СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЬНОГО ИЗДЕЛИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО СЛОЯ
PROCEDURE FOR FORMING NANO-STRUCTURED LAYER ON SURFACE OF STEEL ITEM

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение работоспособности стальных изделий за счет изменения состава и структуры поверхностных слоев этих изделий, и может быть использовано для повышения работоспособности изделий, работающих в агрессивных средах, испытывающих при трении высокие контактные напряжения, для повышения стойкости режущего и штампового инструмента.
Известны способы повышения износостойкости изделий путем их азотирования, цементации, цианирования [Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник / Борисенок Г.В., Васильев Л.А., Ворошнин Л.Г. и др. - М.: Металлургия, 1981. - 424 с.]. Недостатком этих видов химико-термической обработки является невозможность достижения высокой твердости на поверхности изделий и, как следствие, их высокая износостойкость.
Известен также способ повышения износостойкости изделий за счет осаждения из газовой фазы покрытий на базе нитрида титана [Витязь П.А., Дубровская Г.Н., Кирилюк Л.М. Газофазное осаждение покрытий из нитрида титана. - Минск: Наука и техника, 1983. - 96 с.]. Данное покрытие обладает высокой твердостью, износостойкостью, но имеет и недостатки, связанные с высокой хрупкостью этого покрытия и слабой адгезионной связью покрытия с материалом изделия. Эти явления вызывают растрескивание и выкрашивание покрытий при высоких контактных напряжениях и термоциклировании.
Близким к заявляемому изобретению является способ одновременного двухкомпонентного насыщения поверхностных слоев стальных изделий никелем и медью из среды легкоплавких растворов [А.Г.Соколов, В.П.Артемьев. Повышение эксплуатационных свойств инструмента методами диффузионной металлизации. Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2006]. Нанесение покрытий данным способом осуществляется путем выдержки стального изделия в легкоплавком свинцовом или свинцово-висмутовом расплаве, содержащем в растворенном состоянии никель и медь. В результате выдержки стального изделия в расплаве происходит адсорбция никеля и меди на поверхности изделия, а также их диффузия вглубь изделия. При этом, так как никель и медь не являются карбидообразующими элементами, на поверхности изделия формируется твердорастворное покрытие, содержащее никель, медь, железо, а также легирующие элементы стали, взаимодействующие с диффундирующими элементами покрытия - никелем или медью.
Недостатком покрытий, формирующихся в результате вышеописанного процесса, является то, что получаемые диффузионные покрытия исходно имеют низкую твердость и износостойкость. Повышение твердости и стойкости к износу возникает только лишь в процессе эксплуатации изделий, поэтому в начальный период возможен интенсивный износ покрытия, а также вследствие того, что усилия, действующие на покрытие в процессе эксплуатации, значительно меньше усилий, необходимых для наноструктурирования диффузионного покрытия, невозможно достичь значительного повышения работоспособности изделия. Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ формирования на поверхности стального изделия наноструктурированного слоя (патент RU 2352686 С2 (Дженирал электрик компани, Нью-Йорк Корпорейшин), 20.04.09). Изобретение относится к наноструктурным системам покрытий. Жаропрочная система покрытия содержит пластичную основу из связующего материала и множество твердых наноразмерных керамических частиц, распределенных в пластичной основе из связующего материала. Средний свободный промежуток между множеством твердых наноразмерных керамических частиц имеет величину, находящуюся в диапазоне наноразмеров. Связующая основа содержит, по меньшей мере, один компонент, выбранный из суперсплава, сплава для твердой пайки, многофазного сплава, низкотемпературного сплава, жаропрочного сплава, интерметаллического материала, полупроводникового металла, керамического материала и сплава с памятью формы. Множество наноразмерных керамических частиц содержит, по меньшей мере, один компонент, выбранный из керамического оксида, керамического карбида, керамического нитрида, керамического борида, силицида металла, керамического оксикарбида, керамического оксинитрида и углерода. Предпочтительное содержание керамической фазы в объемных процентах находится в диапазоне от приблизительно 10% до приблизительно 95%, и размер наноразмерных керамических частиц находится в интервале от приблизительно 5 нм до приблизительно 200 нм, обеспечивая средний свободный промежуток в интервале от приблизительно 200 нм или менее, более предпочтительно - в интервале от приблизительно 100 нм или менее. Получают наноструктурные системы покрытий, обеспечивающие достижение повышенной эрозионной стойкости, коррозионной стойкости, стойкости к разрушению при ударе твердыми частицами и кавитационной стойкости при сравнительно низких температурах.
Системы покрытий по настоящему изобретению осаждают на компоненте посредством термического напыления, нанесения гальванических композиционных покрытий (осаждения покрытия электрохимическим методом или химическим путем (методом химического восстановления)), нанесения композиционного покрытия натиранием, электронно-лучевого - физического осаждения из паровой фазы, формования напылением, механического легирования с последующей спрессовкой порошков, смешивания с твердым припоем и нанесения посредством процесса пайки твердым припоем, напыления и оплавления, лазерного переплава или любого другого традиционного способа.
Недостатком покрытий, формирующихся в результате вышеописанного способа, является то, что технологически сложно добиться равномерного распределения наноразмерных частиц по покрытию, а это вызывает неоднородность свойств в покрытии. Перечисленные в патенте технологии осаждения покрытий также не обеспечивают равномерного распределения наночастиц в покрытии, и большая часть из технологий осаждения покрытий не дает прочной связи покрытия с материалом основы, что также снижает эффективность получаемых покрытий. Кроме этого, технология прототипа подразумевает наличие отдельных, трудно объединяемых на одном производстве технологии получения керамических наноразмерных порошков и технологии нанесения покрытий.
Задачей данного изобретения является создание на поверхности однородных диффузионно-легированных наноструктурированных слоев (покрытий), обладающих высокой совместимостью с основным материалом изделий, а также коррозионной стойкостью, жаростойкостью, износостойкостью и др. физико-механическими особыми свойствами.
Техническим результатом является значительное повышение работоспособности стальных изделий в тяжелых условиях эксплуатации: при действии высоких контактных напряжений, износа, воздействия агрессивных рабочих сред.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемом способе формирования на поверхности стального изделия наноструктурированного слоя, отличающемся тем, что на поверхности стального изделия наносят покрытие путем диффузионного насыщения никелем и медью, а затем осуществляют упрочняющую термическую обработку изделия путем закалки с температуры диффузионного насыщения и отпуска и подвергают покрытие поверхностному пластическому деформированию обкаткой или дробеструйной обработкой при величине контактных напряжений в зоне деформации 3500…8000 МПа.
Благодаря совмещению технологий диффузионной металлизации, упрочняющей термической обработки (закалки, отпуска) и пластического деформирования покрытий на поверхности изделий происходит образование диффузионных наноструктурированных покрытий, что, в конечном итоге, приводит к приобретению поверхностными слоями новых свойств, таких как высокая износостойкость, стойкость к адгезионному схватыванию с контактируемым изделием, а также особых физико-химических свойств: коррозионная стойкость, стойкость к коррозионному растрескиванию, жаростойкость и др. Образование наноструктуры в покрытии происходит вследствие пластического деформирования обкаткой или дробеструйной обработкой тонкого, исходно пластичного никель-медного покрытия на твердой подложке, каковой является упрочненная закалкой и отпуском основа изделия. Пластическое деформирование никель-медного покрытия на твердой подложке (основе изделия) приводит к дроблению исходно столбчатых зерен покрытий с образованием субструктур размером 10-15 нм. Таким образом, наноструктурированное покрытие обеспечивает ему и изделию в целом высокую работоспособность в парах трения, а также стойкость при работе в агрессивных средах.
Способ осуществляется следующим образом.
Пример 1. Пластинчатые образцы толщиной 10 мм, изготовленные из стали Х12МФ, подвергались диффузионному насыщению никелем и медью путем погружения и выдержки их в легкоплавком растворе, состоящем из сплава свинца с добавкой 0,75% лития, 3% никеля и 10% меди. Температура насыщения составляет 1050°С, продолжительность выдержки 2 часа. В результате диффузионного насыщения на поверхности осей сформировались диффузионные никель-медные покрытия толщиной 25 мкм. Микротвердость покрытия составила 2000 МПа.
э
После насыщения образцы подвергались закалке с температуры диффузионной металлизации в среде аргона. После полного охлаждения образцы подвергались отпуску при температуре 480°С. В результате термической обработки твердость основы образцов составила 58…59 HRC.
Далее покрытые образцы подвергались пластическому деформированию путем вдавливания в поверхность образца цилиндрического ролика. Контактные напряжения в зоне деформации составили 3500 МПа. В результате пластического деформирования на твердой подложке, каковой является основа образца, произошла фрагментация зерен покрытия с образованием ячеистой структуры размером 15…20 нм. Микротвердость покрытия повысилась до 6000 МПа.
Пример 2. Опорные оси дисковых ножей, применяемых для перфорации нефтяных скважин, изготовленные из стали 4Х5МФС, подвергались диффузионному насыщению никелем и медью из среды легкоплавких жидкометаллических растворов.
Диффузионное насыщение осей осуществлялось путем погружения и выдержки их в легкоплавком растворе, состоящем из сплава свинца с добавкой 0,75% лития, 3% никеля и 10% меди. Температура насыщения составляла 1050°С, продолжительность выдержки 2 часа. В результате диффузионного насыщения на поверхности осей сформировались диффузионные никель-медные покрытия толщиной 25 мкм.
э
µ
После диффузионного насыщения оси подвергались термической обработке - закалке с температуры диффузионного насыщения и отпуску при температуре 400°С. Твердость осей после термической обработки составила 56…57 HRC. Микротвердость покрытий Н равнялась 1800 МПа.
На последней стадии покрытые и термически упрочненные оси подвергались на токарном станке обкатке шариком диаметром 1,6 мм. Контактные напряжения, возникающие при обкатке, составили 5000 МПа. В результате деформирования в покрытии произошла фрагментация зерен покрытия. Микротвердость покрытия повысилась до 8500 МПа, т.е. покрытие приобрело высокую твердость и износостойкость.
Таком образом, предложенный способ, включающий проведение упрочняющей термообработки после диффузионного насыщения поверхности стальных изделий с последующим пластическим деформированием диффузионного покрытия, позволяет получить высокую износостойкость стальных изделий, испытывающих в процессе эксплуатации механические нагрузки, а также коррозионную стойкость при воздействии агрессивных рабочих сред.