способ цианирования стальных или титановых изделий

Формула изобретения

Способ цианирования стальных или титановых изделий, включающий нанесение на рабочую поверхность изделия диффузионных слоев, содержащих углерод и азот, отличающийся тем, что нанесение диффузионных слоев осуществляют электроэрозионным легированием графитовым электродом, охлаждаемым газообразным азотом.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области черной металлургии и машиностроению, в частности к упрочнению деталей и изделий методом диффузионного цианирования.

Известен способ твердого цианирования с применением смеси следующего состава: 60-70% древесного угля и 30-40% желтой кровяной соли. Интенсивная диссоциация цианистых солей начинается в твердом состоянии при 540-560°С (Геллер Ю.А. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1975, с.489-490). Недостатком данного процесса является дороговизна азотсодержащего компонента - желтой кровяной соли, а также его токсичность.

Известен способ цианирования с применением смеси следующего состава: 70% желтой кровяной соли, 20% сажи, 5% мела и 5% соды. Интенсивная диссоциация цианистых солей начинается при расплавлении при температуре 650°С (Долженков В.Н. Цианирование улучшаемых сталей в пастах. Курск, ГТУ, 2001, 127 с.). Недостатком данного процесса является дороговизна азотсодержащего компонента - желтой кровяной соли, его токсичность, а также относительно высокая температура процесса по сравнению с другими низкотемпературными процессами.

Известен способ упрочнения стальных деталей, включающий высокотемпературную нитроцементацию с выдержкой в начале при 800-900°С, а затем при 940-960°С с последующим отпуском при 630±10°С, а закалку и отпуск по принятым режимам (Геллер Ю.А. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1975, с.493-514).

Однако известный способ характеризуется длительностью процесса нитроцеминтации и недостаточной глубиной упрочняемого слоя. Кроме того, применение известного способа не обеспечивает требуемого распределения твердости.

Известен состав обмазки для твердого цианирования стальных изделий, включающий в себя 50-55 мас.ч. карбамида и 50-45 мас.ч. сажи (а.с. №2250930, кл. С23С 8/76, опубл. 27.04.2005).

Известен состав водной пасты, наносимый на поверхность цемтуемых деталей в способе упрочнения, содержащий карбоксиметилцеллюлозу и мочевину (а.с. 1164290, кл. С21D 1/78, С23С 8/76, опубл. 30.06.1985).

Недостатки состава данных смесей в неудовлетворительной укрывистости поверхности, слабой и нестабильной адгезии к поверхности, высокой окисляющей способности и нетехнологичности применительно к деталям сложной геометрической формы и низких свойствах поверхностного слоя.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ химико-термической обработки самонарезов, преимущественно мелкорезьбовых из углеродистых сталей, применяемых для сборки холодильников, включающий нитроцементацию в составе, содержащем карбамид и перлит вулканический, закалку от температуры нитроцементации и отпуск, согласно изобретения нитроцементацию проводят при 900-910°С в составе, дополнительно содержащем трилон Б и полиэтилен при их соотношении с карбамидом и перлитом вулканическим 1:4:10:1, а отпуск закаленных деталей проводят в вакууме 10 ^-1 мм рт.ст. в течение 45-60 мин, при этом полиэтилен используют в виде мешочком для укладки деталей в состав для нитроцементации (патент № 2015198, С23С 8/32, опубл. 30.06.1994).

Недостатком известного решения является невысокая глубина диффузионного упрочняющего слоя, а также его недостаточная твердость.

Общим недостатком всех известных составов смесей, используемых при способе цианирования и нитроцементации деталей из легированных сталей и титановых сплавов, является высокая токсичность процессов, использование дорогостоящих компонентов, относительно высокая температура процесса по сравнению с другими низкотемпературными процессами (от 550 до 900°С), невысокая глубина упрочняемого слоя (0,05-0,17 мм), а также нестабильность свойств формирующихся диффузионных слоев.

Технической задачей изобретения является разработка нового более эффективного, экологически чистого и более производительного процесса цианирования стальных деталей и изделий.

Техническим результатом предлагаемого решения является получение упрочняющих диффузионных слоев, обладающих высокой микротвердостью и износостойкостью.

Технический результат достигается тем, что в способе цианирования стальных или титановых изделий, включающий нанесение на рабочую поверхность изделия диффузионных слоев, содержащих углерод и азот, согласно изобретения нанесение диффузионных слоев осуществляют электроэрозионным легированием графитовым электродом, охлаждаемым азотом.

Для достижения технического результата в промышленных масштабах предлагаются методы упрочнения концентрированными потоками энергии, в том числе с использованием электрических разрядов.

Наиболее простым при этом является способ электроэрозионного легирования.

Электроэрозионное легирование особенно эффективно для повышения износостойкости изделий из дорогостоящих легированных сталей и титановых сплавов.

Для осуществления предлагаемого технического решения обрабатываемое изделие подвергают электроэрозионной обработке известными способами. В зависимости от исходных физико-химических свойств обрабатываемой поверхности устанавливают режимы обработки и вид легирующего материала - электрода (см. Иванов Г.П. Технология электроискрового упрочнения инструментов и деталей. Машиздат. 1961 г.).

Сущность предлагаемого способа заключается в применении в качестве легирующего электрода графита, охлаждаемого охладителем в виде газообразного азота.

При этом происходит насыщение поверхности изделия углеродом путем массопереноса с анода (электрод) на катод (изделие), а в струе азота в зоне искры происходит ионизация N₂ - 2N ⁺, атомарный азот растворяется в поверхностном слое металла.

Поскольку в зоне контакта графитового электрода с металлом создается высокая (до 3000°С) температура, то до момента остывания (за счет отвода внутрь металла) успевает осуществляться диффузия атомов как углерода, так и азота на глубину до 0,1 мм, образуя слой повышенной твердости за счет карбонитридного упрочнения.

В момент соприкосновения электрода с деталью возникают большие токи короткого замыкания и электрод начинает греться, и, если не производить охлаждение, то электрод может раскалиться и будет происходить налипание капелек материала электрода на обрабатываемую поверхность.

Кроме того, происходит окисление нагретого электрода за счет взаимодействия с кислородом воздуха, что приводит к быстрому износу электрода.

Для устранения этого недостатка предлагается производить охлаждение электрода охладителем. В качестве охладителя используют азот, который подают к электроду через специальное сопло.

Пример

Исследования режимов электроэрозионного легирования проводили на режущем инструменте из быстрорежущих марок сталей с применением твердосплавных электродов типа ВК6, ВК8, ВК15, Т15К6, а также Cr, Ni, сормайт, графит.

Опытное опробование упрочненных деталей показало, что наилучший эффект упрочнения режущего инструмента по чистоте поверхности деталей и достигнутой твердости был достигнут при нанесении упрочняющего покрытия графитовым электродом с охлаждением электрода газообразным азотом.

Электроискровое легирование режущего инструмента проводили при следующих параметрах:

- технологический ток, А	- 100
- напряжение холостого хода, В	- 120
- емкость конденсаторов, мкФ.	- 950
- охлаждение электрода	- азот
- твердость материала инструмента, HRC	- 48
- твердость материала 1-го слоя, HRC	- 56
- твердость материала 2-го слоя, HRC	- 65
- толщина 2-х слойного покрытия, мм	- 0,20

Стойкостные испытания режущего инструмента проводили при продольном точении заготовок из стали 30ХГСА на токарном станке. Режущие пластины устанавливались и закреплялись в державках. Режимы резания были следующими: скорость резания V=60 м/мин, подача S=0,3 мм/об., глубина резания t=0,75 мм. В качестве СОЖ применяли 5% водный раствор эмульсола Укринол - 1M. За критерий износа была принята величина фаски износа по задней поверхности h=0,4 мм. Эффективность режущего инструмента определяли по величине коэффициента повышения стойкости, определяемого как отношение стойкости инструмента с покрытием к стойкости инструмента с покрытием по методу способа-прототипа и к стойкости инструмента без упрочнения. При нанесении упрочняющих покрытий в зону контакта электрода с инструментом через специальное сопло подавали газообразный азот.

Микроисследованиями установили, что вся поверхность имела равномерное электроэрозионное покрытие, между отдельными участками разрывов не наблюдалось.

Данные по износостойкости приведены в таблице.

Способ упрочнения	Легирующий материал	Время работы инструмента, мин.	Коэффициент износостойкости
2-х слойное электроэрозионное	графитовый электрод с газообразным N2	325	2,16
2-х слойное электроэрозионное	ВК6 - верхний слой, Ni-Cr - нижний слой (обдув - газообразный азот)	340	2,26
обмазка для цементации (по прототипу)	смесь, указанная в прототипе, в т.ч. графит и мочевина	210	1,40
однослойное электроэрозионное покрытие	ВК6	240	1,60
контольные без упрочнения	-	150	1,00

Как видно из приведенных в таблице данных, коэффициент износостойкости инструмента, обработанного по предлагаемому техническому решению выше в 2,16-2,26 раза в сравнении с обычным термозакаленным инструментом и в 1,5-1,6 раза выше обработанных по способу-прототипу.

В результате электроэрозионной обработки на рабочей поверхности изделий был сформирован износостойкий диффузионный карбонитридный слой.

Предлагаемое техническое решение позволяет существенно повысить износостойкость и жаропрочность изделий из дорогостоящих легированных сталей и титановых сплавов, что существенно повышает эффективность применения изделий из этих материалов.

Таким образом заявляемое техническое решение полностью выполняет поставленную задачу.

Достоинством данного технического решения является:

- высокая прочность сцепления нанесенного материала электрода с инструментальной основой за счет взаимного диффузионного механического перемешивания;

- возможность локального нанесения покрытия без специальной защиты остальной поверхности;

- отсутствие изменений физико-механических свойств деталей;

- возможность использования взамен традиционного энергозатратного химико-термического процесса цианирования;

- экологическая чистота в сравнении с химико-термическим цианированием.