Способ нитроцементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей

Изобретение относится к химико-термической обработке конструкционных и инструментальных сталей и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента в машиностроительной, металлургической, химической и инструментальной промышленности. Способ нитроцементации деталей включает приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия K₄Fe(CN)₆, газовой сажи ДГ-100, карбамида, бентонита, маршалита, а также пастообразующей жидкости, при следующем соотношении компонентов, мас.%: железосинеродистый калий K₄Fe(CN)₆ - 16, карбамид (NH₂)₂CO - 18, бентонит - 12, маршалит - 24, газовая сажа ДГ-100 - остальное, пастообразующая жидкость (об.%): поливинилацетатная эмульсия 50%, этанол - 10%, вода - 40%, нанесение пасты на детали, нагрев в нейтральной соляной ванне при следующем соотношении компонентов, мас.%: NaCl - 35, Na₂CO₃ - 35, NaOH - 30, при температуре 550-650°C с выдержкой при этой температуре в течение 0,5-3 часов. Затем детали охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°C. Обеспечивается повышение скорости нитроцементации и снижение трудоемкости процесса, расширение температурного интервала, повышение равномерности нагрева деталей и повышение экологической безопасности. 1пр.

 

Изобретение относится к способам химико-термической обработки конструкционных и инструментальных сталей и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента в машиностроительной, металлургической, химической, инструментальной и других отраслях промышленности.

Известны способы упрочнения штамповых сталей методом цианирования. Цианирование проводят в расплавленных солях - жидкое цианирование, в газовых средах - газовое цианирование или нитроцементация в твердых смесях. Твердое цианирование проводят в смеси, состоящей из 60-70% древесного угля и 30-40% желтой кровяной соли, интенсивная диссоциация которой протекает в твердом состоянии при 540-560°С (Штамповые стали / Позняк Л.А., Скрынеченко Ю.М., Тишаев С.И. - М: Металлургия, 1980, С. 212-213).

Недостатки указанного способа состоят в том, что диффузионные слои обладают высокой микротвердостью и хрупкостью. При циклических ударных нагрузках они преждевременно выкрашиваются, что приводит к выходу из строя дорогостоящих штампов.

Известен способ нитроцементации деталей из штамповых сталей (патент №2501884, МПК С23С 8/76), включающий приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия K₄Fe(CN)₆ и газовой сажи ДГ-100 при следующем соотношении компонентов, масс. %: железосинеродистый калий K₄Fe(CN)₆ - 20-30%; нитроцеллюлозный лак НЦ222 - 15-20%; остальное - газовая сажа ДГ-100, нанесение пасты и последующую нитроцементацию проводят при температуре 680°C в течение 3 часов, затем образцы охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 200°C в течение 2 часов. Этот способ взят нами в качестве прототипа.

Недостатки указанного способа состоят в том, что возникает необходимость использования дополнительной азото-углеродистой среды (газовой или твердой), вытесняющей воздух из рабочего пространства печи, что усложняет технологию нитроцементации и повышает ее трудоемкость.

Технической задачей изобретения является повышение скорости нитроцементации и снижение трудоемкости процесса, расширение температурного интервала, повышение равномерности нагрева деталей, повышение экологической безопасности.

Технический результат достигается тем, что в известном способе нитроцементации деталей, включающем приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия K₄Fe(CN)₆, газовой сажи ДГ-100, нанесение пасты на изделие, нагрев с выдержкой, охлаждение в масле и низкий отпуск, согласно изобретению, при приготовлении пасты в нее дополнительно вводят карбамид, бентонит, маршалит, а также пастообразующую жидкость, при следующем соотношении компонентов, масс. %: железосинеродистый калий K₄Fe(CN)₆ - 16, карбамид (NH₂)₂CO - 18, бентонит - 12, маршалит - 24, газовая сажа ДГ-100 - остальное, пастообразующая жидкость (% об.): поливинилацетатная эмульсия 50%; этанол - 10%; вода - 40%, нагрев проводят в нейтральной соляной ванне при следующем соотношении компонентов, масс. %: NaCl - 35, Na₂CO₃ - 35, NaOH - 30, при температуре 550…650°C с выдержкой при этой температуре в течении 0,5…3 часов, затем образцы охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°C.

В качестве связующего вещества используют бентонит, обладающий повышенной связывающей способностью и высокой сорбционной и каталитической активностью. Основной недостаток бентонитового покрытия - невысокая прочность при повышенных температурах. Для повышения прочности бентонитового покрытия в его состав вводят маршалит. Маршалит - пылевидный кварц, огнеупорность которого составляет 1650-1710°C, что вполне достаточно для использования в нитроцементирующем покрытии, температура которого не превышает 700°С. При нагреве с бентонитом маршалит спекается в пористую массу, прочность которой составляет 0,4…0,7 МПа.

Маршалит - доступное и дешевое вещество, входящее в состав огнеупорных материалов.

В результате эксперимента установлено, что наилучшее удержание пасты в процессе нитроцементации наблюдается при соотношении бентонита, маршалита в связующей части покрытия 1:2.

Активность нитроцементирующего покрытия зависит от соотношения в нем активной части, т.е. азото- и углесодержащих компонентов: железосинеродистого калия (K₄Fe(CN)₆, карбамида (NH₂)₂CO, газовой сажи ДГ-100, и нейтральной части - бентонита и маршалита. Результаты проведенного эксперимента показали, что оптимальной активностью обладает покрытие, которое состоит ~60% активной части, и ~40% связующей части. Нитроцементация стали с использованием такого покрытия обеспечивает высокую скорость и равномерность насыщения поверхностных слоев азотом и углеродом.

Использование поливинилацетатной эмульсии, этанола и воды для приготовления пастообразующей жидкости вместо нитроцеллюлозного лака НЦ-222, делает способ нитроцементации экологически безопасным.

При использовании соляных ванн для нагрева сталей с азотисто-углеродными покрытиями необходимо, чтобы она обеспечивала нагрев в широком диапазоне температур от 170…1350°C. Для низкотемпературной нитроцементации температурный интервал составляет 560…700°C.

За основу такой ванны была принята смесь солей S 650 (США), содержащая хлористый натрий NaCl и углекислый натрий Na₂CO₃.

Рабочий температурный интервал этой ванны 700…950°C, что соответствует режиму высокотемпературной нитроцементации. Для понижения температуры ванны в ее состав был добавлен едкий натрий NaOH. Композиция из хлористого и углекислого натрия с добавлением едкого натра, как показали наши эксперименты, может сохранять жидкотекучесть и при значительно более низких температурах, чем соль S 650.

Такая ванна должна содержать в своем составе углекислый натрий - Na₂CO₃, хлористый натрий - NaCl, едкий натр - NaOH. Эти компоненты в исходном состоянии доступны, дешевы, широко используются в производстве и не являются высокотоксичными веществами, требующими соблюдения специальных мер безопасности.

При данном соотношении солей, масс. %: NaCl - 35, Na₂CO₃ - 35, NaOH - 30, композиция солей обеспечивает температуру перехода в жидкое состояние при 420°C, рабочую температуру 550…650°C, а начало кипения 700°C.

Важным преимуществом этих соляных ванн является оптимальное сочетание жидкотекучести и испаряемости расплава, а также отсутствие взаимодействия с нитроцементующим покрытием. Это покрытие сохраняется в названных ваннах (не разъедается и не осыпается) длительное время до 10 часов.

Отсутствие ядовитых компонентов и невысокая испаряемость не приводит к недопустимому загрязнению атмосферного воздуха и не требует устройства специальной вентиляции. Для этих ванн не требуется также и специальной утилизации солей, выносимых на поверхности деталей при обработке.

Содержание в азото-углеродистой пасте железосинеродистого калия в количестве, составляющем 16 масс. %, является оптимальным, так как при температуре 560°C железосинеродистый калий начинает диссоциировать с выделением атомов азота и углерода. Атомы азота и углерода поглощаются поверхностью стали и диффундируют в ее глубину.

Содержание в пасте карбамида в количестве, составляющем 18 масс. %, является оптимальным, так как карбамид начинает разлагается при низких температурах 450…550°C, с выделением большого количества азота, который поглощается поверхностью стали и диффундируют в ее глубину.

Содержание в пасте газовой сажи ДГ-100 в заданном количестве является оптимальным, так как распад сажи позволяет насыщающие элементы активно поглощаться сталью, что обеспечивает высокую скорость насыщения при минимальном расходе цианизатора.

Способ осуществляют следующим образом.

Готовят пасту. Для этого смешивают сухие компоненты, масс. %: железосинеродистый калий K₄Fe(CN)₆ - 16, карбамид (NH₂)₂CO - 18, бентонит - 12, маршалит - 24, газовая сажа ДГ-100 - остальное и пастообразующую жидкость (% об.): поливинилацетатную эмульсию 50%; этанол - 10%; воду - 40%. Приготовленную пасту наносят на нитроцементируемые поверхности детали слоем от 0,5…2,0 мм и сушат при T=80°C в течение 0,5 ч до образования твердого покрытия.

Подготовленную таким образом деталь загружают в нейтральную соляную ванну при следующем соотношении компонентов, масс. %: NaCl - 35, Na₂CO₃ - 35, NaOH - 30.

Нагрев проводят при температуре 550…650°C, с выдержкой при этой температуре в течение 0,5…3 часов, затем образцы охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°C.

Сущность способа иллюстрируется примером.

В качестве упрочняемых деталей использовали образцы (10×10×60 мм) из стали 40X, предварительно очищенные уайт-спиритом. Пасту наносят на образцы слоем 0,5-2,0 мм и сушат при 80°C в течение 0,5 ч до образования твердого покрытия. Затем образцы загружают в нейтральную соляную ванну и нагревают в течение 0,5-3 часов, после чего их охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 150-200°C.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить скорость нитроцементации и снизить трудоемкость процесса, расширить температурный интервал нитроцементации, повысить равномерность нагрева деталей, повысить экологическую безопасность.

Заявленный способ не требует значительных энергозатрат и дорогостоящего оборудования и может быть применен в любом производстве, как в серийном, так и ремонтном. Кроме того, данный способ позволяет избежать экологических проблем, т.к. карбюризатор в твердом покрытии и ванна для нагрева не имеют токсичных компонентов.

Способ нитроцементации деталей из конструкционных или инструментальных сталей, включающий приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия K₄Fe(CN)₆, газовой сажи ДГ-100, нанесение пасты на детали, нагрев с выдержкой, охлаждение в масле и низкий отпуск, отличающийся тем, что при приготовлении пасты в нее дополнительно вводят карбамид, бентонит, маршалит, а также пастообразующую жидкость, при следующем соотношении компонентов, мас.%: железосинеродистый калий K₄Fe(CN)₆ - 16, карбамид (NH₂)₂CO - 18, бентонит - 12, маршалит - 24, газовая сажа ДГ-100 - остальное, пастообразующая жидкость (об.%): поливинилацетатная эмульсия 50%, этанол - 10%, вода - 40%, нагрев проводят в нейтральной соляной ванне при следующем соотношении компонентов, мас.%: NaCl - 35, Na₂CO₃ - 35, NaOH - 30, при температуре 550-650°C с выдержкой при этой температуре в течение 0,5-3 часов, затем детали охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°C.