СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОГО БОРИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛИ 40
METHOD FOR SURFACE BORATION OF PARTS FROM STEEL 40

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к комбинированным способам поверхностного упрочнения металлов, и может быть использовано при изготовлении деталей, работающих в условиях изнашивания в агрессивных средах, а также деталей, подвергающихся в процессе эксплуатации агрессивному воздействию внешней среды.
Известен способ лазерного легирования поверхности низкоуглеродистых и среднеуглеродистых легированных сталей бором. Насыщение поверхности бором проводят с помощью лазерного нагрева, сущность которого заключается в расплавлении участка поверхности стали вместе с шликером, содержащим бор, предварительно нанесенным на обрабатываемый участок (см. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Кокора А.Н. «Лазерная обработка материалов». -М.: «Машиностроение», 1975 г., с.296).
Способ позволяет путем варьирования вариантов, режимов обработки и толщины обмазки можно получать легированные слои с различным фазовым составом и структурой, а следовательно, и с различными свойствами. Для повышения износостойкости целесообразно проводить обработку без перекрытия, что создает морфологию поверхности, удовлетворяющую принципу Шарпи. Для достижения коррозионной стойкости поверхностного слоя необходимо проводить обработку с перекрытием, что связано с дополнительными временными и энергетическими затратами и не всегда экономически оправдано.
Недостатком известного способа является повышенная хрупкость упрочненного слоя из-за высокой твердости боридов железа.
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является принятый в качестве прототипа способ борирования стальных деталей путем термодиффузионного насыщения поверхности бором, который заключается в нанесении на поверхность детали обмазки, содержащей легирующий элемент, и выдержке в печи при температуре Т=950-1150°С в течение 6-10 часов с последующим охлаждением в печи (см. Л.Г. Ворошнин. «Борирование промышленных сталей и чугунов».- Минск : «Беларусь», 1981 г., С.19-21).
Недостатком этого способа является длительность процесса, высокие температуры, при этом борированные слои получаются хрупкими.
Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является уменьшение хрупкости диффузионного слоя, сокращение длительности и снижение температуры процесса термодиффузионного насыщения поверхности деталей из стали 40 при сохранении высокой твердости.
Указанная техническая задача решается тем, что в способе поверхностного борирования деталей из стали 40, заключающемся в термодиффузионном насыщении поверхности бором деталей с нанесенной на их поверхность обмазкой, содержащей бор или его соединения, включающем нагрев подготовленных деталей до заданной температуры, выдержку и охлаждение, согласно изобретению первоначально проводят процесс предварительного поверхностного локального борирования с использованием лазерного нагрева из обмазки, а последующее термодиффузионное насыщение ведут при нагреве до температуры Т=850-950°С с выдержкой в течение 3-4 часов.
Решение поставленной технической задачи достигается благодаря тому, что первоначально проводят процесс предварительного поверхностного локального борирования, используя лазерный нагрев подготовленных деталей. В результате образуются локальные борированные участки, которые на этапе термодиффузионного насыщения в процессе нагрева и выдержки ускоряют процессы поверхностной диффузии. При этом диффузия легирующих элементов идет как на поверхности, так и вглубь детали. Благодаря предварительному лазерному воздействию происходит локальный процесс предварительной диффузии бора, что позволяет вести процесс термодиффузионного насыщения при более низких температурах и меньшей выдержке, при этом сохраняется высокая твердость за счет высокой концентрации легирующего элемента в поверхностном слое.
Способ поверхностного борирования деталей из стали 40 заключается в термодиффузионном насыщении поверхности бором. Предварительно на поверхность деталей наносится обмазка, содержащая бор или его соединения. Процесс термодиффузионного насыщения включает нагрев подготовленных деталей до заданной температуры, выдержку и охлаждение в печи. Согласно изобретению на первоначальном этапе проводят процесс предварительного поверхностного локального борирования с использованием лазерного нагрева из обмазки. Затем последующее термодиффузионное насыщение ведут в печи при нагреве до температуры Т=850-950°С с выдержкой в течение 3-4 часов с последующим охлаждением в печи.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Первоначально проводят процесс предварительного поверхностного локального борирования с использованием лазерного нагрева. Перед этим на поверхность деталей наносится обмазка, состоящая из суспензии, состоящей из порошка аморфного бора, чистого углерода и связующего, например цапонлака или клея БФ-2. Затем на поверхность воздействуют лазерным лучом. В результате нагрева образуются локальные легированные участки, которые ускоряют процессы поверхностной диффузии при последующем термодиффузионном насыщении, которое проводят при нагреве подготовленных деталей в печи до температуры Т=850-950°С с выдержкой в течение 3-4 часов. Далее следует охлаждение деталей вместе с печью до комнатной температуры. Таким образом, в процессе обработки диффузия бора идет как на поверхности, так и в глубь детали.
Такой способ поверхностного легирования позволяет получить диффузионный слой с боридной зоной толщиной 150 мкм и образуется переходная зона толщиной 50 мкм.
Для сравнения заявляемого способа с прототипом были проведены исследования деталей-образцов из стали 40, подвергнутых термодиффузионному насыщению без предварительного легирования лазером и с лазерным легированием. Осуществимость и преимущества предлагаемого способа могут быть рассмотрены на представленных ниже примерах.
Примеры
1. Обработка деталей-образцов из стали 40, подвергнутых термодиффузионному насыщению, по способу, изложенному в прототипе: подготовленные детали-образцы нагревали до температуры Т=1000-1150°С, выдерживали 6-10 часов, затем охлаждали в печи. Толщина диффузионного слоя составила 150…250 мкм, а микротвердость - 13500…15000 МПа.
2. Обработка деталей-образцов из стали 40, подвергнутых термодиффузионному борированию без предварительного легирования лазером по предлагаемому способу: подготовленные детали-образцы нагревали до температуры Т=850°С, выдерживали 3-4 часа, затем охлаждали в печи. Толщина диффузионного слоя составила 50…70 мкм, а микротвердость - 9000…10000 МПа.
3. Обработка деталей-образцов из стали 40, подвергнутых термодиффузионному насыщению с лазерным легированием по предлагаемому способу: подготовленные детали-образцы нагревали до температуры Т=850°С, выдерживали 3-4 часа, затем охлаждали в печи. Толщина диффузионного слоя составила 170…300 мкм, т.е. увеличена за счет диффузии легирующего элемента из зон лазерного легирования, а микротвердость - 13500…15000 МПа.
4. Обработка деталей-образцов из стали 40, подвергнутых термодиффузионному насыщению с лазерным легированием по предлагаемому способу: подготовленные детали-образцы нагревали до температуры Т=900°С, выдерживали 3-4 часа, затем охлаждали в печи. Толщина диффузионного слоя составила 190…350 мкм, т.е. увеличена за счет дальнейшей диффузии легирующего элемента из зон лазерного легирования, а микротвердость - 13500…15000 МПа.
5. Обработка деталей-образцов из стали 40, подвергнутых термодиффузионному насыщению с лазерным легированием по предлагаемому способу: подготовленные детали-образцы нагревали до температуры Т=950°С, выдерживали 3-4 часа, затем охлаждали в печи. Толщина диффузионного слоя составила 200…370 мкм, а микротвердость - 13500…15000 МПа.
6. Обработка деталей-образцов из стали 40, подвергнутых термодиффузионному насыщению с лазерным легированием по предлагаемому способу: подготовленные детали-образцы нагревали до температуры Т=1000°С, выдерживали 3-4 часа, затем охлаждали в печи. Толщина диффузионного слоя составила 380 мкм, а микротвердость - 12000 МПа. Дальнейшее повышение температуры более 950°С приводит к некоторому замедлению скорости роста диффузионного слоя за счет снижения концентрации легирующего элемента в зонах лазерного легирования.
7. Обработка деталей-образцов из стали 40, подвергнутых термодиффузионному насыщению с лазерным легированием по предлагаемому способу: подготовленные детали-образцы нагревали до температуры Т=1100°С, выдерживали 3-4 часа, затем охлаждали в печи. Толщина диффузионного слоя составила 400 мкм, а микротвердость - 10000 МПа. Повышение температуры более 1000°С приводит к снижению микротвердости легированного слоя вследствие роста зерна аустенита и резкого снижения концентрации легирующего элемента от поверхности вглубь.
Результаты исследований приведены в таблице
Пример №
Т, °С
t, час
h, мкм
Микротвердость (МПа) на глубину до 100 мкм
1. Прототип
1000-1150
6-9
150…250
15500…21500
2. Термодиффузионне борирование без лазерного легирования
850
3-4
50…70
9000…10000
3. Предлагаемый способ
3
170
850
3,5
230
13500…15000
4
300
4. Предлагаемый способ
3
190
900
3,5
270
13500…15000
4
350
5. Предлагаемый способ
3
200
950
3,5
285
13500…15000
4
380
6. Предлагаемый способ
1000
3-4
380
12000
7. Предлагаемый способ
1100
3-4
400
10000
Из таблицы видно, что толщина диффузионного слоя без предварительного легирования лазером не превышает 70 мкм, а с зонами лазерного легирования - 190…380 мкм. Микротвердость легированного слоя после комбинированной обработки составляет 13500…15000 МПа. Повышение температуры более 950°С приводит к увеличению толщины диффузионного слоя, однако скорость роста толщины диффузионного слоя уменьшается, при этом немного снижается и твердость. Оптимальным интервалом температур является 850-950°С с точки зрения сохранения высокой твердости и высокой концентрации легирующего элемента поверхностного слоя.
Из таблицы также видно, что заявляемый способ по сравнению с прототипом позволяет достигать больших значений толщины диффузионного слоя при сокращении длительности процесса термодиффузионного борирования до 3-4 часов при температуре Т=850-950°С с сохранением высокой твердости.
Таким образом, изобретение позволяет получить увеличение толщины диффузионного слоя, сократить длительность и снизить температуру процесса термодиффузионного борирования поверхности деталей из стали 40, при этом понижается хрупкость слоя при сохранении высокой твердости.