СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Изобретение относится к химико-термической обработке металлов и сплавов и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента в машиностроительной, металлургической, химической, инструментальной и других отраслях промышленности.

Известен способ упрочнения деталей из конструкционных и инструментальных сталей, включающий насыпку на дно жаростойкого тигля насыщающей порошковой смеси, содержащей карбид бора, ферротитан, оксид алюминия, тетраборат натрия, хлорид аммония, хлорид натрия, при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбид бора - 10-25, ферротитан - 55-65, оксид алюминия - 20, тетраборат натрия - 3, хлорид аммония. - 1, хлорид натрия - 1, толщиной 25-50 мм, укладывание деталей с зазорами между ними, не меньшими 20-25 мм, на этот слой. Затем детали засыпают слоем насыщающей смеси толщиной 35-40 мм, на него снова укладывают детали, далее цикл повторяют до заполнения жаростойкого тигля. После заполнения тигля на насыщающую смесь укладывают металлический лист и засыпают его порошком карбида кремния толщиной 40-50 мм. Последующее насыщение осуществляют путем боротитанирования в вышеуказанной порошковой смеси при температуре 1100°С в течение 6 ч. Далее тигель остужают и извлекают упрочненные детали. При этом получают диффузионные слои, состоящие из боридов титана, железа, титанатов железа, твердого раствора титана в железе, толщиной 25-50 мкм в зависимости от марки упрочняемой стали (Химико-термическая обработка металлов и сплавов: справочник / Под ред. Л.С.Ляховича. - М.: Металлургия, 1981. - С.340, табл.166).

Недостатками этого способа являются малая износостойкость деталей из конструкционных и инструментальных сталей, упрочненных в соответствии с описанным процессом, вследствие пониженной пластичности и малой толщины получаемых диффузионных слоев, высокая трудоемкость вследствие использования операций укладывания и извлечения деталей, насыпки в жаростойкий тигель насыщающей порошковой смеси, низкая экономичность, обусловленная, во-первых, повышенным расходом насыщающей порошковой смеси, так как минимально возможная толщина слоя смеси над деталью составляет 10 мм, во-вторых, отсутствием возможности повторного использования этой смеси.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ упрочнения деталей, а именно литого режущего инструмента, из быстрорежущей стали, заключающийся в том, что детали в виде пластинок из быстрорежущей стали Р6М5 предварительно шлифуют, затачивают и подвергают цементации в муфеле в среде древесного угля при температуре 980°-1020°С в течение 1,5 ч, охлаждают с муфелем на воздухе, далее пластинки затачивают, шлифуют и обезжиривают в Уайт-спирите или бензине, после чего на них наносят обмазку, содержащую ферротитан, карбид бора, краснокровяную соль и хлористый аммоний, при следующем соотношении компонентов, мас.%: ферротитан - 50-60, карбид бора - 20-30, краснокровяная соль - 15-25, хлористый аммоний - 2-3, предварительно разводя ее в этилсиликате до пастообразного состояния. После нанесения пасты пластинки сушат на воздухе до получения твердой корки. Затем осуществляют насыщение из обмазки при нагреве подготовленных пластинок в индукторе токами высокой частоты до 1180°-1250°С с выдержкой 3-5 мин и последующую закалку с температуры насыщения, охлаждая детали с подстуживанием в масле при 60-80°С. Далее производят троекратный отпуск совместно с сульфидированием в герметичном муфеле в среде сульфата натрия с засыпкой древесного угля при 550-570°С в течение 1 ч. При этом на поверхности пластинок образуется тонкий диффузионный слой толщиной 3-5 мкм сульфида железа, выполняющий функцию твердой смазки, а под ним - диффузионный слой толщиной 10-15 мкм из карбидов и нитридов титана, боридов железа (патент RU 2172360, МПК⁷ С23С 12/00, C23F 17/00).

Недостатками вышеописанного способа являются низкие износостойкость, теплостойкость и коррозионная стойкость упрочненных таким образом деталей вследствие высокой хрупкости и малой толщины получаемых диффузионных слоев, образованных при насыщении из обмазки, содержащей ферротитан, карбид бора, краснокровяную соль и хлористый аммоний, с использованием предварительной цементации деталей; малый ресурс упрочненных деталей, обусловленный низкой пластичностью этих слоев; повышенная трудоемкость вследствие необходимости использования предварительной цементации, укладывания деталей в муфель и извлечения из него; низкая экономичность, обусловленная применением дорогостоящего индуктора с токами высокой частоты, муфеля, операций предварительной цементации, укладывания деталей в муфель и извлечения из него.

Задачей изобретения является повышение износостойкости, теплостойкости, коррозионной стойкости и ресурса деталей из конструкционных и инструментальных сталей, упрочненных в соответствии с предложенным способом, снижение трудоемкости и повышение экономичности процесса упрочнения.

Поставленная задача решается тем, что в способе упрочнения деталей из конструкционных и инструментальных сталей, включающем нанесение обмазки, содержащей карбид бора, предварительно разводя ее в жидкости до пастообразного состояния, сушку на воздухе до получения твердой корки, насыщение из обмазки при нагреве деталей с выдержкой, закалку с температуры насыщения и отпуск, согласно изобретению используют обмазку, дополнительно содержащую диборид титана, мелкодисперсный графит, бентонит, фторид натрия, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

насыщение из обмазки, предварительно разводя в воде, производят при нагреве от 1050°С до 1150°С в течение 4-6 ч, а низкий отпуск проводят при температуре 180-200°С в течение 2 ч.

Повышение износостойкости, теплостойкости, коррозионной стойкости упрочненных деталей обеспечивается снижением хрупкости вследствие отсутствия необходимости в предварительной цементации при насыщении поверхностей стальных деталей одновременно бором и титаном и увеличением толщины получаемых диффузионных слоев до 25-95 мкм в зависимости от химического состава стали, образованных при насыщении из обмазки, содержащей диборид титана, мелкодисперсный графит, бентонит, фторид натрия. Повышение ресурса упрочненных деталей достигается повышением пластичности диффузионных слоев за счет введения диборида титана, мелкодисперсного графита и бентонита.

Снижение трудоемкости процесса упрочнения достигается вследствие повышения производительности труда, чему способствует отсутствие необходимости использования предварительной цементации, укладывания деталей в муфель и извлечения из него.

Повышение экономичности процесса упрочнения обусловлено, во-первых, тем, что процесс упрочнения осуществляется с использованием термических печей любого принципа действия, имеющихся на каждом металлообрабатывающем предприятии, и позволяет отказаться от дорогостоящего индуктора с токами высокой частоты, во-вторых, отсутствием необходимости применения предварительной цементации, связанной с использованием дорогостоящего муфеля.

Содержание в обмазке диборида титана в количестве, составляющем 20-25 мас.%, является оптимальным, так как при данном содержании образуются упрочненные слои с наиболее высоким ресурсом. При содержании в обмазке диборида титана в количестве, меньшем 20 мас.%, идет преимущественно насыщение бором, что приводит к высокой хрупкости диффузионного слоя, а вследствие этого - к снижению ресурса работы. При содержании в обмазке диборида титана в количестве, большем 25 мас.%, в процессе насыщения вследствие низкой пластичности обмазка растрескивается, что приводит к окислению поверхности детали.

Содержание в обмазке карбида бора в количестве, составляющем 50-60 мас.%, является оптимальным, потому что при этом содержании образуются диффузионные слои с наибольшей пластичностью и износостойкостью. Содержание в обмазке карбида бора в количестве, меньшем 50 мас.%, приводит к получению диффузионных слоев малой толщины и снижению ресурса упрочненных деталей. При содержании в обмазке карбида бора в количестве, большем 60 мас.%, происходит преимущественное насыщение бором, что приводит к высокой хрупкости получающихся слоев.

Содержание в обмазке мелкодисперсного графита в количестве, составляющем 10-14 мас.%, является оптимальным, потому что при данном содержании мелкодисперсного графита обеспечиваются легкое отделение обмазки и достаточная толщина диффузионных слоев. При содержании в обмазке мелкодисперсного графита в количестве, меньшем 10 мас.%, получают упрочненные слои малой толщины и отделение обмазки от поверхности упрочненной детали затруднено. При содержании в обмазке мелкодисперсного графита в количестве, большем 14 мас.%, вследствие повышенного газоотделения возможно сползание обмазки с упрочняемой детали, что приводит к отсутствию упрочненного слоя.

Содержание в обмазке бентонита в количестве, составляющем 5-7 мас.%, является оптимальным в силу того, что оно обеспечивает необходимую жесткость обмазке в процессе насыщения и предотвращает осыпание обмазки в процессе сушки. При содержании в обмазке бентонита в количестве, меньшем 5 мас.%, возможно осыпание обмазки в процессе сушки. При содержании в обмазке бентонита в количестве, большем 7 мас.%, получают диффузионные слои малой толщины, возможны сколы при отделении обмазки вследствие ее повышенной адгезии к поверхности детали.

Содержание в обмазке фторида натрия в количестве, составляющем 3-5 мас.%, является оптимальным, так как при данном содержании обеспечивается необходимая активность насыщающей обмазки, что приводит к формированию диффузионных слоев с оптимальными пластичностью и износостойкостью. При содержании в обмазке фторида натрия в количестве, меньшем 3 мас.%, вследствие недостаточной активности смеси возможно получение диффузионного слоя очень малой толщины либо полное его отсутствие. При содержании в обмазке фторида натрия в количестве, большем 5 мас.%, вследствие повышенной активности смеси возможен прогар обмазки и окисление поверхности детали, что приводит к снижению стойкости упрочненной детали.

Температура насыщения деталей из обмазки, составляющая от 1050°С до 1150°С, является оптимальной, так как при температуре ниже 1050°С процесс диффузионного насыщения протекает очень медленно, в результате чего упрочненные слои либо вовсе не образуются, либо имеют недостаточную толщину - не более 30 мкм, соответственно это приводит к снижению износостойкости упрочненных деталей, а температура насыщения выше 1150° для большинства конструкционных и инструментальных сталей приводит к росту зерна под упрочненным слоем, что в свою очередь приводит к снижению ударной вязкости и пластичности металла под упрочненным слоем и снижению работоспособности инструмента.

Продолжительность насыщения деталей из обмазки, составляющая 4-6 ч, является оптимальной, так как продолжительность процесса насыщения менее 4 ч приводит к недостаточной толщине упрочненного слоя, а при продолжительности процесса насыщения более 6 ч наблюдается рост зерна и чрезмерная толщина упрочненного слоя, что приводит к повышению его хрупкости и снижению износостойкости готового изделия.

Температура низкого отпуска, составляющая 180-200°С, является оптимальной, так как обеспечивается наиболее полное снятие остаточных напряжений, приводящих к повышенной хрупкости упрочненных слоев и низкой пластичности упрочненной детали в целом. При температуре низкого отпуска, составляющей менее 180°С, происходит неполное снятие закалочных напряжений, что приводит к повышенной хрупкости слоев и снижению ударной вязкости сердцевины детали, в результате чего снижается и стойкость упрочненного изделия. При температуре низкого отпуска, составляющей более 200°С, возможно проявление отпускной хрупкости у сталей, склонных к таковой.

Предложенное изобретение поясняется таблицей, в которой приведены результаты испытаний на износостойкость обрубочных матриц из стали Х12М.

Способ упрочнения деталей из конструкционных и инструментальных сталей осуществляется следующим образом. Предварительно обмазку, содержащую диборид титана, карбид бора, мелкодисперсный графит, бентонит, фторид натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%: диборид титана - 20-25, карбид бора - 50-60, мелкодисперсный графит - 10-14, бентонит - 5-7, фторид натрия - 3-5, разводят в воде до пастообразного состояния. Приготовленную обмазку наносят на упрочняемую поверхность детали слоем 4-6 мм, после чего сушат на воздухе до получения твердой корки. Насыщение поверхности детали из обмазки производят в термической печи при нагреве деталей от 1050°С до 1150°С с выдержкой в течение 4-6 ч. Затем осуществляют закалку непосредственно с температуры насыщения и низкий отпуск при температуре 180-200°С в течение 2 ч. Обмазку отделяют от поверхности упрочненной детали. При этом на поверхности детали образуется диффузионный слой толщиной 25-95 мкм с микротвердостью 20000-28000 МПа в зависимости от химического состава стали. При необходимости возможна последующая шлифовка изделия со снятием поверхностного слоя не более чем 5 мкм.

Температура процесса насыщения, время выдержки при данной температуре зависят от марки конструкционной или инструментальной стали, из которой изготовлена деталь, назначения детали и требуемой толщины диффузионного слоя. Охлаждающую среду для закалки также выбирают в зависимости от марки стали.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

В качестве упрочняемых деталей использовали обрубочные матрицы из стали Х12М. Предварительно обмазку, содержащую диборид титана, карбид бора, мелкодисперсный графит, бентонит, фторид натрия (см. таблицу, №№ п/п 5-19), разводили в воде до пастообразного состояния. При температуре 1150°С в термической печи из указанной обмазки проводили насыщение обрубочной матрицы из стали Х12М. Время процесса насыщения - 6 ч. Затем была проведена закалка непосредственно с температуры насыщения в масле с температурой 40°С и последующий низкий отпуск при 180°С в течение 2 ч. Обмазка была отделена от поверхности детали. На деталях было получено равномерное покрытие толщиной 50-65 мкм. Износостойкость определялась по количеству выштампованных деталей.

Также осуществляли процесс упрочнения обрубочных матриц из стали Х12М в соответствии со способом упрочнения деталей из конструкционных и инструментальных сталей, выбранным в качестве аналога (см. таблицу, №№ п/п 1, 2), и способом упрочнения деталей, а именно литого режущего инструмента, из быстрорежущей стали, выбранным в качестве прототипа (см. таблицу, №№ п/п 3, 4).

Как следует из приведенных в таблице данных, при насыщении деталей из обмазки с содержанием компонентов за заявленными пределами стойкость поверхностных слоев снижается (см. таблицу, №№ п/п 5, 6, 9, 11, 12, 13, 14, 15, 18, 19), наблюдаются прогар обмазки и обезуглероживание детали (см. таблицу, №№ п/п 9), затруднение отделения обмазки от детали и высокая вероятность скола упрочненного слоя детали вместе с обмазкой (см. таблицу, №№ п/п 12, 14), частичное либо полное разрушение обмазки, а также ее сползание с упрочняемой детали в процессе насыщения (см. таблицу, №№ п/п 11, 13), снижение толщины упрочненного слоя, а следовательно, стойкости (см. таблицу, №№ п/п 15).

Износостойкость матрицы в производственных условиях по сравнению со стойкостью матрицы, упрочненной в соответствии со способом, выбранным в качестве прототипа, возросла в 1,6 раз (см. таблицу, №№ п/п 7, 8, 10, 16, 17). Трудоемкость процесса упрочнения за счет исключения предварительной цементации и отказа от троекратного отпуска снизилась на 10 человеко-часов (с 16 до 6).

Таким образом, использование предложенного изобретения позволяет увеличить толщину диффузионного слоя на поверхностях упрочняемых деталей из конструкционных и инструментальных сталей, повысить стойкость и ресурс деталей, упрочненных в соответствии с предложенным способом, понизить трудоемкость и повысить экономичность процесса упрочнения. При этом заявленный способ может быть применен на любом металлообрабатывающем предприятии, имеющем термические печи, независимо от принципа их действия.