Спосіб визначення параметрів дифузійного шару при хіміко-термічній обробці

Спосіб визначення параметрів дифузійного шару при хіміко-термічній обробці, який включає визначення величин зміни лінійних розмірів зразка від величини структурних змін у його приповерхневих шарах, який відрізняється тим, що параметрами дифузійного шару зразка є товщина насиченого шару та концентрація в ньому насичуючого елемента, які визначають за допомогою градую C2 2 (19) 1 3 від твердості, що приймають за критерій границі ефективної товщини, мм. За критерій ефективної товщини вибирають відстань від поверхні до ділянки із заданою твердістю (наприклад HV 500), для чого використовують шліф зразка після хіміко-термічної обробки, проводять заміри твердості на протилежних сторонах шліфа, наприклад, зразка форми паралелепіпеда, який пройшов хіміко-термічну обробку, а потім розрізаний для досліджень перпендикулярно одній із граней, визначають розподіл твердості за товщиною шару, в даному випадку h1 та i 2  HV 500 , а h1 та h2  HV 500 . h i i1 i 1 Недоліками цього способу є те, що спосіб належить до руйнівного контролю і не дозволяє визначати параметри дифузійного шару: товщину шару та концентрацію в ньому насичуючого елемента безпосередньо в процесі хіміко-термічної обробки і контролювати процес дифузійного насичення, а також прогнозувати отримання дифузійного шару із заданою товщиною та зміною структурного стану залежно від глибини насиченого шару. Спільними з рішенням, що заявляється, ознаками є те, що для досліджень використовують зразки, які мають такий же хімічний склад та пройшли таку ж хіміко-термічну обробку, що і деталі, а товщину дифузійного шару при хіміко-термічній обробці визначають за величиною зміни властивостей насиченого шару. Найбільш близьким до способу, що заявляється, є спосіб визначення товщини дифузійного шару при хіміко-термічній обробці (Патент на винахід RU №2031183 Способ контроля глубины диффузионного слоя при химико-термической обработке МПК С23С8/00, С23С8/20, від 14.08.1992), який полягає в тому, що визначення товщини дифузійного шару при хіміко-термічній обробці проводять за величиною структурних змін поверхні металу в процесі насичення за допомогою біметалічної пластини, яка складається з двох різних металів, що жорстко з'єднані між собою, при цьому пластину закріплюють одним кінцем у реторті печі на кронштейні, який зафіксований на внутрішній поверхні реторти, а на другому вільному кінці пластини закріплюють стрижень, який крізь отвір у кришці реторти виходить назовні і встановлений навпроти вимірювальної шкали для визначення величини деформації пластини. Матеріали біметалічної пластини підбирають таким чином, щоб один із них, у зв'язку зі своїми структурними особливостями, не піддавався дифузійному насиченню в процесі хіміко-термічної обробки. При цьому зміни структури в приповерхневих шарах пластини, яка насичується, призводять до зміни її лінійних розмірів. У зв'язку з наявністю контакту між складовими біметалічної пластини відбувається її деформація, за величиною якої визначають товщину зміцненого шару. Процес насичення контролюють за допомогою градуювального графіка залежності товщини дифузійного шару від величини деформації пластини. 94552 4 Недоліками цього способу є: - недостатня точність контролю дифузійного процесу, що обумовлено деформацією біметалічної пластини, яка може бути викликана в цьому випадку не лише зміною концентрації насичуючого елемента, а й температурними коливаннями; - незручність використання установки, що є наслідком необхідності закріплення одного кінця пластини в реторті печі та застосування шкали, яка не має жорсткого зв'язку з іншими частинами системи; - неможливість визначати концентрацію насичуючого елемента безпосередньо в процесі дифузійного насичення, прогнозувати отримання дифузійного шару із заданою товщиною та зміною структурного стану залежно від глибини насиченого шару. Спільними з рішенням, що заявляється, ознаками є: визначення величин зміни лінійних розмірів зразка від величини структурних змін у його приповерхневих шарах. В основу винаходу поставлено задачу розробити спосіб визначення параметрів дифузійного шару при хіміко-термічній обробці, а саме товщини шару та концентрації в ньому насичуючого елемента, який шляхом вимірювання зміни лінійних розмірів циліндричного зразка залежно від ступеня його дифузійного насичення за допомогою диференційного дилатометра та градуювальних графіків дозволяє з високою точністю визначати товщину дифузійного шару і концентрацію в ньому насичуючого елемента безпосередньо в процесі хіміко-термічної обробки, підбирати режим і тривалість насичення та регулювати процес насичення, отримувати дифузійний шар із заданою товщиною та зміною структурного стану залежно від глибини дифузійного шару. Суттєвими ознаками способу є: - вимірювання змін лінійних розмірів зразка в процесі дифузійного насичення за допомогою диференційного дилатометра, штовхачі якого виконані у вигляді пустотілих циліндрів, що розміщені один в одному, причому внутрішній штовхач з'єднують з еталоном за допомогою різьби, а зовнішнім штовхачем притискують досліджуваний зразок до еталона; - використання еталона, який має такий же хімічний склад, що і деталі, і який виконують у вигляді гвинта та додатково покривають захисним шаром, наприклад шаром нікелю; - використання зразка у вигляді тонкостінного циліндру, який насаджують на еталон; - визначення величин зміни лінійних розмірів зразка від величини структурних змін у його приповерхневих шарах шляхом їх порівняння з лінійними розмірами еталона; - визначення параметрів дифузійного шару, а саме товщини шару та концентрації в ньому насичуючого елемента, за зміною лінійних розмірів зразка залежно від ступеня його насичення для різних, режимів хіміко-термічної обробки за допомогою градуювальних графіків. Відмінними від прототипу ознаками технічного рішення є те, що: 5 - параметрами дифузійного шару зразка є товщина насиченого шару та концентрація в ньому насичуючого елемента, які визначають за допомогою градуювальних графіків залежності зміни лінійних розмірів від товщини насиченого шару та, відповідно, концентрації в ньому насичуючого елемента; - для визначення лінійних розмірів зразка використовують еталон, який піддають хімікотермічній обробці одночасно зі зразком, та диференційний дилатометр, штовхачі якого виконані у вигляді пустотілих циліндрів, що розміщені один в одному, причому внутрішній штовхач з'єднують з еталоном за допомогою різьби, зовнішнім штовхачем притискують досліджуваний зразок до еталона, який має такий же хімічний склад, що й деталі і який виконують у вигляді гвинта, що додатково покривають захисним шаром; - зразок виконують у вигляді тонкостінного циліндра, який насаджують на еталон; - визначення величин зміни лінійних розмірів зразка від величини структурних змін у його приповерхневих шарах здійснюють шляхом їх порівняння з лінійними розмірами еталона. Оскільки зразок і деталі мають однаковий хімічний склад і піддаються однаковій хіміко-термічній обробці, параметри дифузійного шару, а саме товщина шару, а відповідно і концентрація в ньому насичуючого елемента та зміна структурного стану залежно від глибини дифузійного шару зразка відповідають аналогічним характеристикам деталей. Спосіб здійснюють таким чином. Безпосередньо у процесі хіміко-термічної обробки вимірюють за допомогою диференційного дилатометра, який встановлюють вертикально в трубку для зразків-свідків, що розміщена в отворі печі, зміну лінійних розмірів тонкостінного циліндричного зразка, що насаджують на еталон. Між трубкою та дилатометром розміщують азбестову прокладку для того, щоб температура верхньої частини штовхачів не піднімалася вище 30-40°С, і використовують еталон, який виконують у вигляді гвинта, що покривають захисним шаром та виготовляють з того ж матеріалу, що і досліджуваний зразок та деталі. Штовхачі дилатометра виконані у вигляді пустотілих циліндрів, що розміщені один в одному, причому внутрішній штовхач з'єднують з еталоном за допомогою різьби, а зовнішнім штовхачем притискують досліджуваний зразок до еталону. Для вимірювання зміни положення одного штовхача відносно іншого використовують індикаторний годинник. Параметри дифузійного шару, а саме товщину шару та концентрацію в ньому насичуючого елемента, визначають за зміною лінійних розмірів зразка залежно від ступеня його насичення за допомогою відповідних градуювальних графіків. Кожен градуювальний графік використовують для певного режиму дифузійного насичення: температура, потенціал атмосфери та тривалість дифузійного насичення. Для побудови градуювальних графіків попередньо визначають концентрацію в шарі насичуючого елемента за допомогою хімічного аналізу, товщину шару - за допомогою дюрометричного, а зміну структурного стану із глибиною дифузійного шару - за допомо 94552 6 гою металографічного аналізу. При цьому використовують одні й ті ж зразки, оскільки і товщина шару, і концентрація в ньому насичуючого елемента є взаємопов'язаними функціями зміни лінійних розмірів зразка, причому і товщина шару, і концентрація підвищуються при зростанні ступеня дифузійного насичення. Для прогнозування та регулювання процесу дифузійного насичення використовують графік залежності товщини насиченого шару від часу насичення для різних режимів хіміко-термічної обробки. Приклад конкретного виконання Здійснювали контроль процесу цементації деталей, яку проводили у шахтній печі СШЦМ6,6/10,5 при температурі 1030°С впродовж 2,5 год. Карбюризатором був вибраний синтин (С10Н16), який подавався в піч у кількості 80, 75, 70, 65 крапель/хв. (режими 1, 2, 3, 4 відповідно). В результаті дисоціації чадного газу (СО) в шахтній печі утворювався вуглець (насичуючий елемент). Для заданого режиму хіміко-термічної обробки швидкість подачі синтину обумовлює ендопотенціал атмосфери печі. Для визначення товщини насиченого шару зразка та концентрації в ньому насичуючого елемента використовували диференційний дилатометр, штовхачі якого виконані у вигляді пустотілих циліндрів, що розміщені один в одному, причому внутрішній штовхач з'єднували з еталоном за допомогою різьби, зовнішнім штовхачем притискували досліджуваний зразок до еталона, який виконували у вигляді гвинта та покривали шаром нікелю товщиною 100 мкм. Величину зміни положення одного штовхача відносно іншого визначали за допомогою індикаторного годинника, який дозволяє вимірювати зміну лінійних розмірів зразка залежно від ступеня його дифузійного насичення. Еталон, зразок та деталі, які проходили хімікотермічну обробку, були виготовлені зі сталі 13Х3НВМ2ФА. Зовнішній діаметр зразка становив 15 мм, товщина стінки зразка – 1 мм, а висота зразка – 100 мм. Перед початком вимірювань зразок насаджували на еталон. Використання саме цього способу дозволяє підвищити точність вимірювань, що обумовлено уникненням впливу температурних коливань на показання індикаторного годинника. На фіг.1 зображено градуювальний графік залежності змін лінійних розмірів зразка від товщини насиченого шару при цементації (режим насичення 2), На фіг.2 - градуювальний графік залежності змін лінійних розмірів зразка від концентрації в ньому вуглецю (режим насичення 2). На фіг.3 - графік залежностей товщини насиченого шару від часу насичення для різних режимів хіміко-термічної обробки (криві 1, 2, 3, 4 наведено для відповідних режимів). Градуювальний графік залежності зміни лінійних розмірів зразка зі сталі 13Х3НВМ2ФА від товщини насиченого шару був побудований за допомогою дюрометричного аналізу (фіг.1), а градуювальний графік залежності зміни лінійних розмірів зразка зі сталі 13Х3НВМ2ФА від концентрації в ньому вуглецю (фіг.2) був побудований на 7 94552 основі результатів хімічного аналізу. Ці градуювальні графіки були використані для контролю процесу цементації. Дані, що характеризують зміну з часом товщини насиченого шару для відповідних режимів насичення вуглецем наведено на фіг.3, для їх побудови використовували відповідні градуювальні графіки (фіг.1). Спосіб дозволяє керувати процесом дифузійного насичення поверхневого шару в процесі хіміко-термічної обробки, здійснювати постійний контроль за зміною параметрів дифузійного шару: товщини шару та концентрації в ньому насичуючого елемента в процесі насичення, реєструвати Комп’ютерна верстка М. Ломалова 8 припинення насичення поверхневого шару зразка за незмінними з часом показаннями дилатометра або протікання процесу зневуглецювання чи деазотування при відповідному зменшенні лінійних розмірів зразка, а також, використовуючи графік залежності від часу товщини насиченого шару для відповідних режимів насичення, підбирати режим хіміко-термічної обробки і тривалість насичення для отримання дифузійного шару із заданою товщиною та зміною структурного стану залежно від глибини дифузійного шару, а також регулювати потенціал атмосфери насичення безпосередньо в процесі хіміко-термічної обробки. Підписне Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601