RU2801624C1

RU2801624C1 - Method for nitriding blanks from steel

Info

Publication number: RU2801624C1
Application number: RU2022132454A
Authority: RU
Inventors: Сергей Константинович Федоров; Лилия Владимировна Федорова; Андрей Евгеньевич Смирнов; Юлия Сергеевна Иванова; Людмила Петровна Фомина; Со Лвин Мьят
Original assignee: Сергей Константинович Федоров
Filing date: 2022-12-12
Publication date: 2023-08-11

Abstract

FIELD: chemical-thermal treatment.

SUBSTANCE: invention relates to the nitriding of steels, and can be used in mechanical engineering, instrumentation and other industries. The method includes the formation of geometrical parameters of blanks by cutting, subsequent surface electrocontact hardening and ion-plasma nitriding, moreover, surface electrocontact hardening is performed by a rotating conductive tool in circular sections or along a helical line on the surface of the blank with a feed less than the width of the contact surface of the conductive tool, providing an overlap of hardening zones by 0.1-0.2 mm.

EFFECT: increasing the wear resistance and strength of parts by obtaining a deeper hardened nitride layer, uniform over the surface, and reducing the duration of the nitriding process of steel parts.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к химико-термической обработке, а именно к ионно-плазменному азотированию сталей, и может быть использовано в машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности.The invention relates to chemical-thermal treatment, namely the ion-plasma nitriding of steels, and can be used in mechanical engineering, instrumentation and other industries.

Известны способы азотирования деталей из среднеуглеродистых легированных сталей типа 38Х2МЮА (Борисенок и др. Химико-термическая обработка. Справочник. - М.: Металлургия. 1981), (Герасимов С.А. Куксенова Л.И., Лаптева В.Г. Структура и износостойкость азотированных конструкционных сталей. - 2-е изд., испр. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. - 518 с.), включающий горячую прокатку заготовок, закалку их в масло, высокий отпуск, механическую обработку и азотирование при температуре 520-560°С.Known methods of nitriding parts from medium-carbon alloy steels of the 38X2MYUA type (Borisenok et al. Chemical-thermal treatment. Handbook. - M.: Metallurgy. 1981), (Gerasimov S.A. Kuksenova L.I., Lapteva V.G. Structure and wear resistance of nitrided structural steels. - 2nd ed., Rev. - M .: Publishing House of Moscow State Technical University named after N.E. Bauman, 2014. - 518 p.), including hot rolling of billets, their quenching in oil, high tempering , machining and nitriding at a temperature of 520-560°C.

Недостатком этих способов являются высокие энергетические затраты на осуществление процесса (нагрев под закалку и высокий отпуск, длительный, до 40-80 часов, процесс азотирования), при этом глубина азотированного слоя не превышает 0,5 мм, а твердость - HV 900.The disadvantage of these methods is the high energy costs for the implementation of the process (heating for hardening and high tempering, long, up to 40-80 hours, nitriding process), while the depth of the nitrided layer does not exceed 0.5 mm, and the hardness is HV 900.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является принятый в качестве прототипа способ формирования поверхностного слоя заготовок из сталей электромеханической поверхностной закалкой (Федоров С.К., и др. Повышение износостойкости деталей электромеханической поверхностной закалкой. - М.: Вестник ФГОУ ВПО МГАУ имени В.П. Горячкина, 2019, №2 (90), с. 40-44 (D2).Closest to the claimed method in terms of technical essence is the method adopted as a prototype for forming the surface layer of blanks from steels by electromechanical surface hardening (Fedorov S.K., et al. Improving the wear resistance of parts by electromechanical surface hardening. - M .: Vestnik FGOU VPO MGAU named after V .P. Goryachkina, 2019, No. 2 (90), pp. 40-44 (D2).

Недостатком известного способа является недостаточно высокая твердость стальных заготовок и неравномерное распределение твердости по закаленной поверхности.The disadvantage of this method is the insufficiently high hardness of steel blanks and uneven distribution of hardness over the hardened surface.

Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является увеличение глубины и твердости поверхностного слоя, равномерного ее распределения по поверхности, и сокращение длительности процесса ионно-плазменного азотирования стальных заготовок.The technical problem solved by the present invention is to increase the depth and hardness of the surface layer, its uniform distribution over the surface, and reduce the duration of the process of ion-plasma nitriding of steel billets.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в способе формирования заготовок из сталей поверхностную электроконтактную закалку выполняют вращающимся токопроводящим инструментом круговыми участками или по винтовой линии на поверхности заготовки с подачей меньше ширины контактной поверхности токопроводящего инструмента, обеспечивая перекрытие зон закалки на величину 0,1-0,2 мм.The solution of the set technical problem is achieved by the fact that in the method of forming workpieces from steels, surface electrocontact hardening is performed by a rotating conductive tool in circular sections or along a helix on the surface of the workpiece with a feed less than the width of the contact surface of the conductive tool, providing an overlap of hardening zones by a value of 0.1-0 .2 mm.

На фигуре 1 показаны структуры поверхности после электроконтактной закалки по предлагаемому способу.The figure 1 shows the surface structure after electrocontact hardening by the proposed method.

На фигуре 2 показаны поверхности структуры поверхности после электроконтактной закалки и ионно-плазменного азотирования по предлагаемому способу.The figure 2 shows the surface of the surface structure after electrocontact hardening and ion-plasma nitriding according to the proposed method.

На фигуре 3 приведена результаты измерения глубины и твердости поверхностного слоя стали 38Х2МЮА после 8 часов ионно-плазменного азотирования: синее - по предлагаемому способу (электроконтактная закалка + ионно-плазменное азотирование); желтое - ионно-плазменное азотирование.The figure 3 shows the results of measuring the depth and hardness of the surface layer of steel 38H2MYuA after 8 hours of ion-plasma nitriding: blue - according to the proposed method (electrocontact hardening + ion-plasma nitriding); yellow - ion-plasma nitriding.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.The invention is illustrated by the following examples.

На станке модели 16К20 производили точение наружной цилиндрической поверхности заготовки из стали 38Х2МЮА. Затем, на этом же станке, с применением установки для поверхностной закалки производили электроконтактную закалку по винтовой линии и круговыми участками с перекрытием зон упрочнения.On a machine model 16K20, the outer cylindrical surface of a workpiece made of steel 38Kh2MYuA was turned. Then, on the same machine, using a surface hardening unit, electrocontact hardening was carried out along a helical line and in circular sections with overlapping hardening zones.

Предпосылками применения заявляемого способа ионно-плазменного азотирования является длительный и энергозатратный классический технологический процесс.The prerequisites for the application of the proposed method of ion-plasma nitriding is a long and energy-consuming classical process.

Существующий процесс. Перед ионно-плазменным азотированием производят закалку заготовок с охлаждением в масло или воду. Затем выполняют высокий отпуск с нагревом заготовки при температуре 500-600°С. Последующей механической обработкой формируют геометрические параметры детали. Непосредственно процесс ионно-плазменного азотирования выполняют при температуре 520-560°С с выдержкой от 8 до 60 часов. В ряде случаев, после ионно-плазменного азотирования, назначают способы окончательной механической обработки наиболее ответственных поверхностей детали шлифованием или полированием.existing process. Before ion-plasma nitriding, workpieces are quenched with cooling in oil or water. Then high tempering is performed with heating of the billet at a temperature of 500-600°C. Subsequent machining form the geometric parameters of the part. Directly the process of ion-plasma nitriding is performed at a temperature of 520-560°C with an exposure of 8 to 60 hours. In some cases, after ion-plasma nitriding, methods of final machining of the most critical surfaces of the part are prescribed by grinding or polishing.

Технологически электроконтактная закалка по предлагаемому способу производилась следующим образом.Technologically electrocontact hardening by the proposed method was carried out as follows.

На первом этапе. При электроконтактной закалке цилиндрических поверхностей заготовку из стали 38Х2МЮА устанавливают в патрон токарно-винторезного станка, и ей сообщается главное движение вращения. Инструментальный ролик поджимают к поверхности заготовки с фиксированной силой, и ему сообщается движение подачи по винтовой линии или круговыми участками на поверхности заготовки. При прохождении через зону локального контакта инструментального ролика с обрабатываемой поверхностью электрического тока большой силы происходит местный нагрев заготовки до температуры 1000…1200°С и быстрый отвод тепла от поверхности нижележащими слоями заготовки. В результате повышается твердость поверхностного слоя до 52…56 HRC. При ширине контактной поверхности инструментального ролика 3,2 мм и подаче с шагом 3,0 мм происходит наложение зон перекрытия. Экспериментально установлена, что оптимальной является зона перекрытия в интервале 0,1-0,2 мм. Выбор размера зоны перекрытия объясняется следующими моментами. После электроконтактной обработки, на поверхности заготовки формируется сегментообразный закаленный участок (фиг. 1 и 2). Максимальная глубина закалки сегмента расположена в его средней части. По мере удаления к краям сегмента глубина закалки уменьшается. Повторные проходы инструмента с перекрытием зон закалки позволяет увеличить глубину между сегментами и не допускает образования зазоров между ними. Это, в свою очередь, позволяет формировать в закаленных слоях заготовки не только твердость, но и мелкодисперсные структуры зерен металла. При повторных проходах, в зонах термомеханического перекрытия, происходит снижение твердости до 46…48 HRC.At the first stage. During electrocontact hardening of cylindrical surfaces, a workpiece made of steel 38Kh2MYuA is installed in the chuck of a screw-cutting lathe, and the main movement of rotation is imparted to it. The tool roller is pressed against the surface of the workpiece with a fixed force, and it is told to feed along a helical line or circular sections on the surface of the workpiece. When passing through the zone of local contact of the tool roller with the treated surface of a high-power electric current, the workpiece is locally heated to a temperature of 1000 ... 1200 ° C and heat is quickly removed from the surface by the underlying layers of the workpiece. As a result, the hardness of the surface layer increases to 52…56 HRC. With a width of the contact surface of the tool roller of 3.2 mm and a feed in increments of 3.0 mm, overlap zones occur. It has been experimentally established that the overlap zone in the range of 0.1-0.2 mm is optimal. The choice of the size of the overlap zone is explained by the following points. After electrocontact processing, a segment-shaped hardened area is formed on the surface of the workpiece (Fig. 1 and 2). The maximum hardening depth of the segment is located in its middle part. As the distance to the edges of the segment, the depth of hardening decreases. Repeated passes of the tool with overlapping hardening zones allows you to increase the depth between the segments and prevents the formation of gaps between them. This, in turn, makes it possible to form not only hardness, but also finely dispersed structures of metal grains in the hardened layers of the workpiece. During repeated passes, in the zones of thermomechanical overlap, the hardness decreases to 46…48 HRC.

Результаты металлографических исследований указывают на различие структурных составляющих в поверхностном слое. Микроструктура азотированной поверхности без электроконтактной закалки - феррит + перлит + иглы нитридов в ферритных зернах. Микроструктура после электроконтактной закалки - мартенсит + феррит. Микроструктура азотированного слоя в области электроконтактной закалки - сорбит + нитриды. Необходимо отметить, что при температуре азотирования 540°С в течение от 8 до 24 часов в поверхностном слое после электроконтактной закалки сохраняется структура сорбит. Микроструктура сердцевины образцов - феррит + перлит.The results of metallographic studies indicate the difference in the structural components in the surface layer. The microstructure of a nitrided surface without electrocontact hardening - ferrite + perlite + nitride needles in ferrite grains. Microstructure after electrocontact hardening - martensite + ferrite. The microstructure of the nitrided layer in the field of electrocontact hardening is sorbitol + nitrides. It should be noted that at a nitriding temperature of 540°C for 8 to 24 hours, the structure of sorbitol is retained in the surface layer after electrocontact hardening. The microstructure of the core of the samples is ferrite + perlite.

Результаты электроконтактной закалки гладкой цилиндрической поверхности по предлагаемому способу показаны на фигуре 1, а график распределения твердости после электроконтактной закалки - на фигуре 2.The results of electrocontact hardening of a smooth cylindrical surface according to the proposed method are shown in figure 1, and the hardness distribution graph after electrocontact hardening is shown in figure 2.

На втором этапе реализации способа производилось ионно-плазменное азотирование продолжительностью 8, 16 и 24 часов при температуре 540°С и обработка результатов исследований по твердости и глубине азотированного слоя.At the second stage of the implementation of the method, ion-plasma nitriding was carried out for 8, 16 and 24 hours at a temperature of 540°C and the results of studies on the hardness and depth of the nitrided layer were processed.

Ионно-плазменное азотирование образцов стали 38Х2МЮА производили в цилиндрической рабочей камере из стекла с внутренним диаметром 235 мм и высотой 250 мм. Азотирование выполняли в течении 8, 16 и 24 часов при температуре 540°С. На каждом из образцов было по две зоны: первый участок - после точения; второй - после точения и электроконтактной закалки. Результаты изменения твердости и глубины упрочнения по сравниваемым вариантам показаны на фигуре 3. Экспериментально подтверждено, что после электроконтактной закалки ионно-плазменного азотирования глубина слоя увеличилась с 0,3 до 0,8 мм.Ion-plasma nitriding of 38Kh2MYuA steel samples was carried out in a cylindrical working chamber made of glass with an inner diameter of 235 mm and a height of 250 mm. Nitriding was performed for 8, 16 and 24 hours at a temperature of 540°C. Each of the samples had two zones: the first section - after turning; the second - after turning and electrocontact hardening. The results of the change in hardness and hardening depth for the compared options are shown in figure 3. It is experimentally confirmed that after electric contact hardening of ion-plasma nitriding, the layer depth increased from 0.3 to 0.8 mm.

Результаты ионно-плазменного азотирования образцов в течении 8 часов при температуре 540°С показали, что при азотировании 16 и 24 часа изменений в глубине и твердости упрочненного слоя не наблюдалось.The results of ion-plasma nitriding of samples for 8 hours at a temperature of 540°C showed that during nitriding for 16 and 24 hours, no changes in the depth and hardness of the hardened layer were observed.

Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют об увеличении глубины азотированного слоя, полученного заявляемым способом, по сравнению с азотированием без электроконтактной закалки.The results of experimental studies indicate an increase in the depth of the nitrided layer obtained by the claimed method, compared with nitriding without electrocontact hardening.

Claims

A method for forming workpieces from steels, including the formation of geometrical parameters of workpieces by cutting, subsequent surface electrocontact hardening and ion-plasma nitriding, characterized in that surface electrocontact hardening is performed by a rotating conductive tool in circular sections or along a helix on the surface of the workpiece with a feed rate less than the width of the contact surface of the conductive tool, providing an overlap of hardening zones by 0.1-0.2 mm.