стальные изделия с покрытием из карбида и способ их изготовления

Формула изобретения

1. Способ получения твердого покрытия на изделии из стали, включающий нанесение химическим осаждением, по крайней мере, одного металла на поверхность изделия из стали, содержащей углерод и хром, отличающийся тем, что на поверхность из стали, содержащей от 0,7 до 1,2% по весу углерода и от 4 до 12% по весу хрома, наносят, по крайней мере, один металл 5-й группы, имеющий атомный номер не больше 41, химическое осаждение осуществляют при вращении изделия в герметичной емкости при температуре от 870 до 1100°C и при практически полном отсутствии воздуха с источником в виде порошковой смеси, по крайней мере, одного металла 5-й группы, имеющего атомный номер не больше 41, и галоидного катализатора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изделие из стали содержит по весу от 0,9 до 1,1% углерода и от 4 до 8% хрома.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве герметичной емкости используют емкость, установленную с возможностью вращения.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура в герметичной емкости составляет от 930 до 1040°С, а атмосфера внутри нее является инертной.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что используют источник металла 5-й группы, содержащий феррованадий.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве галоидного катализатора используют хлорид железа.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что после получения покрытия дополнительно проводят охлаждение изделия, последующий нагрев изделия, по крайней мере, до температуры аустенизации и закалку изделия, при этом обеспечивают достижение твердости RC 44-56 внутренней части изделия, а твердости поверхности, по крайней мере, HV 2000.

8. Способ получения износостойкого стального изделия, включающий получение заготовки износостойкого изделия, содержащей сталь, содержание углерода в которой составляет, по крайней мере, 0,2% по весу, и получение износостойкого карбидного покрытия на поверхности изделия путем химического осаждения металла, отличающийся тем, что покрытие получают путем вращения заготовки износостойкого стального изделия в герметичной емкости с порошковой смесью, содержащей источник, по крайней мере, одного металла 5-й группы с атомным номером не больше 41, и до 50% по весу инертных частиц от общего веса смеси, в присутствии галоидного катализатора при температуре от 870 до 1100°С и практически полном отсутствии воздуха.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что до вращения заготовки в емкости замещают воздух на инертный газ, а ее вращение осуществляют при температуре в ней от 930 до 1040°С.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что используют источник металла 5-й группы, содержащий феррованадий.

11. Способ по п.8, отличающийся тем, что сталь содержит по весу от 0,7 до 1,2% углерода и от 4 до 12% хрома, а после получения покрытия осуществляют отделение изделия от смеси, нагрев его до температуры аустенизации и закалку.

12. Способ по п.8, отличающийся тем, что сталь содержит по весу от 0,9 до 1,1% углерода и от 4 до 8% хрома.

13. Способ по п.8, отличающийся тем, что используют катализатор, содержащий хлорид железа.

14. Способ изготовления износостойких валиков цепей, включающий получение партии заготовок износостойких валиков цепей, содержащих сталь с содержанием углерода, по крайней мере, 0,2% по весу, и получение износостойкого карбидного покрытия на поверхностях валиков цепей посредством химического осаждения на поверхностях, по крайней мере, одного металла с атомным номером не больше 41, отличающийся тем, что изготавливают первую партию заготовок износостойких валиков цепей, а для получения износостойкого карбидного покрытия встряхивают их в контакте с порошковой смесью, содержащей источник, по крайней мере, одного металла 5-й группы с атомным номером не больше 41, и до 50% по весу инертных частиц от общего веса смеси в присутствии галоидного катализатора при температуре от 870 до 1100°С, отделяют первую партию валиков цепей от порошковой смеси, изготавливают вторую партию заготовок износостойких валиков цепей, а для получения на них износостойкого карбидного покрытия повторно используют, по крайней мере, 50% порошковой смеси, использованной для получения износостойкого карбидного покрытия на первой партии заготовок износостойких валиков цепей.

15. Изделие, имеющее твердое покрытие, содержащее карбид, по крайней мере, одного металла 5-й группы, имеющего атомный номер не больше 41, и карбид хрома, и внутреннюю часть из стали, отличающееся тем, что покрытие содержит от 1 до 3% карбида хрома, распределенного в значительной степени равномерно по всему покрытию, а его внутренняя часть выполнена из стали, содержащей по весу от 0,7 до 1,2% углерода и от 4 до 8% хрома.

16. Изделие по п.15, отличающееся тем, что изделие является валиком цепи, обладающим твердостью внутренней части RC44-56.

17. Изделие по п.15, отличающееся тем, что твердость его поверхности составляет, по крайней мере, HV2000.

18. Сталь для изготовления изделия с покрытием, содержащая углерод и хром, отличающаяся тем, что она содержит марганец, кремний, молибден, фосфор, серу и алюминий, при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Углерод	0,7-1,2
Хром	4-8
Марганец	0,25-0,45
Кремний	0,25-0,55
Молибден	0,2-0,55
Фосфор	до 0,03
Сера	до 0,03
Алюминий	до 0,05
Железо	Остальное

а на изделие, изготовленное из нее, химическим осажденим нанесено покрытие, по крайней мере, одного металла 5-й группы с атомным номером не больше 41.

19. Сталь по п.18, отличающаяся тем, что содержание углерода в ней по весу составляет от 0,9 до 1,1%.

20. Сталь по п.18, отличающаяся тем, что содержание хрома в ней по весу составляет от 5 до 6%.

Приоритет по пунктам:

29.06.2000 по пп.1-20,

Описание изобретения к патенту

Область техники

Химическое осаждение, осуществляемое путем вращения деталей в герметичной емкости, используется для получения твердых, износостойких покрытий из карбида ванадия или карбида ниобия (или обоих) на стальных изделиях, таких как штифты цепи. Созданы изделия, содержащие покрытия из карбида, а также новая стальная подложка и способ получения (нанесения) покрытий.

Уровень техники

Данное изобретение имеет самое прямое отношение к двум типам цепей - к традиционным роликовым цепям и к так называемым бесшумным (зубчатым) цепям. Штифты используются и являются важными компонентами как роликовых, так и зубчатых цепей.

В роликовых цепях штифты свободно вращаются в закаленных втулках, в зубчатых цепях цилиндрические штифты служат непосредственной опорой для внутренних отверстий звеньев цепи и плотно входят (прессовая посадка) во внешние ведущие звенья. Соединительное звено зубчатой цепи состоит из штифтов, которые вращаются относительно неведущего ряда звеньев цепи. В зубчатой цепи используются серии звеньев, которые чередуются, то есть внутренние звенья плотно насажены на штифты, внутренние звенья в том же ряду цепи и внешние звенья в прилегающем или неведущем ряду чередуются со звеньями ведущего ряда цепи. См., например, описание Фиг.4 патента США №6068568 на имя Kozakura и др. Как правило, механическое напряжение при контакте штифта и втулки в роликовой цепи меньше, чем механическое напряжение, возникающее при контакте штифта и отверстий звеньев в зубчатой цепи. Это позволяет заключить, что, как правило, роликовые цепи обладают лучшими характеристиками износостойкости по сравнению с зубчатыми цепями. Поэтому данное изобретение направлено в первую очередь на улучшение характеристик износостойкости зубчатых цепей, хотя оно применимо к обоим типам цепей и к любым подвергающимся износу стальным деталям цепей или других изделий.

Пример предварительной обработки подложки для улучшения нанесения твердого покрытия можно найти в патенте США №4608098 на имя Hale. Процесс химического осаждения из газовой фазы описан в патенте США №4957780 на имя Sarin и др. FeV используется в качестве материала, образующего карбид, в патенте США №4400224 на имя Arai и др. Покрытия из карбида ванадия наносили на небольшие стальные детали и раньше, но обычно использовали обработку в солевой ванне, такую, как описана в патентах США №№4400224 и/или 4778540 на имя Arai и др. См. также патенты США №№4686117, 4786526, 4844949 и 4892759 на имя Arai и др., в которых предложено использование псевдосжиженного слоя. Псевдосжиженный слой также раскрыт в патенте США №5498442 на имя Lennartz. Штифты с твердым покрытием из карбида хрома можно получить, осаждая хром из порошка FeCr, окружающего поверхность штифта, при температуре 970°С. Хром диффундирует из порошка и осаждается на поверхности штифта, где он вытягивает углерод из поверхности подложки с образованием карбида. Стальные подложки, имеющие низкое содержание углерода, не пригодны для этих целей, и, следовательно, штифты необходимо карбюрировать, что увеличивает стоимость этого способа. Тем не менее, такие штифты удовлетворительно работают в роликовых цепях, где штифты не подвергаются столь высокому напряжению, как в зубчатых цепях.

Покрытия из карбида хрома, наносимые с помощью химического осаждения, были опробованы на штифтах зубчатых цепей, однако при более высоком поверхностном напряжении в зубчатой цепи микрочастицы твердого покрытия, откалывающиеся от поверхности, могут способствовать и ускорять износ незащищенной подложки, имеющей значительно меньшую твердость, чем осколки покрытия. В роликовых цепях штифт может полностью износиться (истереться) о втулку вследствие воздействия отколовшихся частиц карбида хрома. Это показывает важность адгезионного слоя, связывающего покрытие с подложкой. Следует также отметить, что достичь хорошей адгезии твердого покрытия значительно труднее для покрытий из карбида ванадия, чем для покрытий из карбида хрома.

Хром повышает адгезию покрытий из карбида ванадия к стальной подложке за счет образования диффузной связи. Этот эффект может быть достигнут при использовании в процессе осаждения хрома железо-хромового порошка или порошка элементарного хрома. Однако природоохранное законодательство зачастую исключает или запрещает использование железо-хромового и элементарного хромового порошков.

Состав стальной подложки штифта в значительной степени влияет на характеристики стальных штифтов, покрытых ванадием. Было установлено, что определенное содержание углерода в стали подложки может обеспечить требуемую толщину покрытия и придать покрытию прочность и твердость, а определенное содержание хрома в стали подложки является важным для хорошей адгезии покрытия к подложке стальных штифтов. Применение различных марок стали, имеющих умеренное содержание хрома, для различных целей описано в патентной литературе. См., например, патенты США №1773793 на имя Sattler, №1496979 на имя Corning, №3907553 на имя Nagumo и др., №3901690 на имя Philip и др., №4224060 на имя DeSouza, №4842818 на имя Kato и др., №4902473 на имя Arata и др., №5013525 на имя Hamada и др. и №5944920 на имя Fukushima. Однако не найдено коммерчески доступных марок стали, удовлетворяющих техническим требованиям по предпочтительному содержанию углерода и хрома. Коммерчески доступные стали, имеющие требуемое содержание хрома, имеют очень низкое содержание углерода, что делает необходимым проведение карбюрирования штифтов и других деталей или изделий, на которые предполагается нанести покрытие, с целью повышения содержания углерода перед осуществлением процедуры нанесения покрытия, что увеличивает стоимость конечных продуктов и снижает среднестатистическое качество вследствие изменений и отклонений, возникающих в процессе карбюрирования. Кроме того, коммерчески доступные стали, которые могли бы быть использованы, как правило, содержат значительно больше молибдена, чем это необходимо для целей данного изобретения, что неоправданно увеличивает стоимость стали подложки и готовых изделий, изготовленных из этой стали, таких как штифты цепи. Полная стоимость штифта, имеющего покрытие, может быть дополнительно снижена за счет снижения или ограничения содержания в стали этого дорогостоящего элемента. Поэтому настоящее изобретение также представляет собой новую композицию стали.

Сущность изобретения

Поставленная задача была решена настоящим изобретением.

В способе получения твердого покрытия на изделии из стали, включающем нанесение химическим осаждением, по крайней мере, одного металла на поверхность изделия из стали, содержащей углерод и хром, согласно изобретению на поверхность изделия из стали, содержащей от 0,7% до 1,2% по весу углерода и от 4% до 12% по весу хрома наносят, по крайней мере, один металл 5-й группы, имеющий атомный номер не больше 41, химическое осаждение осуществляют при вращении изделия в герметической емкости при температуре от 870°С до 1100°С и при практически полном отсутствии воздуха с источником в виде порошковой смеси, по крайней мере, одного металла 5-й группы, имеющего атомный номер не больше 41, и галоидного катализатора.

Изделие из стали предпочтительно содержит по весу от 0,9% до 1,1% углерода и от 4% до 8% хрома.

В качестве герметичной емкости предпочтительно используют емкость, установленную с возможностью вращения.

Температура в герметичной емкости может составлять от 930°С до 1040°С, а атмосфера внутри герметичной емкости является инертной.

Предпочтительно используют источник металла 5-й группы, содержащий ванадий.

В качестве галоидного катализатора предпочтительно используют хлорид железа.

После получения покрытия предпочтительно дополнительно проводят охлаждение изделия, последующий нагрев изделия, по крайней мере, до температуры аустенизации и закалку изделия, при этом обеспечивают достижение твердости RC 44-56 внутренней части изделия, а твердости поверхности, по крайней мере, HV 2000.

В способе получения износостойкого стального изделия, включающем получение заготовки износостойкого изделия, содержащей сталь, содержание углерода в которой составляет, по крайней мере, 0,2% по весу, и получение износостойкого карбидного покрытия на поверхности изделия путем химического осаждения металла, согласно изобретению покрытие получают путем вращения заготовки износостойкого изделия в герметичной емкости с порошковой смесью, содержащей источник, по крайней мере, одного металла из 5-й группы с атомным весом не больше 41, и до 50% по весу инертных частиц от общего веса смеси, в присутствии галоидного катализатора при температуре от 870°С до 1100°С и практически полном отсутствии воздуха.

До вращения заготовки в емкости замещают воздух на инертный газ, а ее вращение осуществляют при температуре в ней от 930°С до 1040°С.

Можно использовать источник металла 5-й группы, содержащий феррованадий.

Полученная сталь содержит по весу от 0,7% до 1,2% углерода и от 4% до 12% хрома, и после получения покрытия осуществляют отделение изделия от смеси, нагрев его до температуры аустенизации и закалку.

Сталь предпочтительно содержит по весу от 0,9% до 1,1% углерода и от 4% до 8% хрома.

Предпочтительно используют катализатор, содержащий хлорид железа.

В способе изготовления износостойких валиков цепей, включающем получение партии заготовок износостойких валиков цепей, содержащих сталь с содержанием углерода, по крайней мере, 0,2% по весу, и получение износостойкого карбидного покрытия на поверхностях валиков цепей посредством химического осаждения на поверхностях, по крайней мере, одного металла с атомным номером не больше 41, согласно изобретению изготавливают первую партию заготовок износостойких валиков цепей, а для получения износостойкого карбидного покрытия встряхивают их в контакте с порошковой смесью, содержащей источник, по крайней мере, одного металла 5-й группы с атомным номером не больше 41 и до 50% по весу инертных частиц от общего веса смеси в присутствии галоидного катализатора при температуре от 870°С до 1100°С, отделяют первую партию валиков цепей от порошковой смеси, изготавливают вторую партию заготовок износостойких валиков цепей, а для получения на них износостойкого карбидного покрытия повторно используют, по крайней мере, 50% порошковой смеси, использованной для получение износостойкого карбидного покрытия на первой партии заготовок износостойких валиков цепей.

В изделии, имеющем твердое покрытие, содержащее карбид, по крайней мере, одного металла 5-й группы, имеющего атомный номер не больше 41, и карбид хрома, и внутреннюю поверхность из стали, согласно изобретению покрытие содержит от 1% до 3% карбида хрома, распределенного в значительной мере равномерно по всему покрытию, а его внутренняя часть выполнена из стали, содержащей по весу от 0,7% до 1,2% углерода и от 4% до 8% хрома.

Изделие, в частности, может являться валиком цепи, обладающим твердостью внутренней части RC 44-56.

Твердость поверхности изделия может составлять, по крайней мере, HV2000.

Сталь для изготовления изделия с покрытием, содержащая углерод и хром, согласно изобретению дополнительно содержит марганец, кремний, молибден, фосфор, серу и алюминий, при следующем соотношении компонентов, вес %:

углерод	0,7-1.2
хром	4-8
марганец	0,25-0,45
кремний	0,25-0,55
молибден	0,2-0,55
фосфор	до 0,03
сера	до 0,03
алюминий	до 0,05
железо	остальное,

а на изделие, изготовленное из нее, химическим осаждением нанесено покрытие, по крайней мере, одного металла 5-й группы с атомным номером не больше 41.

Содержание углерода в стали по весу предпочтительно составляет от 0,9% до 1,1%, и содержание хрома - от 5% до 6%.

Таким образом, изобретение представляет собой способ получения твердой поверхности на изделиях из стали, в частности на небольших деталях, таких как штифты, используемые в цепях. Для получения на стальном изделии покрытия из карбида ванадия, карбида ниобия или из смешанного карбида ванадия/ниобия используют технологию контактной диффузии при вращении или встряхивании деталей в герметичном контейнере. Способ контактной диффузии при вращении представляет собой способ химического осаждения, осуществляемый с помощью определенного количества (порции) порошковой (сыпучей) смеси, содержащей частицы, являющиеся источником ванадия, ниобия или смеси ванадия/ниобия, предпочтительно в форме FeV и/или FeNb, и галоидный катализатор, предпочтительно хлорид железа, в которую погружают или с которой смешивают стальные изделия, такие как штифты цепей. Когда смесь в герметичной вращающейся или качающейся реторте или другой емкости нагревают до температуры в интервале от 1600-2000°F, предпочтительно 1700-1900°F, катализатор взаимодействует с ванадием и/или ниобием с образованием хлорида (галогенида) ванадия и/или ниобия, который диффундирует и переносится к поверхности стального изделия, чему способствует встряхивание, задаваемое вращением или покачиванием емкости. Ванадий и/или ниобий, будучи сильными карбидообразующими элементами, вытягивают углерод из стали подложки с образованием карбидного слоя, твердость которого превышает HV2000 (HV-твердость по Виккерсу). Химические реакции, протекающие в емкости (реторте), могут быть описаны следующей схемой:

FeV+Cl₂ VCl₂+Fe или FeNb+Cl₂ NbCl₂+Nb

VCl₂+C VC +Cl₂ NbCl₂+C NbC+Cl₂

Таким образом, данное изобретение включает осаждение ванадия и/или ниобия на поверхности стального изделия в форме галоидного соединения путем химического осаждения, осуществляемого при вращении деталей. Галогенид превращается в карбид ванадия и/или карбид ниобия на поверхности стального изделия, причем углерод диффундирует из стальной подложки и, замещая галоген, соединяется с ванадием и/или ниобием. Соответственно, предпочтительно, чтобы содержание углерода в стали составляло от 0.7% до 1.2% по весу.

Предпочтительно также, чтобы содержание хрома в стали подложки составляло от 4% до 8% по весу. Хром улучшает адгезию покрытия из карбида ванадия или карбида ниобия к стальной подложке за счет образования диффузных связей. В то же время, слишком большое содержание хрома в стали подложки может способствовать стабильности феррита и приводить к ингибированию образования полностью мартенситной структуры в процессе посттермической обработки. Соответственно, используются более низкие содержания хрома в стали, чем в большинстве нержавеющих сталей. Было установлено, что, как правило, согласно данному изобретению может быть использована сталь с содержанием хрома в диапазоне от 4% до 12%, хотя предпочтительным является 4-8%, и 5-6% является наиболее предпочтительным. Сталь с содержанием хрома выше 12% или ниже 4% может быть использована в тех случаях, когда адгезионное связывание не является особенно важным.

Авторами настоящего изобретения было установлено, что не только углерод мигрирует и замещает галоген в только что осажденном галогениде ванадия или галогениде ниобия, но и хром также мигрирует из стали подложки в покрытие, образуя карбид хрома, который распределяется по всему покрытию из карбида ванадия и/или карбида ниобия. Эта в значительной степени гомогенная дисперсия карбида хрома в покрытии из карбида ванадия и/или карбида ниобия является, по мнению авторов настоящего изобретения, уникальной и контрастирует с менее желательной, в значительной степени слоистой структурой, которая получается в том случае, когда источник хрома смешивают с источником ванадия или ниобия в порошке.

Ванадий и ниобий находятся в 5-ой группе Периодической Таблицы Элементов согласно 18-группной классификации, разработанной и рекомендованной Международным Союзом Теоретической и Прикладной Химии. Так как ниобий имеет атомный номер 41, под термином «металл 5-ой группы с атомным номером не больше 41» подразумеваются ванадий и ниобий.

Таким образом, настоящее изобретение представляет собой способ получения твердого покрытия на стальной подложке, в состав которой входит от 0.7% до 1.2% углерода и от 4% до 12% хрома, включая нанесение, по крайней мере, одного металла 5-ой группы с атомным номером не больше 41, на поверхность стального изделия путем химического осаждения, осуществляемого при вращении изделия при температуре от 1600°F до 2000°F. Источником металла 5-ой группы предпочтительно является FeV или FeNb. Помимо источника металла 5-ой группы, в процессе химического осаждения может быть использован также источник хрома, однако его количество должно быть таким, чтобы в результате количество карбида хрома, получаемого из сыпучей (порошковой) смеси, не превышало 5% от получаемого в результате покрытия из карбида металлов.

В сыпучую (порошковую) смесь могут быть включены и другие, в значительной степени инертные сыпучие вещества, такие как оксид алюминия, предпочтительно в количестве, не превышающем 50% по весу от общего веса смеси.

В процессе химического осаждения используют галоидный катализатор. Предпочтительно в качестве катализатора используют хлорид, особенно FeCl₃, хотя также успешно могут быть использованы хлорид аммония, хлорид ниобия и хлорид ванадия. По-видимому, небольшое количество галогена, входящего в состав катализатора, временно соединяется с металлом 5-ой группы (и хромом, если он присутствует в сыпучей смеси) и высвобождается на поверхности изделия, когда он замещается на углерод из стального изделия. Поэтому, вполне возможно, что галоидное соединение является активатором, а не катализатором. В данном изобретении авторы не ставили цели ограничиться какой-либо из этих особенностей теории воздействия галоидного соединения, а просто заимствовали термин «катализатор» для удобства и использовали его для выражения либо функции галоидного соединения, либо любой другой теории его действия.

В более предпочтительном варианте данное изобретение представляет собой способ получения износостойкого стального изделия, включающий изготовление изделия из стали, содержание углерода в которой составляет от 0.9% до 1.1% по весу, а содержание хрома составляет от 4% до 8%, наиболее предпочтительно 5-6% по весу, и образование на поверхности изделия карбида металла 5-ой группы путем химического осаждения на ней металла 5-ой группы. Согласно предпочтительному способу химического осаждения, заготовку износостойкого стального изделия (то есть изделие без покрытия) вращают в емкости, предпочтительно путем вращения этой емкости, содержащей сыпучую смесь источника металла 5-ой группы, предпочтительно ванадия, в течение, по крайней мере, 60 минут при температуре 1600-2000°F, предпочтительно 1700-1900°F, после чего изделие постепенно охлаждают и отделяют от сыпучей смеси.

Несмотря на то, что можно использовать ряд марок стали, имеющих указанное выше содержание углерода и хрома, наиболее предпочтительной является подложка из стали, имеющей следующий состав (по весу): углерод - от 0.9 до 1.1%; хром - от 5 до 6%; марганец - 0.25-0.45; кремний - от 0.25 до 0.55%; молибден - от 0.2 до 0.55%; фосфор - максимум 0.03%; сера - максимум 0.03% и алюминий - максимум 0.05%. Обычно предпочтительная сталь имеет следующий состав:

C	Cr	Mn	Si	Mo	P	S	Al
0.7-1.2	4-8	0.25-0.45	0.25-0.55	0.2-0.55	0.03 макс	0.03 макс	0.05 макс

Оставшаяся часть композиции включает железо и может включать небольшие количества других элементов и металлов, обычно используемых или обнаруживаемых в стали. Этот состав стали будет далее обозначаться как композиция А стали.

После того, как покрытие из карбида образовалось, изделия с покрытием приобретают новую структуру, включающую покрытие и внутреннюю часть, причем покрытие содержит карбид ванадия и/или карбид ниобия, а состав внутренней части соответствует композиции А стали. Помимо карбида ванадия и/или карбида ниобия, в том случае, если сталь содержит, по крайней мере, 4% хрома по весу, покрытие включает от 1% до 3% карбида хрома, распределенного в значительной степени равномерно по всему покрытию.

Способ по данному изобретению также включает посттермичекую обработку, согласно которой после охлаждения и отделения от порошковой смеси изделие с покрытием подвергают воздействию, по крайней мере, температуры аустенизации и закаляют традиционным способом для закалки внутренней части, предпочтительно добиваясь конечной твердости внутренней части Rc44-56, затем изделие может быть отполировано традиционным способом. Однако изделие с покрытием является новым и без посттермической закалки и может быть использовано, например, для того, чтобы придать изделию коррозионную стойкость с помощью покрытия.

Изобретение также представляет собой способ получения твердого покрытия на стальном изделии. Согласно этому способу используют взаимодействие изделия, предпочтительно путем его вращения, с источником металла 5-ой группы в сыпучей форме, имеющего атомный номер не больше 41, в разогретой емкости в присутствии галоидного катализатора. Вращение может быть осуществлено путем вращения емкости вместе с ее содержимым. Содержание углерода в стали должно составлять, по крайней мере, 0.2% по весу. Предпочтительно, изделие смешивают с источником металла 5-ой группы в сыпучей форме и катализатором, после чего емкость вращают для перемешивания ее содержимого и обеспечения более или менее непрерывного контакта изделия с сыпучими материалами, причем температуру внутри емкости поддерживают в интервале 1600-2000°F (870-1200°C), предпочтительно 1700-1900°F, в течение времени, достаточного для образования на изделии покрытия требуемой толщины, состоящего из карбида металла 5-ой группы и имеющего твердость, по крайней мере, HV2000.

Предпочтительно, воздух удаляют, и процесс проводят в герметичной емкости практически в отсутствие воздуха. Однако более предпочтительным является заполнение емкости инертным газом, предпочтительно аргоном или азотом, а неиспользование вакуума, требующего большего внимания к возможному появлению протечек (нарушению герметичности). В процессе нагревания и вращения емкости феррованадий и/или феррониобий, или другой источник металла 5-ой группы распадается с высвобождением металла 5-ой группы, осаждающегося на поверхности изделия в форме галогенида. Углерод вытягивается из стальной поверхности изделия и замещает галоген, который затем возвращается в исходную сыпучую смесь, соединяясь с дополнительным количеством металла 5-ой группы, поступающим из его источника. Лишь небольшое количество источника металла 5-ой группы, по оценкам авторов настоящего изобретения, от 0.5 до 2% металла из источника металла, расходуется в процессе получения покрытия требуемой толщины, составляющей, как правило, от 10 до 20 микрон.

Согласно данному изобретению способ включает использование сыпучей смеси два или более раз. Другими словами, после того, как изделие или изделия прошли обработку для получения твердого покрытия, как описано выше, сыпучую смесь и изделия отделяют друг от друга, после чего сыпучая смесь может быть возвращена в емкость для повторного использования в этой (или другой) емкости, в которой она опять будет нагрета вместе с другим изделием или изделиями, на которые следует нанести покрытие. Сыпучую смесь не нужно пополнять в течение нескольких повторно проведенных циклов, однако данное изобретение включает возможность пополнения источника металла 5-ой группы и/или катализатора, в то время как основная масса (по крайней мере, 50%) сыпучей смеси, используемая в последующем цикле, может содержать материал, который ранее уже был использован для описанной цели. Вследствие того, что при однократном использовании обычно расходуется менее 2% источника ванадия, и галоген, замещенный на поверхности из соединения с металлом 5-ой группы, возвращается в исходную сыпучую смесь, где он образует соединение с дополнительным количеством металла 5-ой группы, данное изобретение включает использование той же порции сыпучих материалов для, по крайней мере, двух партий изделий или больше, в соответствии с экономичным использованием оборудования. Как правило, вполне целесообразным является, по крайней мере, пятикратное использование одной порции. Для любого конкретного варианта использования предпочтительным является отношение металла 5-ой группы, содержащегося в источнике металла 5-ой группы, к изделиям не ниже 1:2 по весу, и предпочтительно составляет от 1:1 до 2:1 по весу. Не существует каких-либо теоретических обоснований того, что это соотношение не должно существенно превышать 2:1, и составлять, скажем, 10:1, однако такое соотношение обычно не является экономически приемлемым.

Краткое описание чертежей

Фиг.1А представляет собой вид продольного сечения предпочтительной вращающейся емкости (реторты), содержащей источник ванадия и подготовленной для получения покрытия на выбранных изделиях.

Фиг.1Б представляет собой торцевое (поперечное) сечение вращающейся емкости (реторты), на котором также показано содержимое емкости.

Фиг.2 представляет собой идеализированное сечение штифта, покрытого карбидом ванадия способом согласно данному изобретению.

Фиг.3 представляет собой идеализированную зависимость концентрации карбида хрома от расстояния (глубины) от поверхности штифта, на который нанесено покрытие способом согласно данному изобретению.

На Фиг.4 показан участок зубчатой цепи, конструкция которой известна из уровня техники, но включает штифты, на которые может быть нанесено покрытие способом согласно данному изобретению.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Как показано на Фиг.1, способ предпочтительно осуществляют во вращающейся емкости 1, снабженной валом 9, который удерживается с возможностью вращения в стенках 2 и 3 печи 4 при помощи втулок 7, и которая герметично закрыта. Вращение емкости 1 с требуемой скоростью осуществляется с помощью мотора, который на чертеже не показан, в то время как температуру в печи 4 поддерживают на уровне 1600-2000°F, предпочтительно 1700-1900°F. Внутри емкости 1 находится сыпучая смесь 5 и, по крайней мере, одно стальное изделие, в данном случае стальные штифты 6 цепи, на которые предполагается нанести покрытие. В данной, приведенной в качестве примера, иллюстрации сыпучая смесь 5 содержит феррованадий с размером частиц от 0.8 до 3 мм, и порядка 1% выбранного галоидного катализатора, FeCl₃. На Фиг.1Б показано торцевое сечение емкости, иллюстрирующее, как перемешивается содержимое при вращении емкости 1, предпочтительно с помощью направляющих перегородок 8. Сыпучая смесь и изделие(я), на которое предполагается нанести покрытие, практически непрерывно контактируют при вращении емкости 1, что вызывает образование карбида ванадия на поверхности стальных штифтов 6 цепи.

Галоидный катализатор может быть использован в любом эффективном количестве, однако предпочтительным является содержание примерно от 0.6% до 3% по весу от веса источника металла 5-ой группы. Емкость, реторту или контейнер 1 можно не вращать, а раскачивать или трясти каким-либо другим способом.

Кроме того, данное изобретение представляет собой стальное изделие, покрытое карбидом металла 5-ой группы, имеющего атомный номер не больше 41. Предпочтительное изделие содержит внутреннюю часть, выполненную из стали, содержащей 0.8-1.2% углерода (наиболее предпочтительно 0.9-1.1%), и 4-8% хрома (наиболее предпочтительно 5-6%) и твердое покрытие, содержащее карбид ванадия. Наиболее предпочтительно, карбид ванадия содержит от 1 до 3% карбида хрома, равномерно распределенного по всему покрытию. Все процентные содержания указаны по весу.

На Фиг.2 показано сечение штифта зубчатой цепи, обработанного способом согласно данному изобретению. Штифт содержит внутреннюю часть 10 и твердое внешнее покрытие 11. Внутренняя часть 10 является стальной и изготовлена из стали композиции А, а внешнее покрытие 11 содержит 97-99% карбида ванадия и/или карбида ниобия и 1-3% карбида хрома, равномерно распределенного по всему покрытию. В процессе нанесения покрытия металл 5-ой группы осаждается на поверхности изделия в форме галогенида, углерод вытягивается из стальной поверхности и взаимодействует с металлом 5-ой группы, замещая галоген. Однако для процесса не принципиально использование предпочтительной стальной подложки, имеющей описанные выше содержания углерода и хрома. Способ контактной обработки при вращении может быть успешно осуществлен для любой стали, содержащей, по крайней мере, от 0.2% до 2% углерода по весу.

Фиг.3 представляет собой идеализированную зависимость содержания карбида хрома от глубины покрытия для покрытия толщиной 15 микрон, то есть от расстояния от поверхности покрытия на штифте, обработанном согласно данному способу. В этом типичном случае концентрация углерода в стали составляет 1.0%, а концентрация хрома составляет 5.5%. Видно, что имеется градиент концентрации равномерно распределенного карбида хрома, концентрация карбида хрома меняется от 1% вблизи поверхности покрытия до примерно 3% в глубине покрытия. Как уже было неоднократно указано выше, карбид хрома получается из углерода и хрома, присутствующих в стали до использования данного способа.

На Фиг.4 показана часть стандартной зубчатой цепи, включающая серии пластин А и В, каждая из которых имеет два отверстия для штифтов 20. В этой конфигурации параллельные серии из четырех пластин А и параллельные серии из трех пластин В могут принять такую форму, чтобы вместить зубчатые барабаны или каким-либо другим способом войти в контакт с приводным механизмом, который не показан на чертеже. В зависимости от конструкции цепи некоторые из пластин А или В могут быть шарнирно соединены с штифтами 20, в то время как другие пластины могут быть прикреплены к ним таким образом, чтобы не вращаться на штифтах. В любом случае, есть ли шарнирное соединение на стыке пластин с штифтами или нет, значительная нагрузка и износ могут иметь место на поверхности контакта штифтов и пластин.

Сравнение штифтов цепей, изготовленных согласно данному способу, с обычными штифтами показывает, что твердое покрытие на штифтах не осыпается с штифтов при сгибании в тисках, в то время как штифты, полученные традиционным способом, осыпаются. Это значит, что когда покрытие на штифтах, полученное согласно данному способу, изнашивается, оно, тем не менее, удерживается более прочно, чем покрытие на обычных штифтах. Как показано выше, отслаивание или скалывание твердых покрытий может оказывать весьма разрушительное действие и вызывать изнашивание (истирание) контактирующих поверхностей элементов цепи.