Спосіб поверхневого зміцнення металічних виробів

1. Способ поверхностного упрочнения металлических изделий, включающий нагрев поверхности трением с одновременной подачей в зону обработки технологической среды, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в качестве технологической среды используют 5%-ный водный раствор "Эмульсола ФМИ-3", а затем поверхность изделия подвергают обкатке роликом с последующим низкотемпературным отпуском. 2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что отпуск проводят при температуре 16О°С в течение 2-х часов. с > Изобретение относится к обработке металлов и может быть использовано в общем машиностроении при изготовлении деталей, работающих при циклических нагрузках в коррозионных средах Известен способ поверхностного упрочнения металлических изделий, который отличается от предыдущего тем, что, с целью увеличения глубины упрочненного слоя и улучшения условий труда, в зону обработки подают в качестве технологической среды смазочноохлаждающую жидкость - насыщенный водный раствор солей хлоридов магния и калия [1]. Недостатки данного способа следующие. Имеет место неравномерность толщины упрочненного слоя и различие микротвердости по длине детали, растягивающие остаточные напряжения в поверхностном слое, что понижает работоспособность изделий, работающих в условиях коррозионной среды и при циклических напряжениях, При использовании водного раствора солей хлоридов магния и калия в процессе обработки под действием высоких температур и давлений увеличивается количество ионов водорода и происходит наводороживание металла поверхности, что ведет к охру пчивзнию и преждевременному разрушению изделия. Применение данной технологической среды требует специального приготовления, что создает трудности на производстве при изготовлении деталей. Цель изобретения - улучшение качества изделий путем повышения сопротивления усталостному и коррозионно-усталостному разрушению. Поставленная цель достигается тем, что поверхность металлических изделий подвергают поверхностному термопластическому деформированию путем нагрева трением при одновременной подаче в зону обработки 5%-ного водного раствора "Эмульсола ФМИ-3" (ТУЗ В УССР 201319 84), .—і 11098 обычно применяемого при механических обработках (шлифовании, точении и т.д.), а затем подвергают поверхностному пластическому деформированию (ППД) обкаткой роликом с последующим низкотемпературным отпуском. Отпуск проводят при 160°Св течение 2-х часов. Использование в процессе поверхностного термопластического деформирования ТС 5%-ного водного раствора "Эмульсол (ФМИ-3")ТУ38 УССР 201319-84), обычно применяемого при механических обработках без нагрева и выпускаемого серийно на производстве, позволят улучшить качество поверхностных слоев детали за счет отсутствия интенсивного наводороживания металла при импульсном нагреве, а также возникновения остаточных напряжений сжатия и с максимумом у поверхности детали. На поверхности детали в процессе ПТПД образуется нехрупкий спой повышенной твердости, но неодинаковой толщины и микротвердости по всей длине детали, как результат импульсного нагрева. Последующее поверхностно-пластическое деформирование п о л у ч е н н о г о слоя является необходимым процессом обработки и эффективным для ликвидации образующихся в процессе ПТПД концентраторов напряжений и неравномерности упрочненного слоя без образования в нем микротрещин. Ибо а процессе ППД после обработки по известному способу в результате хрупкости слоя образуются микротрещины, что является опасным при эксплуатации деталей в коррозионных средах. Само собой ППД повышает усталостную прочность и ее эффективность возрастает с увеличением твердости деформируемого металла. Однако положительное влияние упрочнения, созданного только ППД, на усталость ограничено особенно при испытаниях в коррозионных средах. В процессе последующего низкотемпературного отпуска, проводимого при определенной температуре (160°С) и времени (2 часа), происходит перестройка дислокационной структуры, структурные изменения с накоплением стабильной структуры, например, мартенсита отпуска, превращения остаточного аустенита в мартенсит. Чем больше стабильной структуры в поверхности детали, тем меньше чувствительность металла к воздействию коррозионной среды. Это очень важно при эксплуатации деталей в к о р р о з и о н н о й среде. Для стабильности достаточна выдержка 2 часа при температуре 160°С. С повышением температуры отпуска наблюдается заметное 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 остаточных напряжений сжатия уменьшение,что нежелательно. С уменьшением температуры до 100°С замедляется скорость стабильности, что требует увеличения времени выдержки Сдс В... 12 часов). Сочетание - стабильная структура с устойчивыми остаточными напряжениями сжатия обеспечивает повышение стойкости деталей к коррозионному разрушению при циклических нагрузках. Существенные отличия предполагаемого изобретения заключаются в том, что сочетание поверхностного термопластического деформирования, происходящего при импульсных температурах и давлениях в результате трения металлическим диском с одновременной подачей 5%-ного водного раствора "Эмульсола-ФМИ-3" и приводящего к неравномерности толщины упрочненного, нехрупкого Слоя и значения повышенной микротвердости по всей длине детали, и обкатки роликом с последующим низкотемпературным отпуском создают условия равномерного упрочненного слоя высокой твердости со стабильной структурой и значительными устойчивым и остаточным напряжениями сжатия, что улучшает качество изделий, работающих в условиях циклических нагрузок и коррозионной среды, путем повышения сопротивления усталостному и коррозионно-усталостиому разрушению. Следовательно, предлагаемый способ придает обработанным изделиям новые технические свойства, обуславливающие достижения положительного эффекта, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "существенные отличия". Сущность способа состоит в следующем. Обрабатываемую деталь устанавливают в центрах токарного станка (1К62), а упрочняющий быстровращающийся металлический диск на суппорте станка вместо резцедержателя в специальном приспособлении и прижимают к вращающейся детали. Одновременно в зону контакта подают технологическую среду 5%-иый раствор "Эмульсол ФМИ-3" (ТУ38 УССР 201319-84). Нагрев поверхности детали производяттрением. Затем деталь подвергают поверхностному пластическому деформированию, обкатке роликом с оптимальным усилием для обрабатываемого металла и проводят отпуск при температуре 160°С в течение двух часов. На фиг. 1 а показана схема сечения поверхностного слоя изделия после известного способа обработки. На фиг. 1 б - схема сечения поверхностного слоя изделия после предлагаемого способа обработки. 11098 тодом - по изменению деформации изгиба, 1 - упрочненный слой; 2 - основной мевозникающей при снятии электролитичеталл. ским способом поверхностных слоев по поНа фиг. 2 приведены кривые изменения ловине цилиндра. микротвердости по толщине поверхностного слоя. Изделия из стали 40Х, закаленной 5 При упрочнении стали по предлагаемонизко (4,6) и высокоотпущенной (3.5} после: му способу в поверхностных слоях образ3, 4 - обработки по известному способу; 5, 6 цов происходит повышение микротвер- обработки по предлагаемому способу. дости и более плавное ее изменение по глубине слоя (фиг. 2, кривые 5 и 6), После извеНа фиг. 3 приведены эпюры остаточных напряжений в поверхностных слоях образ- 10 стного способа обработки изменение цов из стали 40X/HR С 31) после обработки: микротвердости металла по глубине слоя и 7 - по известному способу; длине образца носит зигзагообразный характер (фиг. 2, кривые 3 и 4), а возникшие 8 - ПТПД с применением ТС 5%-ного остаточные напряжения являются растягиводного раствора "Эмульсол-ФМИ-3"; 9 - по известному способу с последую- 15 вающими (фиг. 3, эпюра 7). В процессе обработки по предлагаемощей обкаткой роликом: му способу формируются благоприятные 10 - по предлагаемому способу, но без остаточные напряжения сжатия, зона залеотпуска; 11 - по предлагаемому способу. гания которых намного превышает толщину П р и м е р . Проводили упрочнение цилиндрических образцов диаметром 20 и 20 упрочненного слоя (фиг. 3, эпюра 11). Сущедлиной 110...150 мм из стали 40Х закаленственное влияние на формирование останой, низко- (HR С 53) и высокоотпущенной точных напряжений оказывает ТС. Эпюры 7 (HR С 31) по известному и предлагаемому и 8 на фиг 3 получены при обработке по способу обработки. известному способу, но с применением разПоверхностное термопластическое де- 25 личных ТС. Применяемая ТС в предлагаемом способе оказывает более формирование по известному способу проблагоприятное действие на формирование водили на токарном станке 1К62 с подачей остаточных напряжений, чем ТС применяев зону обработки насыщенного водного расмая в известном способе. Это влияние ТС твора солей хлоридов магния и калия. По предлагаемому способу поверхюстное тер- 30 сказывается и при последующей обкатке мопластическое деформирование проводироликом (фиг. 3, эпюры 9 и 10J. При примели на токарном станке с подачей нении ТС-5%-ного водного раствора ТС-5%-ного водного раствора "Эмуль"Эмульсол/ФМИ-3" распределение остасол(ФМИ)-Зн. Затем образцы обкатывали точных напряжений лучшее с точки зрения роликом, установленным на суппорте токар- 35 их влияния на эксплуатационные характеного станка вместо резцедержателя в приристики, чем распределение напряжений способлении с максимальным усилием, при при использовании насыщенного водного котором еще не наблюдалось шелушение раствора магния и калия (фиг. 3, эпюры 7,8, поверхности, а потом упрочненные образцы 9, 10). ТС также влияет на шероховатость подвергали отпуску при температуре 160°С 40 поверхности. В случае применения 5%-ного в течение 2-х часов. Режимы обработки водного раствора "Эмульсол-ФМИ-3" улучПТПД в обоих способах одинаковы, а именшается качество поверхности - уменьшаетно скорость вращения образца V05p = 20 ся ее шероховатость (таблица). об/мин, скорость вращения диска V A = 6700 Низкотемпературный отпуск делает об/мин, подача S « 1.2 мм/об, глубина вре- 45 эпюру устойчивых остаточных напряжений зания диска t = 0,4 мм. Высота диска h » 6 более плавной. В результате структурных мм, диаметр - 250 мм. Металлический диск изменений (уменьшение количества остаизготавливали из стали 40Х в состоянии поточного аустенита в упрочненном слое) увеставки. личивается абсолютная величина Обкатку роликом проводили при скоро- 50 остаточных напряжений сжатия. Их максисти вращения образца Vo6p = 0,45 м/с, подамум находится у поверхности образца (фиг. че S =0.11 мм/об, число проходов - 1. 3, эпюра 11). Диаметр ролика 55 мм, радиус профиля раФормирование равномерного упрочбочей части' ролика 4,5 мм. ненного нехрупкого слоя высокой твердоИзменение микротвердости металла 55 сти и значительных остаточных напряжений сжатия, а также уменьшение шероховатоповерхностных слоев и распределения в сти поверхности оказывает существенное них остаточных напряжений после обработвлияние на сопротивление усталости, и, ки по известному и предлагаемому спосоособенно,коррозионной усталости. Резульбам представлены на фиг. 2 и 3. Остаточные таты испытаний на многоцикловую устанапряжения определяли механическим ме 8 11098 собе обработки понижает усталостную лость на воздухе и в коррозионной среде - в прочность как на воздухе, так и в коррози3%-ном водном растворе NaCI, проведенонной среде. Отсутствия низкотемпературные на машине ИМА-30 при чистом изгибе, ного о т п у с к а п о н и ж а е т усталостную приведены D таблице. Усталостная прочность образцов из стапрочность особенно в коррозионной среде. ли 40Х (HRC 53) после упрочнения по предлагаемому способу на воздухе увеличилась Таким образом, предлагаемый способ в 2,2 раза по сравнению с усталостной прочповерхностного упрочнения металлических ностью образца, обработанных по известизделий по сравнению с известным повыному способу. В коррозионной среде 10 шает качество поверхностных слоев издеусталостная прочность увеличилась еще лий и тем самым улучшает их больше-более чем в 10 раз. Применение ТС работоспособность при эксплуатации в ус- насыщенного водного раствора солей хлоловиях циклических нагрузок и коррозионридов магния и калия в предлагаемом споной среды. 15 МПа Материал Способ обработки ТС Шероховатость, мкм воздух 3%-ный водный раствор NaCI Применение 40Х (HR С 53) известный насыщенный водный раствор солей хлоридов магния и калия 1.25 360 50 База испытаний образцов на воздухе 20 млн циклов, в коррозионной среде, 50 млн циклов масло 1,45 0,36 340 815 40 510 - " 0.32 680 440 _-_ 0.32 650 330 насыщенный водный раствор солей хлоридов магния и калия 0,63 450 210 * _ ' _ «і _ ' _ 40Х (HRC31) * предлагаемый (ПТПД+ППД + отпуск) предлагаемый предлагаемый, но без отпуска (ПТПД + ППД) предлагаемый, но с другой ТС • 11098 1 2 a Фиг: і W о—£о—^ Si 5 8 і А X V— 2 1 1 1 500 Фиг. 2. 1 400 1 ' 500 11098 Упорядник Замовлення 4047 Техред М.Моргентал Коректор О. Кравцова Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, КиТв-53, Львівська пл,, 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород. вул.Гагаріна, 101 т