Способ обработки чугунных изделий

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим износостойкость изделий за счет изменения состава и структуры поверхностных слоев этих изделий, и может быть использовано для обработки чугунных изделий, работающих в условиях абразивного, гидроабразивного, коррозионно-механического износа, сухого трения. Для повышения износостойкости чугунных изделий за счет образования на их поверхности металлокерамических покрытий на базе карбидов металлов осуществляют предварительное обезуглероживание поверхности чугунных изделий путем их отжига при температуре 800-950°С в кислородсодержащей среде длительностью 3-10 часов, а затем проводят диффузионное насыщение поверхности чугунных изделий карбидообразующими металлами из среды легкоплавких жидкометаллических растворов. В качестве карбидообразующих металлов используют титан, вольфрам, молибден, хром, а в качестве кислородсодержащей среды - воздух, кислород, смесь кислорода с инертными газами. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение износостойкости поверхностей изделий за счет изменения состава и структуры поверхностных слоев этих изделий, и может быть использовано для повышения износостойкости чугунных изделий, испытывающих в процессе эксплуатации абразивный, гидроабразивный, коррозионно-механический износ и другие виды износа, а также работающих в условиях сухого трения.

Известны способы повышения износостойкости чугунных изделий путем отбеливания их поверхности за счет электроконтактного нагрева с приложением давления на электроды (патент РФ на изобретение №2176578, МПК⁷ B23H 9/00, C21D 5/00), а также за счет нагрева упрочняемой поверхности высокоскоростным трением скольжения с последующим охлаждением в смазачно-охлаждающей жидкости, содержащей коллоидный графит (Патент РФ №2011687, МПК⁵ C21D 5/00, C23C 8/20, C21D 8/00). Недостатком этих способов повышения износостойкости чугунных изделий является невозможность достижения высокой твердости на поверхности изделий и, как следствие, их невысокая износостойкость, а также отсутствие возможности повышения стойкости изделий к коррозионно-механическому износу.

Известен способ повышения износостойкости изделий за счет осаждения из газовой фазы покрытий на базе нитрида титана [Витязь П.А., Дубровская Г.Н., Кирилюк Л.М. Газофазное осаждение покрытий из нитрида титана. - Минск: Наука и техника, 1983. - 96 с.]. Данное покрытие обладает высокой твердостью, износостойкостью, но имеет и недостатки, связанные с высокой хрупкостью этого покрытия и слабой адгезионной связью покрытия с материалом изделия. Эти явления вызывают растрескивание и выкрашивание покрытий при высоких контактных напряжениях, термоциклировании и не защищают изделия от коррозионно-механического износа.

Известен также способ, применяемый для повышения износостойкости стальных изделий, заключающийся в диффузионном насыщении их поверхностных слоев титаном из среды легкоплавких жидкометаллических растворов [А.Г.Соколов, В.П.Артемьев. Повышение эксплуатационных свойств инструмента методами диффузионной металлизации. Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2006.]. Нанесение покрытий данным способом осуществляется путем выдержки изделия в легкоплавком свинцовом или свинцово-висмутовом расплаве, содержащем в растворенном состоянии титан. В результате выдержки изделия в расплаве происходит адсорбция титана на поверхности изделия, а также диффузия титана вглубь изделия. При этом, так как титан является сильным карбидообразующим элементом, он забирает углерод из цементита стали и образует собственные карбиды, которые выделяются на поверхности изделия. Карбиды титана обладают очень высокой твердостью, что обеспечивает изделию высокую износостойкость и коррозионную стойкость.

Недостатком способа является то, что при нанесении титана на чугун, который, в отличие от стали, содержит большое количество углерода, на поверхности чугунного изделия образуется очень хрупкое покрытие. Такое покрытие практически полностью состоит из карбидов титана и не содержит титановой связки, которая присутствует при нанесении титана на сталь. Покрытия, формирующиеся на чугуне, скалываются с поверхности изделия при его охлаждении после процесса титанирования. Данное явление делает невозможным получение качественных покрытий на базе титана на чугунах. Аналогичные явления наблюдаются при насыщении чугунов другими карбидообразующими элементами, такими как вольфрам, молибден, хром.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по стадиям проведения процесса обработки чугунных изделий является способ подготовки поверхности чугунных изделий под эмалированние (А.С. СССР №196074, опубл. 16.V. 1967 г., Бюл. №11), согласно которому с целью повышения качества поверхности под эмалирование проводится предварительный отжиг в обезугролеживающей среде, состоящей из смеси железной руды (40-100%) и мела (60-0%), при температурах 800-1100°С, в течение 6-10 час.

Недостатками прототипа является то, что процесс проводится при режимах (температурах и длительности), приводящих к практически полному обезуглероживанию поверхностного слоя, что не обеспечит образование карбидного слоя на поверхности чугунных изделий после их диффузионной металлизации карбидообразующими элементами.

Задачей данного изобретения является достижение возможности нанесения на чугуны качественных, износостойких диффузионных карбидосодержащих (металлокерамических) покрытий в среде легкоплавких жидкометаллических растворов.

Техническим результатом является формирование на поверхности чугунных изделий износостойких покрытий на базе карбидов металлов, обладающих достаточной вязкостью, исключающей их растрескивание и скалывание как в процессе формирования покрытий, так и в процессе эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что в заявляемом способе обработки чугунных изделий, включающем предварительное обезуглероживание поверхности чугунных изделий путем их отжига, отжиг чугунных изделий проводят при температуре 800-950°С в кислородсодержащей среде длительностью 3-10 часов, а затем осуществляют диффузионное насыщение поверхности чугунных изделий карбидообразующими металлами из среды легкоплавких жидкометаллических растворов. В качестве карбидообразующих металлов используют титан, вольфрам, молибден, хром, а в качестве кислородсодержащей среды используют воздух, кислород, смесь кислорода с инертными газами.

Благодаря введению в технологический процесс стадии предварительного отжига чугунных изделий в кислородсодержащей среде (новой совокупности существенных признаков заявляемого изобретения) происходит снижение концентрации углерода в поверхностных слоях изделий, вследствие этого при последующей металлизации (насыщении) на изделии формируется покрытие, которое, помимо карбида, содержит и твердорастворную связку. Такие покрытия обладают высокой износостойкостью и, в то же время, достаточной вязкостью, исключающей скалывание, растрескивание и разрушение покрытий от внешнего механического воздействия.

Таким образом, обеспечивается возможность формирования на поверхности чугунных изделий качественных, работоспособных покрытий, обеспечивающих повышение их износостойкости.

Способ осуществляется следующим образом.

Пример

Гильзы цилиндров двигателя ЗМЗ-406, изготовленные из чугуна СЧ 26, подвергались диффузионному титанированию в среде легкоплавких растворов. При этом для оценки эффективности предлагаемой технологии диффузионное титанирование гильз проводилось как без предварительного отжига, так и после предварительного обезуглероживающего отжига в соответствии с предлагаемым способом.

Диффузионное титанирование гильз осуществлялось путем погружения и выдержки их в легкоплавком растворе, состоящем из сплава, содержащего 55% свинца, 45% висмута, с 3% добавкой титана. Температура насыщения составляет 1000°С, продолжительность выдержки - 0,5 часа. Предварительный отжиг осуществлялся путем нагрева гильз в шахтной печи открытого типа. Отжиг проводился при температуре 900°С с выдержкой 4 часа.

Как показали исследования, после диффузионного титанирования гильз без предварительного отжига на их поверхностях формируются очень хрупкие покрытия, которые на тонких участках гильзы равномерные и гладкие, но растрескиваются даже при незначительных механических нагрузках, а в толстых сечениях покрытия неоднородные и некачественные вследствие их растрескивания и скалывания.

При обработке гильз по предлагаемой технологии, т.е. проведения диффузионного титанирования после предварительного обезуглероживающего отжига на поверхности гильз формируются равномерные качественные покрытия, состоящие из карбидов титана с твердорастворной титановой связкой. Толщина покрытий составляет 13-15 мкм, а микротвердость - Н₅₀ 23000 МПа. Покрытия характеризуются высокой износостойкостью, совместимостью с материалом основы, не растрескиваются при термоциклировании и воздействии контактных напряжений.

Длительность процесса предварительного отжига и его температура зависят от химического состава чугуна и толщины изделия.

Примеры влияния температуры и длительности отжига на качество получаемых диффузионных металлокерамических покрытий на базе карбида титана на гильзах, изготовленных из чугуна СЧ26, из среды легкоплавких жидкометаллических растворов Pb+Bi+Ti при температуре 1000°С представлены в таблице.

Таблица
Влияние параметров предварительного отжига на качество и свойства покрытий
№	Температура отжига, °С	Длительность отжига, час	Качество и свойства покрытия
1	800	3	Растрескивание и скалывание покрытия в толстых сечениях гильзы.
2	950	3	Растрескивание и скалывание отсутствуют. Качественные равномерные покрытия.
3	800	10	Растрескивание и скалывание отсутствуют. Качественные равномерные покрытия.
4	950	2,5	Растрескивание и скалывание покрытия в толстых сечениях гильзы.

Нанесение покрытий на чугуны по предлагаемой технологии позволяет повысить их износостойкость в 10 и более раз, а также исключить схватывание трущихся поверхностей при сухом трении и снизить потери на трение.

Аналогичное повышение износостойкости наблюдается и при насыщении поверхности чугунов вольфрамом, хромом и другими карбидообразующими элементами.

Таким образом, предложенный способ повышения износостойкости чугунных изделий, включающий проведение предварительного отжига в кислородсодержащей среде перед диффузионным насыщением их поверхности карбидообразующими элементами, позволяет получить высокую износостойкость чугунных изделий, испытывающих в процессе эксплуатации механические нагрузки, за счет повышения вязкости формирующихся на их поверхности диффузионных покрытий.

1. Способ обработки чугунных изделий, включающий предварительное обезуглероживание поверхности чугунных изделий путем их отжига, отличающийся тем, что отжиг чугунных изделий проводят при температуре 800-950°С в кислородсодержащей среде длительностью 3-10 ч, а затем осуществляют диффузионное насыщение поверхности чугунных изделий карбидообразующими металлами из среды легкоплавких жидкометаллических растворов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве карбидообразующих металлов используют титан, вольфрам, молибден, хром.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащей среды используют воздух, кислород, смесь кислорода с инертными газами.