способ упрочнения штамповых сталей

Формула изобретения

1. Способ упрочнения штамповых сталей, включающий приготовление пасты путем смешивания порошков В₄С, Na₂B₄O₇, В₂О₃ с наполнителем - карбамидом, нанесение пасты и последующее одновременное борирование и карбонитрирование при нагреве под закалку, отличающийся тем, что при смешивании пасты в нее дополнительно вводят Na₂S при следующем соотношении компонентов, мас. %: (40В₄С+60Na₂B₄O₇) - 40-60; В₂О₃ - 25-35; Na₂S - 15-25, а в процессе нагрева под закалку проводят изотермическую выдержку при 540-580^oС.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после нагрева под закалку проводят охлаждение в масле и отпуск при 560-580^oС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химико-термической обработке, преимущественно к обработке полу- и теплостойких сталей для повышения теплостойкости их поверхностных слоев, ударной вязкости и уменьшения коэффициента трения между заготовкой и инструментом.

Известен способ химико-термической обработки, борирование из обмазок, состоящий из следующих технологических операций (см. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник под ред. Ляховича Л. С. , М. ; "Металлургия", 1981, стр. 81-85): подготовка пасты 80% B₄C + 20% Na₃AlF₃ на этилсиликат до получения сметанообразного состояния, нанесение на очищенную поверхность штампа с помощью кисти слоя 2-4 мм, нанесение защитной обмазки, состоящей из 50% B₂O₃ + 50% SiO₂, разбавленной в этилсиликате, сушка при 100^oC в течение 1,5 ч. Подготовленные штампы нагревают в электрической печи в температурном интервале, соответствующем температуре закалки данной стали. После насыщения упрочненные поверхности очищают металлической щеткой и производят закалку в масле и отпуск при 520-580^oC. После такой обработки упрочненный слой из двух разных боридов FeB + Fe₂B с микротвердостью 17500-21500 МПа.

Недостатки указанного способа борирования 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 упрочнения штамповых сталей, включающий нанесение пасты, борирование при нагреве под закалку и одновременное карбонитрирование путем введения в состав пасты карбамида (см. авт. св. СССР N 1350190, кл. С 23 С 10/04, 10/14, 1986 г. ). Для осуществления способа упрочнения применяется паста, состоящая из следующих компонентов, маc. %: 40 В₄С + 60 Na₂B₄O₇, 40-60 B₂O₃ и карбамида. Указанные составы без карбамида смешивают и разводят на этилсиликате и заполняют наполнителем - карбамидом. Полученную смесь наносят на рабочие поверхности штампа слоем 2-5 мм и покрывают защитной обмазкой из кварцевого песка и маршаллита на гидролизованном этилсиликате слоем 5-10 см. Далее просушивают на воздухе до получения твердой корки. Насыщение совмещают с нагревом при закалке. Перед насыщением пастой зеркальные поверхности штампа обрабатывают раствором CuSO₄ или проводят воронение. После такой обработки диффузионный слой состоит из однообразного борида железа Fe₂B и промежуточного слоя составляющих карбонитридов, что значительно уменьшает микротвердость и улучшает пластичность диффузионных упрочненных слоев.

Однако данный способ не позволяет полностью использовать потенциальные возможности упрочненных слоев, так как пластичность этих слоев повышается незначительно и велико значение коэффициента трения между штампом и обрабатываемым материалом, что часто приводит к прилипанию обрабатываемого материала на зеркальную поверхность штампа и к повышению износа, а также снижению эксплуатационной стойкости штампа.

Задачей настоящего изобретения является повышение пластичности борированных диффузионных слоев и уменьшение коэффициента трения между штампом и обрабатываемым материалом, что приведет к повышению эксплуатационной стойкости штампа.

Поставленная задача достигается тем, что в способе упрочнения штамповых сталей, включающем приготовление пасты путем смешивания порошков B₄C, Na₂B₄O₇, B₂O₃ с наполнителем - карбамидом, нанесение пасты и последующее одновременное борирование и карбонитрирование при нагреве под закалку, согласно изобретению, при смешивании пасты в нее дополнительно вводят серосодержащее вещество, например сульфид натрия Na₂S, при следующем соотношении компонентов, мас. %: (40 B₄C +60 Na₂B₄O₇) 40 - 60, B₂O₃ 25 - 35, Na₂S 15 - 25, а в процессе нагрева под закалку проводят изотермическую выдержку при 540 - 580^oC в течение 1,5 ч. В способе предусматривается проведение охлаждения в масле после нагрева под закалку и отпуск при 560-580^oC.

В данном случае на поверхностных слоях образуются карбонитриды и сульфид железа (FeS), а при повышении температуры до 860^oC для стали 5ХНМ и 1010^oC для стали 4Х5МФС бор, диффундируя на поверхностные слои, образует бориды железа (Fe₂B). Карбонитридный слой способствует раздроблению боридных игл, что улучшает пластичность диффузионных слоев. Сульфид железа уменьшает коэффициент трения между штампом и обрабатываемым материалом.

Перед нанесением обмазки зеркальную поверхность штампа обрабатывают медным купоросом 1-5 мин или же проводят воронение с нагревом поверхностных слоев до 300-400^oC и охлаждением на воздухе. Обмазку изготавливают следующим образом: порошок смеси состава для борирования (40-60% В₄С + 60 Na₂B₄O₇ с добавлением 25-35% В₂O₃ от первичной массы) добавляют и смешивают 15-25% Na₂S от все массы, полученную смесь разводят в этилсиликате и заполняют наполнителем - карбамидом. Полученную пасту наносят на рабочие поверхности штампа слоем 2-5 мм и покрывают защитной обмазкой из кварцевого песка и маршаллита на гидролизированном этилсиликате 5-10 мм и просушивают на воздухе до получения твердой корки.

Подготовленные штампы загружают в печь, нагревают до 540- 580^oC и выдерживают в течение 1,5 ч, далее поднимают температуру в печи 860^oC - для стали типа 5ХНМ и 1010^oC для стали 4Х5МФС. Перед охлаждением штампа в масле обмазку удаляют с рабочих поверхностей, затем производят отпуск при 560-580^oC, после чего с помощью металлической щетки окончательно очищают.

Добавление в пасту сульфида натрия не влияет на толщину диффузионного слоя и микротвердость материала штампа. Толщина борированого слоя не превышает 70-80 мкм с микротвердостью Н ₂₀ 14000 МПа. Ниже боридного слоя образуется переходной слой, состоящий из карбонитридов и - фазы. Микротвердость этого слоя плавно изменяется от Н ₂₀ 5800 до 3700 МПа в сердцевине.

Ударная вязкость измерялась на боросульфокарбонитрированных образцах размерами 10х10х55 мм.

Результаты испытаний представлены в таблице.

Ударная вязкость образцов из стали 5ХНМ после стандартной термической обработки составила 0,51 МДж/м², а после азотирования она уменьшилась до 0,38 МДж/м². Значение ударной вязкости сильно уменьшается после борирования, но при добавке в состав обмазки 15-25% Na₂S она повышается до 0,31 МДж/м² против 0,25 МДж/м² после борокарбонитрированного по прототипу.

Промышленные апробирования штампов проводились при штамповке на прессе детали "шайба упорная" трактора Т-4А весом 2,5 кг из стали 50Г. Результаты стойкостных испытаний приведены в таблице. Максимальное повышение стойкости штампов наблюдается при боросульфокарбонитрировании с содержанием в пасте 15-25% Na₂S, дальнейшее повышение концентрации Na₂S в пасте не влияет на стойкость штампов. Ниже 15% концентрации Na₂S в составе пасты не дают значительных результатов.

По литературным источникам известно, что сульфид железа на поверхностных слоях играет роль твердой смазки и значительно уменьшает коэффициент трения между штампом и обрабатываемым материалом. Поэтому значение коэффициента трения не измерялось.

Таким образом, добавка в состав, указанный в прототипе, 15-25% Na₂S, изотермическая выдержка при 540-580^oC, дальнейший нагрев под закалку, охлаждение в масле и отпуск при 560-580^oC позволяют повысить ударную вязкость материала штампа и стойкость почти в два раза по сравнению с азотированием и на 15-20% по сравнению с борокарбонитрированием (прототип).