Спосіб комплексного поверхневого зміцнення сталей

Реферат: Винахід належить до металургії, зокрема до методів хіміко-термічної та плазмової обробок. Спосіб передбачає цементацію сталей, після якої здійснюють плазмовий нагрів при температурі 1000-1400 °C і швидкості переміщення плазмотрона V=40-70 см/хв. Запропонований режим дозволяє отримати необхідну технологічну глибину зміцненого шару мікротвердістю 8700-10500 МПа, і підвищити відносну зносостійкість в 1,25-1,5 рази. UA 108180 C2 (12) UA 108180 C2 UA 108180 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід до галузі металургії, зокрема до методів хіміко-термічної та плазмової обробок. Відомий спосіб, що включає обробку поверхні прокатного валка плазмовим струменем з 3 використанням як плазмоутворюючого газу - аргону з витратою 1,1-1,6 м /год., зі щільністю 6 2 потужності (85-125)-10 Вт/м , зі швидкістю переміщення 35-53 мм/с, а як захисний газ 3 використовується азот з витратою 3,5-3,8 м /год. [1]. Недоліком даного способу є неможливість збільшення вмісту вуглецю в поверхневому шарі з метою значного підвищення зносостійкості. Так само відомий спосіб зміцнення сталей [2], що включає об'ємну термообробку в поєднанні з подальшою локальною лазерною або електронно-променевою обробками з кроком борозенок ~ 2 мм, забезпечують чергування зміцнених і незміцнених ділянок та отримання різних кількостей метастабільного аустеніту та мартенситу деформації. Недоліком даного способу є неможливість наявності низьковуглецевої серцевини з підвищеною ударною в'язкістю і неоднаковість твердості зміцнених (62 HRC) і незміцнених (28 HRC) ділянок, що в цілому знижує зносостійкість. Найбільш близьким до запропонованого способу комплексного поверхневого зміцнення за сукупністю ознак є спосіб підвищення експлуатаційно-технологічних показників ріжучого робочого органа для поверхневої обробки ґрунту за рахунок цементації його леза, при цьому леза клина і долота мають додаткове зміцнення за допомогою лазерної обробки [3]. Однак обробка лазером на заключній стадії має дуже локальний характер, що не дозволяє ефективно її використовувати для більшої площі робочої поверхні деталей і збільшує трудомісткість і тривалість обробки. Крім того, не використовується деформаційна метастабільність залишкового аустеніту (Азал) у структурі зміцненого шару й ефект додаткового самозміцнення деталей в процесі експлуатації за рахунок його деформаційного мартенситного перетворення в процесі зношування (ДМПЗ), що не забезпечує реалізацію прихованих резервів підвищення зносостійкості. В основу винаходу поставлена задача удосконалити спосіб комплексного поверхневого зміцнення сталі, в якому досягається підвищення зносостійкості виробів із сталі і зменшення витрат на виготовлення та заміну деталей обладнання, що швидко зношуються, за рахунок збільшення вмісту вуглецю та кількості метастабільного Азал в поверхневому зміцненому шарі, що дозволить використовувати ефект і ефективний резерв додаткового самозміцнення завдяки реалізації ДМПЗ. Поставлена задача досягається тим, що в способі комплексного поверхневого зміцнення сталей, що включає цементацію, відповідно до винаходу, після цементації здійснюють плазмовий нагрів поверхні при температурі нагріву 1000-1400 °C зі швидкістю переміщення плазмотрона 40-70 см/хв. Суть запропонованого способу полягає в комплексному поверхневому впливі: підвищенні вмісту вуглецю завдяки проведенню цементації, а потім плазмового загартування цементованого шару при підвищених температурах нагріву, що забезпечує отримання дрібнодисперсного мартенситу, карбідів і підвищеної кількості метастабільного А зал. Такий спосіб досягає ефект комплексного поверхневого зміцнення, а потім додаткового самозміцнення та підвищення зносостійкості безпосередньо в процесі випробувань та експлуатації виробів за рахунок реалізації ДМПЗ. При плазмовому загартуванні з відносно невисоких температур 800-900 °C (швидкість переміщення плазмотрону V=83 см/хв.), тобто нижче 1000 °C не досягаються високі показники відносної зносостійкості (ε = 3,0) (таблиця). Це пояснюється тим, що в структурі міститься незначна кількість Азал (5-12 %) і ДМПЗ γ→α' здійснюється дуже обмежено і його внесок у самозміцнення та підвищення зносостійкості невисокий. Таблиця № режиму V, см/хв. Середня t, °C 1 2 3 (оптимальний) 4 5 За способом прототипу [3] 83 70 63 40 25 900 1000 1300 1400 1500 Примітка: сила току 300 А; напруга дуги 60-65 В; витрата аргону 12 л/хв 1 Відносна зносостійкість, ε 3,0 3,4 4,0 3,3 2,3 3,2 UA 108180 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Після плазмового загартування з нагрівом в інтервалі температур ≈1200-1300 °C (V=63 см/хв.) у цементованому шарі крім мартенситу і карбідів цементитного типу утворюється значно більша кількість метастабільного Азал (40-50 %), ніж після загальноприйнятого загартування цементованих сталей з температури 780-800 °C, коли на поверхні досягається дуже висока мікротвердість Н◊0,98≈8700-10500 МПа. Зносостійкість в умовах сухого тертя - ковзання метал по металу зразків ε = 4,0 (таблиця), що в ≈1,5 рази вище, ніж після звичайного загартування з пічним нагріванням. Це можна пояснити формуванням метастабільної аустенітно-мартенситокарбідної структури. Додатковий, і дуже значний, внесок у зміцнення і підвищення зносостійкості в цьому випадку вносить ДМПЗ γ→α'. Це перетворення супроводжується додатковим самозміцненням тонкого поверхневого шару в процесі зношування, оскільки мартенсит деформації має більшу дисперсність і твердість, ніж мартенсит загартування. Крім того, на це перетворення витрачається значна частина механічної енергії тертя, яка підводиться до зразка, відповідно менша її частина залишається на зародження мікротріщин і руйнування металу. Після плазмової обробки з нагріванням при температурах 1450-1500 °C (V=25 см/хв.), коли відбувається мікрооплавлення поверхні, структура зміцненого шару істотно змінюється: спостерігається безліч карбідів і досить протяжна зона Азал. В результаті підвищується кількість Азал і ступінь його стабільності, що зменшує обсяг ДМПЗ і знижується відносна зносостійкість до ε=2,3. У результаті обробки сталі за способом прототипу зносостійкість збільшується, але залишається нижче, ніж після комплексного поверхневого зміцнення за запропонованим технічним рішенням (таблиця). Приклад Прямокутні зразки зі сталі 20 × 2Н4А розміром 20 × 15 × 10 мм піддавали цементації у твердому карбюризаторі на глибину 1,2 мм протягом 12 годин при температурі 930-950 °C. Загартування цементованих зразків здійснювали шляхом нагріву плазмовим струменем в плазмотроні побічної дії зі швидкістю переміщення плазмотрона 63 см/хв. і температурою нагріву 1300 °C. Охолодження зразків до кімнатної температури здійснювалося природним шляхом завдяки тепловідводу в глиб металу. Випробування зразків на зношування в умовах сухого тертя ковзання проводилися на машині МІ-1М за схемою колодка (випробуваний зразок) - ролик (контрольне тіло). Час зношування становив: приватний - між двома зважуваннями -3 хв, загальний час зношування 30 хв. Твердість ролика дорівнювала 45 HRC. Зразок випробується за вибраною схемою тертя -1 об ролик, що обертається зі швидкістю 500 хв (лінійна швидкість в зоні тертя 1,31 м/с). У процесі зношування визначали втрати ваги зразків зважуванням за ГОСТ-2764-88 з похибкою ±0,0001 г до і після випробувань. Відносну зносостійкість визначали за такою формулою: m е ;  mзр де mе, mзр - втрати маси еталона і зразка за однаковий час зношування 30 хв. Як еталон використовувалася сталь 45 у відпаленому стані з твердістю 160-180 НВ. Варіанти здійснення способу зі змінами швидкості переміщення плазмотрону і температури нагріву представлені в таблиці, з якої видно, що оптимальними є швидкість 63 см/хв. і температура нагріву 1300 °C. Запропонований оптимальний діапазон параметрів режиму плазмового поверхневого впливу дозволив отримати необхідну технологічну глибину зміцненого шару зі структурою мартенситу, метастабільного залишкового аустеніту і карбідів, мікротвердістю 8700-10500 МПа, і підвищення відносної зносостійкості в ≈1,5 рази, ніж після звичайного загартування з пічним нагріванням, і в ≈1,25 рази, в порівнянні з обробкою за прототипом. Джерела інформації: 1. Способ термической обработки прокатных валков - патент на изобретение РФ № 2298043, владелец Открытое акционерное общество "Западно-сибирский металлургический комбинат" ОАО "ЗСМК" / Саломыкин В. В. 2. Спосіб обробки сталей - патент на винахід України № 12399, патентовласник ДВНЗ "Приазовський державний технічний університет" / Малінов Л.С. 3. Режущий рабочий орган для обработки почвы - патент на изобретение РФ № 2206190, владелец Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия / Пындак В.И., Чернов Л.В., Емельянов В.А., Антонов В.В., Чернов О.Л. 2 UA 108180 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 Спосіб комплексного поверхневого зміцнення сталей, що включає цементацію, який відрізняється тим, що після цементації здійснюють плазмовий нагрів при температурі 10001400 °C зі швидкістю переміщення плазмотрону V=40-70 см/хв. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ– 42, 01601 3