СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD OF HARDENING STEEL SURFACE

Изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке, и может найти применение в машиностроении, обеспечивая повышение эксплуатационных характеристик деталей машин.
Известен способ упрочнения стальной поверхности путем диффузионного борирования стальных деталей, включающий нанесение борсодержащей обмазки на стальную поверхность и последующую диффузионную выдержку при температуре насыщения, проводимую в расплаве электрошлаковой ванны при 1500°C (патент RU №2016138 - прототип).
Недостатком прототипа является высокая температура выдержки (1500°C), в то время как, начиная с температуры 1000°C, происходит неизбежный рост зерна стали, приводящий к снижению ее механических свойств, о чем описано во многих работах по металлургии.
Кроме того, бор незначительно растворяется в железе и стали (0,1÷0,15%), а температура его плавления составляет 2000÷2500°C. Поэтому применение обычных борсодержащих смесей в качестве обмазок не позволяет эффективно насыщать бором стальные поверхности, учитывая большие размеры частиц.
Помимо этого, известный способ требует применения крупногабаритного оборудования и длительного процесса борирования с использованием электрошлаковых ванн и расплавов на флюсе при 1500°C.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности проникновения борсодержащих компонентов - снижение температуры и времени насыщения стальной поверхности и упрощение технологии процесса за счет использования обмазки, содержащей компоненты в виде гомогенизированной смеси до молекулярных размеров.
Поставленная задача достигается тем, что в качестве борсодержащей обмазки на поверхность стального изделия наносят гомогенизированную смесь, состоящую из фенолформальдегидной смолы, имеющей коксовое число в отвержденном состоянии не менее 52% (А), борного ангидрида (Б) и карбонила железа (В) в соотношении А:Б:В от 90:8:2 до 50:40:10, с последующей двухстадийной термообработкой - на первой стадии прогрев до 200÷350°C в течение 2÷8 минут электронагревательными приборами, а затем, на второй стадии, воздействием газопламенной горелки в течение 10÷30 минут, обеспечивая температуру обмазки 850÷1000°C.
Пример 1.
Приготовление обмазки
В реактор с мешалкой загружают 200 мас.ч. этилцеллозольва, после чего добавляют 48 мас.ч. борного ангидрида и перемешивают до полного растворения последнего. Далее к раствору борного ангидрида добавляют 65 мас.ч. фенолформальдегидной смолы марки «Бакелит жидкий» (ГОСТ 4559-71) в пересчете на сухой продукт и 6 мас.ч. жидкого карбонила железа.
Смесь перемешивается в течение 10 минут при +20°C, после чего растворитель отгоняется в количестве 190 мас.ч. и улавливается. Оставшиеся 10 мас.ч. этилцеллозольва обеспечивают пастообразное состояние полученной обмазки, в которой все компоненты гомогенизированы до молекулярного состояния. Полученный состав затаривается и хранится в складских условиях не менее 1 месяца.
Осуществление процесса борирования
Готовую обмазку наносят слоем 1 мм на стальную поверхность, после чего, на первой стадии, прогревают воздействием инфракрасной лампы до 300°C в течение 5 минут, в результате чего фенолформальдегидная смола отверждается и частично коксуется. После этого для стального изделия с нанесенной обмазкой сразу (или после достаточно длительного перерыва) осуществляют вторую стадию, подвергая газопламенному воздействию и обеспечивая на поверхности температуру 900°C в течение 15 минут, при этом карбонил железа разлагается, образуя чрезвычайно активные частицы железа атомарных размеров, которые мгновенно реагируют с атомами бора, возникающими за счет реакции восстановления борного ангидрида с разлагающимся коксом, образуя бориды железа, легко проникающие в стальную поверхность, насыщая эту поверхность и повышая ее твердость до показателя НВ350, что превышает твердость абразива.
Примеры 2÷4 осуществляют аналогично примеру 1, изменяя параметры в соответствии с таблицей 1.
По всем примерам поверхностная твердость достигает уровня НВ 350.