Способ поверхностного упрочнения металлических изделий
Владельцы патента RU 2482203:
Открытое акционерное общество "Красноярский завод цветных металлов имени В.Н. Гулидова" (ОАО "Красцветмет") (RU)
Изобретение относится к области металлургии благородных металлов, в частности к производству различных изделий из платины и сплавов на основе платины, преимущественно к изготовлению ювелирных изделий, монет, медалей, значков. Изделия из платины или сплавов на основе платины подвергают химико-термической обработке в среде углеродсодержащего материала, при этом химико-термическую обработку ведут при температуре 1050°C-1400°C. Способ позволяет обеспечить поверхностное упрочнение ювелирных изделий из платины или сплавов на основе платины и повысить их износостойкость без снижения пробности и ухудшения внешнего вида. 2 пр., 4 табл.
Изобретение относится к области металлургии благородных металлов, в частности к производству различных изделий из платины и сплавов на основе платины, преимущественно к изготовлению ювелирных изделий, монет, медалей, значков.
Платина и сплавы на основе платины широко используются в ювелирном производстве благодаря высоким потребительским качествам. Они имеют красивый внешний вид, коррозионную устойчивость к воздействию внешних факторов, прекрасно сочетаются с драгоценными камнями, хорошо обрабатываются.
Наибольшим спросом в России и на мировом рынке пользуются высокопробные ювелирные платиновые изделия, в частности изделия 990 и 950 проб.
Основным общеизвестным недостатком платины и ее высокопробных сплавов, а также высокопробных сплавов золота, при их использовании для изготовления ювелирных изделий, является низкая износостойкость готовых изделий вследствие их недостаточной прочности и твердости. Использование различных добавок в составе ювелирных сплавов позволяет в некоторой степени улучшить механические свойства изделий, однако для высокопробных сплавов платины и золота проблема увеличения прочности и твердости изделий остается актуальной.
Известен способ повышения твердости и прочности ювелирных изделий, изготовленных из сплавов на основе золота [см. Э.Бреполь. Теория и практика ювелирного дела. Изд. 3-е. Пер. с нем. Л., Машиностроение 1977. - 384 с. (стр.136-142)]. Этот способ связан с созданием условий для распада пересыщенных твердых растворов, когда в процессе термообработки из закаленного сплава (пересыщенного твердого раствора) выделяется в форме дисперсной фазы компонент, ранее находившийся в растворенном состоянии. Так как дисперсионные частички фазы, выделяемой из закаленного твердого раствора, вызывают повышение прочности и твердости металлических изделий, то такой процесс называют «дисперсионным твердением» или «искусственным старением». Данный способ может быть принят в качестве аналога и широко применяется для упрочнения ювелирных изделий из сплавов на основе золота, что позволяет использовать в изделиях меньшую толщину драгоценного металла и обеспечивает его экономию. Термообработку ювелирных изделий из сплавов золота ведут при температурах от 600°С до 800°С.
Недостатком способа-аналога является его ограниченная применимость - он не может быть использован для изделий из платины и высокопробных сплавов на ее основе, как не склонных к образованию пересыщенных растворов.
Повышение износостойкости металлических изделий является весьма актуальной проблемой во многих областях промышленности и зачастую обеспечивается путем упрочнения поверхностных слоев различных деталей. Известны различные методы упрочнения поверхностного слоя металлических изделий: механические, физические, гальванические, термомеханические, термические, химико-термические [Бернштейн М.Л., Займовский В.А., Кануткина Л.М. Термомеханическая обработка стали. - М., Металлургия, 1983. - 479 с.].
Из уровня техники известен способ поверхностного упрочнения металлических изделий, заключающийся в их химико-термической обработке в среде углеродсодержащего материала - т.н. процесс «цементации» поверхности. Химико-термическая обработка заключается в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя металла.
Процесс химико-термической обработки (цементации поверхности) заключается в высокотемпературном насыщении поверхностного слоя углеродом и используется для поверхностного упрочнения стальных и чугунных изделий. Цементация применяется в основном для низкоуглеродистых сталей типа Ст2, Ст3, 08, 10, 15, 20, 15Х, 20Х, 20ХНМ и др., однако в ряде случаев может быть использована при обработке шарикоподшипников - стали ШХ15, 7X3 и коррозионно-стойких сталей типа 10X13, 20X13 и т.д. Процесс цементации осуществляется в интервале температур 930-950°С. Структура поверхностного слоя цементованного изделия представляет собой структуру заэвтектоидной стали (перлит и цементит вторичный), поэтому для придания стали окончательных эксплуатационных свойств после процесса цементации необходимо выполнить режим термической обработки, состоящий в закалке и низком отпуске. Закалка обычно проводится с температуры цементации непосредственно после завершения процесса химико-термической обработки. После закалки следует отпуск при температурах 160-180°С. Цементация производится в углеродсодержащих твердых, жидких или газообразных средах, называемых карбюризаторами.
При твердофазной химико-термической обработке металлические изделия упаковывают в цементационные емкости, которые загружают в печь, нагретую до температур 600-700°С, и нагревают до температуры цементации - 930-950°С. По окончании процесса цементации емкости вынимают из печи и охлаждение изделий ведут внутри емкостей на воздухе [Металлы и сплавы. Справочник. - СПб.: АНО НПО «Профессионал», АНО НПО «Мир и Семья», 2003. - 1090 с. Раздел 9. - Упрочнение поверхности стальных деталей. Автор - Ермаков Б.С. стр.470-472].
Данный способ по своей физико-технической сущности наиболее близок к заявляемому способу и может быть принят за прототип.
Способ-прототип относительно прост, может быть реализован на стандартном печном оборудовании и широко применяется как в условиях мелкосерийного производства, так и на крупных предприятиях для поверхностного упрочнения стальных и чугунных изделий.
Недостаток способа-прототипа состоит в том, что для поверхностного упрочнения изделий из цветных металлов, в частности изделий из платины и сплавов на основе платины, данный способ не может быть использован, так как при температурах 930-950°С взаимодействия платины с углеродом практически не наблюдается и поверхностного упрочнения не происходит.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является разработка способа, позволяющего обеспечить поверхностное упрочнение ювелирных изделий из платины и (или) сплавов на основе платины и повысить тем самым их износостойкость без снижения пробности и ухудшения внешнего вида.
Технический результат достигается тем, что химико-термической обработке в среде углеродсодержащего материала подвергают ювелирные изделия из платины и (или) сплавов на основе платины, а химико-термическую обработку ведут при температуре 1050°С-1400°С.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что термообработка изделий из платины и (или) сплавов на основе платины, находящихся в среде углеродсодержащего материала, например в среде порошка графита, вызывает диффузионное растворение атомов углерода в поверхностном слое изделия и образование устойчивого соединения - карбида платины Pt7C, обладающего повышенной твердостью. В результате такой химико-термической обработки изделий из платины и ее сплавов становится возможным сформировать на поверхности изделий тонкий слой, повышающий их поверхностную твердость и износостойкость. Заявляемый температурный режим термообработки ювелирных изделий из платины и сплавов на ее основе был подобран экспериментальным путем и является оптимальным. Температура ниже 1050°С является нежелательной, так как диффузия углерода и формирование упрочняющего слоя на платиновых изделиях при таких условиях протекают чрезвычайно медленно и требуют весьма длительной обработки. Вместе с тем превышение температуры термообработки выше 1400°С также нецелесообразно, так как излишне активно протекающая диффузия углерода в этом случае приводит к его глубокому проникновению в объем изделия, что приводит к образованию «толстых» поверхностных пленок, повышает хрупкость ювелирных изделий и чревато ухудшением их внешнего вида, а также снижением пробности.
Таким образом, заявляемый способ позволяет обеспечить упрочнение поверхностного слоя ювелирных изделий из платины и сплавов на основе платины без ухудшения внешнего вида и снижения пробности.
Примеры использования
Пример 1
Для упрочнения поверхностного слоя взяли два образца-полуфабриката в виде готовых ювелирных колец из платинового сплава PtCu-950. Одно из этих колец взято до операции финишной полировки, второе - после полировки, перед выходом в готовую продукцию. У каждого кольца перед химико-термической обработкой определили по методу Виккерса исходную микротвердость поверхности, в зависимости от нагрузки вдавливания алмазного индентора (0,5 и 0,05 Н), что позволяет оценить микротвердость на различных глубинах от поверхности (табл.1).
| Таблица 1 | |||
| Микротвердость неполированного образца, МПа | Микротвердость полированного образца, МПа | ||
| HV0,5 | 2086 | HV0,5 | 1940 |
| HV0,05 | 2123 | HV0,05 | 2091 |
Оба образца были подвергнуты химико-термической обработке следующим образом.
В керамический тигель объемом 100 мл загрузили измельченный и просеянный до крупности (-0,25 мм) угольный порошок. В угольный порошок на глубину 15-20 мм поместили оба образца - ювелирные кольца из сплава на основе платины (Pt - 95%, Cu - остальное). Угольный порошок полностью покрывал оба кольца.
Муфельную печь «Nabertherm» разогрели до температуры 1100°С и загрузили в печь тигель с угольным порошком и платиновыми кольцами. Продолжительность выдержки тигля в рабочей зоне печи при температуре 1100°С составила 2 ч. Затем тигель извлекли из рабочей зоны печи и поставили остывать на воздухе. После остывания тигля до температуры 30-40°С из угольного порошка были извлечены кольца. Кольца очистили от угольной пыли и передали для определения их микроструктуры, микротвердости и цветовых характеристик.
Исследование микроструктуры в отожженных кольцах-полуфабрикатах показало наличие в объеме образцов равноосных, гомогенных зерен с ровными границами. В поверхностном слое у обоих образцов произошло формирование упрочненной области толщиной 10-13 мкм.
Отражательная способность и цветовые характеристики исследуемых образцов до и после их выдержки при высокой температуре в среде угольного порошка практически не изменились и внешний вид не ухудшился.
Микротвердость поверхности полуфабрикатов после химико-термической обработки представлена в таблице 2.
| Таблица 2 | |||
| Микротвердость неполированного образца, МПа | Микротвердость полированного образца, МПа | ||
| HV0,5 | 2873 | HV0,5 | 3140 |
| HV0,05 | 3568 | HV0,05 | 3098 |
Таким образом, установлено, что в результате химико-термической обработки полуфабрикатов (ювелирных колец) из сплава PtCu-950 в них произошло поверхностное упрочнение:
- микротвердость неполированного кольца увеличилась на 800-1400 МПа и составила от 2873 до 3568 МПа;
- микротвердость полированного кольца увеличилась на 1000-1200 МПа и составила от 3098 до 3140 МПа.
Очевидно, химико-термическую обработку ювелирных изделий с целью их поверхностного упрочнения целесообразней проводить до финишной полировки. Последующая полировка позволит добиться как упрочнения поверхности, так и необходимого внешнего блеска образца.
Пример 2
Взяли полуфабрикат - диск из чистой платины, изготовленный штамповкой из листового проката литой заготовки. Диаметр диска 30 мм, толщина - 3 мм.
Определили отражательную способность и цветность образца с помощью спектроколориметра SP60. Измерили микротвердость поверхностного слоя образца с помощью микротвердомера МНТ-10 на базе оптического микроскопа Carl Zeiss. Результаты представлены в табл.3
| Таблица 3 | ||
| Отражательные, цветовые характеристики и микротвердость образца чистой платины после литья и пластической деформации, при усилии на инденторе 0,5 Н и 0,05 Н соответственно | ||
| Pt | ||
| Цветность | L (к-т отраж.) | 87,00 |
| ±а (+красный | +0,72 | |
| -зеленый) | ||
| ±b (+желтый | +5,97 | |
| -синий) | ||
| Микротвердость, HV (0,5/0,05 Н), МПа | 832//1123 |
В керамический тигель загрузили порошок графита и поместили в среду последнего платиновый диск. Муфельную печь «Nabertherm» разогрели до температуры 1200°С и поместили в нее тигель с графитовым порошком и платиновым диском.
Продолжительность выдержки тигля в рабочей зоне печи при температуре 1200°С составила 1 ч 30 мин. После этого тигель выгрузили из рабочей зоны печи, охладили до комнатной температуры и извлекли платиновый диск. Очистили поверхность диска от графитовой пыли, протерли марлей, смоченной в спирте, и провели повторно замеры цветности и микротвердости (табл.4).
| Таблица 4 | ||
| Результаты повторных измерений цветовых характеристик и микротвердости образца из платины после его химико-термической обработки с целью поверхностного упрочнения | ||
| 1200°С + графит 1 ч 30 мин |
Pt | |
| Цветность | L (к-т отраж.) | 86,90 |
| ±а (+красный | +0,62 | |
| -зеленый) | ||
| ±b (+желтый | +3,97 | |
| -синий) | ||
| Микротвердость, HV (0,5/0,05 Н), МПа | 1118//1708 |
После изотермической выдержки образца под слоем графита его отражательная способность и цветовые характеристики изменились незначительно, в то время как микротвердость поверхностного слоя значительно возросла, обеспечив тем самым поверхностное упрочнение платинового диска.
Способ поверхностного упрочнения изделий из платины или сплавов на основе платины, отличающийся тем, что поверхностное упрочнение осуществляют химико-термической обработкой изделий в среде углеродсодержащего материала при температуре 1050-1400°С.
