RU2688787C2 - Способ упрочнения поверхностей термообработанных стальных деталей - Google Patents
Способ упрочнения поверхностей термообработанных стальных деталей Download PDFInfo
- Publication number
- RU2688787C2 RU2688787C2 RU2017116136A RU2017116136A RU2688787C2 RU 2688787 C2 RU2688787 C2 RU 2688787C2 RU 2017116136 A RU2017116136 A RU 2017116136A RU 2017116136 A RU2017116136 A RU 2017116136A RU 2688787 C2 RU2688787 C2 RU 2688787C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- doping
- heat
- graphite electrode
- steel parts
- stage
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
- B23H5/00—Combined machining
- B23H5/14—Supply or regeneration of working media
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
- C23C8/34—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases more than one element being applied in more than one step
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
- C23C8/36—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases using ionised gases, e.g. ionitriding
- C23C8/38—Treatment of ferrous surfaces
Abstract
Изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим способам обработки деталей, в частности к электроэрозионному легированию графитовым электродом и азотированию поверхностей стальных деталей. Способ упрочнения поверхностей термообработанных стальных деталей включает электроэрозионное легирование графитовым электродом по крайней мере в два этапа со снижением энергии разряда на каждом последующем этапе и ионное азотирование в течение времени, достаточного для насыщения металла азотом на глубину зоны термического влияния. Электроэрозионное легирование графитовым электродом совмещают с ионным азотированием по крайней мере в два этапа, при этом в зону электроэрозионного легирования вводят азот и на первом этапе упомянутое легирование осуществляют с энергией разряда 0,42 Дж и с производительностью 0,1-2,0 см/мин, а на втором этапе - с энергией разряда 0,1 Дж и с производительностью 0,1-1,0 см/мин. Обеспечивается упрочнение поверхностей стальных деталей. 2 ил., 2 табл.
Description
Техническое решение относится к электрофизическим и электрохимическим способам обработки деталей, в частности к электроэрозионному легированию графитовым электродом и азотированию поверхностей стальных деталей.
Применение упрочняющих и защитных покрытий существенно повышает качество продукции в машиностроении, обеспечивает надежную работу узлов и деталей в тяжелых условиях эксплуатации оборудования, позволяет снизить материальные и энергетические затраты на эксплуатацию машин, уменьшить расход дорогостоящих конструкционных материалов. Поэтому исследования, направленные на создание новых и повышение качества уже существующих защитных технологий актуальны и своевременны.
Одним из наиболее простых с технологической точки зрения методов упрочнения деталей является поверхностное электроэрозионное легирование (ЭЭЛ). Его достоинствами являются: локальность воздействия, малый расход энергии, отсутствие объемного нагрева материала и др.
Применяя ЭЭЛ, можно повысить твердость металлической поверхности нанесением на нее материала более высокой твердости или диффузионным введением в поверхностный слой необходимых химических элементов из окружающей среды или из материала анода. [Лазаренко Н.И. Электроискровое легирование металлических поверхностей. - М. Машиностроение, 1976. - 45 с.].
В табл. 1 приведены основные режимы работы установки с ручным вибратором модели «ЭИЛ - 8А», а также рекомендуемое время легирования 1 см2 поверхности (производительность процесса ЭЭЛ). Для емкостей накопительного конденсатора С=20 мкФ и С=300 мкФ установка имеет по 8 режимов работы.
Однако ЭЭЛ термообработанных деталей, подвергаемых в условиях эксплуатации высоким удельным нагрузкам, например, деталей штампов, валов прокатных станов и других подобных деталей, не всегда приводит к желаемому результату. Причиной выхода из строя некоторых из них является то, что под слоем повышенной твердости после ЭЭЛ появляется зона отпуска, то есть, зона сниженной твердости. Это приводит к так называемому продавливанию упрочненного слоя и, как следствие, к быстрому износу детали. ЭЭЛ в данном случае принесет вред, особенно если допустимый износ легированной поверхности превышает толщину слоя повышенной твердости [Лазаренко Н.И. Электроискровое легирование металлических поверхностей. - М. Машиностроение, 1976. - 45 с.].
Для устранения указанных выше недостатков создан способ упрочнения поверхностей термообработанных стальных деталей, который, как и способы, известные из уровня техники, включает операцию электроэрозионного легирования и операцию ионного азотирования, причем, операцию ионного азотирования осуществляют или до, или после операции электроэрозионного легирования в течение времени, достаточного для насыщения поверхностного слоя детали азотом на глубину зоны термического влияния. Операцию электроэрозионного легирования выполняют графитовым электродом с энергией разряда 0,1-6,8 Дж и производительностью 0,2-4,0 см2/мин. С целью снижения шероховатости поверхности операцию электроэрозионного легирования графитовым электродом проводят, по крайней мере, в два этапа со снижением энергии разряда на каждом последующем этапе, причем, первый этап легирования графитовым электродом выполняют с энергией разряда 0,1-6,4 Дж и производительностью 0,2-4,0 см2/мин., а второй этап легирования графитовым электродом проводят с энергией разряда 0,1-2,83 Дж и производительностью 0,2-2,0 см2/мин: [Патент Российской Федерации на изобретение №2603932. Способ упрочнения поверхностей термообработанных стальных деталей / В.Б. Тарельник, B.C. Марцинковский, П.В. Косенко, Т.П. Волошко, Богдан Антошевский/ Опубл. 10.12.2016, Бюл. №34] (прототип).
В данном случае поэтапное электроэрозионное легирование графитовым электродом (ЦЭЭЛ) до ионного азотирования (ИА) приводит к снижению микротвердости в зоне термического влияния (т.е. под слоем повышенной твердости может образоваться зона пониженной твердости), при этом после ИА в течение времени, достаточного для насыщения поверхностного слоя детали азотом на глубину зоны термического влияния, провал твердости устраняется.
Аналогичные результаты можно получить, если ионное азотирование в течение времени, достаточного для насыщения поверхностного слоя детали азотом на глубину зоны термического влияния проводить до ЦЭЭЛ. Причем, с целью снижения шероховатости поверхности, ЦЭЭЛ следует проводить поэтапно, снижая на каждом этапе энергию разряда. В данном случае твердость в зоне термического влияния снижаться не будет, так как свойства азотированной поверхности практически не изменяются при повторных нагревах вплоть до 500-600°С, в то время как при нагревах цементированной и закаленной поверхности до 225-275°С ее твердость снижается.
При ЦЭЭЛ стальной азотированной поверхности происходит процесс аналогичный нитроцементации, при котором насыщение поверхности азотом и углеродом протекает поочередно, следовательно, техническая задача данного решения, заключающаяся в повышении качества поверхности термообработанных стальных деталей, по сути, решается методом нитроцементации.
Несмотря на ряд положительных результатов, представленных выше, существующий метод не лишен недостатков. Прежде всего, данный способ предусматривает довольно длительный период времени осуществления процесса ионного азотирования (ИА) (до 24 часов), большой расход, как электроэнергии, так и необходимых реагентов, а также потребность в защите отдельных участков поверхности изделия, например, резьбы, от воздействия облучения.
Следовательно, задача повышения качества термообработанных деталей не утратила своей актуальности.
Для устранения указанных выше недостатков создан способ упрочнения поверхностей термообработанных стальных деталей, который, как и способы, известные из уровня техники, включает осуществление процесса электроэрозионного легирования графитовым электродом (ЦЭЭЛ), по крайней мере, в два этапа со снижением энергии разряда на каждом последующем этапе, и процесса ионного азотирования (ИА) в течение времени, достаточного для насыщения металла азотом на глубину зоны термического влияния, но при котором, в соответствии с заявляемым техническим решением, процесс электроэрозионного легирования графитовым электродом совмещают с процессом ионного азотирования, по крайней мере, в два этапа, при этом азот вводят в зону легирования, а сам процесс легирования графитовым электродом на первом этапе осуществляют с производительностью 0,1-2,0 см2/мин, а на втором этапе - с производительностью 0,1-1,0 см2/мин.
Таким образом, одновременно протекают два процесса ЦЭЭЛ и ИА, что, по сути, является процессом нитроцементации методом ЭЭЛ (НЦЭЭЛ).
Способ осуществляется с помощью известного приспособления, которое закрепляется на вибраторе установки ЭЭЛ (фиг. 1).
Ниже приведен пример конкретного применения заявляемого технического решения со ссылками на иллюстративный материал, где
- на фиг. 1 представлено устройство для подачи газа в зону легирования, включающее: вибратор, 1; оправку для подвода газа, 2; штуцер для подвода газа, 3; электрод, 4; устройство, 5, подсоединения вибратора к генератору ЭЭЛ;
- на фиг. 2 представлен образец для ЦЭЭЛ в соответствии с заявляемым техническим решением.
Для ЦЭЭЛ использовали специальные образцы из стали 40Х, термообработанные аналогично способу, описанному в документе из уровня техники [Патент Российской Федерации на изобретение №2603932. Способ упрочнения поверхностей термообработанных стальных деталей / В.Б. Тарельник, B.C. Марцинковский, П.В. Косенко, Т.П. Волошко, Богдан Антошевский/ Опубл. 10.12.2016, Бюл. №34] (прототип), на твердость 3900-4000 МПа. Образцы изготавливали в виде катушки, состоящей из двух дисков, диаметром 50 мм и шириной 10 мм, соединенных между собой проставкой диаметром 15 мм, имеющей два технологических участка такого же диаметра, фиг. 2. Поверхности дисков шлифовали до Ra=0,5 мкм.
Процесс ЦЭЭЛ и НЦЭЭЛ осуществляли в автоматическом режиме с помощью установки модели «ЭИЛ - 8А». Образцы закрепляли в патроне токарного станка, после чего производили:
- ЦЭЭЛ путем поэтапного легирования графитовым электродом марки ЭГ-4 (ОСТ 229-83) с энергией разряда 0,42 Дж (1-й этап) и 0,1 Дж (2-й этап) и с производительностью, соответственно, 0,4 и 0,2 см2/мин;
- НЦЭЭЛ путем поэтапного легирования графитовым электродом марки ЭГ-4 (ОСТ 229-83) с энергией разряда 0,42 Дж (1-й этап) и 0,1 Дж (2-й этап) и с производительностью, соответственно, 0,2 и 0,1 см2/мин.
В связи с тем, что при НЦЭЭЛ происходит охлаждение легируемого участка струей азота, производительность при НЦЭЭЛ была в два раза снижена на обоих этапах, что в два раза увеличило время процесса нитроцементации.
Из упрочненных образцов вырезали сегменты, из которых изготовляли шлифы, которые исследовали на оптическом микроскопе «Неофот-2», где проводили оценку качества слоя, его сплошности, толщины и строения зон подслоя - диффузионной зоны и зоны термического влияния. Одновременно проводили дюрометрический анализ на распределение микротвердости в поверхностном слое и по глубине шлифа от поверхности.
Замер микротвердости выполняли на микротвердомере ПМТ-3 вдавливанием алмазной пирамиды под нагрузкой 0,05 Н.
На всех этапах обработки измеряли шероховатость поверхности на приборе профилографе - профилометре мод. 201 завода «Калибр».
В табл. 2 представлено распределение микротвердости в поверхностном слое образцов стали 40Х, термообработанных на твердость 3900-4000 МПа и упрочненных различными способами, а также приведены результаты влияния этих способов упрочнения на шероховатость формируемого упрочненного поверхностного слоя.
Анализ таблицы 2 показывает, что при ЦЭЭЛ образцов стали 40Х, термообработанных на твердость 3900-4000 МПа, под слоем повышенной твердости располагается зона отпуска («провал твердости»). В данном случае эта зона располагается на глубине ≈ 60 мкм и составляет 3800 МПа. Процес НЦЭЭЛ, проведенный на указанных режимах, устраняет характерный «провал твердости», при этом отмечается плавное снижение твердости. Снижение шероховатости поверхности при НЦЭЭЛ объясняется защитой зоны легирования струей азота от окружающей воздушной (окислительной) среды.
Таким образом, при упрпочнении термообработанных деталей методом ЦЭЭЛ, необходимо процесс насыщения поверхностного слоя углеродом, совмещать с азотированием, причем в течение времени, достаточного для насыщения металла азотом на глубину зоны термического влияния, при этом, с целью снижения шероховатости поверхности, проводить НЦЭЭЛ поэтапно, снижая на каждом этапе энергию разряда.
В результате, происходит процесс насыщения поверхностного слоя азотом и углеродом, то есть, процесс нитроцементации.
Следует отметить, что наибольшая твердость (10500 МПа), глубина зоны повышенной твердости и наименьшая шероховатость отмечаются при НЦЭЭЛ.
Claims (1)
- Способ упрочнения поверхностей термообработанных стальных деталей, включающий электроэрозионное легирование графитовым электродом по крайней мере в два этапа со снижением энергии разряда на каждом последующем этапе и ионное азотирование в течение времени, достаточного для насыщения металла азотом на глубину зоны термического влияния, отличающийся тем, что электроэрозионное легирование графитовым электродом совмещают с ионным азотированием по крайней мере в два этапа, при этом в зону электроэрозионного легирования вводят азот и на первом этапе упомянутое легирование осуществляют с энергией разряда 0,42 Дж и с производительностью 0,1-2,0 см2/мин, а на втором этапе - с энергией разряда 0,1 Дж и с производительностью 0,1-1,0 см2/мин.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017116136A RU2688787C2 (ru) | 2017-05-05 | 2017-05-05 | Способ упрочнения поверхностей термообработанных стальных деталей |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017116136A RU2688787C2 (ru) | 2017-05-05 | 2017-05-05 | Способ упрочнения поверхностей термообработанных стальных деталей |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2017116136A RU2017116136A (ru) | 2018-11-06 |
| RU2017116136A3 RU2017116136A3 (ru) | 2018-11-06 |
| RU2688787C2 true RU2688787C2 (ru) | 2019-05-22 |
Family
ID=64102662
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017116136A RU2688787C2 (ru) | 2017-05-05 | 2017-05-05 | Способ упрочнения поверхностей термообработанных стальных деталей |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2688787C2 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4367389A (en) * | 1978-10-12 | 1983-01-04 | Inoue-Japax Research Incorporated | EDM System with abrasive finisher |
| WO1989002484A1 (en) * | 1987-09-14 | 1989-03-23 | Alcoa Aluminio Do Nordeste S/A - Alconor | Process for the thermal treatment of metal alloys |
| RU2349432C2 (ru) * | 2007-03-15 | 2009-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет-УПИ" | Способ цианирования стальных или титановых изделий |
| RU2603932C1 (ru) * | 2015-10-07 | 2016-12-10 | Василий Сигизмундович Марцинковский | Способ упрочнения поверхностей термообработанных стальных деталей |
-
2017
- 2017-05-05 RU RU2017116136A patent/RU2688787C2/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4367389A (en) * | 1978-10-12 | 1983-01-04 | Inoue-Japax Research Incorporated | EDM System with abrasive finisher |
| WO1989002484A1 (en) * | 1987-09-14 | 1989-03-23 | Alcoa Aluminio Do Nordeste S/A - Alconor | Process for the thermal treatment of metal alloys |
| RU2349432C2 (ru) * | 2007-03-15 | 2009-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет-УПИ" | Способ цианирования стальных или титановых изделий |
| RU2603932C1 (ru) * | 2015-10-07 | 2016-12-10 | Василий Сигизмундович Марцинковский | Способ упрочнения поверхностей термообработанных стальных деталей |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2017116136A (ru) | 2018-11-06 |
| RU2017116136A3 (ru) | 2018-11-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tarelnyk et al. | New method for strengthening surfaces of heat treated steel parts | |
| McClung et al. | Closure behavior of small cracks under high strain fatigue histories | |
| Tarel’nik et al. | Electrospark graphite alloying of steel surfaces: technology, properties, and application | |
| Tarel’nik et al. | Problems and solutions in renovation of the rotors of screw compressors by combined technologies | |
| Tarelnyk et al. | New method of friction assemblies reliability and endurance improvement | |
| RU2468899C1 (ru) | Способ цементации стальных деталей электроэрозионным легированием | |
| Tarelnyk et al. | Upgrading of pump and compressor rotor shafts using combined technology of electroerosive alloying | |
| Maximov et al. | Effect of slide burnishing basic parameters on fatigue performance of 2024‐Т3 high‐strength aluminium alloy | |
| CN112831638B (zh) | 高精度金属表面复合强化加工方法及装置 | |
| RU2337796C2 (ru) | Способ цементации стальных деталей электроэрозионным легированием | |
| Santos et al. | Analysis of the surface integrity when nitriding AISI 4140 steel by the sink electrical discharge machining (EDM) process | |
| RU2603932C1 (ru) | Способ упрочнения поверхностей термообработанных стальных деталей | |
| RU2688787C2 (ru) | Способ упрочнения поверхностей термообработанных стальных деталей | |
| Stachurski et al. | An effect of grinding on microhardness and residual stress in 20MnCr5 following single-piece flow low-pressure carburizing | |
| Gerstenmeyer et al. | Influence of Complementary Machining on fatigue strength of AISI 4140 | |
| Pham et al. | Experimental and numerical investigation of the formability of an ultra-thin copper sheet | |
| RU2625619C1 (ru) | Способ повышения прочности детали с покрытием | |
| RU2698001C1 (ru) | Способ восстановления изношенных поверхностей деталей машин из нержавеющей стали | |
| Segurado et al. | Enhanced Fatigue Behavior in Quenched and Tempered High-Strength Steel by Means of Double Surface Treatments | |
| RU2631439C2 (ru) | Способ повышения износостойкости рабочих поверхностей стальных колец импульсных торцевых уплотнений | |
| Neslusan et al. | ANALYSIS OF SURFACE INTEGRITY AFTER HARD TURNING WITH WIPER INSERTS. | |
| Krioni et al. | Nitriding of Parts of Alloyed Steels with High-Energy Surface Treatment | |
| Han et al. | Research into grinding hardening of microalloyed non-quenched and tempered steel | |
| RU2631436C2 (ru) | Способ восстановления частично удаленного упрочненного слоя стальных деталей | |
| CN110939658A (zh) | 大型滚动轴承环和制造大型滚动轴承环的方法及其应用 |