способ упрочнения штамповых сталей
Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам химико-термической обработки полу- и теплостойких штамповых сталей. Способ упрочнения штамповых сталей включает приготовление пасты путем смешивания порошков, содержащих, мас. %: (40В 4 С+60Na 2 В 4 О 7 ) - 40-60, В 2 О 3 - 25-35 и Na 2 S - 15-25, и заполненную наполнителем - карбамидом, нанесение пасты и последующее одновременное борирование и карбонитрирование при нагреве под закалку, при этом в процессе нагрева под закалку осуществляют изотермическую выдержку при 540-580 o С. После изотермической выдержки возможно проведение охлаждения в масле и отпуск при 560-580 o С. Повышение стойкости штампа достигается за счет повышения пластичности, уменьшения микротвердости и микровыкрашиваний диффузионных слоев, а также уменьшения коэффициента трения. 1з. п. ф-лы, 1 табл.
Формула изобретения
1. Способ упрочнения штамповых сталей, включающий приготовление пасты путем смешивания порошков В 4 С, Na 2 B 4 O 7 , В 2 О 3 с наполнителем - карбамидом, нанесение пасты и последующее одновременное борирование и карбонитрирование при нагреве под закалку, отличающийся тем, что при смешивании пасты в нее дополнительно вводят Na 2 S при следующем соотношении компонентов, мас. %: (40В 4 С+60Na 2 B 4 O 7 ) - 40-60; В 2 О 3 - 25-35; Na 2 S - 15-25, а в процессе нагрева под закалку проводят изотермическую выдержку при 540-580 o С.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после нагрева под закалку проводят охлаждение в масле и отпуск при 560-580 o С.
Описание изобретения к патенту
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.
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% B 4 C + 20% Na 3 AlF 3 на этилсиликат до получения сметанообразного состояния, нанесение на очищенную поверхность штампа с помощью кисти слоя 2-4 мм, нанесение защитной обмазки, состоящей из 50% B 2 O 3 + 50% SiO 2 , разбавленной в этилсиликате, сушка при 100 o C 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 o C. После такой обработки упрочненный слой из двух разных боридов FeB + Fe 2 B с микротвердостью 17500-21500 МПа.
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.
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 В 4 С + 60 Na 2 B 4 O 7 , 40-60 B 2 O 3 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 CuSO 4 или проводят воронение. После такой обработки диффузионный слой состоит из однообразного борида железа Fe 2 B и промежуточного слоя составляющих карбонитридов, что значительно уменьшает микротвердость и улучшает пластичность диффузионных упрочненных слоев.
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.
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.
Поставленная задача достигается тем, что в способе упрочнения штамповых сталей, включающем приготовление пасты путем смешивания порошков B 4 C, Na 2 B 4 O 7 , B 2 O 3 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 Na 2 S, при следующем соотношении компонентов, мас. %: (40 B 4 C +60 Na 2 B 4 O 7 ) 40 - 60, B 2 O 3 25 - 35, Na 2 S 15 - 25, а в процессе нагрева под закалку проводят изотермическую выдержку при 540 - 580 o C в течение 1,5 ч. В способе предусматривается проведение охлаждения в масле после нагрева под закалку и отпуск при 560-580 o C.
В данном случае на поверхностных слоях образуются карбонитриды и сульфид железа (FeS), а при повышении температуры до 860 o C для стали 5ХНМ и 1010 o C для стали 4Х5МФС бор, диффундируя на поверхностные слои, образует бориды железа (Fe 2 B). Карбонитридный слой способствует раздроблению боридных игл, что улучшает пластичность диффузионных слоев. Сульфид железа уменьшает коэффициент трения между штампом и обрабатываемым материалом.
Перед нанесением обмазки зеркальную поверхность штампа обрабатывают медным купоросом 1-5 мин или же проводят воронение с нагревом поверхностных слоев до 300-400 o C и охлаждением на воздухе. Обмазку изготавливают следующим образом: порошок смеси состава для борирования (40-60% В 4 С + 60 Na 2 B 4 O 7 с добавлением 25-35% В 2 O 3 от первичной массы) добавляют и смешивают 15-25% Na 2 S 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.
Подготовленные штампы загружают в печь, нагревают до 540- 580 o C и выдерживают в течение 1,5 ч, далее поднимают температуру в печи 860 o C - для стали типа 5ХНМ и 1010 o C для стали 4Х5МФС. Перед охлаждением штампа в масле обмазку удаляют с рабочих поверхностей, затем производят отпуск при 560-580 o C, после чего с помощью металлической щетки окончательно очищают.
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 20 14000 МПа. Ниже боридного слоя образуется переходной слой, состоящий из карбонитридов и - фазы. Микротвердость этого слоя плавно изменяется от Н 20 5800 до 3700 МПа в сердцевине.
Ударная вязкость измерялась на боросульфокарбонитрированных образцах размерами 10х10х55 мм.
Результаты испытаний представлены в таблице.
Ударная вязкость образцов из стали 5ХНМ после стандартной термической обработки составила 0,51 МДж/м 2 , а после азотирования она уменьшилась до 0,38 МДж/м 2 . Значение ударной вязкости сильно уменьшается после борирования, но при добавке в состав обмазки 15-25% Na 2 S она повышается до 0,31 МДж/м 2 против 0,25 МДж/м 2 после борокарбонитрированного по прототипу.
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% Na 2 S, дальнейшее повышение концентрации Na 2 S в пасте не влияет на стойкость штампов. Ниже 15% концентрации Na 2 S в составе пасты не дают значительных результатов.
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.
Таким образом, добавка в состав, указанный в прототипе, 15-25% Na 2 S, изотермическая выдержка при 540-580 o C, дальнейший нагрев под закалку, охлаждение в масле и отпуск при 560-580 o C 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).