RU2455386C1

RU2455386C1 - Method to process long steel part

Info

Publication number: RU2455386C1
Application number: RU2011138624/02A
Authority: RU
Inventors: Владислав Васильевич Богданов (RU); Владислав Васильевич Богданов; Сергей Наумович Долгих (RU); Сергей Наумович Долгих
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Торговый дом ПКНМ"
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2012-07-10

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: long steel part is processed. During processing the preliminary and final ion-vacuum nitriding in a glow discharge, restriking and honing are carried out. Restriking and honing are carried out after the preliminary and before the final nitriding, at that the preliminary nitriding is performed at a temperature of 510-530°C and a pressure of 350-600 Pa during 8-14 hours. The final nitriding is performed at a temperature of 500-540°C for 2.0-4.0 hours and a pressure of 390-650 Pa.

EFFECT: provision of required geometric characteristics of the processed parts and preservation of integrity, uniformity and continuity of the nitrided layer.

Description

Изобретение относится к области обработки поверхности металлического материала путем взаимодействия поверхности с ионизированным газом и может быть использовано, например, для обработки длинномерных прецизионных цилиндров скважинных насосов, работающих в условиях абразивного износа.The invention relates to the field of surface treatment of metallic material by surface interaction with ionized gas and can be used, for example, for processing lengthy precision cylinders of borehole pumps operating under abrasive conditions.

Известен способ изготовления деталей из конструкционных сталей (пат. RU 2250273, МПК⁷ С23С 8/26, опубл. 2002.12.20), включающий черновую механическую обработку, стабилизирующий отпуск, окончательную механическую обработку и двухступенчатое газовое азотирование с выдержкой в атмосфере аммиака сначала при температуре 510-515°С, затем при 540-545°С и последующее охлаждение. Окончательную механическую обработку проводят путем двухкратной чистовой механической обработки с промежуточным и окончательным отпуском в селитровой ванне при температуре 520-540°С в течение 0,25-0,5 ч, а двухступенчатое газовое азотирование деталей проводят в постоянном магнитном поле напряженностью 100-150 Э в течение 1-2 ч с последующим охлаждением со скоростью 20-30°С/мин.A known method of manufacturing parts from structural steels (US Pat. RU 2250273, IPC ⁷ C23C 8/26, publ. 2002.12.20), including rough machining, stabilizing tempering, final machining and two-stage gas nitriding with exposure to ammonia at first at a temperature 510-515 ° C, then at 540-545 ° C and subsequent cooling. The final machining is carried out by double finishing with intermediate and final tempering in a saltpeter bath at a temperature of 520-540 ° C for 0.25-0.5 hours, and two-stage gas nitriding of parts is carried out in a constant magnetic field of 100-150 Oe within 1-2 hours, followed by cooling at a rate of 20-30 ° C / min.

Такой способ сложен, что объясняется необходимостью проведения перед азотированием окончательной механической обработки путем двукратной чистовой механической обработки с промежуточным и окончательным отпуском в селитровой ванне при температуре 520-540°С в течение 0,25-0,5 ч. Кроме того, при обработке таким способом в процессе азотирования происходят деформации длинномерной детали, требующие последующей механической обработки - правки и хонингования, что значительно ухудшает качество азотированного слоя.This method is complicated, which is explained by the need for final machining before nitriding by double finishing with intermediate and final tempering in a nitrate bath at a temperature of 520-540 ° C for 0.25-0.5 hours. In addition, when processing such In the process of nitriding, deformations of a long part occur, requiring subsequent mechanical processing — dressing and honing, which significantly impairs the quality of the nitrided layer.

Известен способ ионно-вакуумного азотирования длинномерной стальной детали в тлеющем разряде (RU 2044801 С1, МПК С23С 8/36, 27.09.1995 г.), включающий азотирование с комбинированным нагревом при давлении 2-3 мм рт.ст., температуре на рабочей кромке 430-480°С, плотности ионного тока 0,3 мА/см², продолжительности 24 ч, после которого осуществляют дополнительный нагрев в вакууме или азотсодержащей атмосфере при температуре выше температуры азотирования, но не превышающей температуру разупрочнения материала.A known method of ion-vacuum nitriding of a long steel part in a glow discharge (RU 2044801 C1, IPC C23C 8/36, 09/27/1995), including nitriding with combined heating at a pressure of 2-3 mm Hg, temperature at the working edge 430-480 ° C, ion current density 0.3 mA / cm ² , duration 24 hours, after which additional heating is carried out in a vacuum or nitrogen-containing atmosphere at a temperature above the nitriding temperature, but not exceeding the softening temperature of the material.

При обработке таким способом происходят деформации длинномерной детали, требующие последующей механической обработки - правки и хонингования, что ухудшает качество азотированного слоя.When processed in this way, deformations of a lengthy part occur, requiring subsequent mechanical processing - dressing and honing, which affects the quality of the nitrided layer.

Наиболее близким к заявляемому и принятым в качестве прототипа является способ газового азотирования стальных изделий (авторское свидетельство SU 1502656, МПК⁴ С23С 8/26, опубл. 1989.08.23), включающий нагрев детали, предварительное азотирование при температуре 510±10°С, окончательное азотирование при температуре 530±5°С, последующее охлаждение. Для обеспечения точности геометрических параметров длинномерной детали требуется последующая механическая обработка - правка и хонингование.Closest to the claimed and adopted as a prototype is a method of gas nitriding of steel products (copyright certificate SU 1502656, IPC ⁴ C23C 8/26, publ. 1989.08.23), including heating the part, preliminary nitriding at a temperature of 510 ± 10 ° C, final nitriding at a temperature of 530 ± 5 ° C, subsequent cooling. To ensure the accuracy of the geometric parameters of a lengthy part, subsequent machining is required - dressing and honing.

Недостатками такого способа являются пониженная твердость и износостойкость обработанных поверхностей, недостаточная равномерность и однородность азотированного слоя. Последующая механическая обработка - правка и хонингование нарушает целостность, равномерность азотированного слоя, нарушает сплошность нитридной зоны и, как следствие, значительно ухудшает эксплуатационные свойства детали.The disadvantages of this method are reduced hardness and wear resistance of the treated surfaces, insufficient uniformity and uniformity of the nitrided layer. Subsequent machining - dressing and honing violates the integrity, uniformity of the nitrided layer, violates the continuity of the nitride zone and, as a result, significantly affects the operational properties of the part.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа ионно-вакуумного азотирования длинномерных стальных деталей, обеспечивающего геометрическую точность деталей и сохранение целостности, равномерности и сплошности азотированного слоя.The objective of the invention is to provide a method of ion-vacuum nitriding of long steel parts, providing geometric accuracy of the parts and maintaining the integrity, uniformity and continuity of the nitrided layer.

Поставленная задача решается усовершенствованием способа обработки длинномерной стальной детали, включающего ионно-вакуумное предварительное и окончательное азотирование в тлеющем разряде, правку и хонингование.The problem is solved by improving the processing method of long steel parts, including ion-vacuum preliminary and final nitriding in a glow discharge, dressing and honing.

Это усовершенствование заключается в том, что правку и хонингование осуществляют после предварительного перед окончательным азотированием, при этом предварительное азотирование проводят при температуре 510-530°С в течение 8-14 ч и давлении 350-600 Па, а окончательное азотирование проводят при температуре 500-540°С в течение 2,0-4,0 ч и давлении 390-650 Па.This improvement consists in the fact that dressing and honing are carried out after preliminary before final nitriding, while preliminary nitriding is carried out at a temperature of 510-530 ° C for 8-14 hours and a pressure of 350-600 Pa, and the final nitriding is carried out at a temperature of 500- 540 ° C for 2.0-4.0 h and a pressure of 390-650 Pa.

Осуществление предварительного азотирования при температуре 510-530°С в течение 8-14 ч и давлении 350-600 Па позволяет получить азотированный слой толщиной 0,2-0,3 мм с поверхностной нитридной зоной 6-10 мкм и твердостью HV 800-1100.The implementation of preliminary nitriding at a temperature of 510-530 ° C for 8-14 hours and a pressure of 350-600 Pa allows you to get a nitrided layer with a thickness of 0.2-0.3 mm with a surface nitride zone of 6-10 microns and a hardness of HV 800-1100.

Однако, например, при изготовлении цилиндров скважинных насосов наличие разностенности ≥0,4 мм, остаточных напряжений ≥5 кгс/мм² и обезуглероженного слоя ≥0,2 мм, полученных при заготовительном переделе, не позволяют получить требуемую прямолинейность канала цилиндра и необходимых диаметральных размеров.However, for example, in the manufacture of downhole pump cylinder variation in the presence ≥0,4 mm, the residual stress ≥5 kgf / mm ² and a decarburized layer ≥0,2 mm obtained by redistribution of the blank, does not allow to obtain the required straightness of the cylinder bore and the required diametral dimensions .

Поэтому для обеспечения требуемой прямолинейности канала и необходимых диаметральных размеров требуется после предварительного азотирования проведение правки и хонингования. Однако при этом азотированный слой нарушается, его размер местно уменьшается до 0,15-0,2 мм, а твердость до 750-800 HV.Therefore, to ensure the required straightness of the channel and the necessary diametrical dimensions, after preliminary nitriding, dressing and honing are required. However, the nitrided layer is violated, its size locally decreases to 0.15-0.2 mm, and the hardness to 750-800 HV.

Выполнение после правки и хонингования окончательного азотирования при температуре 500-540°С в течение 2,0-4,0 ч и давлении 390-650 Па позволяет получить равномерный азотированный слой толщиной 0,25-0,35 мм с развитой нитридной зоной толщиной 8-12 мкм и твердостью HV 900-1200, сохранив полученные при правке и хонинговании прямолинейность оси длинномерной детали и необходимые диаметральные размеры.After editing and honing, the final nitriding at a temperature of 500-540 ° C for 2.0-4.0 hours and a pressure of 390-650 Pa allows you to get a uniform nitrided layer with a thickness of 0.25-0.35 mm with a developed nitride zone with a thickness of 8 -12 microns and a hardness of HV 900-1200, preserving the straightness of the axis of the lengthy part obtained during straightening and honing and the necessary diametrical dimensions.

Таким образом, в процессе предварительного азотирования, правки, хонингования и окончательного азотирования обеспечивается возможность формирования равномерного азотированного слоя требуемой твердости с развитой нитридной зоной и получения длинномерной детали необходимой геометрической точности.Thus, in the process of preliminary nitriding, dressing, honing and final nitriding, it is possible to form a uniform nitrided layer of the required hardness with a developed nitride zone and to obtain a long part with the necessary geometric accuracy.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Стальные длинномерные детали помещают в вакуумную камеру ионно-вакуумной химико-термической обработки и осуществляют их нагрев в тлеющем разряде, предварительное азотирование при температуре 510-530°С в течение 8-14 ч и давлении 350-600 Па, обеспечивая получение азотированного слоя с необходимой толщиной 0,2-0,3 мм с поверхностной нитридной зоной 6-10 мкм и требуемой твердостью HV 800-1100 необходимой твердости. После этого выполняют правку на гидравлическом прессе, обеспечивая прямолинейность 0,08 мм на длине 1000 мм, и хонингование на горизонтально-хонинговальном станке с обеспечением требуемого номинального диаметра цилиндра, допуска на диаметр до 0,005 мм и разноразмерности до 0,02 мм. Затем выполняют окончательное азотирование при температуре 500-540°С в течение 2,0-4,0 ч и давлении 390-650 Па для получения требуемой толщины и твердости азотированного слоя, сохраняя при этом геометрические параметры канала цилиндра, полученные после правки и хонингования.Steel lengthy parts are placed in a vacuum chamber of an ion-vacuum chemical-thermal treatment and they are heated in a glow discharge, preliminary nitriding at a temperature of 510-530 ° C for 8-14 hours and a pressure of 350-600 Pa, providing a nitrided layer with the necessary 0.2-0.3 mm thick with a surface nitride zone of 6-10 microns and the required hardness HV 800-1100 of the required hardness. After this, dressing is performed on a hydraulic press, ensuring straightness of 0.08 mm over a length of 1000 mm, and honing on a horizontal honing machine with the required nominal cylinder diameter, diameter tolerance of up to 0.005 mm and different sizes up to 0.02 mm. Then, final nitriding is performed at a temperature of 500-540 ° C for 2.0-4.0 h and a pressure of 390-650 Pa to obtain the required thickness and hardness of the nitrided layer, while maintaining the geometric parameters of the cylinder channel obtained after dressing and honing.

Предлагаемым способом обработали цилиндры скважинных штанговых насосов из стали 38Х2МЮА длиной 4262⁺¹⁰ мм, внутренним диаметром 44,45^+0,05 мм, наружным диаметром 57,85_-0,3. Детали размещали в камере с использованием специальной оснастки по 18 штук. Азотосодержащий газ (смесь 1 части азота и 3 частей водорода) подавали в течение всего цикла предварительного азотирования. Предварительное азотирование выполняли при температуре 530°С в течение 10 ч и давлении 420 Па.The proposed method was treated with sucker-rod pump cylinders of steel 38H2MJuA ¹⁰ mm length 4262, inside diameter of 44.45 ^0.05 mm, external diameter 57.85 _-0.3. Details were placed in the chamber using special equipment of 18 pieces. A nitrogen-containing gas (a mixture of 1 part nitrogen and 3 parts hydrogen) was supplied during the entire preliminary nitriding cycle. Preliminary nitriding was performed at a temperature of 530 ° C for 10 h and a pressure of 420 Pa.

После чего выполняли правку на гидравлическом прессе с контролем по внутреннему каналу цилиндра, обеспечивая прямолинейность до 0,08 мм на 1000 мм и хонингование на размер 44,45^+0,04мм с обеспечением разноразмерности 0,02 мм на всей длине цилиндра. Окончательное азотирование производили в течение 3 часов при температуре 510°С и давлении 450 Па.After that, dressing was carried out on a hydraulic press with control along the internal channel of the cylinder, ensuring straightness of up to 0.08 mm per 1000 mm and honing to a size of 44.45 ^{+ 0.04 mm} with the provision of different sizes of 0.02 mm along the entire length of the cylinder. The final nitriding was carried out for 3 hours at a temperature of 510 ° C and a pressure of 450 Pa.

В результате получили детали с равномерно развитым азотированным слоем толщиной 250-300 мкм и твердостью на поверхности 1100-1200 HV, на глубине 10 мкм - 1000-1100 HV, на глубине 20 мкм - 950-1000 HV, на глубине 50 мкм - 850-920 HV, на глубине 150 мкм - 600-650HV, на глубине 250 мкм - 350-400HV. Азотированный слой имел равномерную и умеренно развитую нитридную зону толщиной 5-8 мкм. При этом прямолинейность цилиндра была в пределах 0,08 мм на 1000 мм, а увеличение внутреннего диаметра не превысило 0,01 мм и не вышло за поле допуска и требуемые параметры по разноразмерности.As a result, we obtained parts with a uniformly developed nitrided layer 250-300 μm thick and hardness at a surface of 1100-1200 HV, at a depth of 10 μm - 1000-1100 HV, at a depth of 20 μm - 950-1000 HV, at a depth of 50 μm - 850- 920 HV, at a depth of 150 microns - 600-650HV, at a depth of 250 microns - 350-400HV. The nitrided layer had a uniform and moderately developed nitride zone 5–8 μm thick. At the same time, the straightness of the cylinder was within 0.08 mm per 1000 mm, and the increase in the internal diameter did not exceed 0.01 mm and did not go beyond the tolerance range and the required parameters for different sizes.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет обеспечить требуемые геометрические характеристики обработанной детали и получить равномерный азотированный слой требуемой твердости.Thus, the use of the proposed method allows to provide the required geometric characteristics of the machined part and to obtain a uniform nitrided layer of the required hardness.

Claims

A method of processing a long steel part, including ion-vacuum preliminary and final nitriding in a glow discharge, dressing and honing, characterized in that the dressing and honing is carried out after preliminary before final nitriding, while preliminary nitriding is carried out at a temperature of 510-530 ° C for 8-14 hours and a pressure of 350-600 Pa, and the final nitriding is carried out at a temperature of 500-540 ° C for 2.0-4.0 hours and a pressure of 390-650 Pa.