Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЦЕМЕНТАЦИИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке конструкционных и инструментальных сталей и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и технологической оснастки (штампов, прессформ, фильер и т.д.) в машиностроительной, металлургической, химической, инструментальной и других отраслях промышленности.

Известен состав для цементации деталей (патент SU 1548263 A1), включающий приготовление пасты путем смешивания графита, углекислого бария, эмали ЭВТ при следующем соотношении компонентов, масс.%: графита–40-70%; углекислого бария–5-10%; остальное-эмаль ЭВТ, нанесение пасты, сушка при Т=100-200°C в течение 0,5-1,0 часа и последующую цементацию проводят при температуре 900°C в течение 4-6 часов, затем образцы подвергают закалке с температуры цементации. 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 цементации и повышает ее трудоемкость.

Технической задачей изобретения является повышение скорости цементации, обеспечение возможности обработки деталей любых размеров и форм, обеспечение возможности локального цементирования рабочих поверхностей деталей, повышения равномерности нагрева деталей, а также повышение экологической безопасности процесса цементации.

Технический результат достигается тем, что способ цементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей в цементуемой среде, включающий нанесение пасты на поверхность детали, нагрев с последующей выдержкой, закалку и отпуск, при этом цементуемую среду готовят в виде пасты, содержащей: углекислый натрий Nа₂СО₃, бентонит, маршалит, сажу ДГ-100 при следующем соотношении компонентов, масс. %: углекислый натрий Nа₂СО₃–20…30; бентонит–5…10; маршалит–10…20; сажа ДГ-100–остальное, а в качестве пастообразователя используют поливинилацетатную эмульсию (30…50% от массы порошкообразных компонентов), приготовленную из клея ПВА-60%; метанола - 15% и воды - 25%, наносят пасту на деталь, сушат при температуре 80-90°С, затем деталь нагревают до температуры 920-980°С в течение 6-8 часов, далее подвергают закалке и отпуску при температуре 200-550º С в течение 2 часов.

Цементация стали с использованием такого покрытия обеспечивает высокую скорость и равномерность насыщения поверхностных слоев углеродом. Отсутствие ядовитых компонентов и невысокая испаряемость не приводит к недопустимому загрязнению атмосферного воздуха и не требует устройства специальной вентиляции.

Способ цементации с использованием предлагаемой пасты осуществляется следующим образом: готовят пасту, для чего тщательно смешивают порошкообразные сухие компоненты и полученную смесь разводят поливинилацетатной эмульсией до образования пастообразной массы. Расход поливинилацетатной эмульсии составляет 30…50% от массы порошкообразных компонентов. Приготовленную пасту необходимо использовать в течение часа.

На детали, предварительно очищенные от загрязнений уайт-спиритом, наносят

приготовленную пасту методом погружения в емкость с пастой (детали небольших размеров), либо кистью на упрочняемые поверхности крупногабаритных деталей. Слой пасты на поверхностях деталей должен составлять 2,0…3,5 мм.

Детали с нанесённой на их поверхности пастой высушивают при температуре 80-90^оС в течение 0,5-1,0 часа до образования твердого покрытия. Детали с нанесённой на них пастой могут храниться неограниченное время до загрузки в печь, при этом они не вызывают загрязнения оборудования и персонала. Сухое покрытие устойчиво к ударам.

Для дальнейшей цементации детали упаковывали в герметизированный контейнер и заполняли нейтральным наполнителем, состоящим из 40% сажи, 50% кварцевого песка, 10% порошка мела для вытеснения воздуха. Подготовленный таким образом контейнер с деталями загружали в печь с герметичной ретортой Ц-105, разогретую до температуры 920°С до 980°С и выдерживали в течение 6-8 часов. После цементации детали подвергали закалке и отпуску при температуре 200-550º С в течение 2 часов.

Цементация деталей с использованием предлагаемой обмазки можно использовать в печах непрерывного действия в эндотермической или азотирующей атмосферах (в условиях массового производства) или в цементационных ящиках (в условиях единичного, в частности ремонтного производства).

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. 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 цементирующем покрытии, температура которого не превышает 1200°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. В результате эксперимента установлено, что наилучшее удержание пасты в процессе цементации наблюдается при соотношении бентонита и маршалита в связующей части покрытия 1:2.

Активность цементуемого покрытия зависит от соотношения в нем активной части, т.е. углесодержащих компонентов: сажи ДГ-100, углекислого натрия Nа₂СО₃, (в соотношении от 70:30 % до 60:40 %), 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. Цементация стали с использованием такого покрытия обеспечивает высокую скорость и равномерность насыщения поверхностных слоев углеродом.

Содержание в пасте сажи ДГ–100 в заданном количестве, является оптимальным, так как распад сажи позволяет насыщающим элементам активно поглощаться сталью, что обеспечивает высокую скорость насыщения при минимальном расходе компонента, а в поверхностном слое образуется корка с зёрнами цементита, что повышает износостойкость образцов.

Основным источником углерода в данной цементующей среде является окись углерода. Её науглероживающее действие проявляется при распаде на поверхности стали с выделением атомарного углерода, который усваивается этой поверхностью.

2СО → С↓_Fe + СО₂ (1)

Содержание в пасте углекислого натрия Nа₂СО₃ в заданном количестве, является оптимальным, так как активная окись углерода в цементующем покрытии образуется в результате термической диссоциации углекислого натрия

Nа₂СО₃ → NаО + СО₂ (2)

и последующем взаимодействием СО₂ с углеродом на поверхности раскалённых частичек сажи

СО₂ + С → 2СО (3)

Однако, учитывая высокую науглероживающую способность данного покрытия, можно предположить, что в покрытии образуется дополнительное количество окиси углерода, связанное с диссоциацией окисла NаО. Окись натрия диссоциирует на компоненты Nа, О₂, и О в результате чего доставляется кислород, необходимый для образования окиси углерода при его реакции с сажей:

О₂ + 2С = 2СО ; (4)

О + С = СО (5)

Использование поливинилацетатной эмульсии, состоящей из клея ПВА - 60%; метанола - 15% и воды - 25%, для приготовления пастообразователя вместо силикатной эмали делает способ цементации экологически безопасным.

Эффективность заявляемого способа цементации иллюстрируется примером.

Втулки диаметром 50 мм и толщиной 10 мм из стали 5ХГС предварительно обезжиренные уайт-спиритом покрывались слоем пасты, содержащей углекислый натрий Nа₂СО₃–20…30; бентонит–5…10; маршалит–10…20; сажу ДГ-100–остальное, разведенную до пастообразного состояния поливинилацетатной эмульсией (ПВА-60%; метанола-15% и воды-25%,). Расход поливинилацетатной эмульсии составляет 30…50% от массы порошкообразных компонентов. Толщина покрытия детали пастой 2,0 – 3,5 мм.

Покрытые пастой образцы высушивались при температуре 80-90^оС в течении 0,5-1,0 часа до образования твердого покрытия, затем детали упаковывали в герметизированный контейнер и заполняли нейтральным наполнителем, состоящим из 40% сажи, 50% кварцевого песка, 10% порошка мела для вытеснения воздуха. Подготовленный таким образом контейнер с образцами загружали в печь Ц-105, разогретую до температуры 920°С до 980°С и выдерживали в течение 6-8 часов. После цементации детали подвергали закалке и отпуску при температуре 200-550º С в течение 2 часов.

Следует отметить, что образцы (детали) с сухой цементующей обмазкой можно упаковывать вплотную друг к другу, что способствует небольшому расходу наполнителя и быстрому прогреву контейнера, таким образом снижается себестоимость технологического процесса термической обработки деталей.

Высокая износостойкость цементованных диффузионных слоёв на инструментальных сталях обусловлена наличием в этих слоях большого количества карбидов цементитного типа. Значительное повышение износостойкости наблюдается при содержании цементита в структуре более 50%.

Данный способ цементации деталей для повышения их износостойкости не представляет технологических трудностей и не требует использования дорогих или дефицитных материалов. Поэтому цементация деталей с использованием высокоактивной пасты может быть легко внедрена на любом машиностроительном предприятии, как в мелкосерийном и крупносерийном, так и ремонтном.. При этом предлагаемый способ отличается высокой производительностью, технологической широтой, экономичностью и экологической безопасностью.