Способ цианирования стальных или титановых изделий
Владельцы патента RU 2349432:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет-УПИ" (RU)
Изобретение относится к области черной металлургии и машиностроению, а именно к способам цианирования стальных или титановых изделий. Способ включает нанесение на рабочую поверхность изделия диффузионных слоев, содержащих углерод и азот. Нанесение диффузионных слоев осуществляют электроэрозионным легированием графитовым электродом, охлаждаемым газообразным азотом. Технический результат - повышение микротвердости и износостойкости получаемых слоев. 1 табл.
Предлагаемое изобретение относится к области черной металлургии и машиностроению, в частности к упрочнению деталей и изделий методом диффузионного цианирования.
Известен способ твердого цианирования с применением смеси следующего состава: 60-70% древесного угля и 30-40% желтой кровяной соли. Интенсивная диссоциация цианистых солей начинается в твердом состоянии при 540-560°С (Геллер Ю.А. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1975, с.489-490). Недостатком данного процесса является дороговизна азотсодержащего компонента - желтой кровяной соли, а также его токсичность.
Известен способ цианирования с применением смеси следующего состава: 70% желтой кровяной соли, 20% сажи, 5% мела и 5% соды. Интенсивная диссоциация цианистых солей начинается при расплавлении при температуре 650°С (Долженков В.Н. Цианирование улучшаемых сталей в пастах. Курск, ГТУ, 2001, 127 с.). Недостатком данного процесса является дороговизна азотсодержащего компонента - желтой кровяной соли, его токсичность, а также относительно высокая температура процесса по сравнению с другими низкотемпературными процессами.
Известен способ упрочнения стальных деталей, включающий высокотемпературную нитроцементацию с выдержкой в начале при 800-900°С, а затем при 940-960°С с последующим отпуском при 630±10°С, а закалку и отпуск по принятым режимам (Геллер Ю.А. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1975, с.493-514).
Однако известный способ характеризуется длительностью процесса нитроцеминтации и недостаточной глубиной упрочняемого слоя. Кроме того, применение известного способа не обеспечивает требуемого распределения твердости.
Известен состав обмазки для твердого цианирования стальных изделий, включающий в себя 50-55 мас.ч. карбамида и 50-45 мас.ч. сажи (а.с. №2250930, кл. С23С 8/76, опубл. 27.04.2005).
Известен состав водной пасты, наносимый на поверхность цемтуемых деталей в способе упрочнения, содержащий карбоксиметилцеллюлозу и мочевину (а.с. 1164290, кл. С21D 1/78, С23С 8/76, опубл. 30.06.1985).
Недостатки состава данных смесей в неудовлетворительной укрывистости поверхности, слабой и нестабильной адгезии к поверхности, высокой окисляющей способности и нетехнологичности применительно к деталям сложной геометрической формы и низких свойствах поверхностного слоя.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ химико-термической обработки самонарезов, преимущественно мелкорезьбовых из углеродистых сталей, применяемых для сборки холодильников, включающий нитроцементацию в составе, содержащем карбамид и перлит вулканический, закалку от температуры нитроцементации и отпуск, согласно изобретения нитроцементацию проводят при 900-910°С в составе, дополнительно содержащем трилон Б и полиэтилен при их соотношении с карбамидом и перлитом вулканическим 1:4:10:1, а отпуск закаленных деталей проводят в вакууме 10-1 мм рт.ст. в течение 45-60 мин, при этом полиэтилен используют в виде мешочком для укладки деталей в состав для нитроцементации (патент № 2015198, С23С 8/32, опубл. 30.06.1994).
Недостатком известного решения является невысокая глубина диффузионного упрочняющего слоя, а также его недостаточная твердость.
Общим недостатком всех известных составов смесей, используемых при способе цианирования и нитроцементации деталей из легированных сталей и титановых сплавов, является высокая токсичность процессов, использование дорогостоящих компонентов, относительно высокая температура процесса по сравнению с другими низкотемпературными процессами (от 550 до 900°С), невысокая глубина упрочняемого слоя (0,05-0,17 мм), а также нестабильность свойств формирующихся диффузионных слоев.
Технической задачей изобретения является разработка нового более эффективного, экологически чистого и более производительного процесса цианирования стальных деталей и изделий.
Техническим результатом предлагаемого решения является получение упрочняющих диффузионных слоев, обладающих высокой микротвердостью и износостойкостью.
Технический результат достигается тем, что в способе цианирования стальных или титановых изделий, включающий нанесение на рабочую поверхность изделия диффузионных слоев, содержащих углерод и азот, согласно изобретения нанесение диффузионных слоев осуществляют электроэрозионным легированием графитовым электродом, охлаждаемым азотом.
Для достижения технического результата в промышленных масштабах предлагаются методы упрочнения концентрированными потоками энергии, в том числе с использованием электрических разрядов.
Наиболее простым при этом является способ электроэрозионного легирования.
Электроэрозионное легирование особенно эффективно для повышения износостойкости изделий из дорогостоящих легированных сталей и титановых сплавов.
Для осуществления предлагаемого технического решения обрабатываемое изделие подвергают электроэрозионной обработке известными способами. В зависимости от исходных физико-химических свойств обрабатываемой поверхности устанавливают режимы обработки и вид легирующего материала - электрода (см. Иванов Г.П. Технология электроискрового упрочнения инструментов и деталей. Машиздат. 1961 г.).
Сущность предлагаемого способа заключается в применении в качестве легирующего электрода графита, охлаждаемого охладителем в виде газообразного азота.
При этом происходит насыщение поверхности изделия углеродом путем массопереноса с анода (электрод) на катод (изделие), а в струе азота в зоне искры происходит ионизация N2 - 2N+, атомарный азот растворяется в поверхностном слое металла.
Поскольку в зоне контакта графитового электрода с металлом создается высокая (до 3000°С) температура, то до момента остывания (за счет отвода внутрь металла) успевает осуществляться диффузия атомов как углерода, так и азота на глубину до 0,1 мм, образуя слой повышенной твердости за счет карбонитридного упрочнения.
В момент соприкосновения электрода с деталью возникают большие токи короткого замыкания и электрод начинает греться, и, если не производить охлаждение, то электрод может раскалиться и будет происходить налипание капелек материала электрода на обрабатываемую поверхность.
Кроме того, происходит окисление нагретого электрода за счет взаимодействия с кислородом воздуха, что приводит к быстрому износу электрода.
Для устранения этого недостатка предлагается производить охлаждение электрода охладителем. В качестве охладителя используют азот, который подают к электроду через специальное сопло.
Пример
Исследования режимов электроэрозионного легирования проводили на режущем инструменте из быстрорежущих марок сталей с применением твердосплавных электродов типа ВК6, ВК8, ВК15, Т15К6, а также Cr, Ni, сормайт, графит.
Опытное опробование упрочненных деталей показало, что наилучший эффект упрочнения режущего инструмента по чистоте поверхности деталей и достигнутой твердости был достигнут при нанесении упрочняющего покрытия графитовым электродом с охлаждением электрода газообразным азотом.
Электроискровое легирование режущего инструмента проводили при следующих параметрах:
| - технологический ток, А | - 100 |
| - напряжение холостого хода, В | - 120 |
| - емкость конденсаторов, мкФ. | - 950 |
| - охлаждение электрода | - азот |
| - твердость материала инструмента, HRC | - 48 |
| - твердость материала 1-го слоя, HRC | - 56 |
| - твердость материала 2-го слоя, HRC | - 65 |
| - толщина 2-х слойного покрытия, мм | - 0,20 |
Стойкостные испытания режущего инструмента проводили при продольном точении заготовок из стали 30ХГСА на токарном станке. Режущие пластины устанавливались и закреплялись в державках. Режимы резания были следующими: скорость резания V=60 м/мин, подача S=0,3 мм/об., глубина резания t=0,75 мм. В качестве СОЖ применяли 5% водный раствор эмульсола Укринол - 1M. За критерий износа была принята величина фаски износа по задней поверхности h=0,4 мм. Эффективность режущего инструмента определяли по величине коэффициента повышения стойкости, определяемого как отношение стойкости инструмента с покрытием к стойкости инструмента с покрытием по методу способа-прототипа и к стойкости инструмента без упрочнения. При нанесении упрочняющих покрытий в зону контакта электрода с инструментом через специальное сопло подавали газообразный азот.
Микроисследованиями установили, что вся поверхность имела равномерное электроэрозионное покрытие, между отдельными участками разрывов не наблюдалось.
Данные по износостойкости приведены в таблице.
| Способ упрочнения | Легирующий материал | Время работы инструмента, мин. | Коэффициент износостойкости |
| 2-х слойное электроэрозионное | графитовый электрод с газообразным N2 | 325 | 2,16 |
| 2-х слойное электроэрозионное | ВК6 - верхний слой, Ni-Cr - нижний слой (обдув - газообразный азот) | 340 | 2,26 |
| обмазка для цементации (по прототипу) | смесь, указанная в прототипе, в т.ч. графит и мочевина | 210 | 1,40 |
| однослойное электроэрозионное покрытие | ВК6 | 240 | 1,60 |
| контольные без упрочнения | - | 150 | 1,00 |
Как видно из приведенных в таблице данных, коэффициент износостойкости инструмента, обработанного по предлагаемому техническому решению выше в 2,16-2,26 раза в сравнении с обычным термозакаленным инструментом и в 1,5-1,6 раза выше обработанных по способу-прототипу.
В результате электроэрозионной обработки на рабочей поверхности изделий был сформирован износостойкий диффузионный карбонитридный слой.
Предлагаемое техническое решение позволяет существенно повысить износостойкость и жаропрочность изделий из дорогостоящих легированных сталей и титановых сплавов, что существенно повышает эффективность применения изделий из этих материалов.
Таким образом заявляемое техническое решение полностью выполняет поставленную задачу.
Достоинством данного технического решения является:
- высокая прочность сцепления нанесенного материала электрода с инструментальной основой за счет взаимного диффузионного механического перемешивания;
- возможность локального нанесения покрытия без специальной защиты остальной поверхности;
- отсутствие изменений физико-механических свойств деталей;
- возможность использования взамен традиционного энергозатратного химико-термического процесса цианирования;
- экологическая чистота в сравнении с химико-термическим цианированием.
Способ цианирования стальных или титановых изделий, включающий нанесение на рабочую поверхность изделия диффузионных слоев, содержащих углерод и азот, отличающийся тем, что нанесение диффузионных слоев осуществляют электроэрозионным легированием графитовым электродом, охлаждаемым газообразным азотом.
