СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СТАЛЬНЫХ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ
STRENGTHENING METHOD OF STEEL PISTON RING SURFACES

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для упрочнения поверхностей стальных поршневых колец, а также иных деталей машин, режущего и штампового инструмента.
2
Известен способ упрочнения поверхностей стальных изделий, включающий одновременные карбонитрирование и сульфидирование, то есть сульфокарбонитрирование, путем добавления в ванну для карбонитрирования сульфида калия (KS). При этом на поверхностях деталей образуются сульфиды железа. Для того чтобы сульфокарбонитрированный слой был не очень пористый, рекомендуется снижение содержания активной серы до 0,001% (Р.Чаттерджи Фишер. Азотирование и карбонитрирование. - М.: Металлургия, 1986. - С.200-203).
К недостаткам способа следует отнести пониженную износостойкость стальных изделий вследствие необходимости последующей обработки возникшего на поверхности изделия рельефа: так, для выравнивания неравномерно осажденного сульфидного слоя прибегают к зачистке всей поверхности щетками, что частично уменьшает повышенную шероховатость поверхности, но отрицательно сказывается на износостойкости (Таблица, №1); необходимость постоянного восполнения активной серы в ванне для уменьшения пористости сульфокарбонитрированного слоя.
Известен способ газового диффузионного упрочнения поверхностей стальных изделий путем проведения двухстадийного газового режима при сульфоазотировании. На первой стадии проводят только азотирование при температуре 550°С в течение 4 часов, а на второй стадии процесса добавляют сероводород. Способ позволяет понизить хрупкость ε-фазы азотированного слоя для предотвращения сколов и выкрашиваний поверхностей стальных изделий при эксплуатации (патент PL 28149; заявл. 17.11.80, №227920; опубл. 24.05.82. МКИ С23С 11/00).
Основным недостатком описанного способа является то, что, даже имея пониженную хрупкость, азотированный слой значительно уступает карбонитрированному слою по прирабатываемости изделий и износостойкости (Прокошкин Д.А. Химико-термическая обработка металлов - карбонитрация. / Д.А.Прокошкин. - М.: Металлургия, 1984. - С.13-14).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ комплексного упрочнения поверхностей изделий из быстрорежущих сталей, содержащих более 3% ванадия, включающий карбонитрацию поверхности в тлеющем разряде и последующее нанесение покрытия нитрида титана послойно при плавном повышении давления. Первые три слоя формируют толщиной по 0,5 мкм, а последний рабочий слой - толщиной 5-6 мкм (патент РФ 2015199, МПК 5 С23С 8/36. Заявл. 1991.04.01; опубл. 1994.06.30).
Недостатками известного технического решения являются низкая прирабатываемость изделий, то есть отсутствие задиров и схватывания трущихся поверхностей, после такого упрочнения, в частности, поршневых колец, из-за высокой твердости покрытия нитрида титана, пониженные износостойкости и эксплуатационная стойкость этих изделий (Таблица, №2).
Задачей изобретения является улучшение прирабатываемости, повышение износостойкости и эксплуатационной стойкости поршневых колец после упрочнения (Таблица, №3).
Поставленная задача решается тем, что в способе упрочнения поверхностей стальных поршневых колец, включающем карбонитрацию и нанесение покрытия нитрида титана, согласно изобретению карбонитрацию ведут при разложении карбамида в течение 1 часа в интервале температур 540-580°С в расплаве солей или в газовой среде, а нанесение покрытия нитрида титана осуществляют путем ионной имплантации нитрида титана, после чего производят сульфидирование в электролитной плазме.
В интересах улучшения эксплуатационной надежности материалы поршневых колец во многих случаях обрабатывают для повышения износостойкости. Однако с увеличением износостойкости ухудшаются некоторые характеристики износа, а прежде всего - прирабатываемость (Плетнев Д.В., Бруснецова В.Н. Основы технологии износостойких и антифрикционных покрытий. / Д.В.Плетнев, В.Н.Бруснецова. - М.: Машиностроение, 1968. - С.87-89).
Применение карбонитрации для обработки деталей обеспечивает повышение усталостной прочности на 50-80%, резкое повышение сопротивления износу по сравнению с цементацией, нитроцементацией, азотированием. Полученные на поверхности нитридные фазы даже при отсутствии смазки не проявляют склонности к схватыванию (Прокошкин Д.А. Химико-термическая обработка металлов - карбонитрация. / Д.А.Прокошкин. - М.: Металлургия, 1984. - С.14).
Хорошая прирабатываемость, то есть отсутствие задира и схватывания трущихся поверхностей, но и низкая износостойкость обеспечиваются сульфидированием. Сочетание прирабатываемости и износостойкости достигается при образовании упрочненного слоя в результате одновременной диффузии в метал серы и малоатомных неметаллов - углерода и азота (Химико-термическая обработка металлов и сплавов: справочник. - М.: Металлургия, 1981. - С.266-273).
Осуществление карбонитрации в течение 1 часа в интервале температур 540-580°С является оптимальным, так как при температуре карбонитрации ниже 540°С снижается скорость диффузии и, соответственно, глубина проникновения азота, а при температуре карбонитрации выше 580°С непосредственно под слоем соединений образуется слой аустенита с низкой твердостью (Р.Чаттерджи Фишер. Азотирование и карбонитрирование. М.: Металлургия, 1986. - С.173-174). Так, после карбонитрации стали 38ХМЮА в течение 1 часа при 525°С твердость составляет 700 HV, глубина слоя 0,8 мкм; при 550°С - 1100HV, глубина слоя 0,15 мкм; при 600°С твердость снижается до 800 HV с увеличением глубины слоя до 0,2 мкм (Химико-термическая обработка металлов и сплавов: справочник. / Ред. Л.С.Лехович. - М.: Металлургия, 1981. - С.53), потому что диффузия в слое - фазе идет по параболическому закону. Кроме того, увеличение длительности карбонитрации более одного часа не приводит к повышению твердости при некотором увеличении глубины слоя.
3
3
3
3
Обработка стали в расплаве дает на поверхности слой, имеющий гексагональную структуру, присущую нитриду железа FeN и карбиду железа FeC - карбонитридная фаза Fe(N, C). Размеры слоя - фазы Fe(N, C) зависят от температуры процесса и длительности насыщения.
Предложенное изобретение поясняется таблицей, в которой представлены механические и эксплуатационные свойства стальных маслосъемных поршневых колец после поверхностного упрочнения в соответствии с предложенным способом, со способами, выбранными в качестве аналога и прототипа, и со стандартным способом электролитического хромирования.
Способ упрочнения поверхностей стальных поршневых колец осуществляется следующим образом.
В качестве стальных поршневых колец используют стальные маслосъемные поршневые кольца из стали 20X13. Сначала ведут карбонитрацию стальных маслосъемных поршневых колец при разложении карбамида в расплаве солей или в газовой среде в интервале температур 540-580°С в течение 1 часа. Глубина карбонитридного слоя составляет 12-15 мкм при твердости 1158-1513 HV.
Для устранения коробления маслосъемного поршневого кольца вследствие температурного воздействия при карбонитрации, а также диффузионного насыщения поверхности углеродом и азотом затем осуществляют алмазную притирку в гильзе со снятием карбонитридного слоя 3-6 мкм.
i
Последующее нанесение покрытия нитрида титана осуществляют путем ионной имплантации нитридов титана TN на поверхность стальных поршневых колец ионной бомбардировкой с использованием ионных ускорителей для упрочнения поверхности и повышения износостойкости. Достоинство ионной имплантации обусловлено весьма низкими температурами процесса, высокой твердостью нитрида титана, отсутствием коробления изделий, что весьма важно для ажурных маслосъемных поршневых колец, и необходимостью в доводочных операциях механической обработкой.
2
2
3
4
2
4
2
После этого для улучшения прирабатываемости поршневых колец и повышения адгезии покрытия к основе выполняют сульфидирование в электролитной плазме, при котором каждое поршневое кольцо подключается к отрицательному полюсу источника постоянного тока и погружается в ванну с водным раствором проточного электролита (10-15% NaSO+14-16% (NH)SO), подключенному к положительному источнику тока. При подаче напряжения порядка 100-160 В формируется плазменная оболочка, обеспечивающая образование активных ионов серы и ускоренную их диффузию в глубь обрабатываемого металла. Время обработки составляет 20-40 с, что увеличивает адгезию покрытия к основе. Короткое время обработки при сульфидировании объясняется действиями разряда электролитной плазмы, образованием сверхравновесной концентрации, ионов высоких энергий, активно взаимодействующих с поверхностью (авторское свидетельство 931801, МПК С23С 9/10). В результате образуется пористый слой FeS толщиной 8-10 мкм и твердостью 915-1158 HV.
Проводили сравнительные испытания на износостойкость стальных маслосъемных поршневых колец после поверхностного упрочнения различными способами: предложенным, выбранными в качестве аналога и прототипа, а также электролитического хромирования (Таблица, №№1-4).
Как следует из таблицы, износостойкость стальных поршневых колец после поверхностного упрочнения предложенным способом в 1,5 раза превышает соответствующий показатель после поверхностного упрочнения стальных поршневых колец посредством способа, выбранного в качестве прототипа, в 2 раза - аналога и в 3 раза - способа стандартного электролитического хромирования.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет упрочнить поверхности стальных поршневых колец, что позволяет улучшить их прирабатываемость, повысить износостойкость и эксплуатационную стойкость.
Механические и эксплуатационные свойства стальных маслосъемных поршневых колец после поверхностного упрочнения в соответствии с предложенным способом, со способами, выбранными в качестве аналога и прототипа, и со стандартным способом электролитического хромирования
№ п/п
Способ упрочнения
Микротвердость, HV
Эксплуатационная стойкость, определяемая толщиной упрочненного слоя, мкм
Износостойкость, определяемая потерей массы за 12 часов, мг
1
Сульфокарбонитрирование (аналог)
1158-1513
12-15
23
2
Карбонитрация и нанесение покрытия нитрида титана T<sub>i</sub>N (прототип)
1158-1513
5-7
18
3
Карбонитрация, нанесение покрытия нитрида титана T<sub>i</sub>N и сульфидирование в электролитной плазме
915-1158
8-10
12
4
Электролитическое хромирование (стандартный способ)
940-1088
30-40
35