RU2052536C1 - Method for thermochemical treatment of steel products - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: method involves cementing steel products in saturating medium at temperature exceeding Ac₃; conducting discrete surface partial cooling at each cycle to 600-750 C followed by self-heating by accumulated heat and repeating cycles till product temperature is reduced upon self- heating to temperature below Ar₁; heating product for quenching and simultaneously saturating product surface with nitrogen (by nitriding) or with nitrogen and carbon (by cyanidation) for 30-50 min, when product temperature reaches quenching point, with saturation being effectuated at initial product temperature of 600 C; quenching products. EFFECT: increased strength and wear-resistance of product surface and through the whole thickness of diffusion layer. 2 dwg

Description

Изобретение относится к химико-термической обработке стальных изделий и может быть использовано в общем машиностроении, автотракторостроении, станкостроении, нефтяной и газовой промышленности, авиационной, химической и других отраслях производства. The invention relates to chemical-thermal treatment of steel products and can be used in general engineering, automotive engineering, machine tool industry, oil and gas industry, aviation, chemical and other industries.

Известен способ обработки стальных деталей, включающий цементацию, азотирование, нагрев под закалку, закалку и низкий отпуск, отличающийся тем, что перед закалкой проводят многократную термоциклическую обработку в интервале температур на 30-50^оС выше Ас₁ и на 30-50^оС ниже Ar₁.Known is a method of processing steel parts, including carburizing, nitriding, the heating for hardening, quenching and low temperature tempering, characterized in that, before quenching is carried out multiple thermal cycling in the temperature range of 30-50 ° C above ^the Ac ₁ and below 30-50 ° ^C Ar ₁ .

Недостатки известного способа чрезмерная продолжительность процесса и существенная сложность его практической реализации, поскольку кроме обычной цементационной печи он требует цианистой ванны с температурой 600^оС, соляной ванны с температурой 810^oС и отпускной печи. Процесс цементации должен иметь продолжительность 10-12 ч, цианирование 3,5-4,0 ч. Многократные нагревы до 740^оС с последующим охлаждением на воздухе до 460^оС также должны быть весьма продолжительными. Азотирование цементованной поверхности неэффективно, так как высокоуглеродистый слой препятствует поглощению азота, диффузионный слой азотистого аустенита не формируется и на поверхности выделяется хрупкая корка нитридов. Эффективная глубина упрочнения не увеличивается, а распределение твердости по глубине насыщенного слоя имеет параболический характер, резко понижаясь от поверхности в глубину.Disadvantages of the known method an excessive duration of the process and substantial complexity of its implementation, because in addition to a conventional carburizing furnace, it requires cyanide bath with a temperature of ⁶⁰⁰ ° C salt bath with a temperature of 810 ^o C and a tempering furnace. Cementation process must have a duration of 10-12 hours, cyanidation 3.5-4.0 hours. Repeated heating to 740 ^{° C} followed by cooling in air to 460 ^{° C} should also be quite lengthy. Nitriding of the cemented surface is inefficient, since the high-carbon layer prevents the absorption of nitrogen, the diffusion layer of austenite nitrogen is not formed, and a brittle crust of nitrides is released on the surface. The effective depth of hardening does not increase, and the distribution of hardness over the depth of the saturated layer has a parabolic character, sharply lowering from the surface in depth.

Наиболее близким к предлагаемому по совокупности приемов реализации является способ цементации, который включает цементацию при температуре выше Ас₃, дискретное подстуживание поверхности до 600-750^оС с последующими саморазогревами, выполняемое до достижения изделием температуры Ar₁, нагрев под закалку и закалку. Данный способ является весьма эффективным в применении к изделиям, подвергающимся после цементации шлифовке, притирке и другой механической обработке, сопровождающейся удалением тонкого до 0,2 мм поверхностного слоя, технологически неизбежно разупрочняемого при реализации способа в результате обезуглероживания. Для большинства же деталей цементация с закалкой являются окончательной обработкой и наличие разупрочненной поверхности, хотя бы и в очень тонком слое, у них недопустимо.The closest to the proposed set of methods for implementing a method for carburizing, carburizing which comprises at a temperature above _Ac3 discrete podstuzhivanie surface to ^about 600-750 C, followed by self-heating to be performed to achieve a product temperature of Ar _1, heating for quenching and tempering. This method is very effective in application to products subjected to grinding, lapping and other mechanical processing after cementation, accompanied by the removal of a thin layer of up to 0.2 mm surface layer, which is technologically inevitably softened when implementing the method as a result of decarburization. For most parts, hardening cementation is the final treatment and the presence of a weakened surface, even in a very thin layer, is unacceptable for them.

Цель изобретения увеличить проч-ность и износостойкость поверхности за счет легирования ее азотом при сохранении повышенной толщины и прочности цементованного подслоя изделий. The purpose of the invention is to increase the strength and wear resistance of the surface due to its alloying with nitrogen while maintaining the increased thickness and strength of the cemented sublayer of products.

Поставленная цель достигается тем, что в способе химико-термической обработки стальных изделий, включающем нагрев, цементацию при температуре выше Ас₃, дискретное подстуживание цементованной поверхности до 600-750^оС с последующими саморазогревами ее за счет аккумулированного тепла до понижения температуры ниже Ar₁, нагрев до температуры закалки и закалку, нагрев изделий под закалку от температуры 600^оС проводят с одновременным насыщением их поверхностей азотом или азотом и углеродом, которое продолжают в течение 30-50 мин после достижения изделиями закалочных температур, затем осуществляют закалку.This goal is achieved by the fact that in the method of chemical-thermal treatment of steel products, including heating, cementation at temperatures above Ac ₃ , discrete cooling of the cemented surface to 600-750 ^about With subsequent self-heating due to the accumulated heat to lower the temperature below Ar ₁ , heating to a temperature quenching and tempering, quenching product heated from a temperature of 600 ^{° C} is carried out with simultaneous saturation of their surfaces with nitrogen or nitrogen and carbon, which is continued for 30-50 minutes after reaching products quenching temperature, quenching is then performed.

В процессе дискретных подстуживаний и саморазогревов возникает диффузионный массоперенос углерода от поверхности вглубь, вследствие чего толщина и проч-ность диффузионного слоя возрастают, но обезуглероживается тонкий поверхностный слой. Этот слой является идеальной основой для азотирования или нитроцементации, и он достаточно тонок, чтобы насыщение его азотом протекало за сравнительно непродолжительное время. Таким образом, достигается комбинированное диффузионное насыщение поверхности изделия азотом (или азотом и углеродом) и глубинных слоев углеродом, принципиально неосуществимое известными методами. Такое комбинированное насыщение поверхности стальных изделий азотом и углеродом имеет существенные преимущества как перед чистым азотированием, так и перед цементацией, поскольку азотистый мартенсит имеет большую износостойкость, чем углеродистый, а, будучи расположенным на прочной высокоуглеродистой подложке значительной толщины, он обеспечивает большую долговечность тяжелонагруженных деталей в эксплуатации. In the process of discrete stimulation and self-heating, diffusion mass transfer of carbon from the surface inward occurs, as a result of which the thickness and strength of the diffusion layer increase, but a thin surface layer decarburizes. This layer is an ideal base for nitriding or nitrocarburizing, and it is thin enough to saturate it with nitrogen for a relatively short time. Thus, a combined diffusion saturation of the surface of the product with nitrogen (or nitrogen and carbon) and the deeper layers of carbon is achieved, which is fundamentally unrealizable by known methods. This combined saturation of the surface of steel products with nitrogen and carbon has significant advantages both over pure nitriding and over cementation, since nitrous martensite has greater wear resistance than carbon, and, being located on a strong high-carbon substrate of considerable thickness, it provides greater durability of heavily loaded parts in operation.

Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.

Стальные изделия подвергают цементации при температуре выше Ас₃ в насыщающей среде на глубину, меньшую заданной примерно в 1,5 раза, т.е. за более короткое время, затем проводят дискретное подстуживание цементованной поверхности, например кратковременными (по 1-5 с) погружениями в водный раствор полимера. После каждого погружения поверхность саморазогревается от аккумулированного деталью тепла. Циклы подстуживание саморазогрев повторяют не менее двух раз до понижения температуры примерно до Ar₁. Охлажденную термоциклированную заготовку загружают в печь для повторного нагрева под закалку в азотсодержащей среде, состоящей из 50% аммиака и 50% азота. Температура печи при загрузке должна быть около 600^оС. Время разогрева садки до температуры закалки 820-870^оС (в зависимости от марки стали) и изотермическая выдержка в течение 30-50 мин при этой температуре оказываются достаточными для насыщения обезуглероженного слоя азотом. Последующая закалка в масло формирует окончательную структуру и свойства диффузионного слоя, обладающего уникальными свойствами благодаря положительной кривизне кривой распределения углерода и твердости при высокой износостойкости поверхности.Steel products are subjected to carburization at a temperature above Ac ₃ in a saturating medium to a depth less than the specified one by about 1.5 times, i.e. for a shorter time, then discrete reinforcement of the cemented surface is carried out, for example, short-term (1-5 s) immersion in an aqueous polymer solution. After each dive, the surface self-heats up from the heat accumulated by the part. The cycles of self-heating are repeated at least two times until the temperature drops to about Ar ₁ . The cooled thermocycled billet is loaded into the furnace for reheating under quenching in a nitrogen-containing medium consisting of 50% ammonia and 50% nitrogen. The furnace temperature at loading should be about 600 ^C. The heating time cages before tempering temperature ^of 820-870 C (depending on the steel grade) and isothermal hold for 30-50 minutes at this temperature are sufficient to saturate the nitrogen decarbonized layer. Subsequent oil quenching forms the final structure and properties of the diffusion layer, which has unique properties due to the positive curvature of the carbon distribution curve and hardness with high wear resistance of the surface.

П р и м е р 1. Вал-шестерни трактора ДТ-75 из стали 20ХНЗА подвергались газовой цементации с углеродным потенциалом насыщающей среды 1,0 на глубину 1,4 мм в течение 15 ч при температуре 920^оС. Затем с температуры цементации детали подвергались дискретному поверхностному подстуживанию кратковременными погружениями (2 с первый цикл, 3-5 с последующие; всего 7 циклов) в раствор полимера, имеющий температуру 70^оС. Продолжительность саморазогрева шестерен от цикла к циклу возрастала и составила соответственно: 3, 5, 5, 7, 7, 8, 10 с. После последнего цикла подстуживание саморазогрев температура деталей не превышала 720-690^оС. Общее время термоциклирования 1 мин 20 с.EXAMPLE EXAMPLE 1. The shaft pinion tractor DT-75 steel 20HNZA subjected to gas carburizing with a carbon potential of 1.0 saturating medium to a depth of 1.4 mm for 15 hours at 920 ^C. Then, the temperature of the items carburizing a discrete exposed surface podstuzhivaniyu brief immersion (first cycle 2, with subsequent 3-5; total 7 cycles) to the polymer solution having a temperature of 70 ^C. The duration of the self-heating of gears from cycle to cycle was correspondingly increased and 3, 5, 5, 7, 7, 8, 10 s. After the last cycle, the temperature of self-heating podstuzhivanie parts does not exceed 720-690 ^C. Total time thermocycling 1 min 20 sec.

Одну из термоциклированных деталей подвергали нагреву под закалку по известному способу, а вторую помещали в печь, имеющую температуру 600^оС с атмосферой аммиака и азота в соотношении 1:1, нагревали в течение 1 ч 30 мин до температуры 820^оС и после изотермической выдержки в течение 30 мин калили в масле. Структура закаленного слоя первой детали, термообработанной по известному режиму, в поверхностном слое толщиной 0,18 м состояла из троостита и мартенсита, в более глубоких слоях из среднеигольчатого мартенсита и небольшого количества остаточного аустенита.One of termotsiklirovannyh parts subjected to heating for hardening the known method, and the second was placed in an oven having a temperature of 600 ^{° C} with ammonia atmosphere, and nitrogen in a ratio of 1: 1 was heated for 1 hour 30 minutes to a temperature of 820 ^{° C} and after isothermal exposure for 30 min, potatoes in oil. The structure of the hardened layer of the first part, heat-treated according to the known regime, in the surface layer with a thickness of 0.18 m consisted of troostite and martensite, in the deeper layers of medium-needle martensite and a small amount of residual austenite.

На фиг.1 приведены характеристики твердости диффузионного слоя шестерен после закалки. Figure 1 shows the hardness characteristics of the diffusion layer of gears after hardening.

Распределение твердости HV по глубине диффузионного слоя в зубьях шестерен: 1 цементация 15 ч, закалка с повторного нагрева; 2 цементация 15 ч, дискретное подстуживание 7 циклов, закалка; 3 цементация 15 ч, дискретное подстуживание 7 циклов, донасыщение азотом в процессе нагрева под закалку и изотермической выдержки (общее время 1,5 ч), закалка. Distribution of hardness HV along the depth of the diffusion layer in the gear teeth: 1 cementation 15 hours, quenching with reheating; 2 cementation 15 hours, discrete undermining for 7 cycles, hardening; 3 cementation 15 hours, discrete undercoating for 7 cycles, nitrogen saturation during heating under quenching and isothermal holding (total time 1.5 hours), quenching.

Дискретное подстуживание зубьев шестерен путем кратковременного погружения их в 2% водный раствор полимера УЗСП-1 с последующими саморазогревами привели к существенному росту эффективной глубины слоя (с HV 700 кгс/мм²) с 0,3 до 0,7 мм. При этом обезуглеродилcя слой толщиной несколько большей, чем 0,1 мм (кривая 2).Discrete gearing of gear teeth by short-term immersion in a 2% aqueous solution of UZSP-1 polymer with subsequent self-heating led to a significant increase in the effective layer depth (from HV 700 kgf / mm ² ) from 0.3 to 0.7 mm. In this case, the decarburized layer with a thickness slightly larger than 0.1 mm (curve 2).

Донасыщение азотом при нагреве под закалку такой термоциклированной шестерни позволило получить комбинированно упрочненный слой азотом с поверхности и углеродом на глубине. Эффективная глубина упрочнения возрастает до 0,85 мм при высокой поверхностной твердости и износостойкости. An additional saturation with nitrogen during heating for hardening of such a thermally cycled gear made it possible to obtain a combined hardened layer of nitrogen from the surface and carbon at a depth. The effective hardening depth increases to 0.85 mm with high surface hardness and wear resistance.

П р и м е р 2. Три детали малой бортовой шестерни из стали 20ХНЗА, прошедшие цементацию по обычной технологии в течение 21 ч имели толщину диффузионного слоя более 1,7 мм при эффективной толщине упрочнения (с HV ≥ 700 кгс/мм²), равной 0,45 мм. Две из них подвергали дискретному подстуживанию от температуры 920^оС в 2%-ном растворе полимера УЗСП-1 по режимам, описанным в предыдущем примере. После этого вторую шестерню донасыщали углеродом в течение 50 мин при 920^оС, а третью шестерню подвергали нитроцементации в атмосфере аммиака и эндогаза в соотношении 1:1 с добавкой природного газа в количестве 3-4% при нагреве под закалку с 600 до 820^оС. Изотермическая выдержка при 820^оС составила 50 мин.PRI me R 2. Three parts of a small bevel gear made of steel 20KhNZA, cemented by conventional technology for 21 hours, had a diffusion layer thickness of more than 1.7 mm with an effective hardening thickness (with HV ≥ 700 kgf / mm ² ), equal to 0.45 mm. Two of them were subjected to the discrete podstuzhivaniyu temperature of 920 ^{° C} in a 2% polymer solution UZSP-1 modes, as described in the previous example. Thereafter, the second gear donasyschali carbon for 50 minutes at 920 ^{° C,} and the third gear was carbonitrided in an ammonia atmosphere and the endogas in the ratio 1: 1 with the addition of natural gas in an amount of 3-4% when heated for hardening at 600 to 820 ^C. . Isothermal hold at 820 ^{° C} was 50 minutes.

На фиг.2 приведены характеристики твердости диффузионных слоев трех шестерен после закалки. Распределение твердости HV по глубине диффузионного слоя: 1 цементация и закалка с повторного нагрева; 2 цементация, дискретное подстуживание, донасыщение углеродом; 3 цементация, дискретное подстуживание, нитроцементация. Figure 2 shows the hardness characteristics of the diffusion layers of the three gears after quenching. The distribution of hardness HV in the depth of the diffusion layer: 1 cementation and hardening with reheating; 2 cementation, discrete undermining, carbon saturation; 3 cementation, discrete curing, nitrocarburizing.

Микроструктура с поверхности на глубину до 0,2 мм первой и второй шестерен состояла из среднеигольчатого мартенсита и небольшого количества остаточного аустенита (первая шестерня) и троостита (вторая шестерня); третьей шестерни из легированного азотом остаточного аустенита до 20-30% и среднеигольчатого мартенсита, а также мелких включений нитридов хрома, имеющих округлую форму, далее (на глубине более 0,15-0,20 мм) обе шестерни имели структуру, идентичную второй шестерне. The microstructure from the surface to a depth of 0.2 mm of the first and second gears consisted of medium-needle martensite and a small amount of residual austenite (first gear) and troostite (second gear); the third gear from nitrogen alloyed with residual austenite up to 20-30% and medium needle martensite, as well as small inclusions of chromium nitrides having a rounded shape, further (at a depth of more than 0.15-0.20 mm) both gears had a structure identical to the second gear.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить двухслойное химико-термическое упрочнение поверхности стальных изделий, которое характеризуется высокой износостойкостью из-за присутствия в структуре тонких поверхностных слоев азотистых остаточного аустенита и мартенсита, а также нитридов хрома, и кроме того сохраняет высокую контактную выносливость за счет создания цементованной подложки с большой толщиной эффективного упрочнения. Thus, the proposed method allows to obtain two-layer chemical-thermal hardening of the surface of steel products, which is characterized by high wear resistance due to the presence in the structure of thin surface layers of nitrogenous residual austenite and martensite, as well as chromium nitrides, and in addition maintains high contact endurance by creating cemented substrate with a large thickness of effective hardening.

Claims (1)

СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ, включающий нагрев, цементацию при температуре выше Ас₃, дискретное подстуживание цементованной поверхности до 600 - 750^oС с последующими саморазогревами ее за счет аккумулированного тепла до понижения температуры ниже Ar₁, нагрев до температуры закалки и закалку, отличающийся тем, что, с целью увеличения прочности и износотойкости поверхности, нагрев изделий под закалку от температуры 600^oС проводят с одновременным насыщением их поверхностей азотом или азотом и углеродом, которое продолжают в течение 30 - 50 мин после достижения изделиями закалочных температур, затем осуществляют закалку.METHOD FOR CHEMICAL AND THERMAL TREATMENT OF STEEL PRODUCTS, including heating, cementing at temperatures above Ac ₃ , discrete cooling of the cemented surface to 600 - 750 ^o C with its subsequent self-heating due to the accumulated heat to lower the temperature below Ar ₁ , heating to the temperature of quenching and hardening, characterized in that, in order to increase the strength and wear resistance of the surface, the products under quenching are heated from a temperature of 600 ^o With simultaneous saturation of their surfaces with nitrogen or nitrogen and carbon, which is sold Continue for 30 to 50 minutes after the products reach quenching temperatures, then quench.

Images