Патент на изобретение №2293792

(54) СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение износостойкости поверхностей изделий за счет изменения состава и структуры их поверхностных слоев, и может быть использовано при изготовлении как режущего, так и штампового инструмента, а также изделий, работающих в условиях абразивного износа, сухого трения при высоких контактных напряжениях. Способ включает кратковременную высокотемпературную цементацию и последующее диффузионное насыщение поверхности стальных изделий карбидообразующими элементами. Цементацию проводят при температуре 950-1050°С в течение 20-30 мин. Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости стальных изделий, испытывающих в процессе эксплуатации механические нагрузки.

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение износостойкости поверхностей изделий за счет изменения состава и структуры поверхностных слоев этих изделий, и может быть использовано для повышения износостойкости инструмента как режущего, так и штампового, изделий, работающих в условиях абразивного износа, сухого трения при высоких контактных напряжениях.

Известны способы повышения износостойкости изделий путем их азотирования, цементации, цианирования (Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник / Борисенок Г.В., Васильев Л.А., Ворошнин Л.Г. и др.). Недостатком этих видов химико-термической обработки является невозможность достижения высокой твердости на поверхности изделий, и как следствие их высокой износостойкости.

Известен также способ повышения износостойкости изделий за счет осаждения из газовой фазы покрытий на базе нитрида титана (Витязь П.А., Дубровская Г.Н., Кирилюк Л.М. Газофазное осаждение покрытий из нитрида титана. – Минск: Наука и техника, 1983. – 96 с.). Данное покрытие обладает высокой твердостью, износостойкостью, но и имеет недостатки, связанные с высокой хрупкостью этого покрытия, и слабой адгезионной связью покрытия с материалом изделия. Эти явления вызывают растрескивание и выкрашивание покрытий при высоких контактных напряжениях и термоциклировании.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ диффузионного насыщения титаном из среды легкоплавких растворов (Артемьев В.П., Чаевский М.И. Диффузионное титанирование в среде жидкометаллических расплавов. – В сб: Адгезия расплавов и пайка материалов, – К.: Наукова думка, 1986. – С.3-4.). Нанесение покрытий данным способом осуществляется путем выдержки стального изделия в легкоплавком свинцовом или свинцово-висмутовом расплаве, содержащем в растворенном состоянии титан. В результате выдержки стального изделия в расплаве происходит адсорбция титана на его поверхности, диффузия титана вглубь изделия. При этом, так как титан является сильным карбидообразующим элементом, он забирает углерод из цементита стали, и образует собственные карбиды, которые выделяются на поверхности изделия. Карбиды титана обладают очень высокой твердостью, что обеспечивает изделию высокую износостойкость.

Недостатком прототипа является то, что при образовании карбидов титана происходит отток углерода из стали, приводящий к образованию под поверхностным, износостойким слоем, обезуглероженного слоя, обладающего низкой твердостью и прочностью. В результате этого при наличии механического воздействия на поверхности происходит продавливание карбидного слоя, его деформация, растрескивание и выкрашивание. При этом твердые частицы покрытия могут приводить к еще более интенсивному износу трущихся поверхностей.

Технической задачей заявляемого изобретения является изменение в технологии нанесения износостойких титановых покрытий, а также покрытий на базе других карбидообразующих элементов, таких как хром, вольфрам, молибден и других более сильных карбидообразующих элементов, чем железо, обеспечивающее отсутствие под карбидным слоем мягкого обезуглероженного слоя, вызывающего при механическом воздействии на износостойкий карбидный слой его растрескивание и выкрашивание.

Поставленная задача решается тем, что в заявляемом способе повышения износостойкости стальных изделий, включающем диффузионное насыщение поверхности стальных изделий карбидообразующими элементами, отличающемся тем, что перед нанесением покрытий изделие подвергают кратковременной цементации длительностью 20-30 мин при температуре 950-1050°С.

Благодаря введению в технологический процесс стадии предварительной цементации (новой совокупности существенных признаков заявляемого изобретения) при формировании покрытий на базе сильных карбидообразующих элементов, не происходит образования под карбидным слоем обезуглероженного, мягкого слоя, и тем самым исключается при механическом воздействии на изделие продавливание карбидного слоя, его растрескивание и выкрашивание. Это объясняется тем, что за счет проведения предварительной цементации происходит увеличение концентрации углерода в поверхностных слоях изделия, и именно этот избыточный углерод участвует в формировании карбидного слоя, а не углерод, содержащийся в стали. Таким образом, исключается обезуглероживание поверхностных слоев изделия. При этом цементация должна обеспечивать высокую концентрацию углерода в поверхностном слое изделия, что достигается высокой температурой цементации 950-1050°С, а малая длительность процесса цементации исключает ее влияние на свойства материала изделия и не приводит к значительному увеличению общей длительности технологического процесса.

Пример. Ножовочные полотна для слесарной обработки металлов, изготовленные из стали Х6ВФ, подвергались диффузионному титанированию в среде легкоплавких растворов. При этом для оценки эффективности предлагаемой технологии диффузионное титанирование полотен проводилось как без предварительной цементации, так и после цементации в соответствии с предлагаемым способом.

Диффузионное титанирование ножовочных полотен осуществлялось путем погружения и выдержки их в легкоплавком растворе, состоящим из сплава содержащего 55% свинца, 45% висмута, с 3% добавкой титана. Температура насыщения составляла 1100°С, продолжительность выдержки 0,5 ч. Цементация проводилась в твердом карбюризаторе при температуре 1000°С с выдержкой 30 мин.

В результате нанесения титана на поверхности полотен образовывалось покрытие, представляющее собой слой, состоящий из карбидов титана толщиной 8-10 мкм. На полотнах без цементации под карбидным слоем наблюдается обезуглероженный слой толщиной 30-40 мкм, имеющий пониженную твердость. Так, если твердость основы составляла Н₅₀ 5800 МПа, то обезуглероженного Н₅₀ 4200 МПа, а покрытия Н₅₀ 24000 МПа. При использовании предлагаемой технологии под покрытием обезуглероженный слой отсутствует, что исключает продавливание карбидного слоя при воздействии механической нагрузки на изделие.

Отсутствие обезуглероженного слоя у полотен, обработанных по предлагаемому способу, привело к повышению износостойкости ножовочных полотен до 10 раз.

Аналогичное повышение износостойкости наблюдается и при насыщении поверхности сталей вольфрамом, хромом и другими карбидообразующими элементами.

Таким образом, предложенный способ, включающий проведение перед диффузионной металлизацией поверхности стальных изделий карбидообразующими элементами кратковременной высокотемпературной цементации, позволяет получить высокую износостойкость стальных изделий, испытывающих в процессе эксплуатации механические нагрузки, за счет исключения образования под твердым карбидным покрытием мягкого, обезуглероженного слоя.

Формула изобретения

Способ повышения износостойкости стальных изделий, включающий диффузионное насыщение поверхности стальных изделий карбидообразующими элементами, отличающийся тем, что перед насыщением изделие кратковременно подвергают высокотемпературной цементации длительностью 20-30 мин при температуре 950-1050°С.