Способ цементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей в цементуемой пасте
METHOD OF CEMENTING PARTS FROM STRUCTURAL AND TOOL STEELS IN CEMENTED PASTE

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. Это техническое решение выбрано  в качестве прототипа.
Недостатки состоят в том, что возникает необходимость повышения связывающей способности обмазки,  использования дополнительной 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.
3
3
Технический результат достигается тем,  что на поверхность детали наносят пасту, которая содержит углекислый барий ВаСО, бентонит, маршалит,  аморфный углерод (сажа ДГ-100) при следующем соотношении компонентов, масс. %: углекислый барий ВаСО–20…30; бентонит–5…10; маршалит–10…20; газовая сажа ДГ-100-остальное, а в качестве пастообразователя используют декстриновый клей, приготовленный из следующих компонентов (%): жёлтый декстрин – 60…65; вода – 30; глицерин (пластификатор) – 5…10, бура– 5…10, затем  нагревают при температуре 920…980°С  в течение 4-6 часов, затем подвергают закалке и низкому отпуску при температуре 150-200º 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 декстриновым клеем до образования густой пасты. Приготовленную пасту необходимо использовать в течение часа.
Приготовленную пасту наносят на деталь очищенную от загрязнений. Поэтому можно наносить либо погружением детали в сосуд с пастой (детали небольших размеров), либо кистью на упрочняемые поверхности крупногабаритных деталей. Слой пасты на поверхностях деталей должен составлять 1,5…2 мм.
о
Детали с нанесённой на их поверхности пастой высушивают при температуре 80С в течение 15…30 мин. 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 цементации детали с сухим покрытием загружают в печь с герметичной ретортой (типа Ц, США и др.) при  температуре 920…980°С   и выдерживают в течение 4-6 часов, затем подвергают закалке и низкому отпуску при температуре 150-200º 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 последнем случае изделия можно упаковывать вплотную друг к другу, что экономит пространство в ящике и ручной труд.
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 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.  В результате эксперимента установлено, что наилучшее удержание пасты в процессе нитроцементации наблюдается при соотношении бентонита и маршалита в связующей части покрытия 1:2.
3
Активность цементирующего покрытия зависит от соотношения в нем активной части, т.е.  углесодержащих компонентов: углекислого бария ВаСО, газовой сажи ДГ-100 (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  газовой сажи ДГ–100 в заданном количестве, является оптимальным, так как распад сажи позволяет насыщающие элементы активно поглощаются сталью, что обеспечивает высокую скорость насыщения при минимальном расходе компонента, а в поверхностном слое образуется корка с зёрнами цементита, что повышает износостойкость образцов.
Декстриновый клей, входящий в состав пастообразного карбюризатора, в процессе нагрева изделия частично испаряется (глицерин), частично выгорает, образуя микроканалы в смеси, в результате чего покрытие превращается в «губчатую» массу, в которой относительно легко могут циркулировать газы, участвующие в процессе науглероживания. Использование декстринового клея для приготовления пастообразователя делает способ нитроцементации экологически безопасным.
Эффективность заявляемого способа цементации иллюстрируется примером.
3
Втулки диаметром 50 мм и толщиной 10 мм из стали 5Х2МНФ предварительно обезжиренные уайт-спиритом покрывались слоем пасты, содержащей углекислый барий ВаСО–20…30; бентонит–5…10; маршалит–10…20; газовая сажа ДГ-100-остальное,  разведенную декстриновым клеям. Толщина слоя пасты 1,5 – 2,0 мм.
о
Образцы высушивались при температуре 80С в течение 0,5 часа до образования твердого покрытия , затем детали  упаковывали в герметизированный контейнер (как при твёрдой цементации) с нейтральным наполнителем, состоящим из 40% сажи, 50% кварцевого песка, 10% порошка мела  для вытеснения воздуха. Контейнер с образцами загружали в печь Ц-105, разогретую до температуры 920°С  и выдерживали в течение 6 часов. После цементации детали  подвергали  закалке и низкому отпуску при температуре 150-200º 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, т.е. удешевляет процесс упрочняющей обработки.
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.