СПОСОБ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
METHOD OF CARBONITRIDING PARTS MADE FROM STRUCTURAL AND TOOL STEELS

Изобретение относится к способам химико-термической обработки конструкционных и инструментальных сталей и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента в машиностроительной, металлургической, химической, инструментальной и других отраслях промышленности.
Известны способы упрочнения штамповых сталей методом цианирования. Цианирование проводят в расплавленных солях - жидкое цианирование, в газовых средах - газовое цианирование или нитроцементация и в твердых смесях. Твердое цианирование проводят в смеси, состоящей из 60-70% древесного угля и 30-40% желтой кровяной соли, интенсивная диссоциация которой протекает в твердом состоянии при 540-560°С (Штамповые стали / Позняк Л.А., Скрынеченко Ю.М., Тишаев С.И. - М.: Металлургия, 1980, с. 212-213).
Недостатки указанного способа состоят в том, что диффузионные слои обладают высокой микротвердостью и хрупкостью, при циклических ударных нагрузках они преждевременно выкрашиваются, что приводит к выходу из строя дорогостоящих штампов.
4
6
4
6
Известен способ нитроцементации деталей из штамповых сталей (патент № 2501884, МПК С23С 8/76), включающий приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия KFe(CN) и газовой сажи ДГ-100 при следующем соотношении компонентов, мас. %: железосинеродистый калий KFe(CN) - 20-30; нитроцеллюлозный лак НЦ222 - 15-20; остальное - газовая сажа ДГ-100, нанесение пасты и последующую нитроцементацию проводят при температуре 680°С в течение 3 часов, затем образцы охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 200°C в течение 2 часов. Этот способ взят нами в качестве прототипа.
Недостатки указанного способа состоят в том, что возникает необходимость использования дополнительной азото-углеродистой среды (газовой или твердой), вытесняющей воздух из рабочего пространства печи, что усложняет технологию нитроцементации и повышает ее трудоемкость.
Технической задачей изобретения является повышение скорости нитроцементации и снижение трудоемкости процесса, расширение температурного интервала, повышение равномерности нагрева деталей, повышение экологической безопасности.
4
6
4
6
3
2
3
Технический результат достигается тем, что в известном способе нитроцементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей, включающем приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия KFe(CN), газовой сажи ДГ-100, нанесение пасты на изделие, нагрев с выдержкой, охлаждение в масле и низкий отпуск, согласно изобретению при приготовлении пасты в нее дополнительно вводят карбонат бария, бентонит, маршалит и пастообразующую жидкость - поливинилацетатную эмульсию при следующем соотношении компонентов, мас. %: железосинеродистый калий KFe(CN) - 16...20, карбонат бария ВаСO - 14...18, бентонит - 12, маршалит - 24, газовая сажа ДГ-100 - остальное, пастообразующая жидкость, об. %: поливинилацетатная эмульсия - 50; этанол - 10; вода - 40, затем проводят нагрев в нейтральной соляной ванне при следующем соотношении компонентов, мас. %: NaCl - 50, NaCO - 50 при температуре 750...950°С с выдержкой при этой температуре в течение 1,0...6,0 часов, после чего образцы охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°С.
В качестве связующего вещества использовали бентонит, обладающий повышенной связывающей способностью и высокой сорбционной и каталитической активностью. Для бентонита свойственна невысокая прочность при повышенных температурах. Для устраненияэтого недостатка в его состав был введен маршалит. Маршалит - пылевидный кварц, огнеупорность которого составляет 1650-1710°С, что вполне достаточно для использования в нитроцементирующем покрытии, температура которого не превышает 1000°С.
В результате эксперимента установлено, что наилучшее удержание пасты в процессе нитроцементации наблюдается при соотношении бентонита, маршалита в связующей части покрытия 1:2.
4
6
3
Активность нитроцементирующего покрытия зависит от соотношения в нем активной части, т.е. азото- и углесодержащих компонентов: железосинеродистого калия (KFe(CN), карбоната бария ВаСО - 14...18, газовой сажи ДГ-100, и нейтральной части - бентонита и маршалита. Результаты проведенного эксперимента показали, что оптимальной активностью обладает покрытие, которое состоит  из ~60% активной части и ~40% связующей части. Нитроцементация стали с использованием такого покрытия обеспечивает высокую скорость и равномерность насыщения поверхностных слоев азотом и углеродом.
Использование поливинилацетатной эмульсии, этанола и воды для приготовления пастообразователя вместо нитроцеллюлозного лака НЦ-222, делает способ нитроцементации экологически безопасным.
При использовании соляных ванн для нагрева сталей с азотисто-углеродными покрытиями необходимо чтобы она обеспечивала нагрев в широком диапазоне температур от 170...1350°С. Для высокотемпературной нитроцементации температурный интервал составляет 750...950°С.
2
3
В качестве исходных компонентов такой ванны была принята смесь солей, содержащая хлористый натрий NaCl и углекислый натрий NaCO.
Эти компоненты в исходном состоянии доступны, дешевы, широко используются в производстве и не являются высокотоксичными веществами, требующими соблюдения специальных мер безопасности.
2
3
При данном соотношении солей, мас. %: NaCl - 50, NaCO- 50 композиция солей обеспечивает температуру перехода в жидкое состояние при 660°С, рабочую температуру 750...950°С, а начало кипения 1000°С.
Важным преимуществом этой соляной ванны является оптимальное сочетание жидкотекучести и испаряемости расплава, а также отсутствие взаимодействия с нитроцементирующим покрытием.
Отсутствие ядовитых компонентов и невысокая испаряемость не приводит к недопустимому загрязнению атмосферного воздуха и не требует устройства специальной вентиляции. Для этих ванн не требуется также и специальной утилизации солей, выносимых на поверхности деталей при обработке.
Содержание в азото-углеродистой пасте железосинеродистого калия в количестве, составляющем 16...20 мас. %, является оптимальным, так как при температуре 750°С железосинеродистый калий начинает диссоциировать с выделением атомов азота и углерода. Атомы азота и углерода поглощаются поверхностью стали и диффундируют в её глубину.
Содержание в пасте карбоната бария в количестве, составляющем 14...18 мас. %, является оптимальным, так как карбамид начинает разлагаться при температуре 750...950°С, с выделением большого количества азота, который поглощается поверхностью стали и диффундируют в её глубину.
Содержание в пасте газовой сажи ДГ-100 в заданном количестве является оптимальным, так как распад сажи позволяет насыщающие элементы активно поглощаться сталью, что обеспечивает высокую скорость насыщения при минимальном расходе цианизатора.
Способ осуществляют следующим образом.
4
6
3
Готовят пасту. Сухие компоненты, мас. %: железосинеродистый калий KFe(CN)-16...20, карбонат бария ВаСO- 14...18, бентонит - 12, маршалит - 4, газовая сажа ДГ-100 -остальное, пастообразующая жидкость, об. %: поливинилацетатная эмульсия - 50; этанол - 10; вода - 40.
2
3
Приготовленную пасту наносят на нитроцементируемые поверхности детали слоем от 0,5...2,0 мм и сушат при Т=80°С в течение 0,5 ч до образования твердого покрытия. Подготовленную таким образом деталь загружают в нейтральную соляную ванну при следующем соотношении компонентов, мас. %: NaCl - 50, NaCO - 50. Нагрев проводят при температуре 750...950°С, с выдержкой при этой температуре в течение 1,0...6 часов, затем образцы охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°С.
Сущность способа иллюстрируется примером.
В качестве упрочняемых деталей используют образцы (10x10x60 мм) из стали 30 ХГТ, предварительно очищенные уайт-спиртом. Пасту наносят на образцы слоем 0,5-2,0 мм и сушат при t=75...85°C в течение 0,5 часа до образования твердого покрытия. Затем образцы загружают в нейтральную соляную ванну и нагревают в течение 0,5-3 часов, после чего их охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 150...200°С.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить скорость нитроцементации и снизить трудоемкость процесса, расширить температурный интервал нитроцементации, повысить равномерность нагрева деталей, повысить экологическую безопасность.
Заявленный способ не требует значительных энергозатрат и дорогостоящего оборудования и может быть применен в любом производстве, как в серийном, так и ремонтном. Кроме того, данный способ позволяет избежать экологических проблем, т.к. карбюризатор в твердом покрытии и ванна для нагрева не имеет токсичных компонентов.