RU2107101C1 - Process of heat treatment of metal - Google Patents

Abstract

FIELD: heat treatment of metals and alloys, various branches of mechanical engineering. SUBSTANCE: proposed process of heat treatment of metal involves hardening of parts with subsequent tempering. In this case treatment zone is subjected simultaneously to action of magnetic and sound fields with intensity level 100.0-170.0 dB. Process is intended for branches of mechanical engineering where high reliability of heavily loaded parts is required. EFFECT: increased productivity of process, enhanced hardness, strength and hardenability of parts. 1 tbl

Description

Изобретение относится к термической обработке деталей из сталей и сплавов и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, где требуется высокая надежность тяжелонагруженных деталей. The invention relates to the heat treatment of parts made of steels and alloys and can be used in various industries, where high reliability of heavily loaded parts is required.

Известен способ термоультразвуковой обработки стальных деталей, при котором закалка и отпуск деталей проводятся с участием ультразвуковых колебаний [1]. Способ в сравнении с традиционной термообработкой позволяет несколько повысить и прокаливаемость обрабатываемых деталей, а также уменьшить коробление и трещинообразование. Эффект достигается за счет стабилизации процесса закалки и возможности увеличения скорости охлаждения под воздействием ультразвуковых колебаний. Способ позволяет также несколько снизить продолжительность и повысить эффективность последующего отпуска. A known method of thermo-ultrasonic treatment of steel parts, in which the hardening and tempering of parts is carried out with the participation of ultrasonic vibrations [1]. The method in comparison with traditional heat treatment allows you to slightly increase the hardenability of the processed parts, as well as reduce warpage and cracking. The effect is achieved by stabilizing the hardening process and the possibility of increasing the cooling rate under the influence of ultrasonic vibrations. The method also allows you to slightly reduce the duration and increase the effectiveness of the subsequent vacation.

Однако это техническое решение не приводит к существенному повышению твердости и прочности ввиду хаотичного формирования кристаллической структуры деталей в процессе их термообработки. However, this technical solution does not lead to a significant increase in hardness and strength due to the chaotic formation of the crystalline structure of parts during their heat treatment.

Известен способ термомагнитной обработки, при котором в процессе закалки и отпуска стальных деталей они подвергаются воздействию магнитного поля [2]. Магнитное поле создается специальной электромагнитной системой, охватывающей зону обработки, или электрическим током, протекающим непосредственно через обрабатываемую деталь за счет ее контакта с источником тока. Способ в сравнении с традиционной термообработкой позволяет несколько повысить твердость и показатели прочности. Эффект достигается за счет частично упорядоченного магнитным полем формирования кристаллической структуры деталей. В момент закалки в процессе превращения парамагнитной фазы в ферромагнитную магнитное поле ориентирует кристаллы мартенсита по оси наименьшей намагниченности. A known method of thermomagnetic processing, in which in the process of hardening and tempering of steel parts they are exposed to a magnetic field [2]. The magnetic field is created by a special electromagnetic system that covers the treatment area, or by electric current flowing directly through the workpiece due to its contact with the current source. The method in comparison with traditional heat treatment allows you to slightly increase the hardness and strength indicators. The effect is achieved due to the formation of the crystal structure of parts partially ordered by the magnetic field. At the moment of quenching, during the transformation of the paramagnetic phase into a ferromagnetic magnetic field, the martensite crystals are oriented along the axis of least magnetization.

Однако это техническое решение не приводит к существенному увеличению твердости, прочности и прокаливаемости обрабатываемых деталей. Это обусловлено тем, что магнитное поле не приводит к увеличению охлаждающей способности закалочной среды, а также незначительностью эффекта ориентации кристаллов в кристаллической структуре. However, this technical solution does not lead to a significant increase in hardness, strength and hardenability of the workpieces. This is due to the fact that the magnetic field does not increase the cooling ability of the quenching medium, as well as the insignificance of the effect of the orientation of the crystals in the crystal structure.

Наиболее близким к предлагаемому является способ термо-механико-магнитной обработки [3]. Согласно этому способу термообработка деталей проводится с одновременным наложением на зону обработки магнитного поля при закалке и отпуске и механического воздействия при закалке. Причем механическое воздействие заключается в статическом растяжении обрабатываемых деталей. Способ позволяет несколько повысить твердость и показатели прочности деталей. Эффект достигается за счет частично упорядоченного магнитным полем и статической нагрузкой формирования кристаллической структуры в процессе обработки. В момент аллотропических превращений магнитное поле и статическая нагрузка ориентируют кристаллы по оси наименьшей намагниченности. Однако это техническое решение не приводит к существенному увеличению твердости, прочности и прокаливаемости деталей. Это обусловлено тем, что магнитное поле и статическая нагрузка не приводят к увеличению охлаждающей способности закалочной среды, а также незначительностью эффекта ориентации кристаллов ввиду наличия взаимосвязи отдельных кристаллов в кристаллической структуре. Closest to the proposed is a method of thermo-mechanical-magnetic processing [3]. According to this method, the heat treatment of parts is carried out with the simultaneous imposition of a magnetic field on the treatment zone during quenching and tempering and mechanical stress during quenching. Moreover, the mechanical effect is the static tension of the workpieces. The method allows to slightly increase the hardness and strength indicators of the parts. The effect is achieved due to the formation of the crystalline structure during processing, partially ordered by the magnetic field and static load. At the time of allotropic transformations, the magnetic field and static load orient the crystals along the axis of least magnetization. However, this technical solution does not lead to a significant increase in hardness, strength and hardenability of parts. This is due to the fact that the magnetic field and static load do not lead to an increase in the cooling ability of the quenching medium, as well as the insignificance of the effect of the orientation of the crystals due to the interconnection of individual crystals in the crystal structure.

Задачей изобретения является создание способа термической обработки, при котором повышение твердости, прочности и прокаливаемости деталей достигается с большей производительностью и меньшими поводками. The objective of the invention is to provide a heat treatment method in which an increase in hardness, strength and hardenability of parts is achieved with greater productivity and less leashes.

Задача решается тем, что предложен способ термической обработки металлов, содержащий закалку, в процессе которой производят одновременное наложение на зону обработки магнитного поля и механического воздействия, и последующий отпуск при воздействии магнитного поля. The problem is solved by the fact that the proposed method of heat treatment of metals, containing hardening, in the process of which produce a simultaneous application of the magnetic field and mechanical stress on the treatment zone, and subsequent tempering when exposed to a magnetic field.

Новым в способе является то, что он дополнительно включает механическое воздействие в процессе отпуска, а само механическое воздействие как при закалке, так и при отпуске проводят путем подачи в зону обработки звукового поля с уровнем интенсивности 100 - 170 дБ. New in the method is that it additionally includes a mechanical effect during the tempering process, and the mechanical impact itself both during quenching and during tempering is carried out by supplying a sound field with an intensity level of 100-170 dB to the processing zone.

Аналогичные признаки в известных технических решениях не обнаружены. Similar features in the known technical solutions are not found.

Способ в общем виде реализуется следующим образом. Обрабатываемые детали подвергают печному или индукционному нагреву под закалку. Затем детали ускоренно охлаждают путем помещения в рабочую среду с меньшей температурой для образования мартенситной или мартенсито-бейнитной структуры. Одновременно с началом охлаждения в зоне обработки создается магнитное поле и включается механическое воздействие. Магнитное поле создается специальной электромагнитной системой, охватывающей зону обработки (например, индуктором), или электрическим током, протекающим непосредственно через обрабатываемую деталь, за счет ее контакта с источником тока. Напряженность магнитного поля должна обеспечивать полную или частичную магнитную насыщенность обрабатываемой детали. The method in general is implemented as follows. Machined parts are subjected to furnace or induction heating for hardening. Then the parts are rapidly cooled by placing in a working environment with a lower temperature to form a martensitic or martensite-bainitic structure. Simultaneously with the start of cooling, a magnetic field is created in the treatment zone and mechanical action is activated. The magnetic field is created by a special electromagnetic system that covers the treatment area (for example, by an inductor), or by electric current flowing directly through the workpiece, due to its contact with the current source. The magnetic field strength should provide full or partial magnetic saturation of the workpiece.

Механическое воздействие может осуществляться несколькими методами, а именно
путем подачи звукового поля в детали акустического или ультразвукового диапазонов, контактно через жесткий волновод ли бесконтактно через слой рабочей среды генератором звукового поля;
путем воздействия на детали контактно через волновод или через слой рабочей среды коротких, продолжительностью не более 0,1 с импульсов давления, создаваемых с частотой инфразвукового диапазона и получаемых, например, за счет возникновения ударных волн в воде при работе электроразрядного устройства. Промежутки времени между подачей ударных импульсов давления заполняются собственными колебаниями рабочей среды и деталей на резонансных и возникающих от воздействия на них ударных импульсов;
путем сочетания одного из вышеизложенных методом со статическим нагружением обрабатываемой детали, например, в закалочном прессе.Mechanical action can be carried out by several methods, namely
by supplying a sound field to parts of the acoustic or ultrasonic ranges, contact via a rigid waveguide, or contactless through a layer of the working medium by a sound field generator;
by contacting the parts through the waveguide or through the working medium layer, short, not exceeding 0.1 s pressure pulses, generated with the frequency of the infrasound range and obtained, for example, due to the occurrence of shock waves in water during operation of the electric-discharge device. The time intervals between the supply of shock pressure pulses are filled with the natural vibrations of the working medium and parts on resonant and shock impulses arising from exposure to them;
by combining one of the above method with static loading of the workpiece, for example, in a quenching press.

При этом при выборе параметров звукового поля следует учитывать, что частота играет второстепенную роль, определяющим фактором является уровень интенсивности звукового поля. In this case, when choosing the parameters of the sound field, it should be borne in mind that the frequency plays a secondary role, the determining factor is the level of intensity of the sound field.

После завершения процесса закалки детали подвергаются отпуску. Для этого их помещают в рабочую среду с температурой, соответствующей отпуску, например, в масло с температурой 180^oC, и после выравнивания температуры выдерживают в течение 5 - 20 мин. При этом как в процессе нагрева деталей, так и при выдержке на зону обработки накладывают магнитное поле и механическое воздействие (звуковое поле с уровнем интенсивности 100 - 170 дБ).After completion of the hardening process, the parts are tempered. To do this, they are placed in a working environment with a temperature corresponding to tempering, for example, in oil with a temperature of 180 ^o C, and after equalization of the temperature is kept for 5 to 20 minutes. At the same time, both in the process of heating the parts and during exposure, a magnetic field and a mechanical effect are applied to the processing zone (sound field with an intensity level of 100-170 dB).

На процесс закалки наложение магнитного и звукового полей оказывает следующее влияние. При охлаждении деталей в рабочих средах на основе масла или воды под воздействием звукового поля происходит разрушение паровой рубашки на стадии пленочного кипения и стабилизация теплообмена на стадиях пузырчатого кипения и конвенции. При охлаждении деталей потоком газа под воздействием звукового поля происходит стабилизация и интенсификация теплообмена за счет микроциркуляции молекул газа в зоне контакта с поверхностью деталей. При этом с увеличением мощности звукового поля увеличивается охлаждающая способность рабочей среды и сокращается продолжительность закалки. В течение всего процесса закалки детали находятся также и в магнитном поле и, если это поле переменное, в деталях индицируются токи фуко, которые сообщают им дополнительное тепло. При этом с увеличением мощности переменного магнитного поля в зоне обработки увеличивается и количество тепла, дополнительно сообщаемого деталям, а следовательно, увеличивается продолжительность охлаждения. Аналогичный эффект достигается при контактном пропускании электрического тока через охлаждаемую деталь, т.е. с увеличением мощности тока увеличивается и продолжительность охлаждения детали. The application of magnetic and sound fields has the following effect on the hardening process. When parts are cooled in oil or water-based media under the influence of a sound field, the steam jacket is destroyed at the film boiling stage and the heat transfer is stabilized at the bubble boiling and convention stages. When parts are cooled by a gas flow under the influence of a sound field, stabilization and intensification of heat transfer occurs due to microcirculation of gas molecules in the contact zone with the surface of the parts. In this case, with an increase in the power of the sound field, the cooling ability of the working medium increases and the duration of quenching is reduced. During the entire process of hardening, the parts are also in a magnetic field and, if this field is variable, the details display foucault currents, which give them additional heat. In this case, with an increase in the power of an alternating magnetic field in the treatment zone, the amount of heat additionally communicated to the parts also increases, and therefore, the duration of cooling increases. A similar effect is achieved by contact passing an electric current through a cooled part, i.e. with increasing current power, the cooling time of the part also increases.

Таким образом, регулируя величины и соотношение мощности звукового и магнитного полей в зоне обработки, можно в широком диапазоне регулировать скорость охлаждения деталей на любой стадии закалки, а также тьепловой режим отпуска. Thus, by adjusting the magnitude and the ratio of the power of sound and magnetic fields in the processing zone, it is possible to regulate the cooling rate of parts at any stage of hardening in a wide range, as well as the thermal tempering mode.

Процесс формирования в металле закалочной и отпускной структуры при совместном взаимодействии на него магнитного и звукового полей носит специфический характер. Звуковое поле в значительной степени снижает взаимосвязь между образующимися при закалке мартенситными кристаллами, а магнитное поле ориентирует эти кристаллы вдоль легкого намагничивания, то есть происходит упорядоченное формирование доменной структуры. Такой способ закалки приводит к существенному увеличению твердости, показателей прочности и прокаливаемости обрабатываемых деталей, а также значительно снижает коробление и трещинообразование. The process of formation of a quenching and tempering structure in a metal with the joint interaction of magnetic and sound fields on it is of a specific nature. The sound field significantly reduces the relationship between martensitic crystals formed during quenching, and the magnetic field orientates these crystals along light magnetization, i.e., an ordered formation of the domain structure occurs. This method of hardening leads to a significant increase in hardness, strength and hardenability of the processed parts, and also significantly reduces warping and cracking.

На процесс отпуска создание магнитного и звукового полей (или импульса давления) в зоне обработки оказывает следующее влияние: резко ускоряются диффузионные процессы, в десятки раз снижаются продолжительность обработки ии внутренние напржения. Эффект достигается за счет дополнительной интенсификации процессов диффузии и перемещение дислокаций энергией магнитного и звукового полей (или импульсов давления). Предлагаемому способу термообработки могут подвергаться углеродистые и легированные стали, как прошедшие, так и не прошедшие химико-термическую обработку. The creation of a magnetic and sound field (or pressure impulse) in the treatment zone has the following effect on the tempering process: diffusion processes are sharply accelerated, the processing time and internal stresses are reduced tenfold. The effect is achieved due to additional intensification of diffusion processes and the dislocation movement by the energy of magnetic and sound fields (or pressure pulses). The proposed method of heat treatment can be subjected to carbon and alloy steels, both past and not past chemical-heat treatment.

Эффективность предлагаемого способа термообработки иллюстрируется таблицей. В таблице приведены данные по сравнительной термообработке шпилек из стали 45 диаметром 8 мм и длиной 210 мм. Все шпильки подвергались нагреву под закалку до температуры 860^oC и последующему охлаждению воздушным потоком. Отпуск проводился при температуре 180^oC в масле и в течение времени, позволяющего одинаково снять внутренние напряжения на всех шпильках. При этом в примере 1 шпилька подвергалась известной по прототипу термообработке с дополнительным наложением магнитного поля, создаваемого специальной электромагнитной системой и статическому растяжению в 5%. В примерах 2, 3 и 4 детали подвергались термообработке по предлагаемому способу с наложением звукового поля различного уровня интенсивности и магнитного поля. Звуковое поле создавалось магнитострикционным генератором и контактно передавалось на шпильку. В примерах 5 и 6 термическая обработка проводилась в звуковых полях, уровень интенсивности которых выходит за пределы заявляемого.The effectiveness of the proposed method of heat treatment is illustrated in the table. The table shows the data on the comparative heat treatment of steel rods 45 with a diameter of 8 mm and a length of 210 mm. All the studs were subjected to quenching to a temperature of 860 ^o C and subsequent cooling by air flow. Vacation was carried out at a temperature of 180 ^o C in oil and for a time allowing the same to remove internal stresses on all the studs. Moreover, in example 1, the hairpin was subjected to a heat treatment known in the prior art with an additional superimposition of a magnetic field created by a special electromagnetic system and a static elongation of 5%. In examples 2, 3 and 4, the parts were subjected to heat treatment according to the proposed method with the application of a sound field of different levels of intensity and magnetic field. The sound field was created by a magnetostrictive generator and contacted transmitted to the hairpin. In examples 5 and 6, the heat treatment was carried out in sound fields, the intensity level of which is beyond the scope of the claimed.

Как показывает анализ данных, приведенных в таблице, рабочим диапазоном уровня интенсивности звукового поля является диапазон от 100 до 170 дБ. При приближении уровня интенсивности звукового поля к верхнему и нижнему пределам эффект от его воздействия малозаметен и малоуправляем. Как следует из приведенных примеров, предлагаемый способ термообработки позволяет существенно повысить производительность, получать у деталей дополнительный запас твердости и прочности. Сравнительная термообработка шпилек больших диаметров показывает, что предлагаемый способ может увеличить прокаливаемость при охлаждении воздушным потоком не менее чем на 25% и снижает коробление не менее чем на 30%. As the analysis of the data shown in the table shows, the working range of the intensity level of the sound field is the range from 100 to 170 dB. When approaching the level of intensity of the sound field to the upper and lower limits, the effect of its impact is subtle and uncontrollable. As follows from the above examples, the proposed method of heat treatment can significantly increase productivity, obtain from the parts an additional margin of hardness and strength. Comparative heat treatment of large diameter studs shows that the proposed method can increase hardenability by cooling by air flow by at least 25% and reduces warping by at least 30%.

Промышленная реализация предлагаемого способа термообработки не требует создания специальных установок. Достаточным является использование существующих закалочных устройств, в которые встроены дополнительные электромагнитные системы и серийные магнитострикционные генераторы. Industrial implementation of the proposed method of heat treatment does not require the creation of special installations. It is sufficient to use existing quenching devices in which additional electromagnetic systems and serial magnetostrictive generators are integrated.

Claims (1)

Способ термической обработки металла, включающий закалку и отпуск при одновременном наложении на зону обработки магнитного поля и механического воздействия при закалке, отличающийся тем, что при отпуске осуществляют механическое воздействие на металл, при этом механическое воздействие при закалке и отпуске проводят путем наложения в зоне обработки звукового поля с уровнем интенсивности 100 - 170 дБ. A method of heat treatment of metal, including hardening and tempering while applying a magnetic field to the treatment zone and mechanical impact during quenching, characterized in that during tempering a mechanical effect is exerted on the metal, while mechanical impact during quenching and tempering is carried out by applying sound fields with an intensity level of 100 - 170 dB.

Images