СПОСОБ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОГО БОРИРОВАНИЯ СТАЛИ И ЧУГУНА Российский патент 2002 года по МПК C23C8/68 C23C8/70 

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, изготовленных из углеродистых сталей и чугунов.

Известен способ борирования из обмазок с применением печного нагрева. На поверхность наносят обмазку состава 80% В₄С и 20% Na₃AlF₆, затем производится нагрев в печи при 800-1050^oС в течение 2-4 ч. В результате образуются слои толщиной 30-250 мкм состава FеВ+Fе₂В+борированный феррит (см. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. // Справочник, под ред. Ляховича Л.С. М.: Металлургия, 1981, 424с.).

Недостатком данного способа является большая продолжительность процесса.

Известен способ борирования из обмазок с применением лазерного нагрева. На поверхность наносят обмазку, состоящую из порошка аморфного бора и клея БФ-2 с добавкой ацетона. Затем проводят обработку лазером по режимам: мощность излучения Р= 1-3 кВт, скорость перемещения образца под лучом v=1,5-13,75 мм/с, диаметр пятна обработки d_n=2-6 мм. В результате обработки на поверхности образуются слои толщиной 100-300 мкм состава FеВ+Fе₂В+Fе₃В (см. Сафонов А.Н. Особенности борирования железа и сталей с помощью непрерывного CO₂-лазера. // МиТОМ, 1998, 1, С.5-9).

Недостатком данного способа является, то что поверхность при этом имеет крайне неровный рельеф, а борированные зоны напоминают кратеры.

Ближайшим аналогом изобретения является способ электроннолучевого борирования сплавов на основе железа (к ним относится сталь и чугун), включающий нанесение на обрабатываемую поверхность обмазки из боросодержащего вещества (В₄С)и связующего с последующим нагревом электронным пучком в вакууме (Полетика И.М. и др. Твердость и износостойкость стали после облучения пучком релятивистких электронов. Металловедение и термическая обработка металлов, Москва, Машиностроение, 1996, 12, с.16-17).

Технический результат изобретения - увеличение глубины и равномерности борированного слоя.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе борирования стали и чугуна, включающем нанесение на поверхность металла обмазки из боросодержащего вещества и связующего с последующим нагревом электронным пучком в вакууме, согласно изобретению нагрев осуществляют в течение 4-5 мин при плотности мощности 2,0-2,5 кВт/см².

Осуществление нагрева электронным пучком в вакууме обеспечивает быстрое безынерционное достижение предельно высоких температур и легкость регулирования нагрева в широком диапазоне температур. Экспериментально было обнаружено, что при электроннолучевом борировании на поверхности металла образуются ярко выраженные слои толщиной 350-360 мкм (обмазка на основе аморфного бора) и 100-110 мкм (обмазка на основе карбида бора). В обоих случаях была видна четкая граница между слоем и основным металлом. Переходная зона не наблюдалась. По сравнению с основным металлом слои имели более низкую скорость травления, что свидетельствует об их высокой коррозионной стойкости.

Боридные слои, сформированные при нагреве электронным пучком в вакууме, отличаются по структуре и толщине от слоев, полученных известными способами. Глубина боридного слоя увеличивается при его равномерной толщине благодаря наличию существенного признака в изобретении, а именно осуществлению нагрева электронным пучком в вакууме.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям "новизна" и "изобретательский уровень".

В ходе экспериментальных исследований были установлены оптимальные режимы обработки электронным пучком в вакууме стали и чугуна: время обработки - 4-5 мин, плотность мощности электронного пучка - 2,0-2,5 кВт/см². При времени обработки упрочняющих поверхностей металла электронным пучком более 5 мин и плотности мощности более 2,5 кВт/см² наблюдалось оплавление поверхности. При обработке менее 4 мин и плотности мощности менее 2,0 кВт/см² резко уменьшается толщина боридного слоя, что снижает износостойкость и коррозионную стойкость стали и чугуна, что в конечном итоге ведет к уменьшению срока службы и снижению надежности различных деталей машин и инструментов.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

На поверхность металла наносят обмазку, состоящую из боросодержащего вещества и связующего. После этого производят нагрев с помощью пучка в течение 4-5 мин при плотности мощности 2,0-2,5 кВт/см².

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. На цилиндрический образец диаметром 15 и высотой 7 мм, изготовленный из стали марки 20, наносят обмазку толщиной 1мм. В состав обмазки входят (в соотношении 1:1 по объему) аморфный бор (с массовой долей основного компонента не менее 95%) и органическое связующее (раствор клея БФ-6 в ацетоне в соотношении 1:10). Затем производят нагрев образцов с помощью электронного пучка в вакууме в течение 4 мин при плотности мощности 2,0 кВт/см². Нагрев производили на электровакуумной энергоустановке, содержащей аксиальную электронную пушку ЭПА-60-04.2 с блоком управления электронным пучком БУЭЛ и высоковольтный выпрямитель В-ТПЕ-2-30к-2УХЛ4. Давление в вакуумной камере составляет 2•10^-3 Па. В результате электроннолучевой обработки на поверхности образца образуются боридные слои толщиной 280-290 мкм. Фазовый состав боридных слоев: феррит -α-Fe, цементит - Fе₃С, борид железа - Fe₂B.

Пример 2. На поверхность образца, изготовленного из стали марки 45, наносят обмазку толщиной 1 мм (в соотношении 1:1 по объему) из аморфного бора и связующего (раствор клея БФ-6 в ацетоне в соотношении 1:10). Затем производят нагрев образцов с помощью электронного пучка в вакууме в течение 5 мин при плотности мощности 2,5 кВт/см². Давление в вакуумной камере составляет 2•10^-3 Па. В результате электроннолучевой обработки на поверхности образца образуются боридные слои толщиной 350-360 мкм. Фазовый состав боридных слоев: феррит -α-Fe, цементит - Fе₃С, бориды железа - Fe₂B, FeB.

Пример 3. На поверхность образца, изготовленного из стали марки У8А, наносят обмазку толщиной 1 мм (в соотношении 1:1 по объему) из аморфного бора и связующего (раствор клея БФ-6 в ацетоне в соотношении 1:10). Затем осуществляют нагрев электронным пучком в вакууме в течение 5 мин при плотности мощности 2,5 кВт/см². Давление в вакуумной камере составляет 2•10^-3 Па. В результате электроннолучевой обработки на поверхности образца образуются боридные слои толщиной 310-320 мкм. Фазовый состав боридных слоев: феррит -α-Fe, цементит - Fе₃С, бориды железа - FeB и Fe₂B.

Пример 4. На поверхность образца, изготовленного из чугуна марки СЧ 20, наносят обмазку толщиной 1мм (в соотношении 1:1 по объему) из аморфного бора и связующего (раствор клея БФ-6 в ацетоне в соотношении 1:10). Затем осуществляют нагрев электронным пучком в вакууме в течение 5 мин при плотности мощности 2,5 кВт/см². Давление в вакуумной камере составляет 2•10^-3 Па. В результате электроннолучевой обработки на поверхности образца образуются боридные слои толщиной 250-290 мкм. Фазовый состав боридных слоев: феррит -α-Fe, графит - С, цементит - Fе₃С, борид железа - Fe₂B.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин;
- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Предлагаемое изобретение по сравнению с известными способами борирования имеет следующие преимущества:
1) увеличение глубины и равномерности боридного слоя;
2) высокий коэффициент поглощения электронного пучка металлом, позволяющий эффективно обрабатывать поверхность без поглощающих покрытий;
3) простота организации скоростного сканирования электронным пучком обрабатываемой поверхности;
4) обработка в условиях вакуума;
5) сокращение в 10-20 раз времени формирования боридного слоя по сравнению с аналогом.

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке, и может быть использовано в машиностроении для поверхностного упрочнения деталей машин, изготовленных из углеродистых сталей и чугуна. Технический результат изобретения заключается в увеличении глубины и равномерности борированного слоя. Способ включает нанесение на поверхность металла обмазки из боросодержащего вещества и связующего с последующей обработкой электронным пучком в вакууме в течение 4-5 мин при плотности мощности 2,0-2,5 кВт/см².

Способ электроннолучевого борирования стали и чугуна, включающий нанесение на обрабатываемую поверхность обмазки из боросодержащего вещества и связующего с последующим нагревом электронным пучком в вакууме, отличающийся тем, что нагрев осуществляют в течение 4-5 мин при плотности мощности 2,0-2,5 кВт/см².