СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 2000 года по МПК C23C12/00 

Изобретение относится к химико-термической обработке стальных деталей любого профиля, а именно к способам восстановления и упрочнения деталей машин.

Известен способ упрочнения стальных деталей, включающий помещение детали в смесь порошков, компонентами которой являются карбид бора и окись алюминия, а также другие компоненты (авторское свидетельство СССР N 1537709, кл. C 23 C 10/52, опубл. 1990).

Однако данный способ малопригоден для одновременного восстановления и упрочнения изношенных стальных деталей машин, имеющих большую величину износа до 0,5 мм, поскольку в данном случае предусматривается только упрочнение, более того, наличие в смеси порошков других компонент-активаторов в виде соединений, например, фтора, хлора и йода и т.д., делает процесс упрочнения экологически небезопасным, а необходимость выдержки определенного состава смеси, который включает семь компонент, требует постоянной его проверки перед каждым повторным использованием или полностью исключает повторное использование смеси.

Наиболее близким к заявленному является способ восстановления и упрочнения стальных деталей, включающий гальваническое нанесение железа на поверхность детали и последующее ее борирование (Ляхович Л.С. и др. Формирование боридных покрытий на гальванически железненных металлах и сплавах, ж. "Металловедение и термическая обработка металлов, N 6, 1972, с. 49-50).

В данном случае гальваническое осаждение железа перед борированием проводили с целью интенсификации процесса насыщения трудноборируемых сталей, а также для получения боридных покрытий на неборируемых материалах. Однако, после железнения проводилось электролизное или жидкостное борирование, что достаточно сложно при использовании в мастерских и требует значительной экологической защищенности.

Задачей настоящего изобретения является упрощение процесса упрочнения восстановленных деталей и повышение безопасности этого процесса.

Техническим результатом от решения данной задачи является получение покрытий деталей самого высокого качества при резком удешевлении способа восстановления и упрочнения и его высокой экологичности.

Данный технический результат получается за счет того, что способ восстановления и упрочнения стальных деталей включает гальваническое нанесение железа на поверхность детали и последующее ее борирование, причем, перед борированием деталь погружают в смесь порошков, включающих боросодержащий и инертную компоненты, изолируют деталь со смесью порошков от доступа воздуха и нагревают при монотонном возрастании температуры до 800-1100^oC в течение 40 - 100 минут с последующей выдержкой при этой температуре в течение 3-10 часов и дальнейшим остыванием детали в смеси порошков до температуры окружающей среды, при этом, в качестве боросодержащего порошка используют карбид бора, а в качестве инертной компоненты - окись алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Карбид бора - 55-70
Окись алюминия - Остальное
При этом, перед погружением детали в смесь порошков предпочтительно каждую из компонент смеси прокаливать при температуре 250-400^oC в течение 1,5-4 часов.

Также предпочтительно, чтобы максимальный диаметр частиц порошка карбида бора не превышал 0,3 мм, а окиси алюминия - 0,2 мм.

Способ восстановления и упрочнения стальных деталей реализуется следующим образом.

Поверхность обрабатываемой стальной детали предварительно обезжиривают и погружают в ванну для гальваники, Гальваническое осаждение железа проводят, например, в электролите, состоящем из 250 г/л сернокислого железа и 100 г/л алюмокалиевых квасцов. Температурный режим железнения и время осаждения устанавливали в зависимости от требуемой толщины слоя железа, которая определяется, например, из учета первоначальных геометрических размеров восстанавливаемой детали. Железнение также можно проводить с использованием известных составов электролитов (см. Дасоян М.А. и др. Технология электрохимических покрытий, Ленинград, Машиностроение, Ленинградское отделение, 1989, с. 198-201 и таблица 16.1), включающих, например, хлорид железа (400-450 г/л) и соляную кислоту (1,5-2 г/л) при величине катодного тока 20-50 А/дм² и температуре электролита 60-80^oC, что позволяет получить скорость осаждения 200-300 мкм/час. Гальванику можно проводить при перемешивании электролита или в проточном электролите, перед гальваническим железнением при необходимости можно на части детали, не требующие восстановления или железнения, нанести соответствующее защитное покрытие. После достижения требуемой толщины осажденного железа на поверхность детали ее вынимают из ванны и тщательно промывают. Получаемое покрытие имеет при этом величину твердости (в среднем) 2,5-5 ГПа.

Перед борированием детали в одну емкость загружают карбид бора, а в другую - окись алюминия, причем, максимальный диаметр частиц порошка карбида бора для проведения процесса борирования с высокими показателями, как показали результаты экспериментов, не должен превышать 0,3 мм, а окиси алюминия - 0,2 мм. Порошки в емкостях и прокаливают при температуре 250-400^oC в течение 1,5-4 часов и после их остывания смешивают в соотношении 55-70 мас.% карбида бора и окись алюминия - остальное (т.е. 45-30 мас.%). После чего, в контейнер для борирования насыпают полученную смесь слоем около 1-2 см и устанавливают обрабатываемую деталь, досыпают смесь до полного закрытия ею детали и далее насыпают сверху детали слой порошка толщиной 1-2 см. При наличии у детали выемок или проточек их также заполняют смесью. По мере заполнения смесью детали контейнер с ней встряхивают или подвергают вибрации для полного прилегания смеси к поверхности детали. После окончания засыпания смеси поверх нее помещают асбестовую прокладку и устанавливают плавкий затвор, например, из жидкого стекла, которое заливают сверху прокладки. Контейнер после этого накрывают крышкой и ставят в печь. Таким образом, деталь, к которой плотно прилегает смесь порошков, без доступа воздуха нагревается при монотонном возрастании температуры до 800-1100^oC в течение 40-100 минут с последующей выдержкой при этой температуре в течение 3-10 часов и дальнейшим остыванием детали в смеси порошков до температуры окружающей среды, которое реализуют посредством прекращения подведения теплового потока к контейнеру в печи или просто посредством вынесения контейнера из печи в окружающую среду. После остывания до температуры окружающей среды контейнер распаковывают и деталь вынимают. Качество обработанной поверхности при этом не хуже 6-7 класса при микротвердости до 16 ГПа. Исследования показали, что в процессе нагревания смеси порошков на границе смеси и детали происходят следующие процессы:
B₄C + 2O₂ -- B₂O₃+ CO +2B_ат
2Fe+ 5 B₂O₃ -- 10 B_ат + 6O₂ + Fe₂O₃
В результате чего атомарный бор вследствие малых размеров атома эффективно внедряется в кристаллическую решетку гальванического железа на всю толщину вновь полученного слоя железа, в результате чего в этом слое получается покрытие из 10% FeB и 90% Fe₂B, которое обладает высокой микротвердостью (до 16 и выше ГПа). Следует отметить, что процесс диффузии бора протекает наиболее интенсивно по границе зерен железа, образованных гальваническим железнением поверхности детали, что также обуславливает более высокое упрочнение именно по границам этих зерен, которые до борирования представляют наиболее "слабые места" по твердости и наиболее быстро в этих местах образуются трещины и каверны. При обработке следующей детали модно использовать смесь, бывшую уже в употреблении, поскольку массовые изменения состава незначительны, при необходимости готовую смесь добавляют к уже использовавшейся.

Пример конкретного выполнения способа.

Восстанавливалась гильза гидрораспределителя гидромеханической коробки передач трактора Т-150. Износ наблюдался в виде кольцевых канавок на глубину 0,25 мм на внутренней цилиндрической поверхности. Перед реализацией способа осуществлялась токарная обработка на глубину 0,25 мм до выведения следов износа. После чего проводилось гальваническое железнение на 0,25 мм. Железнение осуществляют в хлористом электролите с концентрацией хлорного железа 350 г/л. Осаждение начинают при переменном токе, затем через 5-10 минут переходят на постоянный ток при катодной плотности тока 30 А/дм². Перед нанесением гальванического железного покрытия деталь обезжиривают венской жидкостью, затем промывают в проточной воде и осуществляют ее контрольные замеры.

После гальванического осаждения железного покрытия деталь подвергают борированию. Деталь устанавливают в контейнер и засыпают смесью из порошка составом, включающим 60% карбида бора и 40% окиси алюминия с таким расчетом, чтобы слой смеси вокруг детали был 10-20 мм. Сверху укладывается асбестовая прокладка, контейнер герметизируется жидким стеклом и накрывается крышкой. Контейнер устанавливается в высокотемпературную печь и в течение 90 минут выводят до рабочей температуры в 100^oC. Борирование ведут 6 часов. После остывания контейнер распаковывают и извлекают деталь. Визуально контролируют восстановленную поверхность, она должна быть золотистого цвета, без сколов железоборидного покрытия и налипания частиц порошка. После борирования внутренняя рабочая поверхность гильзы подвергалась финишной обработке - шлифованию. Затем производился контрольный замер диаметра восстановленной гильзы, после чего она считалась восстановленной и пригодной к дальнейшему использованию при ремонте гидромеханической коробки передач трактора.

Применение предложенного способа позволяет максимально эффективно восстанавливать изношенные стальные детали, имеющие большие величины износа, и увеличивать их поверхностную твердость при высокой экологической безопасности в процессе борирования и простоте этого процесса, что дает возможность реализовывать предложенный способ практически в любой мастерской и даже в полевых условиях.

Способ восстановления и упрочнения стальных деталей включает гальваническое нанесение железа на поверхность детали, погружение детали в смесь порошков, содержащую, мас.%: карбид бора 55 - 70, окись алюминия - остальное, затем деталь изолируют от доступа воздуха, нагревают при монотонном возрастании температуры до 800 - 1100^oC в течение 40 - 100 мин, выдерживают при этой температуре в течение 3 - 10 ч с последующим остыванием до температуры окружающей среды. Способ позволяет получить покрытие деталей высокого качества при резком удешевлении способа восстановления и упрочнения и его высокой экологичности. 2 з.п.ф-лы.

1. Способ восстановления и упрочнения стальных деталей, включающий гальваническое нанесение железа на поверхность детали и последующее ее борирование, отличающийся тем, что перед борированием деталь погружают в смесь порошков, включающих боросодержащую и инертную компоненты, изолируют деталь со смесью порошков от доступа воздуха и нагревают при монотонном возрастании температуры до 800 - 1100^oС в течение 40 - 100 мин с последующей выдержкой при этой температуре в течение 3 - 10 ч и дальнейшим остыванием детали в смеси порошков до температуры окружающей среды, при этом в качестве боросодержащего порошка используют карбид бора, а в качестве инертной компоненты - окись алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Карбид бора - 55 - 70
Окись алюминия - Остальное
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед погружением детали в смесь порошков каждую из компонентов смеси прокаливают при температуре 250 - 400^oС в течение 1,5 - 4 ч. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что максимальный диаметр частиц порошка карбида бора не превышает 0,3 мм, а окиси алюминия - 0,2 мм.