Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ШТАМПОВЫХ 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 и 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). Недостатки указанного способа состоят в том, что диффузионные слои обладают высокой микротвердостыо и хрупкостью. При циклических ударных нагрузках они преждевременно выкрашиваются, что приводит к выходу из строя дорогостоящих штампов.

Известен способ нитроцементации деталей из штамповых сталей (патент №2501884, МПК С23С 8/76), включающий приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия K₄Fe(CN)₆ и газовой сажи ДГ-100 при следующем соотношении компонентов, масс.%: железосинеродистый калий K₄Fe(CN)₆ - 20-30%; нитроцеллюлозный лак НЦ222 - 15-20%; остальное - газовая сажа ДГ-100, нанесение пасты и последующую нитроцементацию проводят 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 нами в качестве прототипа.

Недостатки указанного способа состоят в том, что возникает необходимость использования дополнительной азотоуглеродистой среды (газовой или твердой), вытесняющей воздух из рабочего пространства печи, что усложняет технологию нитроцементации и повышает ее трудоемкость.

Технической задачей изобретения является повышение скорости нитроцементации и снижение трудоемкости процесса, расширение температурного интервала, повышения равномерности нагрева деталей, повышение экологической безопасности.

Технический результат достигается тем, что в известном способе нитроцементации деталей из штамповых сталей, включающем приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия K₄Fe(CN)₆, газовой сажи ДГ-100, нанесение пасты на изделие, нагрев с выдержкой, охлаждение в масле и низкий отпуск, согласно изобретению, при приготовлении пасты в нее дополнительно вводят бентонит и маршалит при следующем соотношении компонентов, масс.%: железосинеродистый калий K₄Fe(CN)₆ - 24…34, бентонит-12, маршалит-24, газовая сажа ДГ-100 - остальное, а в качестве пастообразователя используют поливинилацетатную эмульсию, приготовленную из клея ПВА (ГОСТ 18992-80) - 50%; метанола (этанола) - 10% и воды - 40%, нагрев проводят в нейтральной соляной ванне при следующем соотношении компонентов, масс.%: NaCl - 50, Na₂CO₃ - 40, NaOH - 10, при температуре 600…750°C с выдержкой при этой температуре в течение 0,5…3 часов, затем образцы охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°C.

В качестве связующего вещества использовали бентонит, обладающий повышенной связывающей способностью и высокой сорбционной и каталитической активностью. Бентониты отличаются высокой водоудерживающей способностью - от 8 до 16 раз от массы сухого вещества. Бентониты не являются дефицитным материалом и выпускаются отечественной промышленностью в соответствии с ГОСТ 3226-77. Основной недостаток бентонитового покрытия - невысокая прочность при повышенных температурах. Для повышения прочности бентонитового покрытия в его состав был введен маршалит. Маршалит - пылевидный кварц, огнеупорность которого составляет 1650-1710°C, что вполне достаточно для использования в нитроцементирующем покрытии, температура которого не превышает 1000°C. При нагреве с бентонитом маршалит спекается в пористую массу, прочность которой составляет 0,4…0,7 МПа.

Маршалит - доступное и дешевое вещество, входящее в состав огнеупорных материалов. В качестве наполнителя маршалит также входит в состав пластмасс, клеев, красок и т.д. Выпускается маршалит по ГОСТ 9077-82 с содержанием кварца не менее 98%. В результате эксперимента установлено, что наилучшее удержание пасты в процессе нитроцементации наблюдается при соотношении бентонита и маршалита в связующей части покрытия 1:2.

Активность нитроцементирующего покрытия зависит от соотношения в нем активной части, т.е. азот- и углесодержащие компоненты (K₄Fe(CN)₆, газовая сажа ДГ-100, и нейтральной части - связки бентонит и маршалит. Результаты проведенного эксперимента показали, что оптимальной активностью обладает покрытие, которое состоит ~60% активной части и ~40% связующей части. Нитроцементация стали с использованием такого покрытия обеспечивает высокую скорость и равномерность насыщения поверхностных слоев азотом и углеродом.

Использование клея ПАВ, метанола и воды для приготовления пастообразователя вместо нитроцеллюлозного лака НЦ-222 делает способ нитроцементации экологически безопасным.

В соляных ваннах можно производить нагрев изделий в широком диапазоне температур от 170…1350°C. При использовании соляных ванн для нагрева сталей с азотисто-углеродными покрытиями необходимо, чтобы она обеспечивала нагрев в широком диапазоне температур.

Такая ванна должна содержать в своем составе углекислый натрий - Na₂CO₃, хлористый натрий - NaCl, едкий натр - NaOH. Эти компоненты в исходном состоянии доступны, дешевы, широко используются в народном хозяйстве и в быту и не относятся к высокотоксичным веществам, требующим соблюдения специальных мер безопасности.

При данном соотношении солей, масс.%: NaCl - 50, Na₂CO₃ - 40, NaOH - 10, композиция солей обеспечивает температуру перехода в жидкое состояние при 570°C, а начало кипения 800°C.

Важным преимуществом этих соляных ванн является оптимальное сочетание жидкотекучести и испаряемости расплава, а также отсутствие взаимодействия с нитроцементующим покрытием. Это покрытие сохраняется в названных ваннах (не разъедается и не осыпается) длительное время до 10 часов.

Отсутствие ядовитых компонентов и невысокая испаряемость не приводит к недопустимому загрязнению атмосферного воздуха и не требует устройства специальной вентиляции. Для этих ванн не требуется также и специальной утилизации солей, выносимых на поверхности деталей при обработке.

Содержание в азотоуглеродистой пасте железосинеродистого калия в количестве, составляющем 24-34 масс.%, является оптимальным, так как при температуре 560°C железосинеродистый калий начинает диссоциировать с выделением атомов азота и углерода. Атомы азота и углерода поглощаются поверхностью стали и диффундируют в ее глубину.

Содержание в пасте газовой сажи ДГ-100 в заданном количестве является оптимальным, так как распад сажи позволяет насыщающие элементы активно поглощаться сталью, что обеспечивает высокую скорость насыщения при минимальном расходе цианизатора.

Способ осуществляют следующим образом.

Сухие компоненты, масс.%: железосинеродистый калий K₄Fe(CN)₆ - 24…34, бентонит - 12, маршалит - 24, газовая сажа ДГ-100 - остальное, тщательно смешивают и разводят до пастообразного состояния водным раствором поливинилацетатной эмульсии, приготовленной из клея ПВА (ГОСТ 18992-80) - 50, метанола (этанол) - 10 и воды - 40. Расход поливинилацетатной эмульсии составляет 30…50% от массы порошкообразных компонентов. Приготовленную пасту наносят на нитроцементируемые поверхности детали слоем от 0,5…2,0 мм и сушат при Т=80°C в течение 0,5 ч до образования твердого покрытия. Подготовленную таким образом деталь загружают в нейтральную соляную ванну и проводят нитроцементацию в течение 0,5…3 часов, затем образцы охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 150-200°C.

Сущность способа иллюстрируется примером.

В качестве упрочняемых деталей использовали образцы (10×10×60 мм) из стали 30 ХГТ, предварительно очищенные уайт-спиртом. Пасту наносят на образцы слоем 0,5 - 2,0 мм и сушат при 80°C в течение 0,5 часа до образования твердого покрытия. Затем образцы загружают в нейтральную соляную ванну и нагревают в течение 0,5 - 3 часов, после чего их охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 150 - 200°C.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить скорость нитроцементации и снизить трудоемкость процесса, 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 мелкосерийном и крупносерийном, так и ремонтном. Кроме того, данный способ позволяет избежать экологических проблем, т.к. карбюризатор в твердом покрытии и ванна для нагрева не имеет токсичных компонентов.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить скорость нитроцементации и снизить трудоемкость процесса, 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 мелкосерийном и крупносерийном, так и ремонтном. Кроме того, данный способ позволяет избежать экологических проблем, т.к. карбюризатор в твердом покрытии и ванна для нагрева не имеет токсичных компонентов.