СОСТАВ КОМПАУНДА ДЛЯ АЗОТИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
COMPOUND COMPOSITION FOR NITRIDING PARTS FROM ALLOYED STEELS

Изобретение относится к области получения материалов, в частности, к составу термореактивного эпоксидного компаунда для нанесения покрытия на деталь при осуществления химико-термической обработки легированных сталей, работающих в условиях повышенного износа, где необходима высокая поверхностная твердость деталей.
Известен способ азотирования (А.С. №945245 заявл. 17.09.1980 г., опубл. 23.07.1982 г. бюл. №27) где перед нагревом на детали наносят покрытие толщиной 3-30 мкм В качестве покрытий используют сажу, хром, медь или алюминий.
Недостатками указанного способа являются неравномерное и невысокое упрочнение поверхности, а также низкая производительность труда. Покрытия наносят способом гальванотехники или вакуумного напыления. Способ сводится к обработке деталей в камере аммиаком в течение длительного времени (иногда более суток), что малоэффективно, т.к. упрочнение стальных поверхностей азотом происходит за счет образования нитридов при воздействии только атомарного азота, который выделяется при диссоциации аммиака в незначительных количествах и накапливается в течение длительного времени.
Известен состав порошковой шихты для шликерных покрытий, содержащий кремний, борид циркония с приготовлением шликера на органическом связующем (патент RU №2471751 от 10.01.2013 г.). Однако данный состав также не позволяет использовать его при азотировании путем нанесения шликерных покрытий.
Известен способ азотирования деталей из конструкционных легированных сталей, включающий нагрев в печи детали до температуры 540-650°С, изотермическую выдержку при температуре нагрева. Предварительно на поверхность детали наносят наноразмерную медную пленку толщиной 150-200 нм., чем обеспечивается увеличение до заданного значения толщины монолитной зоны металлокерамик в диффузионном азотированном слое, получаемом на поверхности деталей из конструкционных легированных сталей без увеличения длительности процесса азотирования и без снижения его твердости (см. патент РФ №2614292, МПК С23С 28/04, опубл. 2017 г.).
Недостатками данного способа являются сложность нанесения гальваническим способом наноразмерной медной пленки (менее 500 нм) на детали из нержавеющих сталей (высоколегированных), применение токсичного аммиака, низкая производительность труда.
2
3
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является принятый в качестве прототипа (см. патент РФ №2692006, МПК С23С 8/26, опубл. 2019 г.). способ циклического газового азотирования деталей из высоколегированных сталей включает, нагрев в печи до температуры 540-650°С, изотермическую выдержку при температуре нагрева и последующее охлаждение вместе с печью в атмосфере аммиака. Предварительно на поверхность деталей методом окунания наносят шликерное покрытие, состоящее из порошка оксида хрома CrO и связующего - раствора целлулоида в смеси ацетона и уксусной кислоты.
Недостатками указанного способа являются применение токсичного аммиака, низкая производительность труда.
Целью заявляемого изобретения является разработка состава термореактивного эпоксидного компаунда для безопасного и эффективного процесса азотирования изделий из легированных сталей, работающих в условиях повышенного износа, где необходима высокая поверхностная твердость изделий, путем создания поверхностного слоя, содержащего нитриды металлов с использованием стандартного заводского оборудования и серийно выпускаемых промышленных материалов - алюминиевой пудры, азотосодержащих эпоксидных смол и отвердителей.
Поставленная цель достигается тем, что состав термореактивного эпоксидного компаунда состоит из азотосодержащей эпоксидной смолы (А), аминного или амидного или амино-амидного отвердителя (Б) и наполнителя - алюминиевой пудры (В) - в соотношении (мас. ч.) А : Б от 100:5 до 100:80 и (А+Б) : В от 100:80 до 100:400.
Предлагаемый состав обладает сильной адгезией к сталям и наносится на обезжиренную стальную деталь кистью и/или одно-, двухсопловым краскопультом. В зависимости от вида эпоксидной смолы и отвердителя нанесенный состав отверждается в сушильном шкафу (при температуре от 30°С до 160°С) за короткий промежуток времени (от 3 до 180 минут), превращаясь в твердое высокопрочное покрытие. После чего стальная деталь с отвержденным покрытием подвергается термообработке при температуре от 500°С до 1000°С в течение от 20 до 80 минут), в результате чего покрытие быстро деструктурирует, образуя в среде расплава алюминия атомарный азот с примесью атомарного углерода, который является катализатором образования нитридов металлов. В результате этого процесса образуется нитрид алюминия при температуре 600÷800°C (без катализатора - при температуре 1000°С) имеющий величину микротвердости 12 ГПа и температуру плавления 2000°С, уступая по этим параметрам нитридам других металлов, но значительно превосходя легированные стали. Затем охлажденную деталь обрабатывают раствором соляной кислоты для удаления непрореагировавшего алюминия.
Пример 1
2
В реактор с быстроходной мешалкой загружают жидкую эпоксианилиновую смолу (А) марки ЭА (ТУ 2225-606-11131395-2003), содержащую 34% эпоксидных групп, в количестве 100 мас. ч., а затем добавляют 40 мас. ч. отвердителя (Б) - пара-аминобензиламина (опытно-промышленный продукт) и 240 мас. ч. алюминиевой пудры (В). Смесь перемешивают при 30°С в течение 5 мин, а затем полученный компаунд выгружают в промежуточную емкость, из которой кистью или краскопультом наносят на стальную деталь, выдерживают ее при температуре окружающей среды в течение 60 мин до нарастания вязкости и термообрабатывают при 90°С в течение 90 мин. Получаемое покрытие устойчиво к случайным ударам (удельная ударная вязкость не менее 25 кДж/м, прочность при сжатии 200 МПа). Далее деталь с покрытием помещают в тигельную печь и термообрабатывают при 750°С в течение 30 мин. В это время происходит полная деструкция эпоксидного компаунда с выделением атомарного углерода и азота, который активно поглощается расплавленным алюминием с образованием на поверхности стальной детали нитрида алюминия. Одновременно на поверхности происходят побочные реакции образования нитридов и карбидов легирующих металлов за счет реакции последних с активными атомарными азотом и углеродом, которые также способствуют повышению поверхностной твердости стального изделия. Охлажденную деталь обрабатывают 20%-й соляной кислотой для удаления следов непрореагировавшего алюминия.
Примеры 2÷5 осуществляют аналогично примеру 1 с изменением отдельных параметров.
Пример 2
Осуществляют аналогично примеру 1, но в качестве аминосодержащей эпоксидной смолы (А) применяют смолу УП-610 (триглицидилпарааминофенол, ТУ 2225-606-11131395-2003) с жидкой эвтектической смесью МФДА (мета-фенилендиамин, ГОСТ 5826-78) с 4,4'-ДАДФМ (4,4'-диаминодифенилметан, CAS 101-77-9) (Б) в соотношении А : Б = 100:80.
Пример 3
Осуществляют аналогично примеру 1, но в качестве эпоксидной смолы используют триглицидилизоцианурат марки ЭЦН (ТУ 6-05-1190-76), а в качестве отвердителя - 2-метилимидазол (CAS 693-98-1) в соотношении А : Б = 100:5 при соотношении (А+Б) : В (алюминиевая пудра) = 100:160.
Пример 4
Осуществляют аналогично примеру 1 с использованием смолы ЭА, но в качестве отвердителя применяют аминоалкилимидазол марки И-5-М (ТУ 6-21-11-03-113-93) в соотношении А : Б = 100:80, (А+Б) : В = 100:400 и температуру термообработки 500°С в течение 60 мин.
Пример 5
Осуществляют аналогично примеру 1, но в качестве азотосодержащей эпоксидной смолы применяют тетраглицидил 3,3'-дихлор-4,4'-диаминодифенилметан марки ЭХД (ТУ 2225-512-00203521-98) (А) и отвердитель И-5-М (ТУ 6-21-11-03-113-93) (Б) в соотношении А : Б = 100:80, отверждают при 36°С в течение 80 мин, а термообрабатывают при 1000°С в течение 20 мин.