PL225151B1 - Zastosowanie atmosfery ochronnej do obróbki cieplnej wyrobów ze stali stopowych - Google Patents

Abstract

Sposób obróbki cieplnej wyrobów ze stali stopowych, polegający kolejno na miedziowaniu grubowarstwowym, obróbce mechanicznej, oczyszczaniu-1, nawęglaniu, obróbce cieplnej próbki, odmiedziowaniu grubowarstwowym, oczyszczaniu-2, miedziowaniu cienkowarstwowym, hartowaniu, myciu, obróbce podzerowej, niskim odpuszczaniu, odmiedziowaniu cienkowarstwowym, oczyszczaniu-3 i zaczyszczaniu, charakteryzuje się tym, że odbywa się z pominięciem procesu miedziowania cienkowarstwowego i odmiedziowania cienkowarstwowego, a proces obróbki cieplnej próbki i hartowania wyrobu odbywa się w specjalnie opracowanej atmosferze ochronnej. Atmosfera ochronna do obróbki cieplnej wyrobów ze stali stopowej składa się z około 96% N2 i od 3,0 do 5,0% H2.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zastosowanie atmosfery ochronnej do przeprowadzenia obróbki cieplnej wyrobów ze stali stopowych.

Znany jest z patentu PL184131 sposób hartowania wyrobów stalowych po procesie nawęglania czy węgloazotowania próżniowego lub plazmowego oraz ze stali niskostopowych, a także wielokom orowy piec próżniowy, w którym prowadzony jest proces obróbki cieplnej i hartowanie. Sposób hartowania stali nawęglanych i niskostopowych polega na tym, że przed rozpoczęciem procesu hartowania wytwarzana jest minusowa pojemność cieplna, która jest iloczynem masy, ciepła właściwego oraz różnicy temperatury wychłodzonego przed procesem hartowania wyposażenia chłodniczego, o zakresie od -40°C do -100°C i temperaturze wyrównania leżącej poniżej temperatury przemiany martenzytycznej. Medium chłodzące pomiędzy kolejnymi procesami hartowania jest schładzane do temperatur w zakresie od -40°C do -100°C, przy czym ilość tego medium musi być taka, aby po obniżeniu temperatury obrabianego wsadu w zakres przemiany martenzytycznej temperatura medium nie wzrosła powyżej temperatury otoczenia, przy czym proces hartowania prowadzi się w azocie i przy ciśnieniu od 10 do 15 barów. Wielokomorowy piec próżniowy, do stosowania w/w sposobu, ma próżniowociśnieniową obudowę dzieloną na dwie części wewnętrznymi drzwiami termicznymi i drzwiami próżniowo-ciśnieniowymi, przy czym jedna z części jest komorą grzejną a druga komorą hartowniczą. Komora hartownicza, poza znanym wyposażeniem, ma co najmniej jeden wymiennik ciepła o wystarczająco dużej powierzchni wymiany ciepła dla operacji hartowania i ilości wyziębionego medium chłodzącego będącego w układzie recyrkulacji, oraz chłodzący pakiet ze znacznej masy metalu o wysokiej przewodności i pojemności cieplnej.

Znane jest również z patentu PL199772 urządzenie do hartowania, które charakteryzuje się tym, że stanowi je komora, której jedną ze ścian stanowi powierzchnia hartowanego przedmiotu, przy czym wewnątrz komory znajduje się wylot króćca do doprowadzania chłodziwa i wlot króćca do odprowadzania chłodziwa. Po usytuowaniu komory na hartowanym przedmiocie powstaje w niej podciśnienie, co powoduje zasysanie chłodziwa, przy czym dzięki panującemu w komorze podciśnieniu uniemożliwione jest wypływanie chłodziwa na zewnątrz, a to zapewnia równomierne chłodzenie i uzyskanie jednorodnej struktury.

Znane jest również z patentu PL202005 urządzenie do hartowania z zamkniętym obiegiem wodoru, składające się z pieca próżniowego z wewnętrznym układem schładzania i cyrkulacji, połączonego przewodami wyposażonymi w zawory z dwoma zbiornikami, z których jeden, połączony z zewnętrznym źródłem wodoru, zawiera stop metali pochłaniający wodór do postaci wodorku wysokociśnieniowego, dla którego w temperaturze 298-533 K ciśnienie równowagi reakcji odwracalnej tworzenia/dysocjacji wynosi 0,01-15 MPa, zaś drugi zbiornik zawiera stop metali pochłaniający wodór do postaci wodorku niskociśnieniowego, dla którego w temperaturze 293-673 K ciśnienie równowagi reakcji odwracalnej tworzenia/dysocjacji wynosi 10^-6 - 2 MPa, przy czym obydwa zbiorniki połączone są ze sobą przewodem wyposażonym w zawór i miernik przepływu.

Operacja hartowania po procesie nawęglania jest znana i powszechnie stosowana w obróbce cieplnej części maszyn ze stali stopowych przeznaczonych do nawęglania. Ochrona powierzchni nawęglonej jest niezbędnym elementem tego procesu, ze względu na zabezpieczenie warstwy wierzchniej wyrobu przed niekorzystnymi zmianami mikrostruktury i właściwości.

Obecnie powszechnie stosowanymi metodami ochrony powierzchni wsadu przed niekorzystnym wpływem atmosfery piecowej, powodującymi utlenianie wewnętrzne i powierzchniowe, odwęglenie lub wzbogacenie w węgiel w procesach hartowania są: pokrywanie powierzchni wyrobów stalowych warstwą elektrolitycznej miedzi i wprowadzenie naddatków technologicznych.

W przypadku miedziowania cienkowarstwowego jest to utrzymywanie drogich i niebezpiecznych dla środowiska i człowieka kąpieli cyjankowych, oraz potrzeba zdejmowania powłok miedzi z części w procesie chemicznego odmiedziowania w kwasie chromowym Cr+⁶, co wydłuża czas produkcji. Dużym problemem jest neutralizacja kąpieli cyjankowych, bądź zawierających chrom Cr⁺⁶, ale obecnie nie ma równie skutecznych co opisane wyżej metody galwaniczne.

Wprowadzanie naddatków technologicznych na powierzchniach wyrobów ze stali stopowych przed hartowaniem jest związane ze zwiększeniem kosztów produkcji poprzez wprowadzenie dodatkowych operacji toczenia i szlifowania wykańczającego po obróbce cieplnej. W efekcie niezbędne jest utrzymywanie dodatkowego parku maszynowego dla zapewnienia płynności produkcji wielkoseryjnej, co powoduje wzrost kosztów energii i pracochłonności oraz wydłuża czas produkcji.

PL 225 151 B1

Ze względów ekonomicznych, ekologicznych i jakościowych powyższe metody ochrony elementów stalowych w procesach hartowania uznawane są obecnie za niekorzystne.

Powszechnie wiadomo, że najskuteczniejszą ochronę wsadu podczas nagrzewania i wygrzewania (hartowanie, wyżarzanie i odpuszczanie) zapewniają regulowane, w pełni kontrolowane obojętne atmosfery ochronne.

Powszechnie stosowane atmosfery węglowodorowe (np. azot + propan-butan lub azot + atmosfera Syntetyczna Endo) są atmosferami trudno-kontrolowanymi, co utrudnia otrzymanie atmosfery obojętnej względem węgla w stali. Występuje wówczas odwęglenie powierzchni uprzednio nawęglonych lub wzbogacenie w węgiel powierzchni o niskiej zawartości węgla, lub oba zjawiska występują jednocześnie przy pośrednich potencjałach węglowych.

Zastosowanie azotowo-wodorowej atmosfery ochronnej pozwala na zachowanie odpowiednio wysokich własności powierzchniowych wyrobów ze stali stopowych poddawanych hartowaniu.

Celem wynalazku jest zastosowanie atmosfery ochronnej w procesie hartowania wyrobów ze stali stopowych po nawęglaniu, zapewniające im następujące właściwości: brak utlenienia powierzchni stalowych, brak nawęglenia powierzchni nienawęglonych, brak odwęglenia powierzchni nawęglonych, minimalizacja procesu utlenienia wewnętrznego powstałego podczas nawęglania i zapewnienie odpowiedniej twardości hartowanych detali po procesie nawęglania.

Z dokonanego przeglądu oddziaływania różnych składników gazowych na stale można przyjąć, że warunki takie może spełniać atmosfera z czystego azotu wzbogacana dodatkiem wodoru.

Istota wynalazku polega na zastosowaniu atmosfery ochronnej azotowo-wodorowej zawierającej 3,0-5,0% H₂, reszta N₂ o wysokiej czystości, do wygrzewania przed hartowaniem w zakresie temperatur 760 - 950°C, w piecach zawierających przedsionek, dla obróbki cieplno-chemicznej stali stopowych składającej się z miedziowania grubowarstwowego, obróbki mechanicznej, oczyszczania pierwszego, nawęglania, obróbki cieplnej, odmiedziowania grubowarstwowego, oczyszczania drugiego, hartowania, mycia, obróbki podzerowej, niskiego odpuszczania, oczyszczania trzeciego i zaczyszczania.

Ochrona powierzchni hartowanych wyrobów stalowych po procesie nawęglania zakłada d ozowanie do pieca atmosferowego, w którym znajdują się obrabiane detale stalowe, atmosfery obojętnej o składzie N₂+H₂ (azot + wodór) o wysokiej czystości, gdzie czystość azotu wynosi m inimum 99,99% azotu objętościowo, przy czym wszystkie zanieczyszczenia stanowią maksimum 100 ppm, woda maksimum 30 ppm, punkt rosy maksimum -60°C, natomiast czystość wodoru wynosi 99,94% objętościowo.

Ze względu bezpieczeństwa atmosfera ochronna nie powinna zawierać więcej niż 5,0% H₂. Atmosfera taka jest obojętna dla stali stopowych, uprzednio miejscowo nawęglonych, wygrzewanych do hartowania przez 1 h w zakresach temperatur 760°-950°C. Dla skutecznej redukcji utlenienia wewnętrznego oraz utlenienia powierzchniowego atmosfera ochronna o składzie N₂+H₂ (azot + wodór) nie powinna mieć mniej niż 3,0% H₂.

Innowacyjność rozwiązania polega na zastosowaniu znanej atmosfery ochronnej do operacji wygrzewania przed hartowaniem wyrobów ze stali stopowych, dla zachowania ich wysokich własności powierzchniowych, przy jednoczesnej rezygnacji z operacji miedziowania i odmiedziowania cienkowarstwowego.

Zestawienie typowego procesu technologicznego obróbki cieplno-chemicznej wyrobu ze stali stopowej w tradycyjnej i zmodyfikowanej wersji przedstawia tabela.

Przy zastosowaniu ochronnej atmosfery azotowo-wodorowej zawierającej 3,0-5,0% H₂, reszta N₂ o wysokiej czystości, do wygrzewania przed hartowaniem w zakresie temperatur 760-950°C dla obróbki cieplno-chemicznej stali stopowych możliwa jest redukcja czasu produkcyjnego o minimum 2 dni, oraz redukcja czasów technologicznych w operacjach hartowania i obróbki cieplnej bez uszczerbku jakości obrabianych wyrobów. Ponadto następuje redukcja kosztów miedziowania i odmiedziowania, a przez to ochrona środowiska dzięki wyeliminowaniu kąpieli cyjankowych oraz procesu chemicznego odmiedziowania w kwasie chromowym Cr⁺⁶, lub eliminacja drogich operacji mechanicznych (toczenia, szlifowania, dłutowania, frezowania) po obróbce cieplnej.

Dodatkowo, proces technologiczny ma wpływ na lepszą koordynację produkcji, poprawę term inowości i poprawę jakości o minimum 20%, wynikające z braku wad powłok miedzianych, oraz zastosowania „zielonej technologii” prowadzącej do redukcji cyjanków miedzi i chromu Cr+⁶.

Wynalazek jest szczegółowo opisany w przykładach jego wykonania.

PL 225 151 B1

P r z y k ł a d I

W celu potwierdzenia pozytywnych właściwości redukująco-utleniających atmosfery poddano hartowaniu folie niskowęglowe o grubości 0,1 mm, zawierające 0,04% C oraz >0,02% P i >0,02% S. Jako atmosferę ochronną do badań zastosowano mieszankę azotu z wodorem z butli o objętości 40 dm i ciśnieniu 15 MPa, zawierającą 4 ± 0,05 H₂ + reszta N₂, o punkcie rosy -68°C.

Folie niskowęglowe (10 szt.) wygrzewane były w piecu o temperaturze 850°C w w/w atmosferze ochronnej w czasie 1 h. Następnie połowa z nich została zahartowana w oleju, a druga połowa chłodzona w strumieniu atmosfery ochronnej w strefie niskiej temperatury (100°C). Potencjał tlenowy atmosfery wynosił 1070 ± 1 mV.

Wygrzewane folie ze stali niskowęglowej, które następnie hartowano w oleju lub studzono w strumieniu atmosfery ochronnej, potwierdziły dobre własności ochronne badanej atmosfery azotowo-wodorowej. Na wszystkich foliach uzyskano jasną powierzchnię bez barw nalotowych tlenków. Własności utleniająco-redukujące oraz odwęglające określano potencjałem tlenowym wskazywanym przez czujnik Lambda. Stwierdzono, że przy przesuwaniu folii do chłodzenia w atmosferze lub oleju potencjał tlenowy był stabilny i wynosił 1070±1 mV.

Folie wygrzewane w w/w atmosferze porównano z foliami wygrzewanymi w temperaturze 850°C w atmosferze typu węglowodorowego o składzie 96% N₂+ 4% propan-butan. Z obserwacji makroskopowych wynika, że atmosfera węglowodorowa wywołuje zmiany zabarwienia (utlenienia) na powierzchniach foli o różnym stopniu szarości oraz nawęgla je.

P r z y k ł a d II

Przeprowadzono ocenę właściwości ochronnych atmosfery azotowo-wodorowej na 10 szt. wycinków kół zębatych ze stali stopowej AMS 6265 o składzie chemicznym: 0,1% C, 0,20% Si, 0,55% Mn, 1,3% Cr, 0,11% Mo, 3,25% Ni, 0,012% P i 0,011% S.

Przyjęto następujące wymagania w stosunku do właściwości wyrobów poddawanych hartowaniu w atmosferze ochronnej:

- twardość powierzchni w miejscach nawęglonych zahartowanego w oleju wycinka koła >710 HV0,5,

- twardość powierzchni w miejscach nienawęglonych zahartowanego w oleju wycinka koła <400 HV0,5,

- brak odwęgleń miejsc nawęglonych (zęby koła),

- brak nawęgleń miejsc o niskiej zawartości węgla,

- brak utleniania wewnętrznego,

- brak utlenienia powierzchni kół nawęglonych i nienawęglonych.

Za wynik pozytywny uważano twardość powierzchni zahartowanego wycinka koła jeżeli wynos iła powyżej 710 HV0,5 w miejscach nawęglonych, oraz poniżej 400 HV0,5 w miejscach nienawęglonych. Twardości takie uznane zostały jako optymalne dla wycinków kół zębatych ze stali stopowej AMS 6265 hartowanych z temperatury 850°C.

Wycinki kół zębatych były nawęglone w piecu przemysłowym na grubość około 0,8 mm. Jako atmosferę ochronną do hartowania wycinków kół zębatych ponawęglaniu zastosowano mieszankę ₃ azotu z wodorem z butli, o objętości 40 dm i ciśnieniu 15 MPa, o składzie 3,5 ± 0,05 % H₂ + reszta N2, o punkcie rosy -70°C.

Proces wygrzewania wycinków kół zębatych prowadzono w temperaturze 850°C w w/w atmosferze azotowo-wodorowej w czasie 1 h, po czym hartowano je w oleju.

Własności utleniająco-redukujące oraz nawęglająco-odwęglające określano potencjałem tlenowym wskazywanym przez czujnik Lambda, którego wartości wskazań rejestrowano w sposób ciągły wideorejestratorem. Potencjał tlenowy był stabilny i wynosił 1072±1 mV.

Pomiary twardości wykazały, że na wszystkich wycinkach kół twardość powierzchni w miejscach nawęglonych zahartowanego wycinka koła wynosiła 739 HV0,5, natomiast twardość powierzchni w miejscach nienawęglonych zahartowanego wycinka koła wynosiła 380 HV0,5. Świadczy to o dobrych własnościach ochronnych badanej atmosfery. Ponadto nie zaszły żadne niekorzystne zjawiska powodujące spadki twardości, takie jak odwęglenie lub utlenienie warstwy wierzchniej wycinków kół zębatych.

W celu wychwycenia zmian związanych z odwęgleniem, występowaniem utleniania wewnętrznego (korozji międzykrystalicznej) lub innych zmian w strukturze warstwy, wycinki koła zębatego ze stali AMS 6265 przed i po obróbce cieplnej oceniono metalograficznie. Badania metalograficzne i obserwacje mikroskopowe warstwy nawęglonej przeprowadzono na wyciętych fragmentach kół zębatych

PL 225 151 B1 obejmujących zarys zęba. Obserwację zgodności mikrostruktury rdzenia z normą CPW300 prowadzono na zgładach metalograficznych trawionych Nitalem.

Badania metalograficzne przy użyciu mikroskopii świetlnej na wycinkach kół zębatych ze stali AMS6265, hartowanych w oleju z temperatury 850°C w atmosferze ochronnej o składzie 3,5 ± 0,05% H₂ + reszta N₂ i punkcie rosy -70°C, wykazały:

- brak defektów mikrostruktury rdzenia próbki,

- zgodności mikrostruktury rdzenia z normą CPW300 próbki hartowanej w atmosferze typu N₂ + 3,5% H₂ oraz próbki hartowanej w atmosferze typu N₂,

- brak utlenienia wewnętrznego w warstwie nawęglonej próbek wygrzewanych w atmosferze ochronnej typu N₂ + 3,5% H₂ i hartowanych.

Badania przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego wykazały brak tlenków w warstwie nawęglonej wycinków kół zębatych wygrzewanych w atmosferze ochronnej o składzie N₂ + 3,5% H₂ i hartowanych.

T a b e l a

Tradycyjna wersja procesu obróbki cieplnej	Czas Tj/cykl	Wersja procesu obróbki cieplnej z zastosowaniem znanej atmosfery	Czas Tj/cykl
Miedziowanie grubowarstwowe	Tj	Miedziowanie grubowarstwowe	Tj
Obróbka mechaniczna	Tj	Obróbka mechaniczna	Tj
Oczyszczanie 1	Tj	Oczyszczanie 1	Tj
Nawęglanie	Tj	Nawęglanie	Tj
Obróbka cieplna próbki	Tj	Obróbka cieplna próbki	0,75% Tj
Odmiedziowanie grubowarstwowe	2 dni	Odmiedziowanie grubowarstwowe	2 dni
Oczyszczanie 2	Tj	Oczyszczanie 2	Tj
Miedziowanie cienkowarstwowe	1 dzień	Miedziowanie cienkowarstwowe	0
Hartowanie wyrobu	Tj	Hartowanie wyrobu	0,75% Tj
Mycie	Tj	Mycie	Tj
Obróbka podzerowa	Tj	Obróbka podzerowa	Tj
Niskie odpuszczanie	Tj	Niskie odpuszczanie	Tj
Odmiedziowanie cienkowarstwowe	1 dzień	Odmiedziowanie cienkowarstwowe	0
Oczyszczanie 3	Tj	Oczyszczanie 3	Tj
Zaczyszczanie	Tj	Zaczyszczanie	Tj

Zastrzeżenie patentowe

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Zastosowanie atmosfery ochronnej azotowo-wodorowej zawierającej 3,0 + 5,0% H₂, reszta N₂ o wysokiej czystości, do wygrzewania przed hartowaniem w zakresie temperatur 760 + 950°C, w piecach zawierających przedsionek, dla obróbki cieplno-chemicznej stali stopowych składającej się z miedziowania grubowarstwowego, obróbki mechanicznej, oczyszczania pierwszego, nawęglania, obróbki cieplnej, odmiedziowania grubowarstwowego, oczyszczania drugiego, hartowania, mycia, obróbki podzerowej, niskiego odpuszczania, oczyszczania trzeciego i zaczyszczania.