Способ поверхностного упрочнения изделий из порошков на основе железа

 

Использование: в машиностроении для повышения эксплуатационных свойств порошковых изделий. Сущность изобретения: изделия из порошков на основе железа пропитывают в вакууме в растворе, содержащем 46-52% кубовых остатков производства а-пирролиддона, 24-28% карбамида и 20-30 % воды, и осуществляют их виброгалтовку , после чего изделия размещают в термической печи, где проводят в течение 1-2 ч их диффузионное насыщение при 580- 620°С в атмосфере, создаваемой пиролизом азотсодержащего карбюризатора, содержащего 30-40% карбамида и 60-70% кубовых остатков производства «-пирролиддона. При таком способе поверхностного упрочнения повышается износостойкость изделий, их ударная вязкость и коррозионная стойкость. 3 :абл. сл С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4814524/02 (22) 16.04,90 (46) 15.05,92. Бюл, ¹ 18 (71) Научно-и роизводствен ное объединение по технологии машиностроения для животноводства и кормопроизводства "РостНИИТМ" (72) М.С.Степанов, С.Н.Сильнягин, П.К,Григоров, Б.М.Фиштейн, Ю.И.Пустовойт, В.Т;Сиволобов и Б.А,Голод (53) 621.762.8:621.79 (088.8) (56) Химико-термическая обработка металлокерамических материалов / Под ред.

О.В.Романа. Минск; Наука и техника, 1977, с. 167.

Криулин А.В., Сыров К.Ю. Газовое сульфоцианирование в атмосфере продуктов пиролиза карбамида и серы, МИТОМ, 1982, ¹

4, с, 21 — 25.

Изобретение относится к металлургии, в частности к поверхностному упрочнению порошковых изделий химико-термической обработкой, и может быть использовано в машиностроении для повышения эксплуатационных свойств порошковых изделий на основе железа.

Известен способ обработки порошковых изделий, заключающийся в выдержке их в насыщающей атмосфере, содержащей азот- и углеродсодержащий газы, как п равило, аммиак с добавкой природного газа.

Недостатком данного способа обработки является необходимость непрерывной подачи извне в печь насыщающей атмосферы, в связи с чем испол зуют баллонное

„„. Ж„„1733198 А1 (5 )5 В 22 F 3/24, С 23 С 8/32 (54) СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОРОШКОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА (57) Использование: в машиностроении для повышения эксплуатационных свойств порошковых изделий, Сущность изобретения; изделия из порошков на основе железа пропитывают в вакууме в растворе, содержащем 46 — 52 кубовых остатков производства а-пирролиддона, 24 — 28% карбамида и 20 — 30 воды, и осуществляют их виброгалтовку, после чего изделия размещают в термической печи, где проводят в течение

1 — 2 ч их диффузионное насыщение при 580—

620 С в атмосфере, создаваемой пиролизом азотсодержащего карбюризатора, содержащего 30 — 40% карбамида и 60 — 70% кубовых остатков производства а-пирролиддона, При таком способе поверхностногоупрочнения повышается износостойкость изделий, их ударная вязкость и коррозионная стойкость, 3:абл. хранение соответствующих газов, системы соединений, смесители, что усложняет технологию ведения процесса.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ обработки, предусматривающий помещение деталей в термическую печь, обладающую возможностью герметизации, при 580 — 620 С, выдержку деталей в насыщающей атмосфере, создаваемой непосредственно в печи с помощью пиролиза азотсодержащего вещества, равномерно подаваемого,в печь, и извлечение деталей из печи.

Данный способ обработки позволяет избежать необходимость непрерывной под1733198 ани извне в печь насыщенной атмосферы вследствие ее создания непосредственно в печи.

Однако при его применении для диффузионного насыщения порошковых изделий на поверхности пор материала происходит образование окислов, характеризующихся повышенной хрупкостью, что приводит к снижению износостойкости обрабатываемых изделий.

Образование окислов объясняется воздействием на металл кислорода воздуха, содержащего в порах изделия до начала проведения процесса обработки. Данный способ обработки не устраняет проникновение насыщающей среды по порам в глубь материала, что приводит к насыщению основы азотом, в свою очередь способствующим образованию нитридных фаз по всему объему и, соответственно, уменьшению ударной вязкости изделия в целом, Кроме того, наличие открытой пористости, т.е. низкая плотность поверхности обработанных изделий, способствует снижению их коррозионной стойкости, особенно в условиях воздействия внешней агрессивной среды, в частности воздействию атмосферы. . Цель изобретения — повышение износостойкости, ударной вязкости и коррозионной стойкости порошковых изделий, Указанная цель достигается тем, что согласно способу поверхностного упрочнения изделий из порошков на,основе железа, включающему размещение изделий в термической печи, диффузионное насыщение их при 580 — 620 С в атмосфере, создаваемой в печи пиролизом азотсодержащего карбюризатора, равномерно подаваемого B печь, и извлечение изделий из печи, перед размещением изделий в термической печи осуществляют их вакуумную пропитку в растворе, содержащем 46 — 52 кубовых остатков производства а-пирролиддона,24-28 карбамида и 20 — 30 воды, и виброгалтовку, а диффузионное насыщение проводят в течение 1 — 2 ч, при этом азотсодержащий карбюризатор содержит карбамид и кубовые остатки производства а-пирролиддона при следующем соотношении компонентов, мас. :

Карбамидл 30-40

Кубовые остатки производства а-пирролиддона 60 — 70

Пропитка порошковых изделий водным раствором карбюризатора, содержащего

24 — 28 карбамида, 46-52 кубовых остатков производства а-пирролиддона и 20—

30 воды, проводимая на первой стадии

10

Пример. Образцы размером 10х10х55 мм, изготовленные из порошкового матери50 ала ЖГр1 плотностью 6,8 г/см, подвергали з вакуумной пропитке в течение 20 мин в карбюризаторе, содержащем 50 кубовых остатков производства а-пирролиддона, 25 > карбамида и 25 воды, затем подвергали

55 вйброгалтовке с помощью виброгалтовочной установки УГВ-2х60 в течение 1 ч с последующей химико-термической обработкой в продуктах пиролиза карбюризатора, содержащего 35 карбамида и 65

45 процесса обработки, способствует вытеснению атмосферного воздуха из пор материала и заполнению их пропитывающей жидкостью

На второй стадии процесса осуществляют виброгалтовку изделий, что позволяет резко уменьшить и практически свести к минимуму количество открытых пор на поверхности изделий. При химико-термической обработке, . заключающейся в изотермической выдержке изделий в азот- и углеродсодержащей атмосфере, создаваемой непосредственно в печи при пиролизе жидкого карбюризатора, происходят следующие процессы. Вследствие закрытия поверхностных пор проникновение насыщающей атмосферы по порам в глубь изделия практически исключено, что в значительной степени увеличивает долю объемной диффузии в общем диффузионном потоке и способствует формированию равномерного по толщине диффузионного слоя, в то время как основа материала воздействию насыщающей атмосферы не подвергается и поэтому сохраняет исходный уровень вязкости, В то же время в объеме материала происходит пиролиз пропитывающей жидкости, находящейся в порах, при этом наличие в ее составе воды способствует повышению жидкотекучести и заполнению максимального числа пор, а также приводит при пиролизе пропитывающей жидкости к образованию на поверхности пор коррозионно-стойкой оксикарбонитридной пленки. Толщина этой пленки незначительна, так как вследствие локальности рассматриваемого объема и невозможности проникновения насыщающей атмосферы из внешней среды на ее образование расходуется только та жидкость, которая была в данной поре до начала проведения процесса ХТО, Вследствие незначительности толщины образующейся пленки она не оказывает влияния на механические свойства изделия в целом, но существенно повышает его коррозионную стойкость.

1733198 кубовых остатков производства а-пирролиддона при 580 С в течение 1 ч.

Результаты насыщения оценивали по микроструктуре, фазовому составу, износостойкости; ударной вязкости упрочненных образцов. При этом использовали металлографический микроскоп МИМ-8, рентгеновский дифрактометр ДРОН-ЗМ, машину трения МИ-1М. Герметичность обработанных образцов проверялась на специально изготовленном стенде, при этом наличие герметичности считалось установленным, если при давлении масла 20 атм не наблюдалось его проникновения сквозь образец.

Аналогичным образом были обработаны образцы с использованием 5 различных составов для пропитки, а также подвергнут диффузионному насыщению образец в соответствии со способом обработки, описанном в прототипе, после чего проводился сравнительный анализ свойств образцов.

Результаты сравнительных испытаний представлены в табл. 1 и 2.

Определение оптимального состава пропитывающей жидкости показано в табл.

1.

Из табл. 1 следует, что оптимальной является пропитка порошковых изделий в составе, содержащем 24 — 28 карбамида, 46 — 52 кубовых остатков производства апирролиддона и 20 — 30 воды. При содержании воды менее 20, а карбамида и кубовых остатков соответственно более

28 и 52 наблюдается недостаточная степень заполнения пор пропитывающим составом, что приводит к низкой коррозионной стойкости обработанных изделий, При содержании воды более 20, а карбамида и кубовых остатков соответственно менее

24 и 46 количество азотсодержащих компонентов недостаточно для формирования оксинитридной пленки на поверхности пор, что также приводит к снижению коррозионной стойкости.

Определение оптимальной продолжительности диффузионного насыщения показано в табл. 2.

При изучении процесса диффузионного насыщения установлено, что для выбранного состава пропитывающей жидкости наиболее целесообразна его продолжительность в течение 1 — 2 ч.

При продолжительности процесса менее 1 ч насыщение поверхности изделия недостаточно и не приводит к существенному повышению износостойкости, а при продолжительности процесса более 2 ч вследствие пересыщения азотом в диффузионном слое наблюдается появление высо5

15 коазотистой ефазы, обладающей повышенной хрупкостью, что приводит к снижению износостой кости обработанных изделий, а также существенному снижению ударной вязкости, Однако наблюдаемые значения ударной вязкости превышают значения ударной вязкости для образцов, обработанных по способу-прототипу.

Результаты экспериментов по определению состава карбюризатора для проведения процесса диффузионного насыщения приведены в табл. 3.

Как следует из табл. 3, наиболее рациональным является содержание карбамида в составе карбюризатора в количестве 3040, кубовых остатков производства апирролиддона 60 — 70 .

При содержании в карбюризаторе кубовых остатков производства а-пирролиддона менее 60 и, соответственно, карбамида

20 более 40 в составе присутствуют нерастворимые компоненты, в диффузионном слое наблюдается я-фаза, расположенная по границам зерен. При концентрации кубовых остатков более. 70 и соответственно кар25 бамида менее 30 в диффузионном слое образуется главным образом y -фаза, расположенная в объеме зерен. Содержание кубовых остатков производства а-пирролиддона менее 60 хоть и обеспечивает повышенную микротвердость, приводит к его повышенной хрупкости, что обусловливает пониженную износостойкость по сравнению с слоями, полученными при более высоком содержании в карбюризаторе кубовых остатков. B то же время при содержании кубовых остатков в составе карбюризатора более 70 происходит такое существенное снижение азотного потенциала атмосферы, что оно не обеспечивает необходимого насыщения материала азотом, Это приводит к понижению микротвердости диффузионного слоя и износостойкости упрочненных изделий.

Анализ приведенных данных позволяет сделать вывод о том, что предлагаемый способ обработки обладает необходимой технологичностью, а упрочненные изделия отличаются повышенной износостойкостью, коррозионной стойкостью и ударной вязкостью при наличии их герметичности.

Использование способа позволит существенно повысить износостойкость, коррозионную стойкость и ударную вязкость порошковых изделий при обеспечении их герметичности.

Формула изобретения

Способ поверхностного упрочнения изделий из порошков на основе железа, вклю1733198 чающий размещение изделий в термической печи, диффузионное насыщение их при

580 — 620 С в атмосфере, создаваемой в печи пиролизом азотсодержащего карбюризатора, равномерно подаваемого в печь, и извлечение изделий из печи, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с цел-ью повышения изностойкости, ударной вязкости и коррозионной стойкости, перед размещением изделий в термической печи осуществляют их вакуумную пропитку в растворе, содержащем 46 — 52о кубовых остатков производстТаблица 1

П р и м е ч а н и е. Коррозионная стойкость образца, обработанного по известному способу (прототипу), принята за 1.

Таблица 2

Продолжительность процесса диффузионного насы щения, ч

Номер состава в соответствии стабл. 1

Показатель

1,0

0,5

1,5

2,0

2,5 а+у а+у а+g а+у а+у а+ у а+у+4 а + y"4-E. а+у С а+у а+у а+у а+у а+у а+у

Фазовый состав диффузионного слоя

1,64

1,62

1,58

1,78

1,72

1,70

1,87

1,88

1,80

1,94

1,92

1,90

1,44

1,42

1,40

1,0

1,02

1,04

1,20

1,25

1,30

1,10

1.15

1,18

0,9

0,92

0,94

0,6

0,62

0,64

П р и м е ч а н и е. Герметичность образцов отмечалась при всех режимах обработки.

Оптимальная износостойкость по сравнению с прототипом, принятая за 1

Ударная вязкость, кГм/см (способ по прототипу; ан = 0,5 кГм/см ) ва а-пирролиддона, 24 — 28 карбамида и

20 — 30о воды, и виброгалтовку, а диффузионное насыщение проводят в течение 1 — 2 ч, при этом азотсодержащий карбюризатор

5 содержит карбамид и кубовые остатки производства а-пирролиддона при следующем соотношении компонентов, мас, :

Карбамид 30-40

10 Кубовые остатки производства а-пирролиддона 60 — 70

1733198

Таблица 3

Показатель

Со е жание, мас.

Карбамид

Кубовые остатки производства а-пирролидона

Однородность раствора

30

40

70

Однородный

Присутствуют нерастворимые компоненты

Частично ефаза по границам зерен, у -фаз в объеме зерен, в незначительном кол-ве

Рез04, Ре20з

Однородный

Однородный

Однородный у -фаза» в объеме зерен, в неначител ьном кол-ве

Рез04, Ре20з

То же

То же

То же

Фазовый состав диффузионного слоя

Балл хрупкости азотированного слоя по шкале

ВИАМ

Микротвердость диффузионного слоя, МПа

Относительная износостойкость

5200

5200

4900

5200

5500

1,18

1,08

0,87

1,21

1,0

15

Составитель Г.Загорская

Редактор M.Áàíäóðà Техред М.Моргентал Корректор О.Кравцова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1626 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5