СОСТАВ ДЛЯ ХРОМОВАНАДИРОВАНИЯ ИНСТРУМЕНТА ИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
COMPOSITION FOR CHROM AND VANADIUM TREATMENT OF CARBON STEEL TOOL

Изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке металлов и сплавов, в частности к составам для создания на поверхности инструментов из углеродистых сталей износостойких диффузионных карбидных слоев, и может быть использовано в машиностроительной и других отраслях промышленности.
Известен состав для ванадирования, содержащий следующие компоненты, вес. %:
Феррованадий
60
Каолин
37
Хлористый аммоний
3
Процесс ванадирования в известном составе осуществляли при температуре 1150°С в течение 2,5 ч (см. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. М., Машиностроение, 1965, с. 303).
2
Недостатком известного состава является сравнительно невысокая износостойкость формирующихся карбидных слоев из-за наличия в них карбида ванадия VC пониженной твердости.
2
3
2
3
2
5
4
4
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является состав для комплексного насыщения хромом и ванадием сталей, содержащий, мас. %: 98 [50 AlO + 35 (15 CrO+ 85 VO) + 15 Al] + 2 NHCl. Насыщающая смесь получена методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем восстановления оксидов металлов. Предварительно восстановленную смесь размалывали и просеивали. После добавления в нее активатора (2% NHCl) смесь считалась готовой к употреблению. Процесс диффузионной обработки стальных образцов в указанном составе осуществляли при температуре 1100°С в течение 6 ч в контейнерах с плавким затвором (см. Шматов А.А. Моделирование процесса формирования карбидного слоя при диффузионном хромованадировании стали У8 / Вестник Полоцкого государственного университета №11, 2011, с. 113-123).
2
Недостатками известного состава является необходимость предварительного восстановления насыщающей смеси, что приводит к увеличению трудоемкости процесса, а также недостаточное повышение износостойкости диффузионного слоя, обусловленное формированием карбида ванадия VC пониженной твердости.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка состава для хромованадирования инструмента из углеродистых сталей с повышенной износостойкостью ванадированного диффузионного слоя путем его легирования хромом.
Технический результат заключается в увеличении износостойкости диффузионного слоя, а также интенсификации процесса приготовления смеси за счет исключения предварительного восстановления.
Технический результат достигается тем, что состав для хромованадирования инструмента из углеродистых сталей, включающий ванадийсодержащее вещество, хромсодержащее вещество, оксид алюминия, хлористый аммоний, отличающийся тем, что в качестве ванадийсодержащего вещества содержит феррованадий, в качестве хромсодержащего вещества содержит феррохром, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Феррованадий
37-39
Феррохром
11-13
Хлористый аммоний
4-5
Оксид алюминия
Остальное
Отличительной особенностью заявляемого состава для хромованадирования инструмента из углеродистых сталей от прототипа является качественный и количественный состав, использование в качестве ванадийсодержащего вещества феррованадия, в качестве хромсодержащего вещества - феррохрома.
В ходе экспериментов установлено, что введение в состав в качестве ванадийсодержащего вещества феррованадия в количестве 37-39 мас. % позволяет получить активные атомы ванадия и обеспечивает формирование диффузионного слоя на основе карбида ванадия VC. Данный тип карбида обусловливает повышение износостойкости диффузионного слоя. Объясняется это тем, что карбид VC имеет высокую микротвердость (26 ГПа).
2
7
3
Количество феррованадия 37-39 мас. % установлено опытным путем. При содержании феррованадия более 39 мас. % формируется диффузионный слой, содержащий карбид ванадия состава VC пониженной микротвердости (18 ГПа), что приводит к снижению уровня износостойкости. При содержании феррованадия менее 37 мас. % формируется диффузионный слой, содержащий карбид хрома состава (Cr, Fe)C пониженной микротвердости (16 ГПа), что приводит к снижению износостойкости диффузионного слоя.
Также в ходе экспериментов установлено, что введение в состав в качестве хромсодержащего вещества, феррохрома в количестве 11-13 мас. % позволяет получить активные атомы хрома и обеспечивает формирование диффузионного слоя на основе карбида ванадия VC, обеспечивающего повышение износостойкости диффузионного слоя.
7
3
2
Количество феррохрома 11-13 мас. % установлено опытным путем. При содержании феррохрома более 13 мас. % формируются диффузионный слой, содержащий карбид хрома состава (Cr, Fe)C пониженной микротвердости. При содержании менее 11 мас. % формируется диффузионный слой, содержащий карбид ванадия состава VC пониженной микротвердости, что также приводит к снижению износостойкости.
Введение в состав в качестве активатора хлористого аммония в количестве 4-5 мас. % установлено опытным путем и во время нагрева позволяет генерировать галогениды ванадия и хрома, тем самым осуществлять перенос атомов насыщающих элементов на стальную поверхность. При увеличении содержания хлористого аммония более 5 мас. % из-за повышенной активности смеси происходит интенсивное выделение галогенидов, что приводит к разрыхлению плавкого затвора и потере герметичности контейнера. При содержании хлористого аммония менее 4 мас. % смесь имеет недостаточную активность, что приводит к уменьшению толщины диффузионного слоя.
Введение в состав в качестве балластной добавки оксида алюминия, составляющим дополнительную до 100% часть в каждой смеси, позволяет предотвратить спекания смеси во время выдержки при высокой температуре.
Экспериментально установлено, что интенсификация процесса приготовления смеси для диффузионного насыщения достигается использованием ферросплавов ванадия и хрома. Данные компоненты в отличие от оксидов ванадия и хрома не требуют использования термического оборудования для восстановления металлов из оксидов. Таким образом, исключается предварительная подготовка смеси. Ферросплавы грануляцией 0,1-0,4 мм используются в готовом виде.
Предлагаемый состав для хромованадирования инструмента из углеродистых сталей содержит компоненты при следующем соотношении, мас. %: феррованадий 37-39; феррохром - 11-13; хлористый аммоний - 4-5; оксид алюминия - остальное. В ходе проведения экспериментов установлено, что именно такой состав для хромованадирования инструмента из углеродистых сталей обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в увеличении износостойкости диффузионного слоя, а также интенсификации процесса приготовления смеси за счет исключения предварительного восстановления. Увеличение износостойкости диффузионного слоя объясняется формированием сплошного слоя, состоящего из карбида ванадия VC высокой микротвердости.
Компоненты состава для хромованадирования инструмента из углеродистых сталей подобраны таким образом, чтобы получаемые образцы инструментов имели повышенный износостойкий диффузионный слой. Для получения предлагаемого состава для хромованадирования инструмента из углеродистых сталей использовались следующие материалы: феррованадий грануляцией 0,1-0,4 мм, соответствующий требованиям ГОСТ 27130-94; феррохром грануляцией 0,1-0,4 мм, соответствующий требованиям ГОСТ 4757-91; хлористый аммоний ОСЧ - 4-5 порошок фракцией частиц размерами 1-3 мм, соответствующий ТУ 6-09-587-75; оксид алюминия ЧДА порошок фракцией частиц размерами 40-50 мкм, соответствующий требованиям ТУ 6-09-426-75.
Были приготовлены три состава компонентов, масс. %: феррованадий - 37-39; феррохром - 11-13; хлористый аммоний - 4-5; оксид алюминия - остальное (составы 1-3, таблица). Кроме того, были приготовлены два состава с запредельным количеством феррованадия и феррохрома: ниже нижнего предела по содержанию феррованадия и выше верхнего предела по содержанию феррохрома, мас. %: феррованадий - 36; феррохром - 14; хлористый аммоний - 5; оксид алюминия - остальное (состав 4, таблица); выше верхнего предела по содержанию феррованадия и ниже нижнего предела по содержанию феррохрома, мас. %: феррованадий - 40; феррохром - 10; хлористый аммоний - 5; оксид алюминия - остальное (состав 5, таблица). Одновременно готовят два известных состава: для ванадирования с использованием феррованадия, каолина, хлористого аммония (состав 6 по аналогу, таблица) и состав для комплексного насыщения хромом и ванадием (состав 7 по прототипу, таблица).
Компоненты для составов 1-5 готовят следующим образом. Порошки феррованадия, феррохрома, хлористого аммония и оксида алюминия взвешивают в соответствии с указанными соотношениями, затем перемешивают друг с другом. На дно тигля из нержавеющей стали насыпают слой приготовленной смеси толщиной около 20 мм, укладывают стальные образцы и сверху засыпают слоем смеси толщиной 40 мм. Затем укладывают лист асбеста, диаметр которого соответствует внутреннему диаметру тигля. На лист асбеста насыпают песок, который служит грузом, предотвращающим выброс смеси в результате термического расширения. На песок насыпают борный ангидрид. Борный ангидрид во время нагрева тигля расплавляется и служит плавким затвором, обеспечивающим герметичность тигля и предотвращающим обезуглероживание стальных образцов во время выдержки при высокой температуре.
4
Известные составы компонентов (состав 6 по аналогу и состав 7 по прототипу) готовят следующим образом. Компоненты состава 6 (феррованадий, каолин, хлористый аммоний) взвешивают в соответствии с указанным соотношением, затем перемешивают друг с другом. Процедура упаковки тигля описана выше. Процесс ванадирования в составе 6 осуществляют при температуре 1150°С в течение 2,5 ч. Компоненты состава 7 (оксиды ванадия, хрома, алюминия, порошок алюминия и порошок хлористого аммония) взвешивают согласно пропорции и перемешивают друг с другом. Затем смесью заполняют жаростойкий контейнер из нержавеющей стали и устанавливают его в разогретую до 1000°С печь. После прохождения реакции восстановления оксидов алюминием контейнер извлекают из печи и охлаждают на спокойном воздухе. Восстановленную смесь размалывают и просеивают. После добавления в нее активатора (2% NHCl) смесь считается готовой к употреблению. Затем смесь и образцы упаковывают в тигель по описанной выше процедуре и герметизируют плавким затвором. Процесс диффузионной обработки стальных образцов в указанном составе осуществляют при температуре 1100°С в течение 6 ч.
Результаты экспериментальных исследований фазового состава, микротвердости и коэффициентов износостойкости диффузионных слоев на образцах из стали У8А, обработанных в составах 1-7, приведены в таблице.
и
э
и
Испытания образцов в условиях трения скольжения проводили по общепринятой методике на машине трения типа Амслера при реализации схемы «диск - плоскость». Исследуемые образцы имеют форму параллелепипеда размерами 20×10×10 мм. В качестве контртела, изнашивающего исследуемый образец, используют диск внешним диаметром 50 мм и шириной 5 мм, изготовленный из закаленной стали Р18. В процессе испытаний диск прижимается к исследуемому образцу с усилием 500 Н. Испытания проводятся без смазки при скорости вращения диска 300 об/мин. В качестве эталона используют сталь У8А после закалки и низкого отпуска твердостью 58-60 HRC. Интенсивность изнашивания образцов оценивают весовым методом. Показатель относительной износостойкости К рассчитывали по формуле: , где Δm - потеря массы эталона; Δm - потеря массы образца. Образцы взвешивают до и после 30 минут испытаний. Потерю массы образцов определяют на аналитических весах WA-31.
Микротвердость диффузионных слоев определяют на приборе ПМТ-ЗМ согласно ГОСТ 9450 - 76.
Как видно из таблицы, химико-термическая обработка стали У8А согласно известному составу (7) по прототипу приводит к повышению износостойкости до 19,6 раз по сравнению с состоянием после закалки и низкого отпуска, в то время как использование компонентов предлагаемого состава (1-3) позволяет повысить износостойкость до 22,2-22,4 раз.
Предлагаемое изобретение поясняется фотографиями, на которых изображено:
фото 1 - микроструктура диффузионного слоя стали У8А при насыщении в составах №1-3 табл.;
фото 2 - микроструктура диффузионного слоя стали У8А при насыщении в составе №4 табл.;
фото 3 - микроструктура диффузионного слоя стали У8А при насыщении в составе №5 табл.;
фото 4 - микроструктура диффузионного слоя стали У8А при насыщении в составе №6 (аналог) табл.;
фото 5 - микроструктура диффузионного слоя стали У8А при насыщении в составе №7 (прототип) табл.
Заявляемый состав для хромованадирования инструмента из углеродистых сталей готовят следующим образом. Порошки: феррованадия в количестве 37-39 мас. %, феррохрома в количестве 11-13 мас. %, хлористого аммония в количестве 4-5 мас. % и оксида алюминия, составляющим дополнительную до 100% часть в каждой смеси, взвешивают в соответствии с указанными соотношениями, затем перемешивают друг с другом. Жаростойкий тигель заполняют смесью, укладывают стальные образцы и сверху досыпают смесь. Процедура упаковки тигля описана выше. Тигель герметизируют плавким затвором. Диффузионное насыщение осуществляют в электропечи при нагреве до 1000°С с выдержкой 6 ч. После окончания процесса диффузионного насыщения тигель охлаждают на спокойном воздухе.
В ходе проведения экспериментов установлено, что температура насыщения стальных образцов в составе для хромованадирования составляет 1000°С и является оптимальной, так как при температуре ниже 1000°С карбиды не образуются, а при температуре насыщения выше 1000° для большинства сталей происходит рост зерен под диффузионным слоем, что, в свою очередь, ведет к снижению ударной вязкости насыщаемого металла. Продолжительность насыщения стальных деталей в составе для хромованадирования 6 ч и является оптимальной, так как продолжительность процесса насыщения менее 6 ч приводит к недостаточной толщине упрочненного слоя, а при продолжительности процесса насыщения более 6 ч наблюдается чрезмерная толщина диффузионного слоя, что приводит к его скалыванию в процессе эксплуатации изделия.
Предлагаемый состав для хромованадирования инструмента из углеродистых сталей поясняется примерами, подтверждающими заявляемое изобретение.
2
3
4
Пример 1 (см. фото 1). Проводят процесс диффузионного насыщения хромованадированием образцов из стали У8А. Порошкообразные компоненты перемешивают для получения следующего состава, масс. %: 37% феррованадия + 11% феррохрома + 48% AlO + 4% NHCl. Смесь и образцы укладывают в жаростойкий контейнер, который герметизируют плавким затвором и помещают в электропечь, нагретую до 1000°С и выдерживают 6 ч. В результате формируется диффузионный слой, состоящий из карбида ванадия VC, легированного хромом. Коэффициент износостойкости - 22,2 и микротвердость 26 ГПа.
2
3
4
Пример 2 (см. фото 1). Процесс диффузионного насыщения хромованадированием образцов из стали У8А проводят аналогично примеру 1 в следующем составе: 38% феррованадия + 12% феррохрома + 45,5% AlO + 4,5% NHCl. В результате формируется диффузионный слой, состоящий из карбида ванадия VC, легированного хромом. Коэффициент износостойкости - 22,4 и микротвердость 26 ГПа.
2
3
4
Пример 3 (см. фото 1). Процесс диффузионного насыщения хромованадированием образцов из стали У8А проводят аналогично примеру 1 в следующем составе: 39% феррованадия + 13% феррохрома + 43% AlO + 5% NHCl. В результате формируется диффузионный слой, состоящий из карбида ванадия VC, легированного хромом. Коэффициент износостойкости - 22,3 и микротвердость 26 ГПа.
Предлагаемый состав хромованадирования инструмента из углеродистых сталей по сравнению с прототипом (Шматов А.А. Моделирование процесса формирования карбидного слоя при диффузионном хромованадировании стали У8 / Вестник Полоцкого государственного университета №11, 2011, с. 113, 116), обеспечивает следующие преимущества:
- увеличение износостойкости диффузионного слоя до 22,2 - 22,4 раз за счет формирования сплошного слоя из карбида ванадия VC высокой твердости;
- интенсификация процесса приготовления смеси за счет исключения предварительного восстановления;
- увеличение экономичности процесса за счет исключения нагрева печи до 1000°С для предварительного восстановления насыщающей смеси, а также снижения температуры с 1100°С до 1000°С во время 6-часовой выдержки при диффузионном насыщении.