RU2179200C2

RU2179200C2 - Method of hardening die steels

Info

Publication number: RU2179200C2
Application number: RU99124643A
Authority: RU
Inventors: А.В. Субботин; А.А. Занозин; Н.С. Салманов; В.Б. Бутыгин; М.Н. Салманов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Алтайский трактор"
Priority date: 1999-11-22
Filing date: 1999-11-22
Publication date: 2002-02-10

Abstract

FIELD: metallurgy, more particularly chemical heat treatment of semi and heat resistant die steels. SUBSTANCE: method comprises preparation of base by mixing powders containing wt %: (40B₄C+60Na₂B₄O₇), 40-60; B₂O₃, 25-35 and Na₂S, 15-25 and filled with carbamide filler, applying paste followed by boration and carbonitration for hardening purposes. During heating operation, isothermal maintenance is carried out at 540- 580 C. After isothermal maintenance cooling in oil and tempering may be accomplished at 560-580 C. EFFECT: higher resistance of die is attained due to lower microhardness and microspalling of diffusion layers and lower friction coefficient. 1 tbl

Description

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. The invention relates to chemical-thermal treatment, mainly to the processing of semi- and heat-resistant steels to increase the heat resistance of their surface layers, impact strength and reduce the coefficient of friction between the workpiece and the tool.

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.A known method of chemical-thermal treatment, boronation from plaster, consisting of the following technological operations (see Chemical-thermal treatment of metals and alloys. Handbook edited by L. Lyakhovich, M .; "Metallurgy", 1981, p. 81- 85): preparation of paste 80% B ₄ C + 20% Na ₃ AlF ₃ on ethyl silicate until a creamy state is obtained, application of a 2-4 mm layer on the cleaned stamp surface with a brush, application of a protective coating consisting of 50% B ₂ O ₃ + 50% SiO ₂ diluted in ethyl silicate, drying at 100 ^o C for 1.5 hours. Prepared dies are heated in el electric furnace in the temperature range corresponding to the quenching temperature of this steel. After saturation, the hardened surfaces are cleaned with a wire brush and quenched in oil and tempered at 520-580 ^o C. After this treatment, the hardened layer of two different borides FeB + Fe ₂ B with a microhardness of 17500-21500 MPa.

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. The disadvantages of this method of boronation are that the diffusion layers have high microhardness and fragility. During cyclic shock loads, they prematurely crumble, which leads to the failure of expensive dies.

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.A known method of hardening die steels, including applying a paste, boroning upon heating under quenching and simultaneous carbonitriding by introducing carbamide into the paste (see ed. St. USSR N 1350190, class C 23 C 10/04, 10/14, 1986 .). To implement the hardening method, a paste is used, consisting of the following components, wt.%: 40 V ₄ C + 60 Na ₂ B ₄ O ₇ , 40-60 B ₂ O ₃ and urea. The specified compositions without urea are mixed and diluted on ethyl silicate and filled with a filler - urea. The resulting mixture is applied to the working surfaces of the stamp with a layer of 2-5 mm and coated with a protective coating of quartz sand and marshallite on hydrolyzed ethyl silicate with a layer of 5-10 cm. Then it is dried in air to obtain a hard crust. Saturation is combined with heating during quenching. Before saturating the paste, the mirror surfaces of the stamp are treated with a CuSO ₄ solution or burnished. After this treatment, the diffusion layer consists of a uniform iron boride Fe ₂ B and an intermediate layer of constituent carbonitrides, which significantly reduces the microhardness and improves the ductility of the diffusion hardened layers.

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. However, this method does not allow the full use of the potential of the hardened layers, since the plasticity of these layers increases slightly and the friction coefficient between the stamp and the processed material is large, which often leads to the adhesion of the processed material to the mirror surface of the stamp and to increase wear and reduce operating resistance stamp.

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. The objective of the present invention is to increase the ductility of boron diffusion layers and reduce the coefficient of friction between the stamp and the processed material, which will lead to an increase in the service life of the stamp.

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.The problem is achieved in that in the method of hardening die steels, including the preparation of a paste by mixing powders B ₄ C, Na ₂ B ₄ O ₇ , B ₂ O ₃ with a filler - carbamide, applying a paste and subsequent simultaneous boration and carbonitriding when heated for quenching , according to the invention, when mixing the paste, a sulfur-containing substance, for example sodium sulfide Na ₂ S, is additionally introduced into it, in the following ratio of components, wt. %: (40 B ₄ C +60 Na ₂ B ₄ O ₇ ) 40 - 60, B ₂ O ₃ 25 - 35, Na ₂ S 15 - 25, and in the process of heating under quenching, isothermal holding at 540 - 580 ^o C within 1.5 hours. The method provides for cooling in oil after heating under quenching and tempering at 560-580 ^o C.

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.In this case, carbonitrides and iron sulfide (FeS) are formed on the surface layers, and when the temperature rises to 860 ^o C for 5ХНМ steel and 1010 ^o C for 4Х5МФС steel, boron, diffusing onto the surface layers, forms iron borides (Fe ₂ B). The carbonitride layer promotes the fragmentation of boride needles, which improves the ductility of the diffusion layers. Iron sulfide reduces the coefficient of friction between the stamp and the processed material.

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.Before applying the coating, the mirror surface of the stamp is treated with copper sulfate for 1-5 minutes or burnishing is carried out with heating of the surface layers to 300-400 ^o C and cooling in air. The coating is made as follows: a powder of a mixture of the composition for boronation (40-60% B ₄ C + 60 Na ₂ B ₄ O ₇ with the addition of 25-35% B ₂ O ₃ from the primary mass) add and mix 15-25% Na ₂ S from all the masses, the resulting mixture is diluted in ethyl silicate and filled with a filler - urea. The resulting paste is applied to the working surfaces of the stamp with a layer of 2-5 mm and coated with a protective coating of quartz sand and marshallite on hydrolyzed ethyl silicate 5-10 mm and dried in air to obtain a hard crust.

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.Prepared dies are loaded into the furnace, heated to 540-580 ^° C and held for 1.5 hours, then the temperature in the furnace is raised to 860 ^° C for steel type 5XHM and 1010 ^° C for steel 4X5MFS. Before cooling the stamp in the oil, the coating is removed from the working surfaces, then tempering is carried out at 560-580 ^o C, after which it is finally cleaned with a metal brush.

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 μ₂₀ 14000 МПа. Ниже боридного слоя образуется переходной слой, состоящий из карбонитридов и α′- фазы. Микротвердость этого слоя плавно изменяется от Н μ₂₀ 5800 до 3700 МПа в сердцевине.Adding sodium sulfide to the paste does not affect the thickness of the diffusion layer and the microhardness of the stamp material. The thickness of the borated layer does not exceed 70-80 microns with a microhardness of N μ ₂₀ 14000 MPa. Below the boride layer, a transition layer is formed consisting of carbonitrides and the α′-phase. The microhardness of this layer smoothly varies from H μ ₂₀ 5800 to 3700 MPa in the core.

Ударная вязкость измерялась на боросульфокарбонитрированных образцах размерами 10х10х55 мм. Impact strength was measured on borosulfocarbonitrided samples with dimensions of 10 × 10 × 55 mm.

Результаты испытаний представлены в таблице. The test results are presented in the table.

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.The impact strength of samples made of 5XHM steel after standard heat treatment was 0.51 MJ / m ² , and after nitriding it decreased to 0.38 MJ / m ² . The impact strength decreases significantly after boronation, but when 15-25% Na ₂ S is added to the coating, it rises to 0.31 MJ / m ² against 0.25 MJ / m ² after borocarbonitrated according to the prototype.

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.Industrial testing of the dies was carried out during stamping on the press of the "thrust washer" part of the T-4A tractor weighing 2.5 kg from 50G steel. The results of persistent tests are shown in the table. The maximum increase in the resistance of the dies is observed during borosulfocarbonitriding with a content of 15-25% Na ₂ S in the paste, a further increase in the concentration of Na ₂ S in the paste does not affect the resistance of the dies. Below 15% concentration of Na ₂ S in the composition of the paste does not give significant results.

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. According to literary sources, iron sulfide on the surface layers plays the role of a solid lubricant and significantly reduces the coefficient of friction between the stamp and the processed material. Therefore, the value of the coefficient of friction was not measured.

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).Thus, the addition to the composition indicated in the prototype, 15-25% Na ₂ S, isothermal exposure at 540-580 ^o C, further heating under quenching, cooling in oil and tempering at 560-580 ^o C can increase the impact strength of the stamp material and resistance is almost two times compared with nitriding and 15-20% compared with borocarbonitration (prototype).

Claims

1. A method of hardening die steels, including the preparation of a paste by mixing powders В ₄ С, Na ₂ B ₄ O ₇ , В ₂ О ₃ with a filler - carbamide, applying a paste and subsequent simultaneous boration and carbonitriding when heated under quenching, characterized in that when mixing the paste, Na ₂ S is additionally introduced into it in the following ratio of components, wt. % (40B ₄ P + 60Na ₂ B ₄ O ₇₎ - 40-60; In ₂ O ₃ - 25-35; Na ₂ S - 15-25, and in the process of heating under quenching, isothermal exposure at 540-580 ^o C.

2. The method according to p. 1, characterized in that after heating under quenching, cooling in oil and tempering at 560-580 ^o C.