RU2094484C1

RU2094484C1 - Method of treating steel objects

Info

Publication number: RU2094484C1
Application number: RU95120462A
Authority: RU
Inventors: Ю.А. Шибаев; Э.А. Левшин; В.Г. Дампилон; В.Г. Дураков
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "РОЛТОМ"
Priority date: 1995-12-05
Filing date: 1995-12-05
Publication date: 1997-10-27

Abstract

FIELD: metal working. SUBSTANCE: invention relates to thermochemical treatment and may find use in mechanical engineering and machine tool industry to strengthen cutting and forging tools as well as parts of machines and mechanisms made of structural steel. Method consists in submitting steel objects to nitriding under thermocyclic conditions. Process is carried out in ionized atmosphere only in cooling cycle, heat cycling being performed within temperature range by 10-30 C below steel drawing temperature in heating phase and by 70-170 C in cooling phase. EFFECT: improved performance characteristics, increased hardness and wear resistance of objects made of high-alloyed martensite steels; reduced cost. 2 cl, 2 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, а именно к химикотермической обработке, и может быть применено в машиностроении, станкостроении для упрочнения режущего и штампового инструмента, а также деталей машин, механизмов, выполненных из конструкционных сталей. The invention relates to metallurgy, namely to chemical thermal treatment, and can be applied in mechanical engineering, machine tool industry for hardening cutting and stamping tools, as well as machine parts, mechanisms made of structural steels.

Одной из задач дальнейшего развития машиностроения является повышение качества, надежности и долговечности деталей, узлов и механизмом. Для решения данной задачи существенным является разработка и освоение эффективных технологий, упрочняющих металлические изделия /материалы/. В настоящее время большой интерес в этом отношении вызывают химико-термические методы обработки. One of the tasks of the further development of engineering is to improve the quality, reliability and durability of parts, assemblies and mechanism. To solve this problem, it is essential to develop and master effective technologies that strengthen metal products / materials /. At present, chemical-thermal processing methods are of great interest in this regard.

Так, известен способ обработки инструментальных сталей (авт. св. СССР N 821512, C 21 D 9/22, Опуб. 1981), включающий закалку с пониженной температуры 970-1070^oC, отпуск и азотирование. С целью интенсификации процесса азотирования и увеличения твердости азотированного слоя перед закалкой проводят термоциклирование с нагревом до 1200-1250^oC и охлаждением в масло, а отпуск совмещают с азотированием в среде диссоциированного аммиака при 560±10^oC и атмосферном давлении в течение 18 ч. Количество циклов при термоциклировании выбирают равным 3-5 в зависимости от марки стали. Способ предназначен для обработки инструментальных сталей, преимущественно штампового назначения 4Х3ВМФ, 3Х2В8Ф и др. и позволяет создать на поверхности штампов и деталей пресс-форм, работающих в условиях интенсивных температурно-силовых нагрузок, износоустойчивого и теплостойкого поверхностного слоя.So, there is a known method of processing tool steels (ed. St. USSR N 821512, C 21 D 9/22, Pub. 1981), including hardening at a reduced temperature of 970-1070 ^o C, tempering and nitriding. In order to intensify the nitriding process and increase the hardness of the nitrided layer before quenching, thermal cycling is carried out with heating to 1200-1250 ^o C and cooling in oil, and tempering is combined with nitriding in a medium of dissociated ammonia at 560 ± 10 ^o C and atmospheric pressure for 18 hours. The number of cycles during thermal cycling is chosen equal to 3-5, depending on the grade of steel. The method is intended for the processing of tool steels, mainly stamped purpose 4X3VMF, 3X2V8F, etc. and allows you to create on the surface of the dies and parts of molds operating under intense temperature and power loads, wear-resistant and heat-resistant surface layer.

Недостатками способа являются большие энергозатраты и малая производительность 18 ч, обусловленные длительной выдержкой при температуре отпуска, а также загрязнение воздушного бассейна, обусловленное большим расходом аммиака в процессе этой выдержки. The disadvantages of the method are the high energy consumption and low productivity of 18 hours, due to prolonged exposure at the tempering temperature, as well as air pollution due to the high consumption of ammonia during this exposure.

Наиболее близким к предлагаемому является способ азотирования деталей из конструкционной стали (авт. св. СССР N 739131, C 23 C 11/16, опубл. 1980). Способ заключается в том, что азотирование образцов из стали 40Х ведут путем насыщения поверхности в среде аммиака при циклическом нагреве и охлаждении, причем в каждом цикле при 500-520^oC выдерживают в течение 2-3 ч, затем охлаждают до 350-370^oC и вновь нагревают до 500-520^oC.Closest to the proposed method is the nitriding of parts from structural steel (ed. St. USSR N 739131, C 23 C 11/16, publ. 1980). The method consists in the fact that the nitriding of samples of steel 40X is carried out by saturating the surface in ammonia during cyclic heating and cooling, and in each cycle at 500-520 ^o C stand for 2-3 hours, then cool to 350-370 ^o C and again heated to 500-520 ^o C.

К недостаткам прототипа относится то, что он, используя высокую температуру насыщения 500-520^oC, предназначен только для обработки конструкционных сталей и не пригоден для обработки инструментальных сталей. Так, термообработка конструкционных улучшаемых сталей не преследует цели сохранения мартенситной структуры; для них характерен отпуск на сорбит, который ведут как раз в указанном диапазоне температур. В результате длительного времени насыщения 2-3 ч при температуре 500-520^oC в высоколегированных инструментальных и конструкционных сталях, например, таких как мартенситностареющие, в отличие от малолегированных конструкционных, например, такой как 40Х, согласно прототипу возникает на поверхности сплошной слой ε фазы, препятствующий проникновению азота вглубь стали, и снижает прочностные свойства изделий из них. Кроме того, согласно прототипу насыщение поверхности стальных изделий азотом ведут на протяжении всего термоцикла как в фазе охлаждения, так и в фазе нагрева. Таким образом, вышеперечисленные недостатки известного способа обработки стальных изделий сужают его технические возможности и снижают его производительность.The disadvantages of the prototype include the fact that it, using a high saturation temperature of 500-520 ^o C, is intended only for the treatment of structural steels and is not suitable for the processing of tool steels. Thus, heat treatment of structural steels being improved does not pursue the goal of preserving the martensitic structure; they are characterized by tempering on sorbitol, which is conducted just in the indicated temperature range. As a result of a long saturation time of 2-3 hours at a temperature of 500-520 ^o C in high alloy tool and structural steels, for example, such as maraging, in contrast to low alloy structural, for example, such as 40X, according to the prototype, a continuous layer of ε phase appears on the surface , preventing the penetration of nitrogen deep into the steel, and reduces the strength properties of products from them. In addition, according to the prototype, the surface of steel products is saturated with nitrogen throughout the entire thermal cycle both in the cooling phase and in the heating phase. Thus, the above disadvantages of the known method of processing steel products narrow its technical capabilities and reduce its productivity.

Задачей изобретения, является улучшение эксплуатационных свойств, а именно увеличение твердости, износостойкости инструмента, деталей машин, выполненных из высоколегированных сталей. Немаловажной задачей изобретения является удешевление технологического процесса обработки и повышение его производительности. The objective of the invention is to improve operational properties, namely an increase in hardness, wear resistance of the tool, machine parts made of high alloy steels. An important objective of the invention is to reduce the cost of the process and increase its productivity.

Для решения поставленной задачи, предлагаемый способ обработки стальных изделий включает, так же как и в прототипе, проведение азотирования путем насыщения поверхности изделий в термоциклическом режиме. Отличием от прототипа является то, что азотирование ведут ионизированной атмосферой только в фазе охлаждения термоцикла. При этом термоциклирование проводят в интервале температур высокотемпературного отпуска стали на 10-30^oC ниже ее в фазе нагрева и на 70-170^oC в фазе охлаждения. Проведение азотирования только в фазе охлаждения термоцикла позволяет избежать образование на поверхности изделий сплошного слоя e фазы, которая придает азотному покрытию хрупкость, а только в виде его отдельных островков. Повышается твердость, износостойкость стальных изделий, обработанных данным способом, и одновременно сокращается время на обработку, что удешевляет технологический процесс и повышает его производительность. При этом азотирование ведут при наличии высокоактивной насыщающей атмосферы, каковой служит ионизированный каким-либо известным видом электрического разряда азот и термоциклирование проводят в интервале температур высокотемпературного отпуска стали на 10-30^oC ниже ее в фазе нагрева и на 70-170^oC в фазе охлаждения. Так отпуск сталей инструментальных преследует цели снятия напряжений закалки и достижения дополнительной вторичной твердости, путем выделения мелкодисперсных карбидов; но все это при сохранении мартенситной структуры. Поэтому применяют более низкую температуру отпуска, даже высокотемпературного, чем у прототипа 500-520^oC. Активированный ионизацией азот в начале охлаждения насыщает до предела растворимости поверхностный слой стали, а при дальнейшем охлаждении запасается на поверхности в виде хемосорбционного азота. При последующем нагреве запасенный в твердом растворе и на поверхности азот диффундирует вглубь.To solve this problem, the proposed method for processing steel products includes, as in the prototype, nitriding by saturation of the surface of the products in thermocyclic mode. The difference from the prototype is that nitriding is carried out by an ionized atmosphere only in the cooling phase of the thermal cycle. In this case, thermal cycling is carried out in the temperature range of high-temperature tempering of steel 10-30 ^o C below it in the heating phase and 70-170 ^o C in the cooling phase. Carrying out nitriding only in the cooling phase of the thermal cycle avoids the formation on the surface of the products of a continuous layer of the e phase, which makes the nitrogen coating brittle, but only in the form of its individual islands. The hardness and wear resistance of steel products processed by this method are increased, while the processing time is reduced, which reduces the cost of the process and increases its productivity. In this case, nitriding is carried out in the presence of a highly active saturating atmosphere, which is nitrogen ionized by any known type of electric discharge, and thermal cycling is carried out in the temperature range of high-temperature tempering of steel 10-30 ^° C lower than it in the heating phase and 70-170 ^° C in phase cooling. So the tempering of tool steels pursues the goal of relieving hardening stresses and achieving additional secondary hardness by isolating finely dispersed carbides; but all this while maintaining the martensitic structure. Therefore, a lower tempering temperature is applied, even at a higher temperature than that of the prototype 500-520 ^o C. At the start of cooling, ionization-activated nitrogen saturates the surface layer of steel to the solubility limit, and upon further cooling it is stored on the surface in the form of chemisorption nitrogen. Upon subsequent heating, the nitrogen stored in the solid solution and on the surface diffuses deeply.

Пример. Изделия, например инструмент, прошедшие предварительную, всю необходимую термообработку, закалку, отпуск и пр. подвергают ионному азотированию в режиме термоциклирования. Для обработки используют стандартную установку вакуумной закалки. Термоциклирование ведут поочередным механическим перемещением изделий в печь и в зону охлаждения без выдержек. Заданные температуры термоцикла, в зависимости от марки стали, приведены в табл. 1. После нагрева изделия перемещают в зону охлаждения и ведут азотирование. Для этого установку дополнительно оснащают электроразрядным устройством, через которое пропускают поток охлаждающего азота. Чтобы обеспечить интенсивное охлаждение при активации азота разрядом, исходят из требования достижения максимальной колебательной температуры, а также максимальной диссоциации газовых молекул, но не ионизации. Длительность термоцикла, которая определяется суммарным временем нагрева и охлаждения, составляет 8-15 мин, а общее время обработки равно 1,5 ч. Способ опробован на трех типах высоколегированных мартенситных сталей;
Х12М, штамповой, холодного деформирования;
Р6М5, быстрорежущей для лезвийного инструмента;
Н15К9М5Т /ЭП-637Б/, мартенситностареющей, конструкционной.Example. Products, such as tools that have passed preliminary, all the necessary heat treatment, hardening, tempering, etc., are subjected to ion nitriding in the thermal cycling mode. For processing using a standard installation of vacuum hardening. Thermal cycling is carried out by alternating mechanical movement of the products into the furnace and into the cooling zone without exposure. The set temperatures of the thermal cycle, depending on the steel grade, are given in table. 1. After heating, the product is moved to the cooling zone and nitriding is carried out. For this, the installation is additionally equipped with an electric-discharge device through which a stream of cooling nitrogen is passed. In order to provide intensive cooling during nitrogen activation by discharge, one proceeds from the requirement of achieving a maximum vibrational temperature, as well as maximum dissociation of gas molecules, but not ionization. The duration of the thermal cycle, which is determined by the total heating and cooling time, is 8-15 minutes, and the total processing time is 1.5 hours. The method has been tested on three types of high alloy martensitic steels;
X12M, die, cold deformation;
P6M5, high-speed for a blade tool;
N15K9M5T / EP-637B /, martensitic, structural.

После обработки изделия испытывают в производственных условиях на эксплуатационную стойкость. Исследовали превышение нормостойкости в зависимости от температуры нагрева Т_max и охлаждения T_min в термоциклах по отношению к стандартным температурам отпуска сталей T_отп. Результаты приведены в табл. 1. Выяснено, что оптимальные значения разностей температур
T_отп T_max 10^oC, T_отп Т_min 70-170^oC.After processing, the product is tested in production conditions for operational stability. We studied the excess of normative stability depending on the heating temperature T _max and cooling T _min in thermal cycles with respect to standard tempering temperatures of steels T _Ot . The results are shown in table. 1. It was found that the optimal values of temperature differences
T _temp T _max 10 ^o C, T _temp T _min 70-170 ^o C.

Диапазон разности температур Т_отп Т_max 10-30^oC удовлетворяет требованиям
максимума температуры в термоцикле T_max;
требования не выходить за T_отп, чтобы не нарушить мартенситную структуру закаленного изделия;
учета технологической погрешности в производстве.The temperature difference range T _OT T _max 10-30 ^o C meets the requirements
temperature maximum in thermal cycle T _max ;
requirements not to go beyond T _OTP , so as not to violate the martensitic structure of the hardened product;
accounting for technological errors in production.

В табл. 2 приведены результаты исследования режимов азотирования. Наилучший результат получен при проведении азотирования в фазе охлаждения термоцикла. In the table. 2 shows the results of a study of nitriding regimes. The best result was obtained during nitriding in the cooling phase of the thermal cycle.

Claims

1. The method of processing steel products, including nitriding in thermocyclic mode, characterized in that nitriding is carried out by the ionized atmosphere in the cooling phase of the thermal cycle.

2. The method according to p. 1, characterized in that the thermal cycling is carried out in the temperature range of high-temperature tempering of steel 10 30 ^o C below it in the heating phase and 70 170 ^o C in the cooling phase.