СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ
METHOD FOR CHEMICAL-THERMAL TREATMENT OF FUEL EQUIPMENT PARTS

Изобретение относится к покрытиям металлических материалов и сплавов, и может быть использовано при производстве управляющих клапанов форсунок Common Rail.
Известен 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 - от 20 до 25, карбид бора - от 50 до 60, мелкодисперсный графит - от 10 до 14, бентонит - от 5 до 7, фторид натрия - от 3 до 5, проводят сушку на воздухе до получения твердой корки, затем осуществляют насыщение из обмазки при нагреве детали от 1050°С до 1150°С в течение (4-6) ч. Затем проводят низкий отпуск при температуре от 180°С до 200°С в течение 2 ч. (пат. RU 2345175, опубл. 27.01.2009. Бюл. №4).
К недостаткам известного решения относится длительность процесса.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков - прототипом предлагаемого изобретения - является способ борирования стальных деталей под давлением, включающий нагрев и выдержку контейнера с обрабатываемой деталью и борирующей шихтой, причем нагрев и выдержка осуществляют в контейнере под давлением от 600 МПа до 1200 МПа за счет газов, выделяющихся из нагреваемой шихты, а давление регулируется плавким затвором, изготовленным конструктивно в виде канала, заполненного смесью в количестве на (20-30)% больше объема реакционной зоны контейнера, которая плавится при температуре (800-1150)°С и соединяет внутренний объем контейнера с воздушной атмосферой, а далее в процессе остывания затвердевает, обеспечивая запирание контейнера и создание требуемого избыточного давления (пат. RU 2714267, опубл. 13.02.2020. Бюл. №5). По известному решению, насыщающий состав наносят на деталь через трафарет, саму деталь укладывают в контейнер на асбестовый лист, а вокруг детали насыпают кварцевый песок. Нагрев контейнера с деталью и выдержка составляют от 90 до 120 с.
К недостаткам известного решения относятся повышенные энергетические затраты, связанные с необходимостью длительной выдержки упрочняемой детали в печи при высоких температурах, повышенная ресурсоемкость вследствие большого расхода насыщающей среды. Кроме того, применение в процессе давлений от 600 МПа до 1200 МПа связано с дополнительными рисками и требует специальных мероприятий как для обеспечения безопасности персонала, так и для обеспечения целостности технологической оснастки и оборудования. Необходимость использования трафарета для нанесения насыщающей смеси на каждую деталь в условиях крупносерийного и массового производства может создавать существенные трудности.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение ресурсоемкости процесса, повышение безопасности и упрощение технологической оснастки за счет исключения из процесса давлений от 600 МПа до 1200 МПа и необходимости использования трафарета для подготовки деталей перед выполнением химико-термической обработки.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе химико-термической обработки деталей топливной аппаратуры, в тигель слоем от 15 до 25 мм насыпают порошковую борирующую шихту следующего состава: оксид алюминия - 20-25, карбид бора - 70-75, гексафтороалюминат натрия - 3-7. Обрабатываемые детали подвешивают в тигле на расстоянии от борирующей среды от 5 до 7 мм путем подвешивания. Тигель помещают в вакуумную печи. Создают в печи абсолютное давление от 5 до 20 Па и температуру от 1000°С до 1050°С. Насыщение проводят при выдержке в печи в течение от 1,0 до 1,5 ч. По окончании процесса печь охлаждают, снимают вакуумирование, тигель извлекают из печи и вынимают обработанные детали.
Повышение стойкости упрочненных деталей обеспечивается повышением коррозионной стойкости и снижением хрупкости вследствие формирования на поверхности упрочняемой детали сплошного слоя боридов толщиной 15-75 мкм в зависимости от химического состава стали. Изменение размеров упрочняемой детали составляет не более 1 мкм на слой, что позволяет производить упрочнение прецизионных, окончательно обработанных, деталей. Шероховатость поверхности детали после химико-термической обработки по предлагаемому способу не превышает Ra0,63 мкм. Поверхностная микротвердость боридного слоя достигает 3200 HV.
Снижение ресурсоемкости процесса упрочнения достигается за счет снижения расхода борирующей шихты. Проведение процесса насыщения в вакууме приводит к реализации процесса газового насыщения упрочняемой детали бором без окисления насыщающей среды и образующихся борирующих газов.
Пример осуществления способа
Предлагаемый в качестве настоящего изобретения способ химико-термической обработки деталей топливной аппаратуры применяли при изготовлении плунжерных пар деталей топливного насоса высокого давления системы Common Rail.
На дно тигля слоем 20 мм насыпали борирующую шихту, содержащую (в мас.%): оксид алюминия - 20-25, карбид бора - 70-75, гексафтороалюминат натрия - 3-7. На расстоянии 5-7 мм от поверхности борирующей шихты закрепляли обрабатываемые детали. Тигель располагали в вакуумной печи, которую затем вакуумировали до абсолютного давления от 5-20 Па и нагревали до температур от 1000°С до 1050°С с выдержкой в течение от 1,0 ч до 1,5 ч. По окончании выдержки печь охлаждали, снимали вакуум, тигель извлекали из печи, охлаждали до комнатной температуры и извлекали из него упрочненные детали.
Металлографическое исследование показало, что на поверхности детали образовался диффузионный слой боридов толщиной 15-75 мкм с микротвердостью 2800-3200 HV.
После окончания обработки установили в топливный насос высокого давления и провели стендовые испытания на безотказность.
В таблице приведены результаты испытаний топливных насосов высокого давления, укомплектованных деталями, обработанными по предлагаемому способу и по способу, предлагаемых в известных решениях, принятых за аналог и прототип.
Как следует из приведенных в таблице данных, при осуществлении способа, предлагаемого в качестве настоящего изобретения, стойкость деталей возросла в среднем в 1,77 раза.
Техническим результатом применения предлагаемого способа является повышение надежности компонентов топливной аппаратуры, повышение энергоэффективности производственного процесса и уменьшение его ресурсоемкости. Предлагаемый способ может быть применен на любом металлообрабатывающем предприятии, имеющем вакуумные термические печи.