Способ поверхностного борирования деталей из стали 40
Владельцы патента RU 2539128:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" (RU)
Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к комбинированным способам поверхностного упрочнения деталей из стали 40. Первоначально проводят предварительное поверхностное локальное борирование с использованием лазерного нагрева из обмазки, содержащей бор или его соединения. Затем осуществляют процесс термодиффузионного насыщения бором при нагреве до температуры Т=850-950°С с выдержкой в течение 3-4 часов. Обеспечивается снижение хрупкости борированных слоев, сокращение длительности и снижение температуры процесса термодиффузионного насыщения поверхности деталей при сохранении высокой твердости. 1 табл.
Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к комбинированным способам поверхностного упрочнения металлов, и может быть использовано при изготовлении деталей, работающих в условиях изнашивания в агрессивных средах, а также деталей, подвергающихся в процессе эксплуатации агрессивному воздействию внешней среды.
Известен способ лазерного легирования поверхности низкоуглеродистых и среднеуглеродистых легированных сталей бором. Насыщение поверхности бором проводят с помощью лазерного нагрева, сущность которого заключается в расплавлении участка поверхности стали вместе с шликером, содержащим бор, предварительно нанесенным на обрабатываемый участок (см. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Кокора А.Н. «Лазерная обработка материалов». -М.: «Машиностроение», 1975 г., с.296).
Способ позволяет путем варьирования вариантов, режимов обработки и толщины обмазки можно получать легированные слои с различным фазовым составом и структурой, а следовательно, и с различными свойствами. Для повышения износостойкости целесообразно проводить обработку без перекрытия, что создает морфологию поверхности, удовлетворяющую принципу Шарпи. Для достижения коррозионной стойкости поверхностного слоя необходимо проводить обработку с перекрытием, что связано с дополнительными временными и энергетическими затратами и не всегда экономически оправдано.
Недостатком известного способа является повышенная хрупкость упрочненного слоя из-за высокой твердости боридов железа.
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является принятый в качестве прототипа способ борирования стальных деталей путем термодиффузионного насыщения поверхности бором, который заключается в нанесении на поверхность детали обмазки, содержащей легирующий элемент, и выдержке в печи при температуре Т=950-1150°С в течение 6-10 часов с последующим охлаждением в печи (см. Л.Г. Ворошнин. «Борирование промышленных сталей и чугунов».- Минск : «Беларусь», 1981 г., С.19-21).
Недостатком этого способа является длительность процесса, высокие температуры, при этом борированные слои получаются хрупкими.
Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является уменьшение хрупкости диффузионного слоя, сокращение длительности и снижение температуры процесса термодиффузионного насыщения поверхности деталей из стали 40 при сохранении высокой твердости.
Указанная техническая задача решается тем, что в способе поверхностного борирования деталей из стали 40, заключающемся в термодиффузионном насыщении поверхности бором деталей с нанесенной на их поверхность обмазкой, содержащей бор или его соединения, включающем нагрев подготовленных деталей до заданной температуры, выдержку и охлаждение, согласно изобретению первоначально проводят процесс предварительного поверхностного локального борирования с использованием лазерного нагрева из обмазки, а последующее термодиффузионное насыщение ведут при нагреве до температуры Т=850-950°С с выдержкой в течение 3-4 часов.
Решение поставленной технической задачи достигается благодаря тому, что первоначально проводят процесс предварительного поверхностного локального борирования, используя лазерный нагрев подготовленных деталей. В результате образуются локальные борированные участки, которые на этапе термодиффузионного насыщения в процессе нагрева и выдержки ускоряют процессы поверхностной диффузии. При этом диффузия легирующих элементов идет как на поверхности, так и вглубь детали. Благодаря предварительному лазерному воздействию происходит локальный процесс предварительной диффузии бора, что позволяет вести процесс термодиффузионного насыщения при более низких температурах и меньшей выдержке, при этом сохраняется высокая твердость за счет высокой концентрации легирующего элемента в поверхностном слое.
Способ поверхностного борирования деталей из стали 40 заключается в термодиффузионном насыщении поверхности бором. Предварительно на поверхность деталей наносится обмазка, содержащая бор или его соединения. Процесс термодиффузионного насыщения включает нагрев подготовленных деталей до заданной температуры, выдержку и охлаждение в печи. Согласно изобретению на первоначальном этапе проводят процесс предварительного поверхностного локального борирования с использованием лазерного нагрева из обмазки. Затем последующее термодиффузионное насыщение ведут в печи при нагреве до температуры Т=850-950°С с выдержкой в течение 3-4 часов с последующим охлаждением в печи.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Первоначально проводят процесс предварительного поверхностного локального борирования с использованием лазерного нагрева. Перед этим на поверхность деталей наносится обмазка, состоящая из суспензии, состоящей из порошка аморфного бора, чистого углерода и связующего, например цапонлака или клея БФ-2. Затем на поверхность воздействуют лазерным лучом. В результате нагрева образуются локальные легированные участки, которые ускоряют процессы поверхностной диффузии при последующем термодиффузионном насыщении, которое проводят при нагреве подготовленных деталей в печи до температуры Т=850-950°С с выдержкой в течение 3-4 часов. Далее следует охлаждение деталей вместе с печью до комнатной температуры. Таким образом, в процессе обработки диффузия бора идет как на поверхности, так и в глубь детали.
Такой способ поверхностного легирования позволяет получить диффузионный слой с боридной зоной толщиной 150 мкм и образуется переходная зона толщиной 50 мкм.
Для сравнения заявляемого способа с прототипом были проведены исследования деталей-образцов из стали 40, подвергнутых термодиффузионному насыщению без предварительного легирования лазером и с лазерным легированием. Осуществимость и преимущества предлагаемого способа могут быть рассмотрены на представленных ниже примерах.
Примеры
1. Обработка деталей-образцов из стали 40, подвергнутых термодиффузионному насыщению, по способу, изложенному в прототипе: подготовленные детали-образцы нагревали до температуры Т=1000-1150°С, выдерживали 6-10 часов, затем охлаждали в печи. Толщина диффузионного слоя составила 150…250 мкм, а микротвердость - 13500…15000 МПа.
2. Обработка деталей-образцов из стали 40, подвергнутых термодиффузионному борированию без предварительного легирования лазером по предлагаемому способу: подготовленные детали-образцы нагревали до температуры Т=850°С, выдерживали 3-4 часа, затем охлаждали в печи. Толщина диффузионного слоя составила 50…70 мкм, а микротвердость - 9000…10000 МПа.
3. Обработка деталей-образцов из стали 40, подвергнутых термодиффузионному насыщению с лазерным легированием по предлагаемому способу: подготовленные детали-образцы нагревали до температуры Т=850°С, выдерживали 3-4 часа, затем охлаждали в печи. Толщина диффузионного слоя составила 170…300 мкм, т.е. увеличена за счет диффузии легирующего элемента из зон лазерного легирования, а микротвердость - 13500…15000 МПа.
4. Обработка деталей-образцов из стали 40, подвергнутых термодиффузионному насыщению с лазерным легированием по предлагаемому способу: подготовленные детали-образцы нагревали до температуры Т=900°С, выдерживали 3-4 часа, затем охлаждали в печи. Толщина диффузионного слоя составила 190…350 мкм, т.е. увеличена за счет дальнейшей диффузии легирующего элемента из зон лазерного легирования, а микротвердость - 13500…15000 МПа.
5. Обработка деталей-образцов из стали 40, подвергнутых термодиффузионному насыщению с лазерным легированием по предлагаемому способу: подготовленные детали-образцы нагревали до температуры Т=950°С, выдерживали 3-4 часа, затем охлаждали в печи. Толщина диффузионного слоя составила 200…370 мкм, а микротвердость - 13500…15000 МПа.
6. Обработка деталей-образцов из стали 40, подвергнутых термодиффузионному насыщению с лазерным легированием по предлагаемому способу: подготовленные детали-образцы нагревали до температуры Т=1000°С, выдерживали 3-4 часа, затем охлаждали в печи. Толщина диффузионного слоя составила 380 мкм, а микротвердость - 12000 МПа. Дальнейшее повышение температуры более 950°С приводит к некоторому замедлению скорости роста диффузионного слоя за счет снижения концентрации легирующего элемента в зонах лазерного легирования.
7. Обработка деталей-образцов из стали 40, подвергнутых термодиффузионному насыщению с лазерным легированием по предлагаемому способу: подготовленные детали-образцы нагревали до температуры Т=1100°С, выдерживали 3-4 часа, затем охлаждали в печи. Толщина диффузионного слоя составила 400 мкм, а микротвердость - 10000 МПа. Повышение температуры более 1000°С приводит к снижению микротвердости легированного слоя вследствие роста зерна аустенита и резкого снижения концентрации легирующего элемента от поверхности вглубь.
Результаты исследований приведены в таблице
| Пример № | Т, °С | t, час | h, мкм | Микротвердость (МПа) на глубину до 100 мкм |
| 1. Прототип | 1000-1150 | 6-9 | 150…250 | 15500…21500 |
| 2. Термодиффузионне борирование без лазерного легирования | 850 | 3-4 | 50…70 | 9000…10000 |
| 3. Предлагаемый способ | 3 | 170 | ||
| 850 | 3,5 | 230 | 13500…15000 | |
| 4 | 300 | |||
| 4. Предлагаемый способ | 3 | 190 | ||
| 900 | 3,5 | 270 | 13500…15000 | |
| 4 | 350 | |||
| 5. Предлагаемый способ | 3 | 200 | ||
| 950 | 3,5 | 285 | 13500…15000 | |
| 4 | 380 | |||
| 6. Предлагаемый способ | 1000 | 3-4 | 380 | 12000 |
| 7. Предлагаемый способ | 1100 | 3-4 | 400 | 10000 |
Из таблицы видно, что толщина диффузионного слоя без предварительного легирования лазером не превышает 70 мкм, а с зонами лазерного легирования - 190…380 мкм. Микротвердость легированного слоя после комбинированной обработки составляет 13500…15000 МПа. Повышение температуры более 950°С приводит к увеличению толщины диффузионного слоя, однако скорость роста толщины диффузионного слоя уменьшается, при этом немного снижается и твердость. Оптимальным интервалом температур является 850-950°С с точки зрения сохранения высокой твердости и высокой концентрации легирующего элемента поверхностного слоя.
Из таблицы также видно, что заявляемый способ по сравнению с прототипом позволяет достигать больших значений толщины диффузионного слоя при сокращении длительности процесса термодиффузионного борирования до 3-4 часов при температуре Т=850-950°С с сохранением высокой твердости.
Таким образом, изобретение позволяет получить увеличение толщины диффузионного слоя, сократить длительность и снизить температуру процесса термодиффузионного борирования поверхности деталей из стали 40, при этом понижается хрупкость слоя при сохранении высокой твердости.
Способ поверхностного борирования деталей из стали 40, включающий термодиффузионное насыщение бором поверхностей деталей путем нанесения на их поверхность обмазки, содержащей бор или его соединения, нагрева подготовленных деталей до заданной температуры, выдержки и охлаждения, отличающийся тем, что первоначально проводят процесс предварительного поверхностного локального борирования с использованием лазерного нагрева из упомянутой обмазки, а последующее термодиффузионное насыщение ведут при нагреве до температуры Т=850-950°С с выдержкой в течение 3-4 часов.
