Способ химико-термической обработки стальных изделий

 

Изобретение относится к химико-термической обработке стальных изделий. Сущность изобретения: стальные изделия, преимущественно стальные боры, нагревают в две стадии в порошковом составе, содержащем следующие компоненты, мас.%: порошок карбидообразующих металлов 50; фтористый натрий 2; оксид алюминия 30 - 33; карбонат натрия 5 - 71; желтая кровяная соль 10 - 15; причем первую стадию насыщения проводят при 650 - 750^oC в течение 1 - 2 ч, а вторую - при 950 - 1150^oC в течение 2 - 6 ч. 3 табл.

Изобретение относится к медицинскому машиностроению, в частности к изготовлению зубоврачебного инструмента, преимущественно стальных боров, и может быть применено в машиностроении, в инструментальном производстве для повышения стойкости граверного, накатного калибровочного инструмента.

Известен способ упрочнения зубчатых боров нанесением на режущую кромку электроискровым методом твердого поверхностного слоя вольфрама.

Однако данный метод имеет низкую производительность, а нанесенный на бор упрочненный слой имеет развитую пористую поверхность, что затрудняет повторное использование боров, поскольку осложняется удаление с поверхности последних продуктов отхода зубной ткани, образующихся при обработке зуба.

Известен также способ упрочнения зубных боров с нанесением на инструмент напыленного покрытия из карбида или нитрида титана.

Данный способ требует специального оборудования, а толщина покрытия, полученного при катодном распылении, зависит от геометрии инструмента и имеет невысокую адгезию, что приводит к скалыванию при больших сдвиговых деформациях на тонких режущих кромках.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является химико-термической обработки путем покрытия карбидных диффузионных слоев.

Однако при получении карбидных слоев по поверхности изделия под карбидным слоем образуется зона с пониженным количеством углерода, который диффундирует из приповерхностной зоны к поверхности и образует карбиды. При последующей поверхностной обработке зона с пониженным количеством углерода имеет меньшую прочность и в процессе эксплуатации происходит скалывание карбидного слоя по тонким режущим кромкам.

Целью изобретения является повышение износостойкости стальных изделий.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе химико-термической обработки изделий, включающем нагрев их до температур насыщения в две стадии в порошковом составе, содержащем порошки карбидообразующих металлов, фтористый натрий и карбонат натрия, и охлаждение - первую стадию насыщения проводят при 650 750^oC в течение 1 2 ч, вторую при 950 1150^oC в течение 2 6 ч, а в порошковый состав дополнительно вводят желтую кровяную соль и оксид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас. порошок карбидообразующих металлов 50; фтористый натрий 2; оксид алюминия 30 33; карбонат натрия 5 7; желтая кровяная соль 10 15.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается тем, что первую стадию насыщения проводят при 650 750^oC в течение 1 2 ч, вторую при 950 1150^oC в течение 2 6 ч, а в порошковый состав дополнительно вводят желтую кровяную соль и оксид алюминия. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

В известных технических решениях не обнаружено введение в порошковый состав желтой кровяной соли и оксида алюминия.

Пример. Проведение диффузионного насыщения зубных боров из стали ХВ5 в тигле с плавким затвором.

Боры помещали в тигель из жаропрочной стали и засыпали диффузионно-активной карбидообразующей порошковой смесью, утрамбовывали. Расстояние между борами и стенкой тигля должно быть не менее 5 мм. Сверху укладывали лист асбеста, насыпали песок толщиной 20 40 мм и укладывали борный ангидрид для образования плавкого затвора. Диффузионно-активную карбидообразующую порошковую смесь готовят смешиванием порошковых компонентов, составы которых представлены в табл. 1. Компоненты для приготовления смесей применяют в виде порошкообразных: высоколегированной хромистой стали ПХ30 ГОСТ 13084-67, титана ТУ 48-10-22-79, Al₂O₃ ТУ 609-426-75, фтористого натрия ГОСТ 4463-76, карбоната натрия ГОСТ 84-76, желтой кровяной соли ГОСТ 4207 -75. Карбидообразующие элементы служат поставщиками диффузионно-активных атомов, фтористый натрий в качестве активатора, окись алюминия выполняет роль инертной добавки, которая вводится для уменьшения спекаемости смеси и улучшения отделения смеси от изделий, желтая кровяная соль в качестве поставщиков атомов углерода и азота, карбонат натрия для активации процесса карбонитрации.

При изотермической выдержке t₁ 650 700^oC протекает процесс карбонитрации. При взаимодействии желтой кровяной соли с карбонатом натрия образуется газовая фаза, содержащая углерод и азот /преимущественно углерод в виде CO и CO₂/, которые осаждаются на поверхности боров и диффундируют в сталь с образованием тонкого слоя карбонитрида Fe₃/C,N/ с высокой концентрацией углерода.

С повышением температуры до t₂ 950 1150^oC в результате взаимодействия карбидообразующих элементов с активатором образуется газовая фаза, содержащая галогениды карбидообразующих элементов, которые осаждаются на поверхности боров. Взаимодействие карбидонитридной фазы с карбидообразующими элементами приводит к их диффузии во внутрь металла и замены железа в карбонитриде на данные элементы из-за большего сродства их к углероду чем железа. При этом углерод из стали практически не используется и под карбидным слоем не образуется зона, обедненная углеродом.

Испытания на износ проводили в виде натурных испытаний на типовом оборудовании зубоврачебного кабинета при сверлении эмали извлеченных зубов, прошедших обработку формалином с последующей сушкой. Скорость вращения 20 тыс. об. /мин. Износ оценивался по образующей площадке на режущей кромке по всем граням с помощью светового микроскопа. Толщину карбидного слоя измеряли с помощью металлографического микроскопа на шлицах. Результаты по влиянию количества карбоната натрия, оксида алюминия и желтой кровяной соли на толщину слоя и износ /время сверления 100 с/ представлены в табл. 1. Насыщение проводили по следующему режиму: выдержка при t₁ 670^oC в течение τ₁=1,5 часа затем при t₂ 1050^oC в течение τ₂=3 часов для титанирования и хромотитанирования и при t₂=1000°C-τ₂=3 часа для хромирования. Данные, приведенные в табл. 1, свидетельствуют, что при содержании карбоната натрия и оксида алюминия ниже заявленного, а желтой кровяной соли выше заявленного, происходит пригар смеси, ухудшение поверхности упрочняемых боров /опыты 4, 9, 14/. При наличии карбоната натрия выше заявленного, а желтой кровяной соли ниже заявленного толщина слоя находится на уровне прототипа, а износ в 1,4 1,8 раза выше чем в предлагаемых /опыты 5, 10, 15/.

Результаты по влиянию температур t₁ и t₂ и времени выдержки на толщину слоя и износ /время сверления 100 с/ представлены в табл. 2. Насыщение проводили их оптимальных составов, представленных в табл. 1, для хромирования состав N 3, титанирования составов N 8, хромирования - состав N 13. Данные приведенные в табл. 2 свидетельствуют, что при температурах ниже заявленных на обеих стадиях t₁ и t₂, и времени выдержки выше заявленных τ₁ и τ₂ формируются очень тонкие слои /опыты 4, 9, 14/, что снижает износостойкость в 2,0 3,0 раза. Повышение температуры выше заявленной на обеих стадиях t₁ и t₂ и времени выдержки ниже заявленных τ₁ и τ₂ приводит к оплавлению поверхности в процессе диффузионного насыщения /опыты 5, 10, 15/.

Результаты по влиянию толщины диффузионного слоя на стойкость серийных стальных боров, упрочненных по прототипу и предлагаемой технологии, представлены в табл. 3 для процесса хромирования. Упрочнение проводили хромом из состава N 3 табл. 1 при t₁ 670^oC τ₁=1,5 часа для первой стадии и температуре 1000^oC и времени выдержки 1, 3, 5, 7 ч, что обеспечивало получение толщины слоя 3, 5, 8, 20 мкм соответственно. Упрочнение по известной технологии проводили при t₂ 1000^oC и времени выдержки 3,5 ч, что обеспечивало получение толщины карбидного слоя 5 и 8 мкм соответственно. Как видно из табл. 3, наибольшее сопротивление износу /минимальный размер площадки на режущей кромке бора/ обеспечивает толщина карбидного слоя в 5 и 8 мкм / см. в табл. 3 время испытаний более 20 с/.

При толщине слоя меньше 5 мкм карбидный слой быстро изнашивается, а при 20 мкм и более сверление затруднено из -за тупой режущей кромки: наблюдается интенсивный разогрев боров. Сравнительные данные по износу боров с карбидным покрытием, полученным по предлагаемой технологии и известной для толщины покрытия 5,8 и 20 мкм, показывают, что износ боров, упрочненных по известной технологии на начальных стадиях сверления, в 1,1 1,3 раза больше /время испытания боров 20 100 с/, а при сверлении более 100 с наблюдается скол карбидного слоя у боров, упрочненных по известной технологии, и износ увеличивается в 1,2 2,6 раза по сравнению с упрочненными по предлагаемой технологии.

Кроме того, боры, упрочненные по предлагаемой технологии, в 5 6 раз имеют больше ресурс работы и в 3 10 раз меньше износ в зависимости от времени испытания по сравнению с серийными стальными борами /см. табл.3/.

Формула изобретения

Способ химико-термической обработки стальных изделий, преимущественно стальных боров, включающий нагрев до температуры насыщения, насыщение в две стадии в порошковом составе, содержащем порошок карбидообразующих металлов, фтористый натрий и карбонат натрия, и охлаждение, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости изделий, первую стадию насыщения проводят при 650 750^oС в течение 1 2 ч, вторую при 950 1150^oС в течение 2 - 6 ч, а в порошковый состав дополнительно вводят желтую кровяную соль и оксид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.

Порошок карбидообразующих металлов 50 Фтористый натрий 2 Оксид алюминия 30 33 Карбонат натрия 5 7 Желтая кровяная соль 10 15

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3