СПОСОБ АЛИТИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ
METHOD OF ALUMINIZING STEEL PARTS

Изобретение относится к области электрофизической и электрохимической обработки, в частности, к электроэрозионному легированию (ЭЭЛ) поверхностей стальных деталей алюминием (алитирование) и серой (сульфидирование) и может быть применено для обработки поверхностей термообработанных стальных деталей.
Известен способ сульфидирования, представляющий собой термохимический процесс обработки изделий, изготовленных из сплавов на основе железа, для обогащения поверхностных слоев серой. Эффект сульфидирования сводится к созданию на поверхности детали пленки сульфидов. Сульфиды повышают поверхностную активность металлов и сплавов, а также обеспечивают смачивание поверхностно активными веществами и улучшают сопротивление схватыванию. Сульфидная пленка, имеющая меньшую прочность, чем основной металл, легко разрушается при трении и отделяется от основания без пластического его деформирования, предотвращая схватывание поверхностей трения. Пленка сульфида железа (FeS) повышает износостойкость трущихся поверхностей и улучшает их прирабатываемость. Ферросульфидное покрытие обладает довольно высокой пористостью и впитывает большое количество смазки, сообщая материалу свойство самосмазывания [Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин /В.Д. Зозуля, Е.Л. Шведков, Д.Я. Ровинский, Э.Д. Браун; Отв. Ред. И.М. Федорченко. АН УССР. Ин-т проблем материаловедения. - 2-е изд., перераб. и доп. -Киев: Наук, думка, 1990. - с. 203.].
Известен способ алитирования [М.А. Елизаветин, Э.А. Сатель. Технологические способы повышения долговечности машин. М.: машиностроение, 1969. - 400 с], включающий нанесения алюминиевого слоя на стальную поверхность (обычно напылением), обмазку и отжиг.При этом особое внимание обращают на шероховатость алитируемой поверхности, причем окисные пленки, масло и пыль недопустимы. Распыл частиц алюминия должен быть крупным, что ускоряет диффузию алюминия в поверхностный слой металла при отжиге. Обмазку наносят на поверхность сплошным слоем в два-три приема и строго соблюдают режим термодиффузионной обработки, сохраняющей слой обмазки. После нанесения алюминиевого покрытия и обмазки проводят термодиффузионное насыщение поверхностного слоя: деталь подвергают отжигу. Начальная температура 600-650°С, затем ведется быстрый нагрев до 900-950°С с выдержкой 2,5-3,5 час, после чего деталь медленно охлаждают вместе с печью до температуры 500-550°С, а затем - на воздухе. Толщина наносимого покрытия расплавленным алюминием зависит от температуры эксплуатации детали: для температуры 700-800°С толщина покрытия составляет 0,2-0,3 мм, а для температуры 900-1000°С - 0,5-0,7 мм. После металлизации алюминием деталь покрывают 10-20% раствором хлористого алюминия, затем обмазывают жидким стеклом, посыпают кварцевым песком и просушивают при температуре 100°С. Просушенную деталь вновь обмазывают жидким стеклом и снова сушат.При температуре 600-700°С деталь загружают в печь и нагревают до температуры 1200-1250°С с выдержкой 14-40 мин, после чего медленно охлаждают сначала в печи до температуры 800°С, а затем на воздухе.
Алитированная малоуглеродистая сталь более жаростойкая, чем специальная жаростойкая сталь 4Х14Н14 В2М. Алитирование поверхности формы из Ст.З при отливке инструмента из быстрорежущей стали Р18 при температуре заливки 1480-1500°С показало, что такие формы выдерживают более ста отливок без видимых повреждений поверхностного алитированного слоя.
Наряду с положительными результатами вышеописанная технология имеет ряд недостатков:
- высокая себестоимость и трудоемкость процесса;
- необходимость контроля на всех этапах технологии;
- нагревание всей детали, и соответственно, структурные изменения металла;
- поводки и коробления;
- длительность процесса - более 8 часов;
- большой расход электроэнергии;
- отрицательное воздействие на экологию и др.
В [Химухин С.Н., Астапов И.А., Теслина М.А. [и др.] Формирование жаростойких покрытий методом электроискрового легирования с использованием интерметаллидных сплавов Ni-Al // Технические науки - от теории к практике: сб. ст. по матер. XV междунар. науч. - практ. конф. - Новосибирск: СибАК, 2012] исследовано влияние состава синтезированных Ni-Al сплавов на формирование покрытий, полученных методом электроискрового легирования, на нержавеющей стали 30X13. Изучен фазовый состав покрытий, приведены результаты металлографии и испытаний на жаростойкость. Показано, что наиболее эффективным для создания жаростойких покрытий является синтезированный сплав состава Ni-66,9% Аl-32,9%.
К недостаткам такой технологии относится необходимость в синтезе сплавов состава Ni-66,9% Al-32,9%. Сплавы, отличающиеся другим составом, не приводят к положительным результатам. Кроме того, процесс ЭИЛ следует проводить в защитной среде аргона, что требует дополнительных затрат на изготовление специальной оснастки.
3
2
3
В соответствии с работой [С.А. Пячин, А. А. Бурков, В. С. Комарова. Формирование и исследование электроискровых покрытий на основе алюминидов титана. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2013, №6, с. 16-24], электроискровым осаждением титана на алюминий и алюминия на титан созданы покрытия, содержащие интерметаллиды Ti-Al. Применяя методы электронной микроскопии, рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов, изучены структура и состав покрытий. Установлено, что независимо от длительности и частоты разрядных импульсов формируемый в аргоне поверхностный слой, в основном, содержит интерметаллид α -TiAl. Фазы γ-TiAl и α - TiAl могут быть получены при осаждении алюминия на титан с последующим нанесением второго слоя титана. При формировании электроискровых покрытий в воздухе дополнительно образуются оксид алюминия и нитрид титана. Данная технология также выполняется в защитной среде, например, аргона и применяется только для деталей из титана.
Опыт формирования алюминиевых покрытий на стальных подложках включает использование технологии ЭЭЛ (то же, что и ЭИЛ), основанной на переносе металлов с анода на катод при многократно повторяющемся воздействии электрических разрядов. В сравнении с другими, указанная технология обладает некоторыми преимуществами. К ним относятся: простота осуществления технологической операции осаждения металлов в газовой среде при атмосферном давлении, формирование однородного по составу поверхностного слоя за счет перемешивания в расплавленном состоянии материалов, применяемых в качестве электродов, и высокая адгезия покрытия к подложке.
Известен способ сульфоцементации электроэрозионным легированием графитовым электродом стальной поверхности изделия, при котором непосредственно перед легированием графитовым электродом на стальную поверхность наносят консистентное вещество, содержащее серу [UA 119318 U, В23Н 1/00, В23Н 9/00, С23С 8/60, 2017].
Основными недостатком данного способа сульфоцементации является: невозможность обеспечения защиты детали от окисления при высоких температурах (700 - 900°С и выше), равно как и от атмосферной коррозии и морской воды.
p
p
2
Наиболее близким к заявляемому способу является способ алитирования стальных деталей электроэрозионным легированием (ЭЭЛ) алюминиевым электродом при энергии разряда W=0,52 - 6,8 Дж и производительности 1,0 - 3,0 см/мин. Способ обеспечивает, формирование так называемого белого (алитированного) слоя толщиной, соответственно, 70 - 130 мкм, микротвердостью 5000 - 7500 МПа, шероховатостью (Ra) 6-9 мкм и сплошностью 95 - 100%. [Патентна корисну модель UA 119316 U МПК (2017.01) С23С 10/48 (2006.01) В23Н 9/00. Cпociб обробки поверхонь сталевих деталей/ Тарельник В.Б. Марцинковський B.C. Бшоус А.В. Гапонова О.П. Коноплянченко В. Антошевський Б. Кундера Ч. Жуков О.М. - №u201701845; заявл. 27.02.2017; опубл. 25.09.2017. - Бюл. №18/2017] (Прототип). Следует отметить, что при данном способе обработки максимальная толщина алитированного слоя получена при наибольшей энергии разряда W=6,8 Дж и равна 70 и 130 мкм, соответственно, на подложках из стали 20 и 40, что не всегда достаточно для защиты от разрушения поверхностей стальных деталей, подвергаемых воздействию высоких температур. Кроме того, при сухом (без смазки) контакте алитированной таким способом поверхности детали возможно схватывание, заедание, микросваривание и вырыв отдельных участков поверхности [UA 119316 U, С23С 10/48, В23Н 9/00, 2017].
В основу изобретения поставлена задача создания способа алитирования стальных деталей, который повысил бы их твердость, износостойкость, предотвратил бы схватывание при трении и улучшил бы сопротивление атмосферной коррозии.
Поставленную задачу решают тем, что в способе алитирования стальной детали, включающий электроэрозионное легирование поверхности стальной детали алюминиевым электродом при энергии разряда Wp=0,52-6,8 Дж и производительности 1,0-3,0 см2/мин, согласно изобретению, перед электроэрозионным легированием на поверхность детали, подлежащую алитированию, наносят серную мазь, содержащую 33,3% серы и добавленную алюминиевую пудру, после чего, не дожидаясь высыхания нанесенной мази, проводят процесс алитирования.
В способе наносят серную мазь с содержанием алюминиевой пудры не более 56%.
Заявляемый способ повышает твердость деталей, их износостойкость, предотвращает схватывание при трении и улучшает сопротивление атмосферной коррозии.
2
3
Алитированная сталь приобретает высокую окалиностойкость (до 850-900°С), так как во время нагревания на поверхности алитированных деталей образуется плотная пленка окиси алюминия АlО, защищающая металл от окисления. Твердость алитированного слоя на поверхности составляет до 500 HV, при этом обеспечивается износостойкость, высокий показатель которой не может быть обеспечен способомпрототипа.
Наличие в консистентном веществе серы способствует процессу сульфидирования. В способе одновременно осуществляют алитирование и сульфидирование, т.е. процесс сульфоалитирования.
Изобретение поясняется примером конкретного выполнения способа со ссылками на иллюстративный материал, где:
на Фиг. 1 представлена микроструктура поверхностного слоя;
на Фиг. 2 показано распределение микротвердости в поверхностном слое;
на Фиг. 3 показана профилограмма поверхностного слоя образца из стали 20.
Пример конкретного выполнения способа.
С целью определения влияния энергетических параметров оборудования ЭЭЛ на качественные параметры покрытий изготавливали образцы из стали 20 и 40 размером 15×15×8 мм, на которые наносили консистентное вещество в виде серной мази с содержанием серы 33,3%. Перед нанесением в серную мазь добавляли алюминиевую пудру марки ПАД-0 (ГОСТ 5494-95). Максимальное количество пудры составляло 56%. Дальнейшее увеличение количества пудры приводило к снижению адгезии с поверхностью, подлежащей алитированию. После этого, не дожидаясь высыхания консистентного вещества, производили ЭЭЛ алюминиевым электродом на установке модели «Элитрон - 52А» с применением различных режимов. Причем каждому режиму ЭЭЛ соответствовала своя энергия разряда и производительность - площадь сформированного покрытия в единицу времени (Таблица 1).
Следует отметить, что снижение производительности ЭЭЛ влечет за собой снижение качественных параметров поверхностного слоя, то есть, появление прижогов, а главное, разрушение сформированного слоя, что особенно сказывается на более «грубых» режимах при энергии разряда Wp>l Дж. Увеличение производительности приводит к снижению сплошности покрытия. В качестве электрода-инструмента использовали стержни 0 4 и длиной 45 мм из алюминиевой проволоки марки СвА99 (ГОСТ 7871-75).
Металлографический анализ покрытий выполняли с помощью оптического микроскопа МИМ-7, дюраметрические исследования проводили на приборе ПМТ-3.
Шероховатость поверхности после ЭЭЛ определяли с применением прибора профилографа - профилометра мод. 201 завода «Калибр» путем снятия и обработки профилограмм.
Для исследования распределения серы по глубине слоя проводился локальный микрорентгеноспектральный анализ, основанный на регистрации характеристического рентгеновского излучения, возбужденного электронным пучком присутствующих в микрообъеме химических элементов. Для этого использовался оснащенный рентгеноспектральным микроанализатором электронный микроскоп ISIS 300 Oxford Instruments.
По результатам исследования на Фиг.1 показана микроструктура поверхностного слоя, сформированного ЭЭЛ алюминиевым электродом с энергией разряда Wp=6,8 Дж на образце из стали 20, покрытом консистентным веществом, содержащим 33,3% серы и 56% алюминиевой пудры. На Фиг.2 показано распределение микротвердости по мере углубления от поверхности.
Характерной особенностью структуры является массивный белый слой, толщина которого на отдельных участках составляет от 160 до 200 мкм (Фиг.1). Микротвердость на поверхности составляет порядка 5000 МПа. По мере углубления микротвердость плавно снижается и на глубине 170 мкм переходит в микротвердость основы (1700 МПа).
На Фиг. 3 представлена профилограмма участка сульфоалитированной поверхности образца стали 20 при ЭЭЛ алюминиевым электродом с энергией разряда Wp=6,8 Дж.
Таким образом, в результате исследований поверхностного слоя образца стали 20 после сульфоалитирования установлено, что сплошность покрытия составляет 100%, толщина слоя доходит до 200 мкм, а микротвердость - до 5000 МПа.
В Таблице 2 приведены качественные параметры поверхностных слоев стали 20 и стали 40 при сульфоалитировании методом ЭЭЛ с энергией разряда 0,52; 2,60 и 6,80 Дж.
Наличие в консистентном веществе серы способствует процессу сульфидирования.
В табл. 3 представлено изменение содержания серы по мере углубления от поверхности при сульфоалитировании стали 20 методом ЭЭЛ с энергией разряда 6,80 Дж.