RU2078848C1

RU2078848C1 - Method for chemical and heat treatment of steel articles

Info

Publication number: RU2078848C1
Authority: RU
Inventors: В.А. Стефанович; А.А. Стефанович; В.А. Стельмах; А.Д. Кипчакбаев; Л.В. Половинкин; В.Н. Орда
Original assignee: Стефанович Василий Александрович
Priority date: 1991-03-29
Filing date: 1991-03-29
Publication date: 1997-05-10

Abstract

FIELD: chemical and heat treatment of steel articles. SUBSTANCE: steel articles are affected by two-stepped heat treatment, the process takes place in powder composition. Said composition comprises 50 mass % of carbide-forming metal, 2 mass % of sodium fluoride, 30-33 mass % of aluminium oxide, 5-71 mass % of sodium carbonate, 10-15 mass % of potassium ferrocyanide. The first step of said treatment is carried out at 650-750 C within 1-2 h, the second step is carried out at 950-1150 C within 2-6 h. EFFECT: improved efficiency of the method. 3 tbl

Description

Изобретение относится к медицинскому машиностроению, в частности к изготовлению зубоврачебного инструмента, преимущественно стальных боров, и может быть применено в машиностроении, в инструментальном производстве для повышения стойкости граверного, накатного калибровочного инструмента. The invention relates to medical engineering, in particular to the manufacture of a dental instrument, mainly steel burs, and can be used in mechanical engineering, in tool production to increase the durability of an engraving, rolling calibration tool.

Известен способ упрочнения зубчатых боров нанесением на режущую кромку электроискровым методом твердого поверхностного слоя вольфрама. A known method of hardening the gears by applying to the cutting edge by the electric spark method of a solid surface layer of tungsten.

Однако данный метод имеет низкую производительность, а нанесенный на бор упрочненный слой имеет развитую пористую поверхность, что затрудняет повторное использование боров, поскольку осложняется удаление с поверхности последних продуктов отхода зубной ткани, образующихся при обработке зуба. However, this method has low productivity, and the hardened layer deposited on boron has a developed porous surface, which makes it difficult to reuse boron, since it is more difficult to remove from the surface the last waste products of tooth tissue formed during tooth processing.

Известен также способ упрочнения зубных боров с нанесением на инструмент напыленного покрытия из карбида или нитрида титана. There is also a method of hardening tooth burs by applying a sprayed coating of titanium carbide or titanium nitride to a tool.

Данный способ требует специального оборудования, а толщина покрытия, полученного при катодном распылении, зависит от геометрии инструмента и имеет невысокую адгезию, что приводит к скалыванию при больших сдвиговых деформациях на тонких режущих кромках. This method requires special equipment, and the thickness of the coating obtained by cathodic sputtering depends on the geometry of the tool and has low adhesion, which leads to spalling at large shear deformations on thin cutting edges.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является химико-термической обработки путем покрытия карбидных диффузионных слоев. The closest in technical essence and the achieved effect is chemical-thermal treatment by coating carbide diffusion layers.

Однако при получении карбидных слоев по поверхности изделия под карбидным слоем образуется зона с пониженным количеством углерода, который диффундирует из приповерхностной зоны к поверхности и образует карбиды. При последующей поверхностной обработке зона с пониженным количеством углерода имеет меньшую прочность и в процессе эксплуатации происходит скалывание карбидного слоя по тонким режущим кромкам. However, upon receipt of carbide layers, a zone with a reduced amount of carbon forms under the carbide layer under the carbide layer, which diffuses from the near-surface zone to the surface and forms carbides. During subsequent surface treatment, the zone with a reduced amount of carbon has lower strength and during operation, the carbide layer is chipped along thin cutting edges.

Целью изобретения является повышение износостойкости стальных изделий. The aim of the invention is to increase the wear resistance of steel products.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе химико-термической обработки изделий, включающем нагрев их до температур насыщения в две стадии в порошковом составе, содержащем порошки карбидообразующих металлов, фтористый натрий и карбонат натрия, и охлаждение - первую стадию насыщения проводят при 650 750^oC в течение 1 2 ч, вторую при 950 1150^oC в течение 2 6 ч, а в порошковый состав дополнительно вводят желтую кровяную соль и оксид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас. порошок карбидообразующих металлов 50; фтористый натрий 2; оксид алюминия 30 33; карбонат натрия 5 7; желтая кровяная соль 10 15.This goal is achieved by the fact that in the known method of chemical-thermal processing of products, including heating them to saturation temperatures in two stages in a powder composition containing powders of carbide-forming metals, sodium fluoride and sodium carbonate, and cooling - the first stage of saturation is carried out at 650 750 ^o C for 1 2 hours, the second at 950 1150 ^o C for 2 6 hours, and the yellow blood salt and alumina are additionally added to the powder composition in the following ratio, wt. carbide-forming metal powder 50; sodium fluoride 2; alumina 30 33; sodium carbonate 5 7; yellow blood salt 10 15.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается тем, что первую стадию насыщения проводят при 650 750^oC в течение 1 2 ч, вторую при 950 1150^oC в течение 2 6 ч, а в порошковый состав дополнительно вводят желтую кровяную соль и оксид алюминия. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".Comparative analysis with the prototype shows that the inventive method is characterized in that the first stage of saturation is carried out at 650 750 ^o C for 1 2 hours, the second at 950 1150 ^o C for 2 6 hours, and the yellow blood salt is added to the powder composition and aluminium oxide. Thus, the claimed method meets the criteria of the invention of "novelty."

В известных технических решениях не обнаружено введение в порошковый состав желтой кровяной соли и оксида алюминия. In the known technical solutions, the introduction of yellow blood salt and alumina into the powder composition was not found.

Пример. Проведение диффузионного насыщения зубных боров из стали ХВ5 в тигле с плавким затвором. Example. Diffusion saturation of tooth burs from ХВ5 steel in a fusible crucible.

Боры помещали в тигель из жаропрочной стали и засыпали диффузионно-активной карбидообразующей порошковой смесью, утрамбовывали. Расстояние между борами и стенкой тигля должно быть не менее 5 мм. Сверху укладывали лист асбеста, насыпали песок толщиной 20 40 мм и укладывали борный ангидрид для образования плавкого затвора. Диффузионно-активную карбидообразующую порошковую смесь готовят смешиванием порошковых компонентов, составы которых представлены в табл. 1. Компоненты для приготовления смесей применяют в виде порошкообразных: высоколегированной хромистой стали ПХ30 ГОСТ 13084-67, титана ТУ 48-10-22-79, Al₂O₃ ТУ 609-426-75, фтористого натрия ГОСТ 4463-76, карбоната натрия ГОСТ 84-76, желтой кровяной соли ГОСТ 4207 -75. Карбидообразующие элементы служат поставщиками диффузионно-активных атомов, фтористый натрий в качестве активатора, окись алюминия выполняет роль инертной добавки, которая вводится для уменьшения спекаемости смеси и улучшения отделения смеси от изделий, желтая кровяная соль в качестве поставщиков атомов углерода и азота, карбонат натрия для активации процесса карбонитрации.The burs were placed in a crucible made of heat-resistant steel and covered with a diffusion-active carbide-forming powder mixture, rammed. The distance between the burs and the crucible wall should be at least 5 mm. A sheet of asbestos was laid on top, 20–40 mm thick sand was poured, and boric anhydride was laid to form a fuse. Diffusion-active carbide-forming powder mixture is prepared by mixing powder components, the compositions of which are presented in table. 1. The components for the preparation of mixtures are used in the form of powders: high alloyed chromium steel PH30 GOST 13084-67, titanium TU 48-10-22-79, Al ₂ O ₃ TU 609-426-75, sodium fluoride GOST 4463-76, sodium carbonate GOST 84-76, yellow blood salt GOST 4207 -75. Carbide-forming elements serve as suppliers of diffusion active atoms, sodium fluoride as an activator, aluminum oxide acts as an inert additive, which is introduced to reduce the sintering ability of the mixture and improve the separation of the mixture from products, yellow blood salt as suppliers of carbon and nitrogen atoms, sodium carbonate for activation carbonitration process.

При изотермической выдержке t₁ 650 700^oC протекает процесс карбонитрации. При взаимодействии желтой кровяной соли с карбонатом натрия образуется газовая фаза, содержащая углерод и азот /преимущественно углерод в виде CO и CO₂/, которые осаждаются на поверхности боров и диффундируют в сталь с образованием тонкого слоя карбонитрида Fe₃/C,N/ с высокой концентрацией углерода.When isothermal exposure t ₁ 650 700 ^o C the process of carbonitration. When the yellow blood salt interacts with sodium carbonate, a gas phase is formed containing carbon and nitrogen / mainly carbon in the form of CO and CO ₂ /, which precipitate on the surface of the boron and diffuse into the steel to form a thin layer of Fe ₃ / C, N / high carbonitride carbon concentration.

С повышением температуры до t₂ 950 1150^oC в результате взаимодействия карбидообразующих элементов с активатором образуется газовая фаза, содержащая галогениды карбидообразующих элементов, которые осаждаются на поверхности боров. Взаимодействие карбидонитридной фазы с карбидообразующими элементами приводит к их диффузии во внутрь металла и замены железа в карбонитриде на данные элементы из-за большего сродства их к углероду чем железа. При этом углерод из стали практически не используется и под карбидным слоем не образуется зона, обедненная углеродом.As the temperature rises to t ₂ 950 1150 ^o C as a result of the interaction of carbide-forming elements with an activator, a gas phase is formed containing halides of carbide-forming elements, which are deposited on the surface of the burs. The interaction of the carbidonitride phase with carbide-forming elements leads to their diffusion into the metal inside and the replacement of iron in the carbonitride by these elements due to their greater affinity for carbon than iron. At the same time, carbon from steel is practically not used and a carbon depleted zone is not formed under the carbide layer.

Испытания на износ проводили в виде натурных испытаний на типовом оборудовании зубоврачебного кабинета при сверлении эмали извлеченных зубов, прошедших обработку формалином с последующей сушкой. Скорость вращения 20 тыс. об. /мин. Износ оценивался по образующей площадке на режущей кромке по всем граням с помощью светового микроскопа. Толщину карбидного слоя измеряли с помощью металлографического микроскопа на шлицах. Результаты по влиянию количества карбоната натрия, оксида алюминия и желтой кровяной соли на толщину слоя и износ /время сверления 100 с/ представлены в табл. 1. Насыщение проводили по следующему режиму: выдержка при t₁ 670^oC в течение τ₁=1,5 часа затем при t₂ 1050^oC в течение τ₂=3 часов для титанирования и хромотитанирования и при t₂=1000^°C-τ₂=3 часа для хромирования. Данные, приведенные в табл. 1, свидетельствуют, что при содержании карбоната натрия и оксида алюминия ниже заявленного, а желтой кровяной соли выше заявленного, происходит пригар смеси, ухудшение поверхности упрочняемых боров /опыты 4, 9, 14/. При наличии карбоната натрия выше заявленного, а желтой кровяной соли ниже заявленного толщина слоя находится на уровне прототипа, а износ в 1,4 1,8 раза выше чем в предлагаемых /опыты 5, 10, 15/.Wear tests were carried out in the form of full-scale tests on typical equipment of a dentist's office when drilling enamel of extracted teeth that underwent formalin treatment with subsequent drying. Rotational speed of 20 thousand about. / min Depreciation was assessed by the generatrix on the cutting edge along all faces using a light microscope. The thickness of the carbide layer was measured using a metallographic microscope on the slots. The results on the influence of the amount of sodium carbonate, aluminum oxide and yellow blood salt on the layer thickness and wear / drilling time 100 s / are presented in table. 1. Saturation was carried out according to the following mode: exposure at t ₁ 670 ^o C for τ ₁ = 1.5 hours then at t ₂ 1050 ^o C for τ ₂ = 3 hours for titanation and chromotitanization and at t ₂ = 1000 ^° C -τ ₂ = 3 hours for chromium plating. The data given in table. 1, indicate that when the content of sodium carbonate and alumina is lower than declared, and yellow blood salt is higher than declared, the mixture burns in and the surface of hardened burs deteriorates / experiments 4, 9, 14 /. In the presence of sodium carbonate above the declared, and yellow blood salt below the declared, the layer thickness is at the level of the prototype, and the wear is 1.4 1.8 times higher than in the proposed / experiments 5, 10, 15 /.

Результаты по влиянию температур t₁ и t₂ и времени выдержки на толщину слоя и износ /время сверления 100 с/ представлены в табл. 2. Насыщение проводили их оптимальных составов, представленных в табл. 1, для хромирования состав N 3, титанирования составов N 8, хромирования - состав N 13. Данные приведенные в табл. 2 свидетельствуют, что при температурах ниже заявленных на обеих стадиях t₁ и t₂, и времени выдержки выше заявленных τ₁ и τ₂ формируются очень тонкие слои /опыты 4, 9, 14/, что снижает износостойкость в 2,0 3,0 раза. Повышение температуры выше заявленной на обеих стадиях t₁ и t₂ и времени выдержки ниже заявленных τ₁ и τ₂ приводит к оплавлению поверхности в процессе диффузионного насыщения /опыты 5, 10, 15/.The results on the influence of temperatures t ₁ and t ₂ and holding time on the layer thickness and wear / drilling time 100 s / are presented in table. 2. Saturation was carried out by their optimal compositions presented in table. 1, for chromium plating, composition No. 3, titanation of compositions N 8, chromium plating, composition N 13. Data are given in table. 2 indicate that at temperatures below the declared at both stages t ₁ and t ₂ , and the exposure time above the declared τ ₁ and τ ₂ very thin layers are formed / experiments 4, 9, 14 /, which reduces the wear resistance of 2.0 to 3.0 times. An increase in temperature above the declared at both stages t ₁ and t ₂ and the exposure time below the declared τ ₁ and τ ₂ leads to surface melting during diffusion saturation / experiments 5, 10, 15 /.

Результаты по влиянию толщины диффузионного слоя на стойкость серийных стальных боров, упрочненных по прототипу и предлагаемой технологии, представлены в табл. 3 для процесса хромирования. Упрочнение проводили хромом из состава N 3 табл. 1 при t₁ 670^oC τ₁=1,5 часа для первой стадии и температуре 1000^oC и времени выдержки 1, 3, 5, 7 ч, что обеспечивало получение толщины слоя 3, 5, 8, 20 мкм соответственно. Упрочнение по известной технологии проводили при t₂ 1000^oC и времени выдержки 3,5 ч, что обеспечивало получение толщины карбидного слоя 5 и 8 мкм соответственно. Как видно из табл. 3, наибольшее сопротивление износу /минимальный размер площадки на режущей кромке бора/ обеспечивает толщина карбидного слоя в 5 и 8 мкм / см. в табл. 3 время испытаний более 20 с/.The results on the influence of the thickness of the diffusion layer on the resistance of serial steel burs reinforced by the prototype and the proposed technology are presented in table. 3 for the chromium plating process. Hardening was carried out by chromium from the composition of N 3 table. 1 at t ₁ 670 ^o C τ ₁ = 1.5 hours for the first stage and a temperature of 1000 ^o C and a holding time of 1, 3, 5, 7 hours, which provided a layer thickness of 3, 5, 8, 20 μm, respectively. Hardening by known technology was carried out at t ₂ 1000 ^o C and the exposure time of 3.5 hours, which provided the thickness of the carbide layer of 5 and 8 μm, respectively. As can be seen from the table. 3, the greatest wear resistance / the minimum size of the area on the cutting edge of the boron / provides a carbide layer thickness of 5 and 8 μm / cm. In table. 3 test time over 20 s /.

При толщине слоя меньше 5 мкм карбидный слой быстро изнашивается, а при 20 мкм и более сверление затруднено из -за тупой режущей кромки: наблюдается интенсивный разогрев боров. Сравнительные данные по износу боров с карбидным покрытием, полученным по предлагаемой технологии и известной для толщины покрытия 5,8 и 20 мкм, показывают, что износ боров, упрочненных по известной технологии на начальных стадиях сверления, в 1,1 1,3 раза больше /время испытания боров 20 100 с/, а при сверлении более 100 с наблюдается скол карбидного слоя у боров, упрочненных по известной технологии, и износ увеличивается в 1,2 2,6 раза по сравнению с упрочненными по предлагаемой технологии. At a layer thickness of less than 5 μm, the carbide layer wears out quickly, and at 20 μm or more, drilling is difficult due to a blunt cutting edge: intense heating of the burs is observed. Comparative data on the wear of burs with a carbide coating obtained by the proposed technology and known for a coating thickness of 5.8 and 20 μm show that the wear of burs hardened by a known technology in the initial stages of drilling is 1.1 1.3 times greater / the test time of the burs is 20 100 s /, and when drilling more than 100 s, a carbide layer cleavage is observed in the burs hardened by the known technology, and wear increases by 1.2 2.6 times in comparison with the hardened by the proposed technology.

Кроме того, боры, упрочненные по предлагаемой технологии, в 5 6 раз имеют больше ресурс работы и в 3 10 раз меньше износ в зависимости от времени испытания по сравнению с серийными стальными борами /см. табл.3/. In addition, burs hardened by the proposed technology have a 5–6-fold longer service life and 3–10-fold less wear depending on the test time compared to serial steel burs / cm. table 3 /.

Claims

The method of chemical-thermal treatment of steel products, mainly steel boron, including heating to saturation temperature, saturation in two stages in a powder composition containing powder of carbide-forming metals, sodium fluoride and sodium carbonate, and cooling, characterized in that, in order to increase the wear resistance of products a first saturation stage is carried out at 650 750 ^o C for 1 2 hours, the second at 950 1150 ^o C for 2 - 6 hours, and the powder composition further administered ferrocyanide salt and aluminum oxide in the following ratio to nents wt.

Carbide-forming metal powder 50
Sodium Fluoride 2
Alumina 30 33
Sodium carbonate 5 7
Yellow Blood Salt 10 15