Состав обмазки для борованадирования стальных изделий



Состав обмазки для борованадирования стальных изделий
Состав обмазки для борованадирования стальных изделий
Состав обмазки для борованадирования стальных изделий
Состав обмазки для борованадирования стальных изделий
Состав обмазки для борованадирования стальных изделий
Состав обмазки для борованадирования стальных изделий
Состав обмазки для борованадирования стальных изделий
Состав обмазки для борованадирования стальных изделий
Состав обмазки для борованадирования стальных изделий

 


Владельцы патента RU 2558710:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления" (RU)

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента, изготовленных из углеродистых и легированных сталей. Состав обмазки для борованадирования стальных изделий содержит следующие компоненты, мас.%: карбид бора - 55-60, окись ванадия - 30-35, графит - 5-10 и фтористый натрий 3-5. Обеспечивается снижение хрупкости боридного диффузионного слоя, повышение технологичности и снижение трудоемкости процесса диффузионного насыщения. 7 ил., 2 табл., 3 пр.

 

Предлагаемое изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента, изготовленных из углеродистых и легированных сталей.

Известен состав обмазки для борирования стальных изделий, содержащий (масс. %): 80% (50% Al2O3 + 50% В4С)+20% Na3AlF6. В качестве связующего при приготовлении обмазки используют раствор клея БФ-2 в ацетоне (см. Л.Г. Ворошнин, О.Л. Менделеева, В.А. Сметкин. Теория и технология химико-термической обработки. Минск: Новое знание, 2010 г. - с. 181).

Недостатками известного состава обмазки являются насыщение поверхности изделия только одним элементом, следовательно, повышение свойств диффузионного слоя в ограниченном диапазоне; низкая технологичность приготовления обмазки, вызванная подготовкой связующего (раствор клея БФ-2 в ацетоне).

Известен состав обмазки для ванадирования стальных изделий, содержащий в качестве ванадийсодержащего вещества карбид ванадия, в качестве активатора фтористый натрий и дополнительно содержит железную окалину при следующем соотношении компонентов, вес. %: карбид ванадия 45-65, фтористый натрий 3-10, железная окалина 25-45. Обмазку готовят смешиванием порошкообразных компонентов с гидролизованным этилсиликатом. Наносят обмазку толщиной 4-5 мм на образцы из стали обмазыванием. После сушки в течение 10-20 мин при комнатной температуре на воздухе образцы помещают в электропечь, нагретую до температуры процесса химико-термической обработки, и выдерживают 4, 6 ч (см. А.С. №737500, МПК C23C 9/04, опубл. 30.05.1980, Бюл. №20).

Недостатком известного состава обмазки является насыщение поверхности изделия только одним элементом, следовательно, повышение свойств диффузионного слоя в ограниченном диапазоне.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является состав обмазки по способу упрочнения деталей, предполагающему последовательное насыщение стали сначала бором при 900°C в порошковой смеси со следующим содержанием компонентов: 5% В4С + 5% KBF4 + 90% SiC, а затем ванадием при 1000°C в порошковой смеси со следующим содержанием компонентов: 60% феррованадия + 37% Al2O3 + 3% NH4Cl (см. Naruemon Suwattananont. Surface treatment of ferrous alloys with boron. New Jersey Institute of Technology, New Jersey, 2004. - p. 21).

Недостатками состава по известному способу являются низкая технологичность и высокая трудоемкость, обусловленные необходимостью последовательного диффузионного насыщения, укладывания и извлечения деталей, насыпки в жаростойкий тигель насыщающей порошковой смеси.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка состава обмазки для борованадирования стальных изделий с улучшенными свойствами по снижению хрупкости боридного диффузионного слоя путем его легирования ванадием.

Технический результат заявленного изобретения - повышение технологичности, а также снижение трудоемкости процесса диффузионного насыщения.

Указанный технический результат достигается тем, что в составе обмазки для борованадирования стальных изделий, включающем борсодержащее вещество, ванадийсодержащее вещество, активатор, согласно изобретению в качестве борсодержащего вещества содержит карбид бора, в качестве ванадийсодержащего вещества окись ванадия, в качестве активатора фтористый натрий и дополнительно содержит графит при следующем соотношении компонентов, масс.%:

карбид бора 55-60
окись ванадия 30-35
графит 5-10
фтористый натрий 3-5,

при этом для приготовления обмазки в качестве связующего используют воду.

Отличительной особенностью заявляемой обмазки для борованадирования стальных изделий от прототипа является качественный и количественный состав, использование в качестве борсодержащего вещества карбид бора, в качестве ванадийсодержащего вещества - окиси ванадия, в качестве активатора - фтористого натрия, а также введение графита и в качестве связующего воду.

Повышение технологичности процесса обусловлено выбором карбида бора в качестве поставщика активных атомов бора, так как указанный материал производится с очень широкой гаммой зернистости. Карбид бора в отличие от буры и борного ангидрида не образует при нагреве легкоплавкую эвтектику.

Снижение трудоемкости достигается использованием окиси ванадия в качестве ванадийсодержащего вещества. Данный компонент поставляется в виде порошка, в то время как использование феррованадия по прототипу вызывает необходимость применения специального оборудования для приготовления порошка феррованадия.

Введение в состав обмазки графита предотвращает обезуглероживание насыщаемых изделий в ходе химико-термической обработки. Это обеспечивает возможность проведения процесса в обычной печной среде, что ведет к снижению трудоемкости и повышению технологичности.

Введение в состав обмазки в качестве активатора фтористого натрия обеспечивает необходимую активность насыщающей обмазки.

В ходе экспериментальных исследований было установлено оптимальное соотношение компонентов состава обмазки для борованадирования стальных изделий, равное, масс. %: карбид бора - 55-60; окись ванадия - 30-35; графит - 5-10; фтористый натрий - 3-5.

Содержание в составе обмазки карбида бора в количестве, составляющем 55-60 масс. %, было установлено экспериментально и является оптимальным, потому что при данном содержании образуются однофазные (Fe2B) диффузионные слои с наибольшей пластичностью. Содержание в составе обмазки карбида бора в количестве, меньшем 50 масс. %, приводит к получению диффузионных слоев с малой толщиной (менее 30 мкм). При содержании в составе обмазки карбида бора в количестве, большем 60 масс. %, диффузионный слой содержит высокобористую фазу FeB, обладающую высокой хрупкостью.

Содержание в составе обмазки окиси ванадия в количестве 30-35 масс. % было установлено в ходе экспериментальных исследований и является оптимальным, т.к. при данном содержании образуются диффузионные слои с оптимальными толщиной (более 15 мкм) и свойствами (микротвердость более 18000 МПа; показатель хрупкости γp при нагрузке 100 г 0,0064). При содержании в составе обмазки окиси ванадия в количестве, меньшем 30 масс. %, идет преимущественно насыщение бором, что приводит к повышенной хрупкости диффузионного слоя (показатель хрупкости γp при нагрузке 100 г 0,0144). При содержании в обмазке окиси ванадия в количестве, большем 35 масс. %, идет преимущественно процесс ванадирования, что приводит к образованию диффузионных слоев небольшой толщины (около 10 мкм).

Содержание в составе обмазки графита в количестве, составляющем 5-10 масс. %, было установлено экспериментально и является оптимальным, потому что при данном соотношении графита обеспечивается легкое отделение обмазки. При содержании в составе обмазки графита в количестве, меньшем 5 масс. %, не происходит полного отделения обмазки от поверхности упрочненного изделия. При содержании в составе обмазки графита в количестве, большем 10 масс. %, наблюдается разрыхление обмазки, что приводит к окислению поверхности изделия.

Содержание в составе обмазки в качестве активатора фтористого натрия в количестве, составляющем 3-5 масс. %, было установлено экспериментально и является оптимальным, т.к. при данном содержании обеспечивается необходимая активность насыщающей обмазки. При содержании в составе обмазки фтористого натрия в количестве, меньшем 3 масс. %, вследствие недостаточной активности смеси наблюдается отсутствие сплошного диффузионного слоя. При содержании в составе обмазки фтористого натрия, большем 5 масс. %, из-за повышенной активности смеси возможен прогар обмазки и окисление поверхности изделия.

Для получения предлагаемого состава обмазки готовят три состава из подготовленных компонентов: карбид бора 55-60 масс. %, окись ванадия 30-35 масс. %, активатор - фтористый натрий 3-5 масс. %, графит 5-10 масс. %, которые в порошкообразном состоянии тщательно перемешивают, затем добавляют воду в качестве связующего и доводят до консистенции жидкой сметаны. Обмазку наносят на стальные образцы. Толщина обмазки 4-6 мм. Обмазку сушат на воздухе до получения твердой корки.

Диффузионное насыщение осуществляют в термической печи при нагреве от 950°C до 1050°C с выдержкой 3-6 часов. После окончания процесса диффузионного насыщения обмазка отделяется от поверхности стального изделия.

Кроме того, готовят два состава с запредельным количеством вышеуказанных компонентов (см. табл. 1, фото 4, 5).

В таблице 1 представлены результаты влияния состава обмазки на толщину диффузионных слоев на стали У8А (см. фото 1-5).

Предлагаемое изобретение поясняется фотографиями, на которых изображено:

фото 1 - микроструктура диффузионного слоя стали У8А состава №1 табл. 1;

фото 2 - микроструктура диффузионного слоя стали У8А состава №2 табл. 1;

фото 3 - микроструктура диффузионного слоя стали У8А состава №3 табл. 1;

фото 4 - микроструктура диффузионного слоя стали У8А состава №4 табл. 1;

фото 5 - микроструктура диффузионного слоя стали У8А состава №5 табл. 1.

Из анализа полученных результатов таблицы 1 и фото 4 видно, что при насыщении из обмазки составом №4, в котором превышен количественный интервал карбида бора и оксида ванадия, приводит к получению диффузионного слоя малой толщины (5 мкм). Кроме того, данный слой имеет высокую хрупкость (показатель хрупкости γp при нагрузке 100 г 1,22). При насыщении из обмазки составом №5 (см. фото 5), в котором соотношение компонентов установлено ниже рекомендуемых пределов, приводит к окислению поверхности образца, вследствие повышенной активности смеси и разрыхления обмазки.

Предлагаемый состав обмазки для борованадирования стальных изделий готовят следующим образом. Предварительно подготовленные компоненты в порошкообразном состоянии: борсодержащее вещество - карбид бора 55-60 масс. %, ванадийсодержащее вещество - окись ванадия 30-35 масс. %, активатор - фтористый натрий 3-5 масс. %, графит 5-10 масс. % перемешивают в воде до пастообразного состояния. Приготовленный состав обмазки наносят на упрочняемую поверхность стального изделия слоем 4-6 мм, после чего сушат на воздухе до получения твердой корки. Диффузионное насыщение осуществляют в термической печи при нагреве от 950°C до 1050°C с выдержкой в течение 3-6 часов. После окончания процесса диффузионного насыщения обмазка отделяется от поверхности стального изделия и может быть использована повторно путем разведения ее в воде. При использовании предлагаемого состава обмазки происходит одновременное насыщение стали бором и ванадием, что исключает двукратный нагрев и необходимость укладывания, извлечения деталей и насыпки в жаростойкий тигель насыщающей порошковой смеси, т.е. приводит к снижению продолжительности и трудоемкости процесса. В качестве связующего обмазки используется вода, что сокращает время и упрощает технологию приготовления обмазки.

Температура насыщения стальных деталей из обмазки для борованадирования составляет от 950°C до 1050°C, которая является оптимальной, так как при температуре ниже 950°C идет преимущественно процесс борирования, а при температуре насыщения выше 1050° для большинства сталей происходит рост зерен под диффузионным слоем, что в свою очередь ведет к снижению ударной вязкости и пластичности насыщаемого металла, а также возможному оплавлению поверхности стального изделия.

Продолжительность насыщения стальных деталей из обмазки для борованадирования составляет 3-6 ч, которая является оптимальной, так как продолжительность процесса насыщения менее 3 ч приводит к недостаточной толщине упрочненного слоя, а при продолжительности процесса насыщения более 6 ч наблюдается чрезмерная толщина диффузионного слоя, что приводит к его скалыванию в процессе эксплуатации изделия.

Примеры конкретного выполнения, подтверждающие получение обмазки для процесса диффузионного насыщения стальных изделий различными составами для борованадирования.

Пример 1. Подготовленные компоненты, 55 масс. % карбид бора + 35 масс. % окись ванадия + 5 масс. % графит + 5 масс. % фтористый натрий, в порошкообразном состоянии тщательно перемешивают, затем добавляют воду в качестве связующего и доводят до консистенции жидкой сметаны. Обмазку наносят на образец из стали У8А. Толщина обмазки 4-6 мм. Обмазку сушат на воздухе до получения твердой корки. Проводят диффузионное насыщение при температуре 950°C в течение 3 часов. В результате на поверхности формируется диффузионный слой с микротвердостью 27000-18000 МПа (см. фото 1).

Пример 2. Приготовление обмазки проводят аналогично примеру 1 при следующем содержании компонентов 57 масс. % карбид бора + 30 масс. % окись ванадия + 10 масс. % графит + 3 масс. % фтористый натрий. Проводят диффузионное насыщение при температуре 950°C в течение 3 часов. В результате на поверхности формируются диффузионный слой с микротвердостью 27000-18000 МПа (см. фото 2).

Пример 3. Приготовление обмазки проводят аналогично примеру 1 при следующем содержании компонентов 60 масс. % карбид бора + 30 масс. % окись ванадия + 5 масс. % графит + 5 масс. % фтористый натрий. Проводят диффузионное насыщение при температуре 950°C в течение 3 часов. В результате на поверхности формируются диффузионный слой с микротвердостью 27000-18000 МПа (см. фото 3).

Пример 4 (аналог). Известную обмазку (по А.С. №737500) готовят смешиванием порошкообразных компонентов с гидролизованным этилсиликатом при следующем содержании компонентов: 60 масс. % карбид ванадия + 37 масс. % железной окалины + 3 масс. % фтористого натрия наносят на образец стали У8А, проводят диффузионное насыщение при температуре 950°C в течение 3 часов. В результате на поверхности формируется диффузионный слой с микротвердостью 24000 МПа (см. фото 6).

Пример 5 (прототип). Проводят борирование при температуре 900°C в течение 3 часов образца из стали У8А в известной порошковой среде состава: 5 масс. % карбида бора + 5 масс. % борофторида калия + 90 масс. % силикокальция. Затем проводят ванадирование образца при температуре 900°C в течение 3 часов в порошковой смеси состава 60 масс. % феррованадия + 37 масс. % оксида алюминия + 3 масс. % хлористого натрия. В результате на поверхности формируется диффузионный слой с микротвердостью 25000-16000 МПа (см. фото 7).

Результаты исследований, полученных при борованадировании стали У8А после насыщения различными составами, приведены на фото 1-3, 6, 7 и в таблице 2.

Из представленных примеров 1-3 видно (см. табл.2, фото 1-3), что варьирование содержания компонентов в установленных соотношениях и при указанных температуре и продолжительности выдержки не оказывает влияния на микротвердость и вызывает незначительные изменения толщины диффузионных слоев на стали У8А. Толщина диффузионного слоя при насыщении составом по примеру 1 составляет 80 мкм. Толщина диффузионного слоя при насыщении составом по примеру 2 составляет 75 мкм. Толщина диффузионного слоя при насыщении составом по примеру 3 составляет 90 мкм. На фото 6 представлена микроструктура диффузионного слоя на стали У8А по примеру 4 (аналог), вследствие высокой хрупкости наблюдается выкрашивание карбидного слоя при шлифовании. Толщина диффузионного слоя составляет 85 мкм. На фото 7 представлена микроструктура диффузионного слоя на стали У8А по примеру 7 (прототип). Толщина диффузионного слоя составляет 110-130 мкм.

Предлагаемый состав обмазки для борованадирования сталей, по сравнению с прототипом (Naruemon Suwattananont. Surface treatment of ferrous alloys with boron. New Jersey Institute of Technology, New Jersey, 2004. - Р. 21), обеспечивает следующие преимущества:

- снижение продолжительности и трудоемкости процесса за счет одновременного насыщения стали бором и ванадием и исключения операций укладывания, извлечения деталей и насыпки в жаростойкий тигель насыщающей порошковой смеси;

- технологичность в приготовлении обмазки за счет введения карбида бора в качестве поставщика активных атомов бора и использования воды в качестве связующего.

Состав обмазки для борованадирования стальных изделий, включающий борсодержащее вещество, ванадийсодержащее вещество и активатор, отличающийся тем, что он в качестве борсодержащего вещества содержит карбид бора, в качестве ванадийсодержащего вещества содержит окись ванадия, а в качестве активатора - фтористый натрий, и дополнительно содержит графит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

карбид бора 55-60
окись ванадия 30-35
графит 5-10
фтористый натрий 3-5



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к упрочнению и восстановлению стальных и чугунных деталей с помощью химико-термической обработки. На поверхность детали наносят обмазку, содержащую, мас.%: диборид титана - 20-25, карбид бора - 40-60, фторид натрия - 3-7, хлорид аммония - 5-7, буру - 3-8, бориды железа - 8-20, которую предварительно разводят в воде до пастообразного состояния.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано при создании полупроводниковых приборов. Способ получения гетероструктуры оксид титана - силицид титана на монокристаллической кремниевой подложке, покрытой нанокристаллической титановой пленкой, включает проведение фотонной обработки упомянутой подложки излучением ксеноновых ламп с диапазоном излучения 0,2-1,2 мкм в атмосфере воздуха пакетом импульсов длительностью 10-2 с в течение 2,0-2,2 с при дозе энергии в интервале 220-240 Дж·см-2 для активации реакций оксидирования и силицидобразования при формировании гетероструктуры оксид титана - силицид титана.

Изобретение относится к химико-термической обработке стальных деталей и может быть использовано для обработки деталей, работающих в условиях абразивного износа ударных нагрузок, например для культиваторов, дисков, борон и лемехов.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к химико-термической обработке изделий из стали или титана, и может быть использовано для нанесения защитного покрытия на детали, работающие в условиях воздействия агрессивных сред, высоких температур.
Изобретение относится к упрочнению деталей машин и инструмента из железоуглеродистых сплавов и может быть использовано при производстве деталей машин и инструмента в машиностроительной, металлургической, химической, строительной и других отраслях промышленности, обладающих в 2-10 раз большим ресурсом работы.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения жаростойких хромоалюминидных покрытий, и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбиностроении.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения жаростойких алюминидных покрытий, и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбиностроении для защиты от высокотемпературного окисления внутренней полости охлаждаемых лопаток турбин из безуглеродистых жаропрочных сплавов на основе никеля.

Изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке, и может найти широкое применение в машиностроении. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке металлов и сплавов, и может быть использовано для повышения износо-, жаро- и коррозионной стойкости деталей машин на предприятиях металлургической, авиационной, химической, судостроительной, машиностроительной и других отраслей промышленности.

Изобретение относится к технологии термодиффузионной обработки изделий, изготовленных, преимущественно, из черных металлов и сплавов. .

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение износостойкости режущего, штампового инструмента, а также конструкционных изделий из твердого сплава за счет изменения состава и структуры их поверхностных слоев, и может быть использовано для увеличения стойкости изделий к механическому и коррозионно-механическому износам. Способ диффузионного насыщения изделия из твердого сплава в легкоплавком свинцово-висмутовом расплаве включает проведение предварительной кратковременной высокотемпературной цементации изделия и последующее диффузионное насыщение его поверхности в легкоплавком свинцово-висмутовом расплаве, содержащем титан в растворенном состоянии и в который вводят кобальт в порошковом или компактном виде. Упомянутую цементацию проводят при температуре 1150-1300°C в течение 10-20 мин. Легкоплавкий свинцово-висмутовый расплав для диффузионного насыщения содержит компоненты при следующем соотношении, мас. %: свинец 38-48, висмут 50-55, титан 1-5 и кобальт 1-2. Обеспечивается повышение износостойкости и эксплуатационного ресурса изделий из твердых сплавов в условиях воздействия на них высоких контактных напряжений, а также производительности технологического процесса. 1 табл., 3 пр.
Наверх