Способ упрочнения деталей из инструментальных и конструкционных сталей в борированной среде
METHOD FOR HARDENING PARTS MADE OF TOOL AND STRUCTURAL STEELS IN BORATED MEDIUM

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке конструкционных и инструментальных сталей и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и технологической оснастки (штампов, пресс-форм, фильер и т.д.) в машиностроительной, металлургической, химической, инструментальной и других отраслях промышленности.
Известен способ упрочнения деталей из конструкционных и инструментальных сталей из порошковых смесей, включающий насыпку на дно жаростойкого тигля насыщающей порошковой смеси, содержащей бор, оксид алюминия, хром, иодид аммония, при следующем соотношении компонентов, мас.%: аморфный бор - 5-10, хром - 55-65, оксид алюминия - 25-28,5; иодид аммония - 1,5, толщиной 25-50 мм, укладывание деталей с зазорами между ними, не меньшими 20-25 мм, на этот слой. Затем детали засыпают слоем насыщающей смеси толщиной 35-40 мм, на него снова укладывают детали, далее цикл повторяют до заполнения жаростойкого тигля. После заполнения тигля на насыщающую смесь укладывают металлический лист и засыпают его порошком карбида кремния толщиной 40-50 мм. Последующее насыщение осуществляют путем борохромирования в вышеуказанной порошковой смеси при температуре 900-1100°С в течение 6-10 ч. Далее тигель остужают и извлекают упрочненные детали. При этом получают диффузионные слои, состоящие из карбидов и карбоборидов хрома и железа, твердого раствора хрома в железе, толщиной 30-80 мкм в зависимости от марки упрочняемой стали (Химико-термическая обработка металлов и сплавов: справочник / Под ред. Л.С.Ляховича. - М.: Металлургия, 1981. - С.334, табл.164).
Недостатками этого способа являются малая износостойкость деталей из конструкционных и инструментальных сталей, упрочненных в соответствии с описанным процессом, вследствие пониженной пластичности и малой толщины получаемых диффузионных слоев, высокая трудоемкость вследствие использования операций укладывания и извлечения деталей, насыпки в жаростойкий тигель насыщающей порошковой смеси, низкая экономичность, обусловленная, во-первых, повышенным расходом насыщающей порошковой смеси, так как минимально возможная толщина слоя смеси над деталью составляет 10 мм, во-вторых, отсутствием возможности повторного использования этой смеси, в-третьих, применением дорогостоящего аморфного бора и чистого хрома.
Известен способ упрочнения деталей из конструкционных и инструментальных сталей (патент RU 2360031 C2), включающий приготовление пасты путем смешивания карбида бора, феррохрома, мелкодисперсного графита,  бентонита, фторида аммония при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбид бора 50-60, феррохром 15-20, мелкодисперсный графит 10-15, бентонит 5-7, фторид аммония 2-3,  предварительно разводя ее в воде до пастообразного состояния, нанесения на изделие, сушку на воздухе до получения твердой корки, насыщение из обмазки при нагреве деталей  от 900°С до 1150°C с выдержкой течение 4-6 ч, закалку в масле с температуры насыщения и отпуск при температуре 480-560°С в течение 1-3 часа.
Недостатки указанного способа состоят в том, что фторид аммония относится ко второму классу опасности для человека, что делает процесс химико-термической обработки не безопасным,  при применении воды для приготовления пасты возникает осыпание обмазки в процессе сушки, либо сползание ее в процессе насыщения изделий, что приводит к браку.
Технической задачей изобретения является повышение износостойкости и коррозионной стойкости деталей,  прочности обмазки, обеспечения возможности обработки деталей любых размеров и форм, обеспечение возможности локального борирования рабочих поверхностей деталей, повышения равномерности нагрева деталей, а также повышение экологической безопасности процесса химико-термической обработки деталей.
3
3
Технический результат достигается тем, что  борированную  среду готовят в виде пасты, содержащей: карбид бора В4С, феррохром ФХ800А, фторид алюминия AlF, бентонит, маршалит, аморфный углерод  ДГ-100 при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбид бора В4С – 50…55; феррохром  ФХ800А – 15…20; фторид алюминия AlF – 2…3, бентонит – 5…10; маршалит – 10…15; аморфный углерод ДГ-100 – остальное, а в качестве пастообразователя используют  поливинилацетатную эмульсию (30…35% от массы порошкообразных компонентов), приготовленную из клея ПВА - 60…65%; метанола (этанола) – 20…25%,  вода – остальное, наносят пасту на деталь, сушат при температуре 70-75°С, затем деталь   нагревают до  температуры 920-1100°С  в течение  3-6 часов, далее подвергают закалке и отпуску при температуре 200-550°С в течение 2 часов.
Борирование деталей из конструкционных и инструментальных сталей с использованием такого покрытия обеспечивает высокую износостойкости и коррозионной стойкость деталей, прочность обмазки при выполнении химико-термической обработки.
Способ борирования с использованием предлагаемой пасты осуществляется следующим образом: готовят пасту, для чего тщательно смешивают порошкообразные сухие компоненты и полученную смесь разводят поливинилацетатной эмульсией до образования пастообразной массы. Расход поливинилацетатной эмульсии составляет 30…35% от массы порошкообразных компонентов. Приготовленную пасту необходимо использовать в течение часа.
На детали, предварительно очищенные от загрязнений, наносят приготовленную пасту методом погружения в емкость с пастой (детали небольших размеров), либо кистью на упрочняемые поверхности крупногабаритных деталей. Слой пасты на поверхностях деталей должен составлять 3,0…5,0 мм.
Детали с нанесённой на их поверхности пастой высушивают при температуре 70-75°С   в течение 0,5-1,0 часа до образования твердого покрытия. Детали с нанесённой на них пастой могут храниться неограниченное время до загрузки в печь, при этом они не вызывают загрязнения оборудования и персонала. Сухое покрытие устойчиво к ударам.
Для дальнейшей обработки детали упаковывали в герметизированный контейнер и заполняли нейтральным наполнителем, состоящим из 40% сажи, 50% кварцевого песка, 10% порошка мела  для вытеснения воздуха. Подготовленный таким образом контейнер с деталями загружали в печь с герметичной ретортой Ц-105, разогретую до температуры 920°С до 1100°С и выдерживали в течение 3-6 часов. После борирования детали  подвергали  закалке и отпуску при температуре 200-550°С в течение 2 часов.
Борирование  деталей с использованием предлагаемой обмазки можно использовать в печах непрерывного действия в эндотермической или азотирующей атмосферах (в условиях массового производства) или в цементационных ящиках (в условиях единичного, в частности ремонтного производства).
В качестве связующего вещества использовали бентонит, обладающий повышенной связывающей способностью и высокой сорбционной и каталитической активностью. Бентониты отличаются высокой водоудерживающей способностью - от 8 до 16 раз от массы сухого вещества. Бентониты не являются дефицитным материалом и выпускаются отечественной промышленностью. Основной недостаток бентонитового покрытия - невысокая прочность при повышенных температурах. Для повышения прочности бентонитового покрытия в его состав был введен маршалит. Маршалит - пылевидный кварц, огнеупорность которого составляет 1650-1710°C, что вполне достаточно для использования в пасте, температура которой не превышает 1200°C. При нагреве с бентонитом маршалит спекается в пористую массу, прочность которой составляет 0,4…0,7 МПа.
Маршалит – доступное и дешевое вещество, входящее в состав огнеупорных материалов. В качестве наполнителя маршалит также входит в состав пластмасс, клеев, красок и т.д.  В результате эксперимента установлено, что наилучшее удержание пасты в процессе борирование наблюдается при соотношении бентонита и маршалита в связующей части покрытия ~(1:2).
3
Активность борированого покрытия зависит от соотношения в нем активной части, то есть   карбида бора В4С, феррохрома ФХ800А, фторида алюминия AlF – 2…3, аморфного углерода  ДГ-100  (в соотношении от 85:15% до 75:25%), и нейтральной части - связки бентонит и маршалит.
Борирование стали с использованием такого покрытия обеспечивает высокую скорость и равномерность насыщения поверхностных слоев  бором и другими компонентами.
Содержание в обмазке феррохрома в количестве, составляющем 15-25 мас.%, является оптимальным, так как при данном содержании образуется коррозионная  стойкость деталей.
Содержание в обмазке карбида бора в количестве, составляющем 50-54 мас.%, является оптимальным, потому что при этом содержании образуются диффузионные слои с наибольшей пластичностью и износостойкостью.
Содержание в обмазке фторида алюминия в количестве, составляющем 2-3 мас.%, является оптимальным,  так как при данном содержании обеспечивается необходимая активность насыщающей обмазки, что приводит к формированию диффузионных слоев с оптимальной износостойкостью.
Содержание в пасте  газовой сажи ДГ–100 в заданном количестве, является оптимальным, так как распад сажи позволяет насыщающим элементам активно поглощаться сталью, что обеспечивает высокую скорость насыщения при минимальном расходе компонента. Наличие под боридным слоем зоны с повышенным содержанием углерода после термической обработки благоприятно сказывается на работоспособности штампового инструмента,  так как предотвращает продавливание боридного слоя в процессе эксплуатации.
Использование поливинилацетатной эмульсии, состоящей из клея  ПВА - 60…65%; метанола (этанола) – 20…25%, вода – остальное,  для приготовления пастообразователя повышает прочность обмазки.
Эффективность заявляемого способа иллюстрируется примером.
3
Втулки диаметром 50 мм и толщиной 10 мм из стали ХВГ предварительно обезжиренные уайт-спиритом покрывались слоем пасты, содержащей карбид бора В4С – 50…55; феррохром  ФХ800А – 15…20; фторид алюминия AlF – 2…3, бентонит – 5…10; маршалит – 10…15; аморфный углерод ДГ-100 – остальное,  разведенную до пастообразного состояния поливинилацетатной эмульсией (ПВА-60…65%; метанола (этанола) – 20…25%, вода – остальное).
Расход поливинилацетатной эмульсии составляет 30…35% от массы порошкообразных компонентов. Толщина покрытия детали пастой 3,0 – 5,0 мм.
Покрытые пастой образцы высушивались при температуре 70°С в течении 0,5-1,0 часа до образования твердого покрытия, затем детали  упаковывали в герметизированный контейнер и заполняли нейтральным наполнителем, состоящим из 40% сажи, 50% кварцевого песка, 10% порошка мела  для вытеснения воздуха. Подготовленный таким образом контейнер с образцами загружали в печь Ц-105, разогретую до температуры 920°С до 1100°С и выдерживали в течение 3-6 часов. После борирования детали  подвергали  закалке и отпуску при температуре 200-550°С в течение 2 часов.
Следует отметить, что образцы (детали) с высушенной  обмазкой можно упаковывать вплотную друг к другу, что способствует небольшому расходу наполнителя и быстрому прогреву контейнера, таким образом, снижается себестоимость технологического процесса термической обработки деталей.
Данный способ борирования деталей  для повышения их износостойкости и коррозионной стойкости не представляет технологических трудностей,  и не требует использования дорогих или дефицитных материалов. Поэтому борирование деталей с использованием высокоактивной пасты может быть легко внедрена на любом машиностроительном предприятии,  как в мелкосерийном и крупносерийном, так и ремонтном. При этом предлагаемый способ отличается высокой производительностью, технологической широтой, экономичностью и экологической безопасностью.