СПОСОБ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Изобретение относится к способам химико-термической обработки конструкционных и инструментальных сталей и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента в машиностроительной, металлургической, химической, инструментальной и других отраслях промышленности.

Известны способы упрочнения штамповых сталей методом цианирования. Цианирование проводят в расплавленных солях - жидкое цианирование, в газовых средах - газовое цианирование или нитроцементация в твердых смесях. Твердое цианирование проводят в смеси, состоящей из 60-70% древесного угля и 30-40% желтой кровяной соли, интенсивная диссоциация которой протекает в твердом состоянии при 540-560°C. (Штамповые стали / Позняк Л.А., Скрынеченко Ю.М., Тишаев С.И. - М.: Металлургия, 1980, с. 212-213).

Недостатком указанного способа является то, что насыщение поверхностей упрочняемых деталей происходит неравномерно, из-за неравномерного распределения порошка желтой кровяной соли между относительно крупными частицами древесного угля.

Известен способ нитроцементации деталей из штамповых сталей (патент №2501884, МПК C23C 8/76). Способ включает приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия K₄Fe(CN)₆, газовой сажи ДГ-100 и нитроцеллюлозного лака НЦ 222 при следующем соотношении компонентов, мас. %: железосинеродистый калий K₄Fe(CN)₆ - 20-30; нитроцеллюлозный лак НЦ 222 - 15-20; остальное - газовая сажа ДГ-100, нанесение пасты и последующую нитроцементацию при температуре 680°C в течение 3 часов. Затем образцы охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 200°C в течение 2 часов. Этот способ взят в качестве прототипа.

Недостатки указанного способа состоят в том, что при данном способе ограничена нижняя температура нитроцементации. При температуре 550-560°C скорость нитроцементации невысокая.

Технической задачей изобретения является повышение скорости нитроцементации, расширение температурного интервала, повышение экологической безопасности.

Технический результат достигается тем, что в известном способе нитроцементации деталей, включающем приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия K₄Fe(CN)₆, газовой сажи ДГ-100, нитроцеллюлозного лака НЦ 222, нанесение пасты на изделие, нагрев с выдержкой, охлаждение в масле и низкий отпуск, согласно изобретению при приготовлении пасты в нее дополнительно вводят карбамид (NH₂)₂CO, при следующем соотношении компонентов, мас. %: железосинеродистый калий K₄Fe(CN)₆ - 20-30, карбамид (NH₂)₂CO - 15-20, нитроцеллюлозный лак НЦ 222 - 15-30; газовая сажа ДГ-100 - остальное, проводят нитроцементацию при температуре 450-850°C в течение 1-3 часов, затем образцы охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 150-180°C в течение 1-2 часов.

Нитроцементация стали с использованием такого покрытия обеспечивает высокую скорость и равномерность насыщения поверхностных слоев азотом и углеродом.

Отсутствие ядовитых компонентов и невысокая испаряемость не приводит к недопустимому загрязнению атмосферного воздуха и не требует устройства специальной вентиляции.

Содержание в пасте карбамида (NH₂)₂CO в количестве, составляющем 15-20 мас. %, является оптимальным, так как карбамид обеспечивает образование азота при пониженных температурах упрочняющей обработки, при температуре около 200°C он разлагается с выделением газообразного аммиака и изоциановой кислоты по реакции

Изоциановая кислота (NHCO) при низкой температуре не разлагается и не принимает участия в дальнейших реакциях, а аммиак диссоциирует с образованием активных атомов азота, которые адсорбируются поверхностью стали

Степень диссоциации аммиака, т.е. активность насыщающей среды по азоту, зависит от температуры процесса. При 450°C-650°C степень диссоциации аммиака составляет 20-40%, что вполне достаточно для насыщения поверхности стали большим количеством азота.

Содержание в азотоуглеродистой пасте железосинеродистого калия в количестве, составляющем 16-20 мас. %, является оптимальным, поскольку при температуре 650°C железосинеродистый калий диссоциирует с образованием активных атомов азота и углерода

Активные атомы азота и углерода адсорбируются поверхностью стали, а цианистый калий, выделяющийся при разложении железосинеродистого калия, диссоциирует при дальнейшем нагревании с образованием активной группы CN, которая также участвует в насыщении стали азотом и углеродом.

Надо отметить, что железосинеродистый калий, хотя и является цианидом, в твердом состоянии не токсичен. Токсическое действие этого вещества проявляется только при его расплавлении, однако в составе пасты свободного расплава не образуется, и токсические свойства железосинеродистого калия не проявляются, поэтому и не требуется особых предосторожностей при его использовании в сочетании с аморфным углеродом.

Содержание в обмазке нитроцеллюлозного лака НЦ 222 в количестве 15-30 мас. % является оптимальным, так как лак начинает разлагаться при еще более низкой температуре ~200°C:

При этом образуется больше активного азота, чем при разложении железосинеродистого калия. Образование карбонитридного слоя начинается уже при температуре 200°C, увеличивается толщина карбонитридной корки на поверхности стали, повышается микротвердость, ударная вязкость штампа.

Содержание в пасте газовой сажи ДГ-100 в заданном количестве является оптимальным, так как распад сажи позволяет насыщающему элементу активно поглощаться сталью, что обеспечивает высокую скорость насыщения углеродом при минимальном расходе цианизатора, а в поверхностном слое образуется корка с зернами цементита, что повышает ударную вязкость деталей.

Способ осуществляют следующим образом.

Компоненты в сухом виде тщательно перемешивают и разводят лаком НЦ-222 при следующем соотношении, мас. %: железосинеродистый калий K₄Fe(CN)₆ - 20-30, карбамид (NH₂)₂CO - 15-20, нитроцеллюлозный лак НЦ 222 - 15-30, газовая сажа ДГ-100-остальное, до пастообразного состояния. Приготовленную таким образом пасту наносят на нитроцементируемые поверхности деталей слоем от 0,5-2,0 мм и сушат при t=75-85°C в течение 0,5-1 ч. до образования твердого покрытия.

Подготовленные образцы с сухим покрытием на поверхности деталей упаковывают в герметичный контейнер с наполнителем в виде чугунной стружки и проводят нитроцементацию при различных температурах - от 450 до 850°C. Длительность нитроцементации во всех случаях составляла 1-3 часов, затем образцы охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°C в течение 1-2 ч.

Сущность способа иллюстрируется примером.

В качестве упрочняемых деталей использовали образцы (10×10×60 мм) из стали 5ХНМ, предварительно очищенные уайт-спиртом. Пасту наносили на образцы слоем 0,5-2,0 мм и подвергали сушке при t=75-85°C в течение 0,5-1 часа до образования твердого покрытия. Затем образцы упаковывали в герметичный контейнер с наполнителем в виде чугунной стружки и проводили нитроцементацию при различных температурах - от 450 до 850°C. Длительность нитроцементации во всех случаях составляла 1-3 часа, затем образцы охлаждали в масле и проводили низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°C в течение 1-2 ч.

Таким образом, нитроцементирующая среда, содержащая нитроцеллюлозный лак НЦ 222, карбамид, железосинеродистый калий и газовую сажу ДГ-100 будет проявлять активность в широком диапазоне температур: так нитроцеллюлозный лак начинает разлагаться при температуре ~200°, карбамид начнет выделять активный азот уже при 450°C, железосинеродистый калий начнет выделять азот и углерод при 600-650°C и, наконец, сажа, при каталитическом действии продуктов реакций распада двух первых компонентов, будет генерировать активный углерод при повышенных температурах, вплоть до 950°C. Поочередная, по мере повышения температуры, активизация азотсодержащих и углеродосодержащих компонентов, присутствующих в предлагаемой среде, позволит варьировать насыщение стали, начиная от практически чистого азотирования (при температуре 500-580°C) до азотонауглероживания (при температурах 600-700°C) и до чистой цементации (850-950°C и выше).

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить скорость нитроцементации, расширить температурный интервал нитроцементации, повысить равномерность нагрева деталей, повысить экологическую безопасность.

Заявленный способ не требует значительных энергозатрат и дорогостоящего оборудования и может быть применен в любом производстве как в серийном, так и ремонтном. Кроме того, данный способ позволяет избежать экологических проблем, т.к. карбюризатор в твердом покрытии не имеет токсичных компонентов.