СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УПРОЧНЕННЫХ СТАЛЬНЫХ И ЧУГУННЫХ ДЕТАЛЕЙ
FABRICATION OF HARDENED AND CAST IRON PARTS

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при изготовлении упрочненных деталей машин и инструмента в машиностроительной, металлургической, химической, строительной и других отраслях промышленности, обладающих в 2-10 раз большим ресурсом работы.
Известен способ изготовления и упрочнения стальных деталей, включающий нанесение на внутреннюю поверхность литейной оснастки, в качестве которой используют литейную форму, для получения стальной детали обмазки толщиной слоя 2-3 мм, разведенной в воде до пастообразного состояния и содержащей следующие компоненты, мас.%: диборид хрома 20-25, карбид бора 50-60, графит 5-15, бентонит 5-7, фторид натрия 2-3, сушку на воздухе до получения твердой корки, заливку расплавленного металла, а именно расплавленной стали, в литейную оснастку и охлаждение расплавленного металла вместе с литейной оснасткой до 400-300°С с получением диффузионного слоя толщиной 2,5-3,5 мм на поверхности детали. После этого осуществляют выбивку детали из литейной оснастки и дробеструйную обработку поверхности детали (патент RU 2381299, МПК С23С 12/02 (2006.01)).
Недостатками вышеописанного способа изготовления и упрочнения стальных деталей являются низкая стойкость получаемых деталей, а именно коррозионная стойкость и износостойкость, вследствие сниженных коррозионной стойкости и износостойкости и упрочненного слоя материала, а также из-за низкой толщины упрочненного слоя, обусловленных необходимостью снятия части упрочненного слоя при механической обработке; низкая размерная точность полученных таким образом деталей вследствие больших припусков на последующую механическую обработку; высокая шероховатость поверхности вследствие высокой пористости литейной формы и в связи с этим необходимость механической обработки деталей со снятием значительной толщины, до 3-8 мм, слоя материала; пониженная экономичность вследствие повышенного расхода упрочняющей обмазки (см. таблицу, № п/п 1, 2).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности (прототипом) является способ изготовления и упрочнения деталей из чугуна и стали, включающий нанесение на внешнюю поверхность литейной оснастки, в качестве которой используют газифицируемую модель, для получения детали обмазки, разведенной в воде до пастообразного состояния и содержащей следующие компоненты, мас.%: диборид хрома 10-40, карбид бора 35-80, мелкодисперсный графит 7-18, фторид натрия 1-5, хлорид аммония 1-3, сушку на воздухе до получения твердой корки, заливку расплавленного металла в оснастку для получения детали, охлаждение расплавленного металла вместе с оснасткой с получением диффузионного слоя на поверхности детали и извлечение детали из оснастки. Обмазку на литейную оснастку для получения детали наносят толщиной слоя 0,5-1,0 мм, а деталь получают литьем по газифицируемым моделям с нанесенным слоем насыщающей обмазки (патент RU 2440869, МПК B22D 27/18 (2006.01)).
Недостатками вышеописанного способа являются пониженная стойкость, а именно, коррозионная стойкость и износостойкость, деталей с покрытиями, нанесенными по этому способу (см. таблицу, № п/п 3, 4) и пониженная экономичность вследствие необходимости применения дорогостоящего диборида хрома при условии нанесения обмазки слоем толщиной до 1 мм.
Задачей изобретения является повышение стойкости, а именно коррозионной стойкости и износостойкости деталей, изготовленных по предлагаемому способу, а также экономичности процесса изготовления стальных и чугунных деталей путем снижения расхода насыщающей обмазки.
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления упрочненных стальных и чугунных деталей, включающем нанесение на внешнюю поверхность литейной оснастки, в качестве которой используют газифицируемую модель, для получения детали обмазки, разведенной в воде до пастообразного состояния и содержащей карбид бора, фторид натрия, сушку на воздухе до получения твердой корки, заливку расплавленного металла в оснастку для получения детали, охлаждение расплавленного металла вместе с оснасткой с получением диффузионного слоя на поверхности детали и извлечение детали из оснастки, получая деталь литьем по газифицируемым моделям с нанесенным слоем насыщающей обмазки, согласно изобретению на литейную оснастку для получения детали наносят обмазку толщиной слоя 0,05-0,50 мм, дополнительно содержащую диборид титана, при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбид бора 55-75, фторид натрия 1-5, диборид титана 25-45.
Повышение износостойкости и коррозионной стойкости деталей, изготовленных посредством предложенного способа, обеспечивается формированием на поверхности упрочненной в соответствии с предлагаемым способом детали керамического покрытия, плавно переходящего в металл.
Снижение расхода упрочняющей обмазки достигается тем, что наносят слой обмазки толщиной 0,05-0,50 мм, то есть менее 50% от толщины соответствующего слоя при способе изготовления и упрочнения стальных деталей, выбранном в качестве прототипа. При данном условии на готовых изделиях получают керамические на поверхности, а далее - диффузионные слои, более чем в 3 раза превосходящие по механическим свойствам диффузионные покрытия на готовых изделиях, полученных в соответствии со способом, выбранным в качестве прототипа.
Нанесение на литейную оснастку для получения детали обмазки толщиной слоя 0,05-0,50 мм является оптимальным, так как при нанесении обмазки толщиной слоя менее 0,05 мм формирования покрытия не наблюдается, а при нанесении обмазки толщиной слоя более 0,50 мм снижается экономичность процесса упрочнения вследствие перерасхода обмазки и, кроме того, наблюдается формирование достаточно толстого керамического покрытия, имеющего высокую хрупкость.
Содержание в обмазке карбида бора в количестве 55-75 мас.% оптимально по причине того, что при более низком его содержании, менее чем 55%, не образуется керамическое покрытие, кроме того, обмазка не растворяется в расплавленном металле, что приводит к неточности размеров готового изделия. Содержание карбида бора в обмазке более 75 мас.% приводит к образованию в поверхностном слое хрупких составляющих, выкрашивающихся в процессе эксплуатации, что приводит к снижению ресурса работы упрочненной детали и ее катастрофическому износу.
Содержание в обмазке фторида натрия в количестве 1-5 мас.% оптимально по причине того, что при содержании фторида натрия, меньшем 1 мас.%, происходит недостаточно полное растворение упрочняющей обмазки в поверхности детали, что приводит к получению относительно тонких диффузионных слоев, обладающих малым ресурсом работы, а при увеличении в обмазке содержания фторида натрия выше 5% возможно образование раковин с неметаллическими включениями, что приводит к ухудшению геометрической точности изготовленной детали.
Содержание в обмазке диборида титана в количестве 25-45 мас.% является оптимальным, так как при содержании диборида титана в обмазке менее 25 мас.% наблюдается отслоение обмазки от модели при сушке, а при содержании диборида титана в обмазке более 45% необоснованно повышается стоимость обмазки ввиду высокой стоимости диборида титана.
Предложенное изобретение поясняется таблицей, в которой приведены результаты испытании на стойкость ножей для измельчения полипропиленовых корпусов аккумуляторных батарей, изготовленных из стали 35Л и предназначенных для утилизации отработанных аккумуляторных батарей.
Способ изготовления упрочненных деталей из чугунов и сталей осуществляется следующим образом. Предварительно обмазку, содержащую карбид бора, диборид титана, фторид натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбид бора 55-75; фторид натрия 1-5; диборид титана 25-45; разводят в воде до пастообразного состояния. Приготовленную обмазку наносят краскопультом на внешнюю поверхность литейной оснастки для получения детали слоем от 0,05 до 0,50 мм, после чего сушат на воздухе до получения твердой корки. При этом в качестве литейной оснастки используют газифицируемую модель из пенополистирола.
Высушенную модель формуют в сухой песок в оснастке для получения детали, в качестве которой используют опоку-контейнер, и производят насыщение путем заливки расплавленного металла - чугуна или стали - в оснастку. Охлаждают расплавленный металл вместе с оснасткой с получением диффузионного слоя на поверхности детали. Извлекают деталь из оснастки, охлаждают на воздухе до комнатной температуры и очищают от пригара, получая деталь путем литья по газифицируемым моделям с нанесенным слоем насыщающей обмазки.
Изобретение иллюстрируется следующим примером.
Изготавливали и упрочняли деталь из стали 35Л - нож для измельчения полипропиленовых корпусов отработанных аккумуляторных батарей. Предварительно обмазку, содержащую карбид бора, фторид натрия, диборид титана (см. таблицу, № п/п 5-18), разводили в воде до пастообразного состояния. Приготовленную обмазку наносили на внешнюю поверхность газифицируемой модели из пенополистирола слоем толщиной 0,05-0,50 мм краскопультом, после чего сушили на воздухе до получения твердой корки.
Высушенную модель формовали в опоке-контейнере, засыпая сухим кварцевым песком, и производили насыщение путем заливки модели расплавленной сталью 35Л с температурой от 1560 до 1650°С с последующим охлаждением отливки в опоке-контейнере до 650-700°С. Время охлаждения при этом составляло 1 час. Затем осуществляли выбивку, охлаждение на воздухе до комнатной температуры и очистку отливки от пригоревшего песка путем галтования или дробеструйной обработки. При этом на поверхности отливки был получен поверхностный керамический слой толщиной 0,01-0,015 мм с микротвердостью 20000-21000 МПа, под которым находился упрочненный диффузионный слой толщиной 1.5-3.0 мм с микротвердостью 12000-14000 МПа, состоящий из боридов и карбоборидов титана и железа сложного состава (см. таблицу, № п/п 6-10). Износостойкость ножа определяли по массе измельченных корпусов.
Также осуществляли процесс изготовления ножа в соответствии со способом упрочнения деталей, а именно литого ножа, выбранным в качестве аналога (см. таблицу, № п/п 1, 2), способом изготовления и упрочнения стального ножа, выбранным в качестве прототипа (см. таблицу, № п/п 3, 4), и способом изготовления серийного ножа из стали У10А (см. таблицу, №19).
Как следует из приведенных в таблице данных, при изготовлении упрочненных деталей из обмазки с содержанием компонентов за заявленными пределами стойкость упрочненных слоев снижается и происходит искажение размеров упрочненного изделия, приводящее к браку (см. таблицу, № п/п 5, 11-14) либо полному растворению обмазки (см. таблицу №12) без образования упрочненного слоя. Стойкость изготовленного в соответствии с изобретением ножа возросла в среднем в 3,6 раза по сравнению с прототипом.
Таким образом, использование предложенного изобретения позволяет увеличить износостойкость и коррозионную стойкость деталей, упрочненных в соответствии с предложенным способом, а также повысить экономичность процесса изготовления и упрочнения деталей из чугунов и сталей. Заявленный способ может быть использован на любом предприятии, имеющем участок для точного литья по газифицируемым моделям, для производства деталей машин и инструмента, обладающих повышенным по сравнению с серийным в 2-10 раз ресурсом работы.
Таблица
Результаты испытаний на стойкость ножей для измельчения полипропиленовых корпусов аккумуляторных батарей
№ п/п
Упрочнение с применением пасты состава мас.%
Стойкость, т*
TiB<sub>2</sub>
В<sub>4</sub>С
Бентонит
NH<sub>4</sub>Cl
CrB<sub>2</sub>
NaF
Графит
АНАЛОГ
1
-
52
6
-
24
3
15
10
2
-
58
7
-
22
2
11
9,6
ПРОТОТИП
3
-
63
-
1
15
4
17
15
4
-
51
-
2
35
2
10
16
ИЗОБРЕТЕНИЕ
5
24
72
-
-
-
4
-
9
6
25
70
-
-
-
5
-
41
7
30
67
-
-
-
3
-
55
8
35
62
-
-
-
3
-
58
9
40
58
-
-
-
2
-
46
10
41
56
-
-
-
3
-
32
11
34,5
65
-
-
-
0,5
-
11
12
34
60
-
-
-
6
-
-
13
46
51
-
-
-
3
-
13
14
20
76
-
-
-
4
-
9
15
45
52
3
26
16
42
55
3
32
17
22
75
3
24
18
35
64
1
48
19
Серийный нож из стали У10А
8,5
<sup>*</sup>стойкость определялась по массе измельченного полипропилена, в тоннах.
Режим работы ножей для измельчения полипропиленовых корпусов аккумуляторных батарей: абразивный износ, обусловленный наличием остатков активной пасты, в сочетании с коррозионным износом, обусловленным наличием сернокислотного электролита.