СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ПАР ТРЕНИЯ ИЗ СТАЛЕЙ Российский патент 2008 года по МПК C23C12/00 C23C8/76 C23C8/80 C23C10/24 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к химико-термической обработке деталей с формированием диффузионных и поверхностных слоев с повышенной износостойкостью и высокой прирабатываемостью в условиях трения металла о металл, оно может найти применение в машиностроении, например, автомобильной, тракторной отраслях промышленности, а также в системах перекачки газообразного и жидкого топлива.

Известно применение процессов оксиазотирования стальных изделий при температурах 560-580°С в газовых атмосферах, расплавах цианатов для повышения износостойкости и антифрикционных свойств деталей (Коган Я.Д., Ешкабилов Х.К. Оксиазотирование металлических изделий. Упрочняющие технологии и покрытия. 2006, №6, с.10-15).

Способы не универсальны применительно к тонкостенным цилиндрическим деталям различных диаметров, пар трения, прирабатываемость сопрягаемых деталей неравномерна.

Известен способ комплексного упрочнения, включающий микродуговое упрочнение поверхностей нитрооксидированием в электролитной плазме с последующим натиранием рабочих поверхностей медными роликами (Коломейченко А.В., Титов Н.В. Повышение износостойкости внутренних цилиндрических поверхностей деталей машин комбинированной технологией микродугового оксидирования и нанесения медного слоя. // Упрочняющие технологии и покрытия. 2006, №7, с.39-43).

Вышеописанный способ сложен в осуществлении и трудоемок.

Известен способ химико-термической обработки деталей пар трения из сталей, включающий никотрирование деталей в смеси, содержащей древесно-угольный карбюризатор, карбамид и трилон-Б (патент РФ №2237744, С23С 8/76, С21F 1/74, опубл. 10.10.2004 г.).

Технология не исключает поверхностных дефектов, что приводит к ухудшению трибологических свойств и контактной прочности формируемых износостойких слоев на рабочих поверхностях деталей пар трения.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение износостойкости формируемых слоев на рабочих поверхностях стальных деталей пар трения засчет улучшения трибологических свойств и контактной прочности.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе химико-термической обработки деталей пар трения из сталей, включающем никотрирование деталей в смеси, содержащей древесно-угольный карбюризатор, карбамид и трилон-Б, никотрирование проводят при 600-700°С с выдержкой в течение 4-6 часов, а после никотрирования осуществляют контактное меднение с выдержкой деталей в 5-10%-ном водном растворе медного купороса (CuSO₄·5Н₂О) в течение 10-30 минут, после чего осуществляют сушку при температуре 100-120°С в течение 45-60 минут и притирку рабочих поверхностей. Меднение деталей можно проводить непосредственно при температуре никотрирования, т.е. 600-700°С или предварительно охлаждать до температуры 100-80°С, или до температуры окружающей среды.

При изменении параметров контактного меднения и последующей сушки, а также последовательности операций, положительный эффект снижается. Опытным путем установлено, что меднение непосредственно от температур никотрирования наиболее эффективно для углеродистых сталей, меднение с охлаждением до температуры 80-100°С лучше применять для легированных сталей, а охлаждение до температуры окружающей среды - для высоколегированных сталей, склонных к трещинообразованию при охлаждении в водных растворах солей.

При обработке по предложенной схеме на первом этапе выдержки деталей при температуре 600-700°С в течение 4-6 часов в смеси, содержащей карбамид (азотоуглеродосодержащий компонент) и трилон-Б (натрийазотоуглеродосодержащий компонент) формируется трехзонный диффузионный слой, содержащий последовательно оксидную, карбонитрооксидную и карбонитридную зоны с плавно убывающей к сердцевине микротвердостью. На втором этапе при переносе деталей в водный раствор медного купороса протекает осаждение контактной меди на железной основе в пористом поверхностном слое. На этапе сушки медная пленка фиксируется на поверхности деталей. В процессе притирки и доводки медь внедряется в глубинные слои повышенной твердости и способствует стабилизации трибологических свойств поверхности, при этом обеспечивается низкий коэффициент трения, за счет повышения класса чистоты поверхности трения и наличия в нем меди и серосодержащих компонентов. Это способствует улучшению условий приработки, т.к. улучшаются условия удержания смазки на поверхностях контактного трения. Сочетание вышеперечисленных положительных качеств обработанных деталей позволяет получить необходимый технический результат - повышение износостойкости и контактной прочности поверхности цилиндров при трении. На прилагаемых к описанию способа материалах изображено:

на фиг.1 - трехзонный диффузионный слой, содержащий последовательно оксидную, карбонитрооксидную и карбонитридные зоны;

на фиг.2. - микроструктура вкладышей цилиндров, подвергнутых никотрированию и меднению с режимами обработки, описанными в примере 1;

на фиг.3 - внешний вид вкладыша с поршневым кольцом, обработанного по предлагаемому способу;

на фиг.4 приведена микроструктура слоя поперечного сечения якоря электромагнитного клапана из стали 16Х-ВИ после обработки при использовании режимов, приведенных в примере 2;

на фиг.5 приведена макроструктура слоя поперечного сечения якоря электромагнитного клапана из стали 16Х-ВИ после обработки при использовании режимов, приведенных в примере 2.

Изобретение иллюстрируется примерами практического осуществления предлагаемого способа в условиях ремонтного предприятия для восстановления двигателей автомобилей и тракторов. Для никотрирования в электропечах типа СНО-4.6.8/9 использовали отработанный древесно-угольный карбюризатор и добавки карбамида (NH₂)₂CO - мочевина по ГОСТ 6691-77, трилон-Б по ГОСТ 10652-73 (C₁₀H₈O₁₀)Na₂N₂ по 10-12% вес каждого. В качестве среды для проведения контактного меднения поверхностей деталей после никотрирования деталей использовали 5-10% водный раствор медного купороса CuSO₄·5Н₂О по ГОСТ 4165-80.

Пример 1. Вкладыши цилиндров дизельных двигателей, изготовленные из стали 20Х, подвергали никотрированию в контейнерах с засыпкой древесно-угольным карбюризатором с введением карбамида и трилона-Б при температуре 680°С в течение 6 часов. После охлаждения упаковки до комнатной температуры переносили детали в ванну с 5%-ным водным раствором медного купороса (CuSO₄·5Н₂О) и выдерживали в течение 30 минут, затем проводили сушку в электрошкафу СНОЛ-3.3.3/3 при 120°С 60 минут. Притирку внутренней поверхности вкладышей цилиндров проводили на токарных станках притирами из серого чугуна. Микроструктура полученного слоя показана на фиг.2, внешний вид вкладыша с поршневым кольцом показан на фиг.3.

В результате обработки на рабочей поверхности формировался поверхностный слой с коэффициентом трения 0,06-0,07 на карбонитридном слое повышенной твердости НУ_1H = 680-690 с плавным переходом к мягкой основе. Обработка позволила достичь ресурса работы двигателей 2500 часов или в 1,5 раза выше известного способа обработки.

Пример 2. Якоря электромагнитных клапанов из стали 16Х-ВИ никотрировали в процессе отжига при 700°С, 4 часа и после охлаждения до 80°С переносили в 10%-ный водный раствор медного купороса для контактного меднения в течении 10 минут. После сушки в течение 45 минут при 100°С проводили притирку на притире из текстолита в течение 5 минут до класса чистоты R_a = 0,06 мкм. На фиг.4 приведена микроструктура, а на фиг.5 - макроструктура слоя в поперечном сечении. В результате обработки коэффициент трения понизился до 0,10, время реальной эксплуатации запорной пары достигло 10⁷ циклов или на порядок выше, чем после никотрирования по известному способу, практически исключено наволакивание и задиры при работе клапанной пары.

Пример 3. Валики-шестерни насоса подачи дизельного топлива из стали 20 никотрировали при 640°С, выдерживая 5 часов, и после окончания выдержки проводили меднение непосредственно от температуры никотрирования путем погружения в 7,5%-ный водный раствор медного купороса, который имел температуру окружающей среды и охлаждал нагретые детали. Меднение осуществляли с выдержкой деталей в течение 20 минут, последующую сушку вели при 120°С в течение 60 минут в электрошкафу. Притирку осуществляли контртелом (шестеренкой из стали 40Х13) в процессе приработки. В результате обработки по предложенному способу эффективное время работы насосов возросло в 1,5 раза в сравнении с обработкой по известной технологии при одинаковой твердости никотридного слоя НУ_1H = 730-740 за счет снижения усилия трения слоя с внедренной медью.

Таким образом, испытания показали, что способ прост в осуществлении на предприятиях ремонта автотракторной техники, малоэнергоемок, не требует дефицитных компонентов для осуществления и экологически безопасен.

В таблице приведены сравнительные свойства и эксплуатационные характеристики поверхностных слоев при обработке по известному способу и разработанной технологии.

ТаблицаДетали, сталь, способ обработкиТолщина упрочненногоСодержание элементов,КоэффициентРесурса работы,X)слоя, суммарная,% вес.трениячас мкмхх)  12345Предлагаемый    Сталь 40Х13, вал-шестерни    Никотрирование - 600°С, 4 Азот - 0,22  час, меднение при 20°С, 20 Углерод - 1,0  мин,10%-ный р-р, сушка 100240-250Медь - 0,430,074300°С,45 мин, притирка до R_a =  Сера - 0,11  0,25 мкм         Известный Азот - 0,21  Сталь 40Х13 Углерод - 1,1  Никотрирование - 600°С, 4260-270Медь - 00,132900час, охлаждение с печью Сера - 0,02  

Продолжение таблицы12345Предлагаемый    Сталь 35Х, втулки    Никотрирование - 700°С, 6 Азот - 0,14  час, меднение от 700°С, в 5%-380-430Углерод - 1,20,086100ном р-ре 10 мин, сушка 120°С Медь - 0,32  - 60 мин, притирка до R_а = Сера - 0,10  0,16 мкм    Известный Азот - 0,13  Сталь 350 Углерод- 1,3  Никотрирование - 700°С 6370-390Медь - 00,143300час, охлаждение на воздухе Сера - 0,01  х) карбюризатор - древесный березовый уголь, добавки по 5% карбамида и трилона-Б.хх) в притертом слое 100 мкм

Изобретение относится к области металлургии, в частности к химико-термической обработке деталей с формированием диффузионных и поверхностных слоев с повышенной износостойкостью и высокой прирабатываемостью в условиях трения металла о металл, и может быть использовано в машиностроении. Проводят никотрирование деталей в смеси, содержащей древесно-угольный карбюризатор, карбамид и трилон-Б. Никотрирование проводят при 600-700°С с выдержкой в течение 4-6 часов. Затем осуществляют контактное меднение с выдержкой деталей в 5-10%-ном водном растворе медного купороса (CuSO₄·5Н₂О) в течение 10-30 минут. После чего осуществляют сушку при 100-120°С в течение 45-60 минут и притирку рабочих поверхностей. В частных случаях осуществления изобретения меднение деталей проводят непосредственно от температуры никотрирования, например, после их охлаждения до 100-80°С или после их охлаждения до температуры окружающей среды. Повышается износостойкость формируемых слоев на рабочих поверхностях стальных деталей пар трения за счет улучшения трибологических свойств и контактной прочности. 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Способ химико-термической обработки деталей пар трения из сталей, включающий никотрирование деталей в смеси, содержащей древесно-угольный карбюризатор, карбамид и трилон-Б, отличающийся тем, что никотрирование проводят при 600-700°С с выдержкой в течение 4-6 ч, а после никотрирования осуществляют контактное меднение с выдержкой деталей в 5-10%-ном водном растворе медного купороса (CuSO₄·5Н₂О) в течение 10-30 мин, после чего осуществляют сушку при 100-120°С в течение 45-60 мин и притирку рабочих поверхностей.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что меднение деталей проводят непосредственно от температуры никотрирования.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что меднение деталей проводят после их охлаждения до 100-80°С.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что меднение деталей проводят после их охлаждения до температуры окружающей среды.