RU2069233C1

RU2069233C1 - Method of steel pieces surface hardening

Info

Publication number: RU2069233C1
Authority: RU
Inventors: В.К. Загорский; А.В. Загорский
Original assignee: Загорский Валерий Куприянович
Priority date: 1992-02-21
Filing date: 1992-02-21
Publication date: 1996-11-20

Abstract

FIELD: method is used ib chemical-thermal treatment of metals. SUBSTANCE: steel piece surface is heated by electrical short arc of reverse polarity carbon electrode and then it is cooled to temperature o-f phase transformations. Pressure is created till plastic deformation takes place in parallel on two limiting side rolls of heating seam by separate tool. So steel saturation with carbon, plastic deformation and hardening with increase of piece wearability are realized due to increase of surface firmness and decrease of roughness. EFFECT: increased piece wearability, its surface firmness, decreased its surface roughness. 2 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к химико-термической обработке стали и может быть использовано для упрочнения поверхности стальных изделий. The invention relates to chemical-thermal treatment of steel and can be used to harden the surface of steel products.

Известны способы упрочнения стальных изделий, включающие нагрев поверхности изделий до плавления, насыщение ее углеродом и закалку путем резкого охлаждения в среде хладагента (см. а.с. N 53326 кл. С 23 С 8/08; N 589286 кл. С 38 С 8/06; N 1104102 кл. С 7 патент Великобритании). Known methods of hardening steel products, including heating the surface of the products to melting, saturating it with carbon and quenching by quenching in a coolant medium (see as.with. N 53326 class. C 23 C 8/08; N 589286 class. C 38 C 8 / 06; N 1104102 class. With 7 patent of Great Britain).

Недостатками известных аналогов являются низкие механические свойства, т.к. образуется крупнозернистая аустенитная и мартенситная структура металла в обрабатываемом слое, а также низкая чистота поверхности вследствие оплавления и образования волнистой поверхности. The disadvantages of the known analogues are low mechanical properties, because coarse-grained austenitic and martensitic metal structures are formed in the treated layer, as well as low surface cleanliness due to fusion and the formation of a wavy surface.

Прототипом изобретения является способ упрочнения поверхности стальных изделий, включающий нагрев поверхности изделий до плавления электрической короткой дугой обратной полярности угольным электродом [1]
Недостатком прототипа является недостаточная износостойкость упрочненной поверхности и ее низкое качество ввиду неоднородности микротвердости и шероховатости.The prototype of the invention is a method of hardening the surface of steel products, comprising heating the surface of the products to melt an electric short arc of the opposite polarity with a carbon electrode [1]
The disadvantage of the prototype is the insufficient wear resistance of the hardened surface and its low quality due to the heterogeneity of microhardness and roughness.

Цель изобретения повышение износостойкости изделия за счет повышения поверхностной микротвердости и снижения шероховатости поверхности. The purpose of the invention is to increase the wear resistance of the product by increasing the surface microhardness and reducing surface roughness.

Настоящая цель достигается тем, что после обработки поверхность охлаждают до температуры фазовых превращений, после чего сглаживающим инструментом создают давление до пластической деформации с одновременной закалкой поверхности, причем сглаживающий инструмент охлаждают хладагентом, давление до пластической деформации создают параллельно по границам поверхности нагрева со стороны обработанной и необработанной поверхности изделия раздельными инструментами. The real goal is achieved by the fact that after processing the surface is cooled to the temperature of phase transformations, after which the smoothing tool creates pressure until plastic deformation with simultaneous hardening of the surface, and the smoothing tool is cooled by refrigerant, the pressure until plastic deformation is created in parallel along the boundaries of the heating surface from the processed and untreated product surfaces with separate tools.

На фиг. 1 показан общий вид устройства для упрочнения поверхности стальных изделий по способу. На фиг. 2 показан вид сверху на фиг. 1. Устройство включает в себя обрабатываемое стальное изделие 1 и установленный с зазором с ним дисковый угольный электрод 2, а после него по направлению вращения изделия 1, параллельно установлены два сглаживающих инструмента в виде упругих пластин 3, закрепленные в поворотной траверзе 4 болтом 5, установленной в резьбовых осях 6, на стойках 7 корпуса 8 зажатого в суппорте станка болтами 9. Через пазы сглаживающих пластины 3 болтами 10 прикреплены водяные радиаторы 11 с другой стороны пластины 3 опираются на регулируемую винтовую опору 12. In FIG. 1 shows a General view of a device for hardening the surface of steel products by the method. In FIG. 2 shows a top view of FIG. 1. The device includes a processed steel product 1 and a disc carbon electrode 2 installed with a gap with it, and after it, in the direction of rotation of the product 1, two smoothing tools in the form of elastic plates 3 are mounted in parallel, fixed in a rotary beam 4 with a bolt 5 installed in the threaded axles 6, on the racks 7 of the housing 8 clamped in the machine support by bolts 9. Through the grooves of the smoothing plate 3 bolts 10 are attached water radiators 11 on the other side of the plate 3 are supported by an adjustable screw support 12.

Способ осуществляют следующим образом. Изделие 1 приводят во вращение с линейной скоростью 2 10 м/мин. Электрод 2 приводят во вращение встречно поверхности изделия 1 и подают на него электрическое напряжение обратной полярности. The method is as follows. The product 1 is brought into rotation with a linear speed of 2 10 m / min. The electrode 2 is brought into rotation opposite to the surface of the product 1 and an electrical voltage of reverse polarity is supplied to it.

Между электродом 2 и поверхностью изделия 1 устанавливают короткую электрическую дугу с силой тока 100 1000 А. Устанавливают режим обработки до оплавления поверхности изделия 1, т. е. порядка 1540^oC. Здесь происходит интенсивное диффузионное насыщение расплавленной ванны углеродом и температура кристаллизации снижается до температуры плавления чугуна 1156^oC. После дуги контактной термопарой (на чертеже не показано) определяют зону охлаждения обработанной поверхности изделия 1 до температуры фазовых превращений 900 600^oС за счет внутреннего отвода тепла), где устанавливают сглаживающий инструмент, пластины 3, давление которых до получения пластической деформации (зеркальной поверхности) на изделии 1 устанавливается регулировочными винтовыми опорами 12. Одновременно через радиаторы 11 прокачивают воду.Between the electrode 2 and the surface of the product 1, a short electric arc is installed with a current strength of 100 1000 A. The treatment mode is set until the surface of the product 1 is melted, i.e., about 1540 ^o C. Here, intense diffusion saturation of the molten bath with carbon occurs and the crystallization temperature drops to a temperature melting of cast iron 1156 ^o C. After an arc using a contact thermocouple (not shown in the drawing), determine the cooling zone of the treated surface of the product 1 to a phase transformation temperature of 900 600 ^o C due to internal tap and heat), where a smoothing tool is installed, plates 3, the pressure of which, until plastic deformation (mirror surface) is obtained, is installed on the product 1 by adjusting screw supports 12. At the same time, water is pumped through the radiators 11.

При оплавлении поверхности изделия 1 под действием плазменного давления дуги в ванне расплавленного металла по границам нагрева формируются продольные швы по ширине "А" ванны и с высотой боковых наплывов "В". Особенно в условиях интенсивных режимов обработки. При движении пластин 3, каждая из них пластически деформирует наплывы "В" и выравнивает их. При этом происходит дополнительное измельчение структуры металла, образование мартенсита деформации из остаточного аустенита и механический наклеп. Одновременно сглаживающие пластины 3, имея низкую температуру, резко охлаждают деформированный слой поверхности изделия 1, что останавливает фазовые превращения, предотвращает рост кристаллов и стабилизирует пересыщенный твердый раствор углерода в железе аустенит и мартенсит, т.е. происходит моментальная закалка стали с увеличением дисперсности и микротвердости структурных составляющих. При пошаговом движении дуги по цилиндрической поверхности в направлении V (указано стрелкой) боковые наплывы шва со стороны обработанной и необработанной поверхности находятся в различных условиях термического воздействия. Боковой наплыв со стороны необработанной поверхности всегда нагревается первый раз, наплыв со стороны обработанной поверхности всегда нагревается вторично, что является причиной отпуска, снижения микротвердости и ее большого разброса по ширине шва А. When the surface of the product 1 is melted under the influence of the plasma pressure of the arc in the molten metal bath along the heating boundaries, longitudinal seams are formed along the width "A" of the bath and with the height of the side flows "B". Especially in conditions of intensive processing. With the movement of the plates 3, each of them plastically deforms the influx "B" and aligns them. In this case, additional refinement of the metal structure occurs, the formation of deformation martensite from residual austenite, and mechanical hardening. At the same time, the smoothing plates 3, having a low temperature, sharply cool the deformed layer of the surface of the product 1, which stops phase transformations, prevents the growth of crystals and stabilizes the supersaturated solid solution of carbon in iron austenite and martensite, i.e. instant hardening of steel occurs with an increase in the dispersion and microhardness of the structural components. When the arc moves stepwise along a cylindrical surface in the V direction (indicated by an arrow), the lateral weld seams from the side of the treated and untreated surfaces are in different thermal conditions. The lateral influx from the side of the untreated surface always heats up for the first time, the influx from the side of the machined surface is always heated for the second time, which is the cause of tempering, a decrease in microhardness and its large spread across the width of weld A.

При вторичном тепловом воздействии по мере продвижения инструмента, когда наплыв располагается со стороны обработанной поверхности, происходит вторичный переплав металла, перекристаллизация и фазовые превращения в нижележащей зоне под расплавленной поверхностью. Исходное состояние структуры, а именно ее дисперсность, которая заложена при первом цикле плавления и деформации, оказывает существенное влияние за счет наследственности на процесс формирования структуры бокового наплыва со стороны обработанной поверхности при повторном плавлении и деформировании. In the case of secondary heat exposure, as the tool advances, when the influx is located on the side of the treated surface, secondary metal remelting, recrystallization, and phase transformations occur in the underlying zone under the molten surface. The initial state of the structure, namely, its dispersion, which was established during the first cycle of melting and deformation, has a significant effect due to heredity on the formation of the lateral influx structure from the treated surface during repeated melting and deformation.

В результате раздельного двухциклового термического и совмещенного с ним механического воздействия, осуществленного поэтапно, удается повысить среднюю твердость за счет ее выравнивания в поперечном сечении "А" шва. При этом значительно повышается дисперсность переплавленной и нижележащей зоны, однородность упрочнения и чистота поверхности. As a result of separate two-cycle thermal and combined mechanical effects, carried out in stages, it is possible to increase the average hardness due to its alignment in the cross section "A" of the seam. At the same time, the dispersion of the remelted and underlying zone, the uniformity of hardening, and the cleanliness of the surface significantly increase.

Водяные радиаторы 11, закрепленные болтами 10 в пазах, могут передвигаться к зоне нагрева, при этом они позволяют снимать излишки тепла, образующиеся при трении пружинных пластин 3 о поверхность детали 1. Пружинные пластины 3 зажаты в поворотной траверзе 4 с возможностью их продольного выдвижения к зоне плавления и крепятся болтами 5. Траверза может совершать вращательное движение вокруг резьбовых осей 6, закрепленных в стойках 7 корпуса 8, который закреплен в суппорте станка болтами 9. Water radiators 11, fixed by bolts 10 in the grooves, can move to the heating zone, while they allow you to remove the excess heat generated by the friction of the spring plates 3 on the surface of the part 1. The spring plates 3 are clamped in the pivot beam 4 with the possibility of their longitudinal extension to the zone melting and fastened with bolts 5. The traverse can rotate around the threaded axles 6, mounted in the uprights 7 of the housing 8, which is fixed in the caliper of the machine with bolts 9.

Реализация способа поясняется примерами. The implementation of the method is illustrated by examples.

Пример 1. Заготовку изделия диаметром 100 мм из марки стали 38ХНМ (трубная заготовка) закрепляют в патроне токарного станка. Дисковый угольный электрод диаметром 150 мм, толщиной 5 мм устанавливают с зазором с поверхностью заготовки. Устанавливают линейную скорость движения поверхности заготовки 2 м/мин, шаг 3,5 мм и обрабатывают поверхность заготовки до плавления электрической короткой дугой обратной полярности силой тока 300 А, напряжением 23,0 В. Example 1. The procurement of a product with a diameter of 100 mm from steel grade 38XHM (tube billet) is fixed in the lathe chuck. A carbon disk electrode with a diameter of 150 mm and a thickness of 5 mm is installed with a gap with the surface of the workpiece. The linear speed of the workpiece surface is set to 2 m / min, the pitch is 3.5 mm, and the surface of the workpiece is processed until it melts with an electric short arc of reverse polarity with a current of 300 A and a voltage of 23.0 V.

После обработки заготовку охлаждают, вырезают образцы поперек шва и изготавливают шлифы. Измеряют шероховатость поверхности и микротвердость поперек шва. Данные сведены в таблицу 1. After processing, the workpiece is cooled, samples are cut across the seam, and thin sections are made. The surface roughness and microhardness across the seam are measured. The data are summarized in table 1.

Пример 2. По примеру 1 после электрода термопарой определяют зону охлаждения поверхности до 900^oC, где устанавливают на суппорте цельный сглаживающий инструмент с усиливанием сглаживания 1000 Н до получения гладкой поверхности. Через рубашку сглаживающего инструмента прокачивают воду.Example 2. According to example 1, after the electrode, a thermocouple determines the zone of surface cooling to 900 ^o C, where a solid smoothing tool is installed on the support with a smoothing gain of 1000 N until a smooth surface is obtained. Water is pumped through the jacket of the smoothing tool.

После обработки заготовку охлаждают, вырезают образцы поперек шва и изготавливают шлифы. Измеряют шероховатость поверхности и микротвердость поперек шва. Данные сведены в таблицу. After processing, the workpiece is cooled, samples are cut across the seam, and thin sections are made. The surface roughness and microhardness across the seam are measured. The data are tabulated.

Пример 3. По примеру 2 устанавливают два раздельных сглаживающих инструмента по границам зоны нагрева. После обработки заготовку охлаждают, вырезают образцы поперек шва и изготавливают шлифы. Измеряют шероховатость поверхности и микротвердость поперек шва. Данные сведены в таблицу 1. Example 3. According to example 2, two separate smoothing tools are installed along the boundaries of the heating zone. After processing, the workpiece is cooled, samples are cut across the seam, and thin sections are made. The surface roughness and microhardness across the seam are measured. The data are summarized in table 1.

Из таблицы видно, что при применении сглаживающих инструментов шероховатость поверхности с 0,3 мм уменьшилась до 0,1 мм. The table shows that when using smoothing tools, the surface roughness from 0.3 mm decreased to 0.1 mm.

Из таблицы видно, что твердость упрочненной поверхности с применением сглаживающего инструмента повышает твердость поверхности без механической обработки на 200 600 МПа. При этом при обработке раздельными сглаживающими, по сравнению с цельным, твердость упрочнения поверхности по границам нагрева поверхности увеличилась на 115 270 МПа. The table shows that the hardness of the hardened surface with the use of a smoothing tool increases the surface hardness without machining by 200 600 MPa. In this case, when treated with separate smoothing, as compared to whole, the surface hardening hardness along the surface heating boundaries increased by 115,270 MPa.

Таким образом, применение предлагаемого способа за счет повышения однородности структуры деформируемой поверхности и ее микротвердости позволяет повысить среднюю твердость и механические свойства обрабатываемой детали. Thus, the application of the proposed method by increasing the uniformity of the structure of the deformable surface and its microhardness can increase the average hardness and mechanical properties of the workpiece.

Claims

1. A method of hardening the surface of steel products, comprising heating the surface of the products before melting with an electric short arc of the opposite polarity with a carbon electrode, characterized in that, in order to increase the wear resistance of the product by increasing surface microhardness and reducing surface roughness, after processing the surface is cooled to the temperature of phase transformations , then with a smoothing tool create pressure until plastic deformation with simultaneous hardening of the surface, and smoothing ins ments cooled refrigerant.

2. The method according to p. 1, characterized in that the pressure before plastic deformation is created along the boundaries of the heating surface from the side of the treated and untreated surfaces of the product with separate tools.