Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам упрочнения и восстановления стальных деталей в соответствии с характером их износа, работающих в условиях абразивного изнашивания, и может быть использовано при производстве упрочненных деталей машин и инструмента, обладающих повышенным ресурсом работы, в машиностроительной, металлургической, химической, строительной и других отраслях промышленности.

Известен способ упрочнения стальных деталей, включающий нанесение обмазки, содержащей карбид бора, фторид натрия, колчеданный огарок, основным элементом которого является оксид железа в количестве 70-75 мас.%, при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбид бора - 50-60, фторид натрия - 30-45, колчеданный огарок - 5-10, сушку на воздухе до получения твердой корки, насыщение из обмазки при нагреве деталей в термической печи с выдержкой (Ситкевич М.В., Вельский Е.И. Совмещенные процессы химико-термической обработки с использованием обмазок / М.В. Ситкевич, Е.И. Вельский. - Минск: Выш. Шк., 1987. - С.49).

Недостатками вышеописанного способа упрочнения стальных деталей являются низкие экологичность, обусловленная применением колчеданного огарка, и износостойкость деталей с упрочненным слоем, полученным по этому способу (см. таблицу, №№п/п 1, 2).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности (прототипом) является способ упрочнения стальных деталей, заключающийся в том, на поверхность детали наносят предварительно разведенную в воде до пастообразного состояния обмазку, содержащую следующие компоненты, мас.%: диборид титана - 20-25, карбид бора - 50-60, мелкодисперсный графит - 10-14, бентонит - 5-7, фторид натрия - 3-5, проводят сушку на воздухе до получения твердой корки, затем осуществляют насыщение из обмазки при нагреве детали от 1050°C до 1150°C в течение 4-6 ч. Затем проводят низкий отпуск при температуре 180-200°C в течение 2 ч (патент RU 2345175, МПК C23C 12/02, C21D 1/78 (2006.01)).

Недостатками вышеописанного способа являются низкая стойкость (см. таблицу, №№п/п 3, 4), повышенные энергозатраты на процесс упрочнения вследствие необходимости длительной (в течение 4-6 ч) выдержки упрочняемой детали в термических печах при высоких температурах, повышенная ресурсоемкость вследствие большого расхода насыщающей среды.

Задачей изобретения является повышение стойкости деталей, полученных по предложенному способу, а также энергоэффективности и снижение ресурсоемкости процесса упрочнения.

Поставленная задача решается тем, что в способе упрочнения стальных деталей, включающем нанесение обмазки, содержащей диборид титана, карбид бора, фторид натрия, которую предварительно разводят в воде до пастообразного состояния, сушку на воздухе до получения твердой корки, насыщение из обмазки при нагреве деталей с выдержкой, закалку с температуры насыщения и низкий отпуск при температуре 180-200°C в течение 2 ч, согласно изобретению используют обмазку, дополнительно содержащую хлорид аммония, буру, бориды железа при следующем соотношении компонентов, мас.%: диборид титана - 20-25, карбид бора - 40-60, фторид натрия - 3-7, хлорид аммония - 5-7, бура - 3-8, бориды железа - 8-20, а насыщение из обмазки, предварительно разведенной в воде проводят при нагреве от 850°C до 1150°C в течение 0,5-3,5 ч.

В качестве боридов железа можно использовать смесь моноборида железа и гемиборида железа в соотношении 1:8.

Повышение стойкости упрочненных деталей обеспечивается снижением хрупкости вследствие присутствия при насыщении поверхностей стальных деталей более высокой концентрации легированных боридов железа и увеличением толщины получаемых диффузионных слоев до 75-220 мкм в зависимости от химического состава стали, образованных при насыщении из обмазки, содержащей диборид титана, карбид бора, фторид натрия, хлорид аммония, буру, бориды железа.

Снижение энергозатрат на процесс упрочнения обусловлено сокращением времени насыщения, так как процесс упрочнения осуществляется в условиях атмосферы с использованием термических печей любого принципа действия, имеющихся на каждом металлообрабатывающем предприятии.

Снижение ресурсоемкости процесса упрочнения достигается за счет введения боридов железа совместно с диборидом титана.

Содержание в обмазке диборида титана в количестве, составляющем 20-25 мас.%, является оптимальным, так как при данном содержании диборида титана 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 40-60 мас.%, является оптимальным, потому что при этом содержании карбида бора образуются диффузионные слои с наибольшей пластичностью и износостойкостью. Содержание в обмазке карбида бора в количестве, меньшем 40 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 хлорида аммония в количестве, составляющем 5-7 мас.%, является оптимальным, потому что при данном содержании хлорида аммония обеспечивается необходимая активность насыщающей обмазки, что приводит к формированию диффузионных слоев с оптимальными пластичностью и износостойкостью. При содержании в обмазке хлорида аммония в количестве, меньшем 5 мас.%, вследствие недостаточной активности смеси возможно получение диффузионного слоя очень малой толщины либо полное его отсутствие. При содержании в обмазке хлорида аммония в количестве, большем 7 мас.%, вследствие повышенной активности смеси возможны прогар обмазки и окисление поверхности детали, что приводит к снижению стойкости упрочненной детали.

Содержание в обмазке фторида натрия в количестве, составляющем 3-7 мас.%, является оптимальным, так как при данном содержании фторида натрия 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 7 мас.%, вследствие повышенной активности смеси возможны прогар обмазки и окисление поверхности детали, что приводит к снижению стойкости упрочненной детали.

Содержание в обмазке буры в количестве, составляющем 3-8 мас.%, является оптимальным в силу того, что она обеспечивает необходимую защиту обмазке от атмосферы печи в процессе насыщения и предотвращает осыпание обмазки в процессе насыщения. При содержании в обмазке буры в количестве, меньшем 3 мас.% возможен прогар обмазки в процессе насыщения. При содержании в обмазке буры в количестве, большем 8 мас.%, возможны сколы при отделении обмазки вследствие ее повышенной адгезии к поверхности детали либо сползание обмазки с детали в процессе насыщения.

Содержание в обмазке боридов железа в количестве, составляющем 8-20 мас.%, является оптимальным, так как при содержании боридов железа менее 8% возрастает расход насыщающей среды, при содержании боридов железа более 20% возможен прогар насыщающей обмазки, что приводит к браку.

Соотношение моноборида железа и гемиборида железа 1:8 в смеси, представляющей собой бориды железа, является оптимальным, так как данная смесь обычно получается в процессе ее синтеза. Дополнительное выделение какого-либо отдельного борида сопровождается значительным удорожанием насыщающей среды, что приводит к повышению ресурсоемкости процесса упрочнения.

Температура насыщения деталей из обмазки, составляющая от 850°C до 1150°C, является оптимальной, так как при температуре ниже 850°C процесс диффузионного насыщения не протекает, в результате чего упрочненные слои не образуются, соответственно это приводит к снижению износостойкости упрочненных деталей, а температура насыщения выше 1150°С для большинства 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 0,5-3,5 ч, является оптимальной, так как продолжительность процесса насыщения менее 0,5 ч приводит к недостаточной толщине упрочненного слоя, а при продолжительности процесса насыщения более 3,5 ч наблюдаются рост зерна и чрезмерная толщина упрочненного слоя, что приводит к повышению его хрупкости и снижению износостойкости готового изделия.

Предложенное изобретение поясняется таблицей, в которой приведены результаты испытаний на стойкость обрубочных матриц из стали У10А.

Способ упрочнения деталей из конструкционных и инструментальных сталей осуществляется следующим образом. Предварительно обмазку, содержащую диборид титана, карбид бора, хлорид аммония, буру, фторид натрия, хлорид аммония, буру и бориды железа при следующем соотношении компонентов, мас.%: диборид титана - 20-25, карбид бора - 40-60, фторид натрия - 3-7, хлорид аммония - 5-7, буру - 3-8, бориды железа, в качестве которых используют смесь моноборида железа и гемиборида железа, - 8-20, разводят в воде до пастообразного состояния. При этом моноборид железа и гемиборид железа в смеси можно использовать в соотношении 1:8. Приготовленную обмазку наносят на упрочняемую поверхность детали слоем 0,5-5 мм, после чего сушат на воздухе до получения твердой корки. Насыщение поверхности детали из обмазки производят в термической печи при нагреве деталей от 850°C до 1150°C с выдержкой в течение 0,5-3,5 ч. Затем осуществляют закалку непосредственно с температуры насыщения и низкий отпуск при температуре 180-200°C в течение 2 ч. Обмазку отделяют от поверхности упрочненной детали. При этом на поверхности детали образуется диффузионный слой толщиной 60-70 мкм с микротвердостью 1920-2700 HV 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 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 У10А. Предварительно обмазку, содержащую диборид титана, карбид бора, хлорид аммония, буру, фторид натрия, хлорид аммония, буру и бориды железа (см. таблицу, №№п/п 5-30), разводили в воде до пастообразного состояния. При температуре 1100°C в термической печи из указанной обмазки проводили насыщение обрубочной матрицы из стали У10А. Время процесса насыщения - 3 ч. Затем были проведены закалка непосредственно с температуры насыщения в масле с температурой 40°C и последующий низкий отпуск при 180°C в течение 2 ч. Обмазка была отделена от поверхности детали. На деталях было получено равномерное покрытие толщиной 60-72 мкм. Стойкость определялась по количеству выштампованных деталей (количеству съемов).

Также осуществляли процесс упрочнения обрубочных матриц из стали У10А в соответствии со способом упрочнения стальных деталей, выбранным в качестве аналога (см. таблицу, №№п/п 1, 2), и способом упрочнения стальных деталей, 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 5-16), 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).

Стойкость матрицы в производственных условиях по сравнению со стойкостью матрицы, упрочненной в соответствии со способом, выбранным в качестве прототипа, возросла в среднем в 2,02 раза (см. таблицу, №№п/п 17-30).

Таким образом, использование предложенного изобретения позволяет увеличить стойкость деталей, упрочненных в соответствии с предложенным способом, повысить энергоэффективность, уменьшить ресурсоемкость процесса упрочнения. При этом заявленный способ может быть применен на любом металлообрабатывающем предприятии, имеющем термические печи, независимо от принципа их действия.

Режим работы обрубочных матриц из стали У10А: адгезионный износ, обусловленный наличием высоких удельных контактных давлений.