UA145506U - Спосіб азотування поверхонь сталевих деталей - Google Patents

Abstract

Спосіб азотування поверхонь сталевих деталей, при якому використовують електроіскрове легування з нанесенням на поверхню сталевої деталі насичувального середовища. Перед електроіскровим легуванням на поверхню сталевої деталі як насичувальне середовище наносять пастоподібний азотистий компонент і проводять електроіскрове легування електродом з матеріалу, ідентичного матеріалу оброблюваної сталевої деталі. 2

Description

Корисна модель належить до електрофізичних і електрохімічних способів обробки деталей, зокрема до електроіскрового легування і азотування поверхонь сталевих деталей для їх зміцнення.

В останні роки для підвищення якості поверхневих шарів деталей машин все більшої значущості набуває метод електроіскрового легування (ЕЇІЛ) - процес перенесення матеріалу на поверхню виробу іскровим електричним розрядом. Його специфічними особливостями, які приваблюють технологів, є: екологічна безпека, локальність дії, мала витрата енергії, відсутність об'ємного нагріву матеріалу, міцне з'єднання нанесеного матеріалу з основою, простота автоматизації, можливість поєднання операцій. Використовуючи різні електродні матеріали, методом ЕІЛ можна проводити процеси, альтернативні хіміко-термічній обробці (ХТО), але зі значно меншими витратами. Так, проводячи ЕІЛ графітовим електродом і насичуючи поверхню деталі вуглецем, можна здійснювати процес цементації, ЕІЛ алюмінієвим електродом - процес алітування та ін.

З технологічної точки зору одним з найбільш простих і доступних методів насичення сталевих поверхневих шарів вуглецем є спосіб цементації сталевих деталей електроіскровим легуванням (ЦЕЇІЛ) (ША Мо 82948 С2, 023 8/00, 20081.

При ЦЕЇЛ сталевих деталей товщина зміцненого шару залежить від енергії розряду і часу легування (продуктивності процесу). Зі збільшенням енергії розряду і часу легування товщина зміцненого шару збільшується. При цьому зростає і шорсткість поверхні. Так, при електроерозійному легуванні вуглецем середньовуглецевої легованої сталі 40Х (Ка - 0,5 мкм) з продуктивністю 0,2 сме / хв. при енергії розряду 6,8 Дж товщина шару підвищеної твердості становить понад 1,15 мм. Шорсткість поверхні при цьому відповідає Ка - 11,7-14,0 мкм.

Відомо також спосіб ЦЕЇЛ, який полягає в тому, що ЦЕЇІЛ проводять поетапно, знижуючи на кожному етапі енергію розряду (ША Мо 101715 02, В2ЗН 9/00, 20131.

Незважаючи на очевидні переваги, основною з яких є зниження шорсткості поверхні деталей машин зі збереженням якості поверхневого шару (відсутністю мікротріщин, наявністю шару підвищеної твердості, 100 95 суцільністю та ін.), спосіб має і недоліки. Це, перш за все, зниження мікротвердості поверхневого шару в результаті відпущення (відпалювання) при повторній (поетапній) обробці поверхні графітовим електродом, але з меншою енергією

Зо розряду. Крім цього, поряд зі зниженням мікротвердості поверхні, знижується глибина шару підвищеної твердості.

Усунути вище зазначені недоліки можна, використовуючи відомий комбінований спосіб зміцнення, при якому після першого етапу ЦЕЇІЛ проводять іонне азотування протягом часу, достатнього для насичення поверхневого шару деталі азотом на глибину зони термічного впливу, а потім, з метою зниження шорсткості поверхні, проводять поетапно ЦЕЇІЛ, знижуючи на кожному етапі енергію розряду (ША Ме 118011, С23С 28/00, 20171.

В даному випадку поетапне ЦЕІЛ не призведе до зниження мікротвердості поверхні, оскільки властивості азотованої поверхні практично не змінюються при повторних нагріваннях аж до 500-600 "С, у той час як при нагріваннях цементованої і загартованої поверхні до 225- 275 "С її твердість знижується.

Недоліками даного способу є: - розтягнутість у часі і складність технології здійснення процесу; - висока вартість використовуваного обладнання (необхідність наявності установки для іонного азотування); - необхідність виготовлення спеціального технологічного оснащення для захисту поверхонь деталі, що не підлягають зміцненню та ін.

Найближчим до корисної моделі, що заявляється, є спосіб, при якому для підвищення зносостійкості і втомної міцності низьколегованої сталі (24...25) ХГ проводять хіміко-термічну обробку у пастоподібному карбюризаторі, що включає до свого складу азотисто-вуглецеві компоненти. При застосуванні даного способу карбюризатор у вигляді пасти (обмазки) наносять безпосередньо на будь-які поверхні, що зміцнюються, прискорюючи реакцію генерування активних атомів азоту і вуглецю на поверхні сталі, де вони безпосередньо адсорбуються і дифундують углиб матеріалу деталі. При такому механізмі витрата компонентів карбюризатора мінімальна, а їх насичувальна здатність - висока. Як карбюризатор було запропоновано азотисто-вуглецеву пасту на основі дрібнодисперсної газової сажі (аморфного вуглецю) -- 60 95 і залізосинеродистого калію (жовтої кров'яної солі) «- 40 95 з добавками карбаміду (сечовини) як азотовмісних компонентів. Сечовина (МНг)2СО застосовується як азотне добриво у сільському господарстві і містить -- 40 95 азоту. Сечовина дешева і нетоксична, при - 2000 "7С вона розкладається з виділенням аміаку та ізоціанової кислоти: (510) (МНг»СО - МНі:-МНСО (1)

У разі використання сечовини активний азот утворюється в момент розкладання аміаку, яке відбувається по реакції:

МНз - МеЗн (2)

Ступінь дисоціації аміаку залежить від температури процесу і становить при низьких температурах » 600 "С (20...40) 95, тому в карбюризаторі залишається достатня кількість аміаку для інтенсивного насичення сталі азотом при (500...600)"С.

Жовта кров'яна сіль Ка4Ре (СМ)в, хоча і вважається ціанідом, у твердому стані нетоксична, на відміну від ціанідів калію і натрію. Вважається, що вона стає отруйною після розплавлення, коли у розплаві з'являється активна група СМ. Однак у суміші із сажею вільного розплаву жовтої кров'яної солі не утворюється, а її токсична дія не проявляється.

Ціаністий калій частково окислюється з виділенням нейтральних газів і частково бере участь у насиченні сталі при безпосередньому контакті з поверхнею.

При підвищенні температури процесу основним джерелом активних атомів азоту і вуглецю стає жовта кров'яна сіль. Вона розкладається при» 560 "С з виділенням азоту і вуглецю:

КаРБе (СМ)6 -- 4АКСМАРен2Мч2С (3).

Жовта кров'яна сіль проявляє свою активність при середніх температурах насичення (у зоні 600 С), коли активність сечовини знижується у результаті сильної дисоціації аміаку. Атоми азоту, що утворюються при розкладанні жовтої кров'яної солі, дифундують у сталь, розчиняючись в а-ЕРе. При цьому знижується температура фазової перекристалізації азотистого фериту в аустеніт (- 590 "С), в якому стає можливою дифузія вуглецю і виникають умови для спільного насичення сталі азотом і вуглецем, тобто для процесу нітроцементації. Таким чином, завдяки тому, що компоненти пропонованого карбюризатора проявляють свою максимальну активність при різних температурах (500...900)"С, він може бути використаний для різних видів хіміко-термічної обробки сталевих виробів, від практично чистого азотування до нітроцементації, цементації та ціанування |ІВ.Н. Гадалов, С.В. Сафонов, А.Г. Романенко, В.Г.

Сальников, Н.А. Корневский. Дополнительная химико-термическая обработка конструкционньмх сталей с использованием азотисто-углеродистьїх карбюризаторов // Вестник ВГТУ, 2014. - Мо 21.

Недоліками цього способу є: - велика тривалість і складність технології здійснення процесу;

Зо - висока вартість спеціальної печі для проведення процесу ХТО (від практично чистого азотування до нітроцементації, цементації та ціанування); - можливість появи поводок і викривлень та ін.

В основу корисної моделі, що заявляється, поставлено задачу зменшення тривалості і складності технології здійснення способу, застосування якого забезпечило би можливість здійснення на сталевих поверхнях деталей, зокрема процес азотування, реалізований методом

ЕІЛ.

Поставлена задача вирішується тим, що у способі азотування поверхонь сталевих деталей, при якому використовують електроіскрове легування з нанесенням на поверхню сталевої деталі насичувального середовища, згідно з корисною моделлю, перед електроіскровим легуванням на поверхню сталевої деталі як насичувальне середовище наносять пастоподібний азотистий компонент і проводять електроіїскрове легування електродом з матеріалу, ідентичного матеріалу оброблюваної сталевої деталі.

За способом, що заявляється, пастоподібний азотистий компонент заздалегідь приготовляють, замішуючи порошкоподібну сечовину -- 90 95 у мазеподібній рідини «- 10 95, наприклад у вазеліні.

Електроіскрове легування сталі 20 проводять при енергії розряду в діапазоні Мур - 0,05-6,8

Дж електродом - інструментом зі сталі 20.

Електроіскрове легування сталі 40 проводять при енергії розряду в діапазоні Мур - 0,05-6,8

Дж електродом - інструментом зі сталі 40.

Запропоновано спосіб, застосування якого забезпечує можливість здійснення на сталевих поверхнях деталей, зокрема процес азотування, реалізований методом ЕЇЛ. Спосіб азотування, що заявляється, як і способи, відомі з рівня техніки, здійснюється методом електроіскрового легування і включає нанесення на поверхню, що зміцнюють, насичувального середовища, але при цьому, відповідно до технічного рішення, що заявляється, він відрізняється тим, що перед електроіїскровим легуванням на зміцнювану поверхню як насичувальне середовище наносять пастоподібний азотистий компонент і, не чекаючи його висихання, проводять електроіскрове легування електродом - інструментом з матеріалу, ідентичного матеріалу стальної деталі, що обробляють.

Далі спосіб, що заявляється, описано з посиланнями на креслення. бо На Фіг. 1 показана мікроструктура поверхневого шару зразка сталі 20 після ЕІЛ електродом-

інструментом з матеріалу зразка - сталі 20 - із застосуванням енергії розряду Умр - 0,13 Дж; на Фіг. 2 - мікроструктура поверхневого шару зразка сталі 20 після ЕІЛ електродом- інструментом з матеріалу зразка - сталі 20 - із застосуванням енергії розряду Мур - 0,52 Дж; на Фіг. З - мікроструктура поверхневого шару зразка сталі 20 після ЕІЛ електродом- інструментом з матеріалу зразка - сталі 20 - із застосуванням енергії розряду Умр - 3,4 Дж; на Фіг. 4 - розподіл мікротвердості по мірі поглиблення від поверхні.

Для проведення процесу азотування застосовували установку ЕІЛ моделі "Злитрон-52А", що забезпечує енергію розряду УМр в діапазоні 0,05-6,8 Дж. При цьому для досліджень застосовували енергію розряду Мур - 0,13; 0,52 і 3,4 Дж.

Як насичувальне середовище застосовували пастоподібну суміш, приготовану замішуванням порошку сечовини - 90 95 - у мазеподібній рідині у вигляді вазеліну «10 95.

Для проведення металографічних і дюрометричних досліджень підготовлених зразків використовували оптичний мікроскоп "Неофот-2", за допомогою якого оцінювали якість шару, його суцільність, визначали товщину і будову зон підшару - дифузійної зони і зони термічного впливу.

Також проводили дюрометричний аналіз розподілу мікротвердості у поверхневому шарі і по глибині шліфу від поверхні. Замір мікротвердості здійснювали на мікротвердоміри ПМТ-З вдавленням алмазної піраміди під навантаженням 0,05 Н, відповідно до Держстандарту 9450- 76.

На всіх етапах обробки вимірювали шорсткість поверхні на приладі профілографі- профілометрі мод. 201 заводу "Калибр". Результати фіксували за допомогою спеціальної приставки.

Насичувальне середовище у вигляді пасти (790 о сечовини ж- «10 95 вазеліну) наносили на поверхню зразків сталі 20 розміром 15 х 15 х 8 мм і, не чекаючи висихання, проводили азотування методом БІЛ електродом-інструментом у вигляді проволоки 62,0 х 25 мм

Держстандарт 5663-79.

На Фіг. 1, 2, З показані мікроструктури поверхневого шару зразка сталі 20 після ЕЇІЛ електродом-інструментом зі сталі 20 з використанням енергії розряду УМр - 0,13; 0,52 і 3,4 Дж, відповідно.

Зо На Фіг. 4 представлено графік розподілу мікротвердості по мірі поглиблення від поверхні. На графіку: 1 - при Мур - 0,13 Дж; 2 - при Мур - 0,52 Дж; З - при Мур - 3,4 Дж.

Результати вимірювання товщини, мікротвердості і суцільності "білого шару", а також величини шорсткості поверхні зразків сталі 20 і сталі 40 після ЕІЛ електродом-інструментом зі сталі 20 та сталі 40 відповідно, з використанням енергії розряду Умр - 0,13; 0,52 і 3,4 Дж надані у

Таблиці 1.

Якісні параметри азотованих шарів, отриманих методом ЕІЛ на сталі 20 і сталі 40, відповідно до корисної моделі, що заявляється.

Таблиця 1

Енеогі Товщина ільні нергія "білого" шару Мікротвердість в Втах Суцільність розряду, Дж МКМ "| "білого" шару, МПа Ба | го) тах "білого" шару, 95 оз | 71о2го | 6228 091 21| 75 | щ 5 2 БК СІ 7052 | 10-20 | --/|750 7 17130 23 | 93 | щ 60 г Фщф-Р«ЗФ оз | 70-25 | 6860 09120 | 71 | щ 60 г Ф 34 | з050 | 9160 |591173| 346 | 80 гФж /

Проаналізувавши зображення фіг. 1 - фіг. 4 і показники Таблиці 1, можна зробити висновок про те, що для сталі 20 їі сталі 40 зі збільшенням енергії розряду товщина, мікротвердість і суцільність "білого шару", а також величина шорсткості поверхні збільшуються.

Слід зазначити, що азотуванню піддаються вироби, від яких потрібна висока зносостійкість і мікротвердість поверхневого шару, підвищена циклічна міцність, а також стійкість до корозії. У

Таблиці 2 показані режими і основні параметри якості сформованих поверхневих шарів після іонного азотування. Всі деталі Таблиці 2, що зміцнюються методом іонного азотування, можуть зміцнюватися пропонованим способом азотування, причому зі значно меншими витратами.

Режими і результати іонного азотування типових деталей з різних сталей, чавуну і титану

Таблиця 2

Матеріал Темпе- | Тривалість | Мікротвер- | Глиби- | Залишкові Типові деталі ратура, | процесу, ч | дість, МПа на напруги, деталі "б шару, МПа

МКМ клапани та ін. прес-форм втулки та ін. колеса та ін. втулки шатуни та ін. клапани та ін.

РбМ5 520 0,5-0,7 13500 25 -200 Інструмент переривчастого різання

РбМ5 520 1,0-1,5 13000 40 -200 Інструмент безперервного різання

Сірий 550 5000 200 не Прес-форми, чавун міняється колінчасті вали, розподіл. вали та ін. сплав ВТ1-0

Claims (4)

ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ

1. Спосіб азотування поверхонь сталевих деталей, при якому використовують електроіскрове легування з нанесенням на поверхню сталевої деталі насичувального середовища, який відрізняється тим, що перед електроїскровим легуванням на поверхню сталевої деталі як насичувальне середовище наносять пастоподібний азотистий компонент і проводять електроіїскрове легування електродом з матеріалу, ідентичного матеріалу оброблюваної сталевої деталі.

2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що пастоподібний азотистий компонент приготовляють, замішуючи порошкоподібну сечовину - 90 95 в мазеподібній рідині х- 10 95, наприклад у вазеліні.

3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що електроіскрове легування сталі 20 проводять при енергії розряду в діапазоні Мур - 0,05-6,8 Дж електродом - інструментом зі сталі 20.

4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що електроіскрове легування сталі 40 проводять при енергії розряду в діапазоні Мур - 0,05-6,8 Дж електродом - інструментом зі сталі 40.

Х о. ї і ПЕ КК В ВЕК А я о

Фіг. ї о Тс : ОККО З о о ОН УМ с п ВК А ЧАК кр

Фіг. 2 с «Чиг. З

Ще МВ | : : ША : : : ; БЮ Іо ! ІЙ; Я ляяяяяннннядяяя яна яп А А А А А А АААА А Аа А А А А А А А А Ач А Ал А А А АААА А АННА Ал А Я АААААААаа яння п в Ко Го Ов Ка п.м

Фіг. 4