мест недостаточные значения для существенного ускорения формирЬаания упрочнен ных слоев по сравнению с прототипом. При звуковом давлении более 170 дБ скорость формирования диффузионных слоев продолжает возрастать, но по сравнению с отмеченным интервалом (100-170 дБ) прирост незначителен и не носит монотонного характера.

При времени звукового воздействия менее 3 мин механические свойства диффузионных слоев не дос ги гают максимальных значений, при превышении выдержки происходит резкое снижение механических свойств до значений в исходном состоянии.

Максимальный уровень механических свойств формируется при паузах 3- 5 мин. При увеличении пауз дальнейшего увеличения свойств KS происходит . При меньшей паузе уровень механических свойств такой же, как и при паузе 3-5 мин, однако расход насыщающей среды резко возрастает.

Для случая химике™термической обработки комплексным насыщением металлами и неметаллами, осуществляемой в печи типа СПЩ с использованием низкочастотного газового акустического излучателя, осциллятором (колеблющей- 1 ся системой) являются герметически

закрытый муфель (в основном его стен- 4 ки), обрабатываемое изделие и наськ- 1 щающая среда (газовая), представляю- щая собой в качестве основных диффук- дируадих элементов атомы азота, углерода и молибдена. В целом вся колеба тельная система, включающая осцилля0

5

С

5

O

5

0

5

0

5

тор и внешний источник, является параметрической.

Собственно муфель, обрабатываемое изделие и насыщающую среду можно рассматривать как самостоятельные колебательные системы. При этом вполне допустимой представляется возможность перекачки энергии от внешнего источника в одну из подсистем и затем перманентно в другие.

При подобной сложной колебательной системе мокно предположить, что одна или лчяе все подсистемы не будут гармонировать по частоте между собой.

Учитывая,, что резонанс представляет соГой кардинальное усиление амплч- ры уяденных колебаний осциллятора при приближении его собственной частоты к частоте излучателя, необходимо рассматривать спектры частот всех 1 одсистем.

При р ссмотрении механизма волнового оз ействия особое внимание следует уделять резонансу структур, которые имеют место на поверхности обрабатываемого материала, так как каждая из имеет собстреннуга частоту. Учитывая, что резонанс структур окЈз1 к ть существенное влияние на взаимную реакционную диффузию, т.е. на перераспределение углерода и легирующих элементов между твердым раст- ьором и карбидной фазой, особое внимание следует обращать на обертоны тех насыщающих атомов, которые пред- ставлк т наибольший интерес, т.е. можно предположить, что за счет изменения частоты излучателя можно подобрать такие условия, при которых один из i асыщающих элементов будет обла- 1 дать наибольшей подвижностью, а другие - значительно меньшей или совсем не будут обладать способностью к мае- сопереносу. При этом условии можно заключить, что предлагаемой химико- термической обработкой даже с использованием сложных насыщающих сред можно добиться протекания диффузионных С процессов требуемого элемента и формирования на поверхности заданных 1 структур и фаз.

В частности, если добиться резонансной частоты азота с подсистемой, представляющей обрабатываемое изделие, то наиболее вероятно, что на поверхности обрабатываемого объекта будет образовываться Ј-фаза. Если после образования 6-фазы вывести на резонансную частоту атомы углерода или молибдена то МОУШО не только усилить их диффузионную подвижность, но и одновременно разрушить плотную сетку с-фазы.

При рассмотрении механизма диффузии следует иметь в виду,что резонанс может наступить не только при полном совпадении частот осциллятора и генератора, но и при их кратном или дробном соотношении.

На основании изложенного можно было бы выбрать для исследования еле- дующий вариант обработки: добиться резонанса обрабатываемого изделия с целью появления на его поверхности точечных и линейных дефектов, способствующих протеканию диффузионных про- цессов, а также на поверхности обрабатываемых изделий резонанса структур для перевода их в метастабильное (неравновесное) состояние, кроме того параметрического резонанса (сначала возбудить муфель и через него изделие и насыщающую среду), добиться резонанса насыщающей газовой смеси, создав условие, при котором в обрабатываемую поверхность диффундируют по- следовательно мопибден, углерод, азот а затем и в целом тройной комплекс углерод-азот-молибден. Учитывая, что колебательная система является нелинейной (для которой характерен по- стаянный приток энергии извне), создать условия, при которых могут иметь место стабильные автоколебания одной из подсистем или всех вместе.

I

Анализируя причины повышения коэффициента диффузии для предлагаемой химико-термической обработки, можно предположить, ,что поверхность насыщаемого металл а находится под влияни- ем частотных циклических напряжений от звуковых волн. В этом случае возможно заметное повышение твердости обрабатываемого изделия . Однако это повышение может иметь место до извест- кого уровня. Затем между процессами генерирования и аннигиляции дислокаций может наступить равновесие, за которым последует разупрочнение (известный процесс возврата), объясняемое диффузией с участием вакансий при движении перегибов на дислокацию, причем концентрация вакансий предполагается аномально высокой.

Рассмотрим известные уравнения: Д Л0ехр(- )

exp(),

где /т - коэффициент диффучии илгыщаюцего элемента ,

р - коэффициент начальной диффузии, зависящий от типа кристаллической решетки насыщающего элемента,

Д - коэйсЬициент начальной диЛфуЗИИ ,

UI1 - энтальпия , US - энтропия; R - газовая постоянная-, Т - температура процесса. Энтальпия ДII характеризуется, в первую очередь, энергией образования вакансий и энергией перескока атома п вакансию, тогда предэкспоненциаль- ный множитель Д можно выразить чере Д , как функцию частоты перескока атомов. Отсюда следует, что увеличение числа вакансии должно повышать энтропию и при этом должен повышаться коэффициент начальной диффузии До В случае предлагаемой химико-термической обработки, когда в осцилляторе процесс образования точечных и линейных дефектов носит непрерывный характер, возможность наступления разупрочнения является маловероятной.

Если при гармонических колебаниях для которых характерна малая амплитуда, может иметь место структурный резонанс, приводящий к появлению дислокаций и образованию вакансий, то при обертонных колебаниях следует дополнительно ожидать возникновения новых

фаз с колебательным движением.

i

При выполнении предлагаемой химико термической обработки следует иметь в виду,что колебательная система любой атомной решетки представляет собой подсистему осциллятора и является механически неустойчивой (даже несмотря на то, что атомы в кристаллических решетках, при условии равенства волнового вектора нулю колеблются синфазно и, в целом, частоты смещений акустических колебаний кристаллической решетки стремятся к нулю). В связи с этим для интенсификации диффузионных процессов, происходящих как в, газовой насыщающей среде, так и в

насыщающем металле, эффективным может оказаться создание комплекса резонансных частот вплоть до фазового и структурного резонанса. В теорети- ческом плане процесс предлагаемой химико-термической обработки может быть достаточно усилен, если в подсистемах осциллятора и, особенно, в кристаллах обрабатываемого металла вызвать про- дольные колебания, которые по значениям гораздо более поперечных.

Пример 1. Обработка по известному способу - газовое азотирование.

Обработку проводят в шахтной печи .06/9,5. Насыщающая среда -г диссоциированный аммиак и молекулярный азот в соотношении 1:3. Степень диссоциации аммиака 25-30%, расход насыщающей среды 10 л/мин. Избыточное давление 40 мм вод.ст. Длительность обработки 40 ч. Температура насыщения 540±10°С.

Насыщаемый образец размером 10X10x X55 мм с чистотой обработки 1,25 из стали 40Х с твердостью 2900-3000 МПа. В результате обработки на поверхности получен диффузионный слой, характеризующийся глубиной азотирования 0,28-0,31 мм, твердостью поверхности 8600-9000 МПа (Н5о), наличие хрупкой 6-фазы - отдельные следы толщиной 10-15 мкм.

Пример 2. Обработка по из- вестному способу - газовая цементация.

Обработку проводят в шахтной печи СШН-04.06/9,5. Насыщающая среда - газообразные продукты разложения

синтина, расход синтина 110 --С 120 кап/мин в течение первого часа насыщения и 70-80 кап/мин в течение всего последующего процесса, температура насыщения 920-940°С, длитель- ность обработки 4 ч. Используемые образцы аналогичны указанным в примере 1 После цементации выполняют двойную закалку при 850г-860°С с охлаждением в масле и последующий низкотемпера- турный отпуск при 170-190 С в течение 2-2,5 ч.

Полученные свойства упрочненного слоя глубина цементации 0,3-0,4 мм, твердость поверхности 7800-8600 МПа

(Н50), наличие сетки карбидов - отдельные следы разорванной сетки.

Пример 3. Обработка по известному способу - поверхностно-плас

0

5 о

Q

5 .,

5

тическое деформирование в порошковой насыщающей среде с наложением мощного ультразвука.

Способ включает помещение в замкнутую рабочую камеру с газовой средой лабораторных образцов, характеристика которых дана в примере 1, стальных париков диаметром 2 мм и порошка карбонила молибдена дисперсностью 1-5 мкм.

Замкнутая рабочая камера имеет нижнюю подвижную стенку-основание.

Парики приводятся в движение/до столкновения с обрабатываемой поверхностью образца с помощью ультразвукового поля с частотой 17,3 кГ-ц. Нижняя стенка колеблется с амплитудой смещения 60 мкм. Способ реализуют с использованием магнитострикционного преобразователя, генератора и специального конического концентратора. Длительность обработки Ю мин, температура обработки комнатная.

Достигаемые параметры упрочненного слоя: толщина упрочненного слоя 40- 50 мкм, глубина диффуз ии С 3-5 мкм, глубина диффузии Мо 1 мкм, твердость поверхности 3600-3880 МПа (Н).

Пример 4. Обработка по известному способу - комплексное насыщение металлами и неметаллами.

Процесс выполняют в электропечи СПИМ-04.06/9, при 500-550°С.

Газообразная среда насыщения - продукт разложения карбамида и карбонила молибдена, расход насыщающей порошковой смеси 300-350 г/ч, длительность обработки 5 ч, избыточное давление 80-100 мм вод.ст. Характеристика образцов аналогична указанной в примере 1. Насыщающая среда подается с помощью дозатора роторного типа.

Характеристика упрочненного слоя: толщина диффузии 0,3-0,35 мм, твердость поверхности 8600-10500 МПа (Hjo), наличие Ј-фаэы - отсутствует.

Пример 5. Обработка по предлагаемому способу.

I

Выполняют процессы газовой химико- термической обработки: цементации, азотирования и комплексного насыщения металлами и неметаллами лабораторных образцов, указанных в примере 1. Тех-, иологические режимы указанных процессов химико-термической обработки соответствуют приведенным в примерах 1, 2, 4.

. . 11 17

Исключением является то,что с целью ускорения формирования диффузионного слоя и улучшения его эксплуатационных характеристик в рабочем пространстве печи создают звуковое поле с частотой 40-1600 Гц. При этом уровень звукового давления 10.0-170 дБ, перепад давления 0,,0 атм, общая длитель- - ность звуковой.обработки 10 мин,

С помощью частотомера выходят на резонансную частоту и добиваются диф- ференцированного резонанса в каждой подсистеме осциллятора. : .

Полученные параметры упрочненного слоя: толщина диффузии 0,35-0,4 мм, твердость поверхности 9500-11500 МПа (Нs,j), наличие Ј -фазы или сетки карбидов Нет. ...,,.-J.:-..В целом повышается конструктивная прочность и пластические характеристики (КС на 25%). ;.:.:,- :

Пример 6. Обработка по известному способу (прототипу) - газовое азотирование. .:

Обработку проводят в шахтной печи Насыщающая среда..- диссоциированный аммиак и молекулярный азот в соотношении 1:3. Степень диссоциации ПГЦ 25-30%, расход насыщающей среды 10 л/мин. Избыточное давление 40 мм вод.ст. Длительность обработки 3,0 мин. Температура насыщения 540°С.

Насыщаемые объекты: образцы из . стали Р6Н5 размером 8x8 X7Q мм и 10 Н10к55 мм с чистотой обработки 1,25, подвергнутые закалке на зерно балла 10 и трехкратному отпуску при 3 раза каждый, имеющие твердость 64 IIRC; сверла из стали Р6И5 5S фрезы концевые с затыпованным зубом из стали Р6М5 018, мм. ,; .

В результате обработки на поверхности получают диффузионный слой, характеризующийся следующими параметра.ми: , - . .. .,.- . ;. . . . :

Глубина азотирова- ..: :

ния, мм

0,03-0,035

Твердость поверхности, МПа

9500-П€)00

(HSO :

2500 0,25

( , Iffla

ПС,

Стойкость инструмента при обрабЪт- ке деталей из материала ЗОХГЙА. с твердостью 3XIIRC указана в табл. I.

; Прим ер 7. Обработка пЬ п&ед лагаемому способу - волновое азотиро -

12

0

--

-

0

5

0

5

вание. Насыщаемые объекты примере 6.

Условия обработки: Частота звукового поля, Гц

Уровень звукового давления, дБ Перепад давления, ; атм - : Длительность обработки, мин Температура насыщения, С / : В результате обработки на поверхности получен диффузионный слойа характеризующийся следующими параметрами:

Глубина азотированного слоя, им Твердость, .МПа .-;..;

указаны в

1000-1600

100-170

0,25-4

5 : 5ДО

Хрупкость .

ft

0,35-0,040 It000-12400

(Нее),-.;. :,-...

отсутствует

2800 -;:

0,32 ..-;VV ..

игг, ИПа ;КС, мДж/м2 : .. ;

Стойкость инструмента при обработке деталей из стали ЗОХГСА с твердостью 30HRC указана в табл. 2.

Таким образом, из приведенных: . примеров ; 1 - 7 следует, ,. предлагаемый способ обеспечивает кардинальное ускорение формирования диф/ фузиоиных слоев с получением более высокого комплекса их свойств, может быть использован практически на всех предприятиях, где имеется термический участок, отделение или цех.

0

§

.

Фор м у л а и з о б р е т е н и я ; Способ химико-термической обработки Металлических изделий, включаюаий нагрев до температуры диффузионного ; насыщения,, выдержку при этой теыяера туре с одновременной додачей насыщакИ щей среды и огшавденне, о т л и - 4а кГ щ и и с я тем, что, с целью . ; увеличения стойкости изделий и интен-j сификации процесса насыщения, выдержку осуществляют под периодическим воздействием упругих волн низко- частотного звукового коля, генернруеЦ мых. газовым акустическим излучателем,: с частотой 40-У.600 Гц, уровнем звуков вого давления ( JOO- 70 дБ, временем -звукового воздействия. мин к пау

зами между звуковым воздействием 35мин. ... -

13

1752826

14 Т, а б л и ц a t

Изобретение относится к металлургии и молет быть использовано при газовой химико-термической обработке. Сущность способа: металлические изделия нагревают до температуры диффузионного насыщения, выдерживают при этой температуре с одновременной подачей насыщающей среды, во время вы- дерлки на обрабатываемые изделия воздействуют упругими волнами звукового пиля частотой 40-f600 Гц, уровнем звукового давления 100-170 дБ, временем звукового воздействия 3-5 мин и паузами между звуковым воздействием 3-5 мин. Способ позволяет увеличить стойкость изделий и интенсифицировать процесс насыщения. 2 табл.

Таблица 2