Научно-технологические основы интенсивной нитроцементации из активных сред сталей штампового инструмента тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Костин Николай Анатольевич

• Костин Николай Анатольевич
• доктор наук
• 2026

Оглавление диссертации доктор наук Костин Николай Анатольевич

Введение

Глава 1 Анализ условий работы штамповых инструментов различного назначения. Современные материалы для изготовления штамповых инструментов и способы их упрочнения

1. 1 Разновидности штамповочных операций и нагрузки на элементы штампов

1.2 Штамповые материалы для инструментов холодного и горячего деформирования

1.2.1. Стали для штампов холодного деформирования

1.2.2. Стали для штампов горячего деформирования

1.3 Причины потери работоспособности штампов. Факторы, определяющие стойкость штамповых инструментов

1.4 Способы повышения стойкости штамповых инструментов

1.5 Выводы по главе

Глава 2 Методы экспериментальных исследований и испытаний нитроцементованных штамповых сталей

2.1 Материалы для исследования

2.2 Нитроцементация штамповых сталей в комбинированной среде

2.3 Нитроцементация образцов штамповых сталей в контейнере

2.4 Методы исследования структуры и фазового состава

нитроцементованных штамповых сталей

2.5 Определение механических свойств нитроцементованных образцов штамповых сталей

2.6 Испытания нитроцементованных сталей на изнашивание

2.7 Испытания нитроцементованных сталей на ударную вязкость

Глава 3 Разработка и исследование насыщающих сред для получения модифицированных слоёв на штамповых сталях

3.1. Науглероживающая и азотирующая способность традиционных нитроцементующих сред

3.2. Выбор компонентов комбинированной среды повышенной активности для нитоцементации штамповых

3.3. Экспериментальная проверка насыщающей способности пасты на основе сажи с добавками карбамида и железосинеродистого калия

3.4 Оптимизация состава пасты для нитроцементации штамповых сталей при высоких и низких температурах

3.5. Окислительно-восстановительные процессы на поверхности нитроцементуемых штамповых сталей

3.6 Выводы по главе

Глава 4 Закономерности формирования структуры и фазового состава диффузионных слоёв на штамповых сталях, нитроцементованных в высокоактивных средах

4.1 Особенности совместного насыщения сталей азотом и углеродом из высокоактивных сред

4.2 Структура и фазовый состав диффузионных слоёв штамповых сталей, нитроцементованных при высоких температурах

4.3 Механизм образования карбонитридов в диффузионных слоях легированных штамповых сталей при высокотемпературной нитроцементации

4.4 Влияние легирования штамповых сталей на морфологию карбонитридных частиц в нитроцементованных сталях

4.5 Рост частиц карбонитридов, контролируемый диффузией, при нитроцементации штамповых сталей

4.6 Особенности структуры и фазового состава диффузионных слоёв на штамповых сталях, подвергнутых низкотемпературной нитроцементации

4.7 Выводы по главе

Глава 5 Свойства нитроцементованных штамповых сталей

5.1 Влияние режимов высокотемпературной нитроцементации на карбонитридную стуктуру и твёрдость диффузионных слоёв на штамповых сталях

5.2 Термокинетические характеристики и твёрдость диффузионных слоёв на штамповых сталях, полученных нитроцементацией при низких температурах

5.3 Влияние режимов упрочняющей обработки на износостойкость и ударную вязкость нитроцементованных штамповых сталей

5.4 Выводы по главе

Глава 6 Технологические аспекты упрочнения штамповых инструментов различного назначения

6.1. Нитроцементация рабочих частей штампа из стали Х12МФ для разделения большеразмерного проката в высокоактивной азотисто-углеродной пасте

6.2 Повышение стойкости инструментов для брикетирования металлической стружки низкотемпературной нитроцементацией

6.3 Нитроцементация деталей штампов, восстановленных наплавкой, для улучшения работоспособности и повышения стойкости

Общие выводы

Список использованных источников

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научно-технологические основы интенсивной нитроцементации из активных сред сталей штампового инструмента»

Введение

Актуальность темы исследования. Обработка металлов давлением (ковка, штамповка, прессование и др.) - один из наиболее производительных и экономичных методов металлообработки, широко применяемый в массовом производстве деталей для различных отраслей машиностроения.

С развитием технологий этот метод всё чаще используется для обработки новых материалов с повышенной прочностью и жёсткостью. Кроме того, в штамповочном производстве внедряется высокопроизводительное кузнечно-прессовое оборудование, что повышает требования к износостойкости штампового инструмента.

Ключевым фактором, определяющим стойкость штампов, являются состав, структура и свойства их поверхностных слоёв. Несмотря на существование множества методов упрочнения материалов для штамповой оснастки, значительного повышения долговечности инструмента достичь пока не удаётся.

Больший эффект повышения стойкости штампов достигается за счёт их поверхностного упрочнения. Для упрочняющей обработки инструментальных сталей разработаны десятки методов, позволяющих в различной степени улучшать свойства поверхностей инструментов. Эти методы можно разделить на две основные группы.

К первой группе относятся методы создания в поверхностных слоях инструмента модифицированных структур с помощью различных воздействий. Такие слои отличаются от основного материала изменённым элементным составом, кристаллической и дефектной структурой. Среди этих методов следует выделить: химико-термическую обработку (ХТО), лазерное легирование и закалку, ионную имплантацию. Ко второй группе принадлежат методы нанесения на поверхность инструмента защитных покрытий с повышенными физико-механическими свойствами по сравнению с основным материалом. К ним относятся: метод катодного распыления высокотвёрдых

материалов с их последующим осаждением на поверхность инструмента, реактивный электронно-лучевой плазменный метод и другие.

Каждый из перечисленных методов имеет свои преимущества и недостатки, однако из всех них выделяется химико-термическая обработка благодаря высокой производительности, эффективности и технологической простоте.

Одним из эффективных, но недостаточно изученных способов создания на поверхности штампового инструмента слоёв с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами является нитроцементация штамповых сталей.

К настоящему времени в промышленном производстве данный способ практически не применяется, ввиду отсутствуя полноценных комплексных сведений о составе активных сред, рациональных технологических режимах их нанесения и их влияние на свойствах модифицированных слоев. Для этого требуется проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований. Решение данных задач позволит решить проблему увеличения стойкости штампового инструмента и повысить эффективность штампового производства.

Связь работы с научными программами. Актуальность работы подтверждается ее выполнением в рамках гранта Президента РФ (НШ-596.2022.4), а также соответствием:

- Указу Президента РФ 28.02.2024 г. № 145 «О Стратегии научно-технологического развития РФ» в части обеспечения перехода к передовым производственным технологиям и новым материалам;

- Распоряжению Правительства РФ от 31.12.2020 г. № 3684-р «Программа фундаментальных научных исследований в РФ на долгосрочный период (2021-2030 годы)» в части разработки научных основ создания новых материалов с заданными свойствами и функциями.

Степень разработанности темы. Значительный вклад в разработку и исследование процессов диффузии в металлах занималось большое число

учёных: Б.Н. Арзамасцев, Б.С. Бокштейн, Л.Г. Ворошнин, А.М. Гурьев, Е.Л. Гюлиханданов, Г.Н. Дубинин, Г.В. Земсков, И.С. Козловский, В.И. Колмыков, А.В. Киричек, К.В. Макаренко, В.М. Переверзев, Л.С. Ляхович, А.Н. Минкевич, Л.Г. Петрова, И.С. Белашова, И.Г. Дьяков, М.С. Степанов, Д.А. Прокошкин, М.Ю. Семёнов, Б. Прженосил, G. Antczak, J. Crank, G. Ehrlich, D. Gupta, H. Mehrer, и др., а также НПО «ЦНИИТМАШ» Росатом, ФГБУН «Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова Российской академии наук» (ИМЕТ РАН), ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина» и др.

Вместе с тем, в трудах перечисленных ученых отсутствуют сведения, касающиеся повышения стойкости штамповых инструментов из высокоуглеродистых высоколегированных штамповых сталей путём интенсивного азотонауглероживания из активных сред для созданий на поверхности модифицированных слоёв с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Целесообразность решения данной проблемы обусловил выбор тематики, цель диссертационного исследования и круг научных задач.

Целью работы являлась повышение эксплуатационных характеристик сталей штампового инструмента за счет научной разработки и внедрения технологии интенсивной нитроцементации в активных средах.

В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать условия работы штамповых инструментов различного назначения, нагрузки на элементы штампов в процессе работы и причины потери их работоспособности, а также факторы, определяющие стойкость штамповых инструментов. Обосновать использование интенсивной нитроцементации из активных сред для поверхностного модифицирования штамповых инструментов.

2. Разработать и исследовать среды повышенной активности для интенсивного насыщения штамповых сталей азотом и углеродом при низких

и высоких температурах, способствующих образованию поверхностных диффузионных слоёв с большим количеством избыточных высокотвёрдых карбонитридов.

3. Выявить закономерности формирования структуры модифицированных слоёв на штамповых сталях с различными системами легирования при низких и ысоких температурах химико-термической обработки в высокоактивных азотисто-углеродных средах.

4. Изучить влияние структурно-фазовых характеристик модифицированных слоёв на штамповых сталях на их механические и эксплуатационные свойства и влияние режимов упрочняющей обработки на их износостойкость и ударную вязкость.

5. Разработать технологические рекомендации для упрочнения нитро-цементацией из активных сред сталей штамповых инструментов различного назначения, существенно повышающих их стойкость, и провести производственную проверку разработанной технологии упрочнения штампов поверхностным модифицированием.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются физико-химические процессы, происходящие во внешних слоях легированных сталей при их нитроцементации и приводящие к насыщению сталей азотом и углеродом до высоких концентраций на поверхности и к образованию большого количества карбонитридных твёрдых фаз, обеспечивающих высокий упрочняющий эффект.

Предметом исследования являются стали для штампов горячей обработки заготовок (5ХНМ, 5Х2ГФ, 5Х3ГС) и стали для штампов холодной обработки (9ХС, Х12МФ, 6Х4М2ФС), нитроцементованные в активных средах.

Научная новизна работы

Научная новизна состоит в создании научно обоснованных технических и технологических решений в области получения износостойких модифицированных слоев штамповых сталей от состава высокоактивных

азотоуглеродных сред и режимов нитроцементации, позволяющих прогнозировать структурно-фазовое состояние модифицированных слоев, влияющее на эксплутационные характеристики штампового инструмента.

1. Установлены закономерности влияния нитроцементации в высокоактивных средах на структуру, фазовый состав, износостойкость и ударную вязкость модифицированных слоёв для широкого спектра штамповых сталей. Показано, что: низкотемпературная нитроцементация (550...560 °С) наиболее эффективна для высокохромистых сталей типа Х12МФ, обеспечивая повышение износостойкости в 2.2,5 раза за счет образования на поверхности е-карбонитрида. Среднетемпературная нитроцементация (620.660 °С) обеспечивает значительное повышение износостойкости практически всех штамповых сталей, особенно 5Х2ГФ, 5Х3ГС, 6Х4М2ФС и др. (с Сг 2.3 %), за счет формирования более глубоких карбонитридных слоёв. Высокотемпературная нитроцементация (820. 880°С) приводит к образованию на поверхности сталей типа 6Х4М2ФС двухфазных слоёв, насыщенных включениями, изоморфными цементиту (по типу металлических композитов), что впервые обеспечивает повышение износостойкости в 2.5 раз при сохранении удовлетворительной ударной вязкости.

2. Разработана новая высокоэффективная нитроцементующая среда, максимально повышающая скорость насыщения штамповых сталей (типа 5ХНМ, 9ХС, Х12МФ и др.) азотом и углеродом в широком температурном диапазоне. При низкотемпературной обработке (520.650 °С) скорость насыщения преимущественно азотом в среде ((20% - (МНг)гСО, 20% -Ме(СК>, 5 % - №СОз, (ост. ДГ-100)) в 10 и более раз выше, чем при традиционном азотировании в аммиаке. При высокотемпературной обработке (820.880°С) скорость насыщения преимущественно углеродом (с одновременным насыщением до 0,3% азота) в среде (( 5 % - (МНг)гСО, 10 % - Ме(СК>, 15% - ВаСОз, (ост. ДГ-100)) в 2.4 раза выше, чем при стандартной газовой цементации при тех же температурах. На основе

теоретических и экспериментальных исследований оптимизированы составы среды для упрочнения различных марок штамповых сталей применительно к условиям их использования. Данная разработка предлагает принципиально новый подход к упрочнению штамповых сталей, обеспечивая высокую скорость диффузии легирующих элементов в обоих ключевых температурных режимах.

3. Установлен механизм образования карбонитридных фаз в легированных штамповых сталях при насыщении их большим количеством азота и углерода. Впервые детально исследовано влияние хрома на этот процесс. Выявлена и количественно обоснована определяющая роль хрома в формировании морфологии карбонитридных частиц через влияние на величину поверхностного натяжения межфазных границ. Установлено, что растворение хрома в карбонитридной фазе в значительных количествах усиливает межатомные связи в их кристаллической решётке, приводя к росту поверхностного натяжения. Впервые показано, что при содержании хрома в стали 3.. .5 % это увеличение поверхностного натяжения становится достаточным для перехода формы карбонитридных частиц к сферической. Установлено комплексное влияние хрома на диффузионные процессы и равновесие в системе: хром снижает равновесную концентрацию углерода и азота на границах аустенит-карбонитрид, а также уменьшает коэффициенты диффузии этих элементов в аустените.

4. Установлены закономерности влияния нитроцементации штамповых сталей как при низких, так и при высоких температурах на прочностные и эксплуатационные свойства штамповых инструментов. Нитроцементация рабочих деталей штампового инструмента (пуансон, матрица) по оптимальным режимам приводит к увеличению их износостойкости и теплостойкости при удовлетворительной ударной вязкости. Показана взаимосвязь эксплуатационных свойств со структурой и фазовым составом модифицированных нитроцементованных слоёв на поверхности инструментов.

Теоретическая и практическая значимость

1. Проведен теоретический анализ, касающийся закономерностей процессов, происходящих в высокоактивных нитроцементующих средах, на поверхности высокохромистых легированных сталей и в диффузионных слоях. Показано, что формируемые на таких сталях при низких и высоких температурах диффузионные слои способствуют развитию представлений о химико-термической обработке сталей и вносят вклад в развитие металловедения.

2. Теоретические и экспериментальные результаты исследований модифицирования поверхностных слоёв штамповых сталей путём насыщения их из активных сред до высоких концентраций азота и углерода были использованы при разработке технологических рекомендаций по упрочнению штампового инструмента. Предлагаемые технологии позволяют значительно повысить срок службы штампов различного назначения, сократить продолжительность процесса упрочнения и удешевить его по сравнению с традиционными методами модифицирования и химико-термической обработки, а также избежать экологических проблем при внедрении предлагаемых технологий в производство.

3. Разработанные материалы запатентованы (патенты на изобретение №2 2600612 «Нитроцементация деталей из конструкционных и инструментальных сталей», опубл. 27.10.2016 г., бюл. № 30; № 2704044 «Способ цементация деталей из конструкционных и инструментальных сталей в цементуемой пасте», опубл. 23.10.2019 г. бюл. №30; № 2728333 «Способ цементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей», опубликован 27.07.2020 г., бюл. №22; № 2714171 «Состав ванны для азотирования деталей из конструкционных и инструментальных сталей», опубл. 13.02.2020 г., бюл. №5.), опробированы и внедрены на предприятии ООО «АПЗ- 20» г. Курск (акт внедрения от 29.07.2023 г. Экономический эффект от внедрения предложенного технологического

процесса химико-термической обработки составляет 3 млн. 500 тыс. рублей.).

4. Разработанный материал запатентован (патент на изобретение № 2574943 «Нитроцементация деталей из конструкционных и инструментальных сталей», опубл. 10.02.2016 г., бюл. № 4.), опробирован и внедрен на предприятии АО «Курский завод им А.Ф. Дериглазова» (акт внедрения от 31.07.2023 г. Экономический эффект от внедрения предложенного технологического процесса химико-термической обработки составляет 2 млн. 500 тыс. рублей).

5. Разработанные материалы запатентованы (патенты на изобретение № 2501884 «Способ нитроцементации деталей из штамповых сталей», опубликован 20.12.2013 г., бюл. № 35; № 2592339 Способ нитроцементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей», опубл. 20.07. 2016 г., бюл. № 20; № 2586178 «Способ нитроцементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей», опубл. 10.06.2016 г., бюл. № 16.), опробированы и внедрены на предприятии ОАО «Электроагрегат» г. Курск (акт внедрения от 04.09.2023 г. Экономический эффект от внедрения предложенного технологического процесса химико-термической обработки составляет 4 млн. 500 тыс. рублей.).

6. Разработанный материал запатентован (патент на изобретение № 2600612 «Нитроцементация деталей из конструкционных и инструментальных сталей», опубл. 27.10.2016 г., бюл. № 30.), опробирован и внедрен на предприятии ООО «Курский завод «Светодиод»» (акт внедрения от 20.03.2023 г. Экономический эффект от внедрения предложенного технологического процесса химико-термической обработки составляет 1 млн. 800 тыс. рублей.).

Соответствие паспорту научной специальности. Диссертационная работа по тематике, содержанию и результатам соответствует паспорту специальности 2.6.1. Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов по следующим пунктам: п. 2. «Теоретические и экспериментальные

исследования фазовых и структурных превращений в металлах и сплавах, происходящих при различных внешних воздействиях; п.3. «Теоретические и экспериментальные исследования влияния структуры (типа, количества и характера распределения дефектов кристаллического строения) на физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства металлов и сплавов»; п. 6. «Разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов объёмной и поверхностной термической, химикотермической, термомеханической и других видов обработок, связанных с термическим воздействием, а также специализированного оборудования»; п. 7. «Изучение взаимодействия металлов и сплавов с внешними средами в условиях работы различных технических устройств, оценка и прогнозирование на этой основе работоспособности металлов и сплавов»; п. 8. «Исследование работоспособности металлов и сплавов в различных условиях, выбор и рекомендация наиболее надёжных металлических материалов для конкретных технических назначений с целью сокращения металлоёмкости, увеличения ресурса работы, повышения уровня заданных физических и химических характеристик деталей машин, механизмов, приборов и конструкций».

Методология и методы исследования. Поставленные в работе задачи решались с использованием современного оборудования и взаимодополняющих методов физического материаловедения. Теоретические и экспериментальные исследования выполнялись на основе анализа научных работ отечественных и зарубежных авторов по вопросам, рассматриваемым в диссертации. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с применением современных методик и аккредитованного оборудования.

Положения, выносимые на защиту 1. Теоретические и технологические решения по разработке насыщающих сред для получения модифицированных слоёв на штамповых сталях, позволяющие получать высокоактивные азотисто-углеродные среды,

пригодные для промышленного использования. Эти среды содержат относительно дешёвые, доступные и нетоксичные компоненты и обеспечивают ускорение нитро-цементации легированных штамповых сталей, как при низких, так и при высоких температурах обработки.

2. Совокупность результатов теоретических и экспериментальных исследований, позволивших установить закономерности формирования структуры и фазового состава диффузионных слоёв на штамповых сталях с различными системами легирования при их интенсивно азотонауглероживании в высокоактивных средах. Показаны механизмы образования и роста карбонитридных включений в легированных сталях и их морфология, а также особенности модифицированных слоёв, полученных при низких и высоких температурах нитроцементации.

3. Совокупность результатов экспериментальных исследований по изучению свойств модифицированных слоёв на штамповых сталях. Глубина и твёрдость модифицированных слоёв на различных штамповых сталях, полученных при низких и высоких температурах нитроцементации, износостойкость и ударная вязкость штамповых сталей с модифицированными слоями на поверхности.

4. Технологические рекомендации по упрочнению штамповых инструментов нитроцементацией и производственная проверка эффективности предлагаемой технологии при изготовлении и ремонта штампов.

Степень достоверности полученных результатов. Достоверность результатов исследований, основных положений и выводов подтверждается тем, что работа базируется на фундаментальных положениях современного металловедения, а также на использовании при проведении экспериментов комплекса взаимодополняющих методов металловедческих исследований и современного исследовательского оборудования. Полученные результаты являются воспроизводимыми, согласованными между собой и с данными, приведёнными в исследованиях других авторов. Положения и результаты,

приведённые в диссертации, получили подтверждение в производственных испытаниях.

При выполнении исследований применялись такие методы исследований, как оптическая и электронная микроскопия, рентгеновский фазовый анализ и атомно-силовая микроскопия. Для исследований использовалось отечественное и зарубежное оборудование, измерение твёрдости и микротвёрдости и испытания на изнашивание проводились в соответствии с национальными стандартами.

Реализация результатов работы

Разработанные высокоэффективные технологии поверхностного упрочнения штамповых сталей внедрены или приняты к внедрению на машиностроительных предприятиях г. Курска.

На Курском ОАО «Электроагрегат» внедрена новая технология низкотемпературной нитроцементации вырубных штампов из стали Х12МФ, используемых для вырубки листа ротора, листа статора и других деталей для генераторов серии ГС из электротехнических кремнистых сталей, позволившая повысить их стойкость в 2,5 раза. Экономический эффект от использования новой технологии составил 4 млн 500 тыс. рублей.

Исследовательские работы проводились при внедрении штампов для рубки закладных деталей из равнополочного уголка 100х100 с использованием предложенной химико-термической обработки с 01.03.2018 г. по 31.07.2023 г. на АО «Курский завод крупнопанельного домостроения» им. А.Ф. Дериглазова и внедрены на предприятии. Предложенные нами разработки позволили увеличить производительность получения закладных деталей в 2,2 раза по сравнению с серийной технологией. Экономический эффект от внедрения предложенного технологического процесса составляет 2,5 млн рублей в год.

Исследовательские работы проводились при изготовлении штампов для получения тел качения и других деталей подшипников качения на ООО «АПЗ -20» и внедрены на предприятии. Предложенные разработки позволили

увеличить стойкость деталей штампов (матриц и пуансонов) в 1,5 раза по сравнению с применяемой химико-термической обработкой. Экономический эффект от внедрения предложенного технологического процесса составляет 3,0 млн 500 тысяч рублей в год.

Исследовательские работы проводились при изготовлении штампов на ООО «Курский Светодиод» и внедрены на предприятии. Предложенные разработки позволили увеличить стойкость деталей штампов (матриц и пуансонов) в 1,5-1,7 раза по сравнению с применяемой химико-термической обработкой. Экономический эффект от внедрения высокоэффективной технологии поверхностного упрочнения штамповых инструментов составляет 1,8 млн рублей. Общий экономический эффект от внедрения предложенного технологического процесса химико-термической обработки составляет 12 млн 300 тысяч рублей.

Таким образом, разработанный метод нитроцементации поверхностных слоёв штамповых сталей с использованием высокоактивных азотисто-углеродных средств и ускоренных режимов термической обработки позволяет эффективно упрочнять детали штампов различного назначения, что даёт значительный экономический эффект. Поэтому настоящая работа может иметь важное народнохозяйственное значение.

Личный вклад автора. Диссертационная работа является обобщением исследований, выполненных автором в ЮЗГУ в период с 2010 г. по н.в. Лично автором выполнен весь объем экспериментальных исследований по разработке нитроцементующих сред повышенной активности для интенсивного насыщения штамповых сталей азотом и углеродом при низких и высоких температурах, способствующих образованию поверхностных диффузионных слоёв с большим количеством избыточных высокотвёрдых карбонитридов. Выполнена обработка результатов, их анализ, интерпретация в виде заявок на изобретения РФ, статей, монографии. Все экспериментальные результаты, включенные в диссертацию, получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии.

Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Российских и международных конференциях: «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.); «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (г. Санкт-Петербург, 2014 г.); «Технические науки: прошлое и будущее» (г.Уфа, 2014 г.); «Проблемы профессионально-педагогического и технического образования» (г. Курск, 2014 г.); «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика» (г. Санкт-Петербург, 2015 г.); «Актуальные проблемы профессионального и технического образования» (г. Курск, 2015 г.); «Новая наука: Современное состояние и пути развития» (г. Оренбург, 2016 г.); «Образование и безопасность: актуальные проблемы теории и практики» (г. Курск, 2020 г.); X Международный симпозиум посвящённый 70-летию Победы «Фундаментальные и прикладные науки» РАН ( г. Москва, 2015); «Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов» (г. Курск, 2022 г.); «Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов» (г. Курск, 2023 г.); «Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов» (г. Курск, 2024 г.) «Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов» (г. Курск, 2025 г.); «^временные технологии, материалы и техника» (г. Воронеж, 2025 г.) и др.

Публикации. Основные научные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 54 работах, в том числе: 1 монографии, 10 патентах на изобретения РФ, 19 публикациях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 статьях в рецензируемых научных изданиях, входящих в

международные реферативные базы данных и системы цитирования Scopus и WebofScience, и более 20 статей в сборниках научных конференций.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы. Общий объем работы составляет 373 страницы. В работе представлено 111 рисунка, 19 таблиц. Список литературы включает 242 источника.

В первой главе представлен анализ условий работы штамповых инструментов как для холодной, так и для горячей штамповки, рассмотрены современные материалы для изготовления штампового инструмента. Проведён анализ разновидностей штамповочных операций и нагрузок на штамповые инструменты, материалов для штамповых инструментов холодного и горячего деформирования, причин потери работоспособности штампов в процессе эксплуатации, а также способов повышения их стойкости.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Костин Николай Анатольевич, 2026 год

- 96 с.

221. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник под редакцией Л.С. Ляховича. - Москва: Металлургия, 1981. - 424 с.

222. Цыпак, В.И. Азотирование и низкотемпературное цианирование стали 40ХНМА/ В.И. Цыпак, П.Г. Ваурин // Металловедение и термическая обработка металлов. -1970. - № 7. - С.59.

223. Чаттерджи-Фишер, Р. Азотирование и карбонитрирование / Р. Чаттерджи-Фишер, Ф.-В. Эйзелл. Пер. с нем. - Москва: Металлургия, 1990. -280 с.

224. Чепрасов, Д.П. О механизме разрушения вырубных пуансонов из стали Р6М5 / Д.П. Чепрасов, В.В. Свищенко, Г.А. Околович// Кинетика и термодинамика пластической деформации: Ч.1. - Барнаул, 1988. - С.132

225. Черноиванов, В.И. Восстановление деталей машин/ В.И. Черноиванов. -Москва: ГОСНИТИ. 1995. -288 с.

226. Chatterjee - Fischer., Schaaber О. Some observations on carbonitriding // Heat Treatm. Eng. Compon., London. 1970. Vol. 210. №10. Р. 118-121.

227. Шапочкин, В.И. Номограммы твердости нитроцементованных слоёв / В.И. Шапочкин, Л.М. Семенова, В.А. Чудин // Заводская лаборатория. - 1984.

- № 10. - С.43-44.

228. Шапочкин, В.И., Семенова, Л.М., Малых, А.Т. Повышение долговечности деталей при высокотемпературной нитроцементации с повышенным азотным потенциалом / В.И. Шапочкин, Л.М. Семенова, А.Т. Малых // Двигателестроение. -1983. - № 1. - С. 37-38.

229. Шапочкин, В.И. Фазовый состав и механические свойства нитроцементованных слоёв низколегированных сталей / В.И. Шапочкин, Л.М. Семенова, А.В. Пожарский // Известия АН. Металлы. - 1985. - №1. - С. 154158.

230. V. I. Shapochkin. Effect of nitrogen content on the structure and properties of nitrocarburized steel / V. I. Shapochkin, L. M. Semenova, Yu. S. Bakhracheva, E.

L. Gyulikhandanov, S. V. Semenov // Metal Science and Heat Treatment. 2011. Vol. 52, № 9-10. P. 413-419.

231. Shakhmatov A. V. Influence of structure on the corrosion properties of high manganese high nitrogen stainless steel / A. V. Shakhmatov, R. P., Badrak, S. SKolesov // Proceedings of the European corrosion congress "Eurocorr 2015", Graz, Austria, 2015. P. 1-10.

232. Штамп. Патент на полезную модель, Российская Федерация, МПК B23D 23/00 RU № 149254 U1 от 27.12.2014. Бюл. №36. Авторы Н.А. Костин, Е.В. Трусова, Ю.Ф. Мелихов, Ю.П. Кизилов.

233. Шубин, Р.П. Нитроцементация деталей машин/ Р.П. Шубин, М.И. Гринберг. - Москва: Машиностроение, 1975. - 205 с.

234. Шубин Р.П. Цементация, азотирование и нитроцементация современные методы термического упрочнения деталей // Интенсификация процессов химико-термической обработки: сб. М., 1973. С. 3-10.

235. Yamamoto Н. Some factors that influence the life of hot work tools // Casting Forging and Heat Treatment. 1980. №394. P.33-40.

236. Yang G.H., Garrison W.M. A comparison of microstructural effects on two-body and three-body abrasive wear // Wear. 1989. №1. P.93-103.

237. Эдельман О.П. Состояние брикетирования шихтовых материалов в зарубежной металлургии/ О.П. Эдельман // Черная металлургия.: Бюл. ин-та Черметинформация. - Москва: 1984. - вып. I. - С.154-173.

238. Эндрю Гельман. Регрессия: теория и практика. C примерами на R и Stan / пер. с англ. В. С. Яценкова/ Эндрю Гельман, Дженнифер Хилл, Аки Вехтари. - М.: ДМК Пресс, 2022. - 748 с.

239. Энциклопедический словарь по металлургии: Справочное издание. Э61 в 2-х т. Т. 1: А - О / Н.П.Лякишев и др. - М.: «Интермет Инжиниринг», 2000. -412 с. ISBN 5-89594-037-4

240. Яцун С.Ф. Моделирование процесса брикетирования стружки алюминиевых сплавов / С.Ф. Яцун, О.Г. Локтионова, Н.А. Костин // Медико-

экологические информационные технологии - 98: Сборник материалов международной технической конференции. Курск, 1998. С. 234-239. 242. H. K. D. H. Bhadeshia, Jae Hoon Jang, Epsilon Carbide in Steels http: //www.phase-trans .msm.cam.ac. uk/2007/Epsilon/Epsilon. html

ПРИЛОЖЕНИЯ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ (12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(19)

КБ 2 501 884

(13)

С2

(51) МПК

С23С 8/76 (2006.01)

(21)(22) Заявка: 2011149311/02, 02.12.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 02.12.2011 Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 02.12.2011

(43) Дата публикации заявки: 10.06.2013 Бюл. № 16

(45) Опубликовано: 20.12.2013 Бюл. № 35 (56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 8Б 427098 А, 04.10.1974. КБ 2261939 С1, 10.10.2005. КБ 2254396 С1, 20.06.2005. Ш 20100282369 А1, 11.11.2010. Адрес для переписки:

305000, г.Курск, ул. Радищева, 33, КГУ, НИС, В.Н. Вервейко_

(72) Автор(ы):

Костин Николай Анатольевич ^Ц), Трусова Елена Валентиновна ^Ц), Колмыков Валерий Иванович ^Ц), Колмыков Денис Валерьевич (Ди)

(73) Патентообладатель(и):

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Курский государственный университет" (КБ)

(54) Способ нитроцементации деталей из штамповых сталей

(57) Реферат:

Изобретение относится к химико-термической обработке металлов и сплавов, может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента из штамповых сталей в машиностроительной, металлургической, химической, инструментальной и других отраслях промышленности. Способ нитроцементации деталей из штамповых сталей включает приготовление пасты смешиванием, нанесение пасты на детали и нагрев с выдержкой. При смешивании пасты в нее дополнительно вводят пастообразователь - нитроцеллюлозный лак НЦ- 222 и газовую сажу ДГ-100 при следующем соотношении компонентов, мас.%: железосинеродистый калий К4ре(С^6 - 20-30, нитроцеллюлозный лак НЦ-222 - 15-20, газовая сажа ДГ-100 - остальное. Нагрев проводят до температуры 680°С с выдержкой при этой температуре в течение 3 часов, затем детали охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 200°С в течение 2 часов. Обеспечивается повышение пластичности нитроцементованных диффузионных слоев и ударной вязкости, что приводит к повышению эксплуатационной стойкости штампа. 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способам химико-термической обработки металлов, и сплавов и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и

инструмента из штамповой стали в машиностроительной, металлургической, химической, инструментальной и других отраслях промышленности.

Известны способы упрочнения штамповых сталей методом цианирования. Цианирование проводят в расплавленных солях - (жидкое цианирование) в газовых средах, (газовое цианирование, или нитроцементация) и в твердых смесях (Штамповые стали / Позняк Л.А., Скрынеченко Ю.М., Тишаев С.И. - М: Металлургия, 1980. С.212-213).

В качестве наиболее близкого аналога может быть выбран способ нитроцементации деталей из штамповых сталей, включающий приготовление смешиванием пасты, содержащей железосинеродистый калий К4ре(СК)б, нанесение пасты на изделие и нагрев с выдержкой (Би 427098 А, МПК С23С 9/00, 04.10.1974).

Недостатки указанных способов 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 деталей из штамповых сталей.

В основу изобретения поставлена задача повышения пластичности и ударной вязкости нитроцементованных диффузионных слоев, что позволит повысить эксплуатационную стойкость деталей из штамповых сталей.

Технический результат достигается тем, что в известном способе нитроцементации деталей из штамповых сталей, включающем приготовление смешиванием пасты, содержащей железосинеродистый калий К4Бе(СК)б, нанесение пасты на изделие и нагрев с выдержкой, согласно изобретению, при смешивании пасты в неё дополнительно вводят пастообразователь - нитроцеллюлозный лак НЦ-222 и газовую сажу ДГ-100 при следующем соотношении компонентов, масс.%: железосинеродистый калий К4Бе(СК)б - 20-30%; - нитроцеллюлозный лак НЦ-222 - 15-20%; остальное - газовая сажа ДГ-100. Нагрев проводят до температуры 680°С, с выдержкой при этой температуре в течение 3 часов, затем образцы охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 200°С в течение 2 часов.

Содержание в пасте железосинеродистого калия в количестве, составляющем 20-30 масс.%, является оптимальным, так как при температуре 560°С железосинеродистый калий начинает диссоциировать с выделением атомов азота и углерода:

Атомы азота и углерода поглощаются поверхностью стали и диффундируют в её глубину, т.е. происходит нитроцементация стали, что повышает микротвердость, интенсивность изнашивания.

Содержание в пасте нитроцеллюлозного лака НЦ-222 в количестве 15-20 масс.% является оптимальным, так как лак начинает разлагаться при еще более низкой температуре 200°С): с^о^з ......7йао+4С<нз«| + 2 с|

ре Ее

При этом образуется больше активного азота, чем при разложении железосинеродистого калия. Образование карбонитридного слоя начинается уже при температуре 200°С, увеличивается толщина карбонитридной корки на поверхности стали, повышается микротвердость, ударная вязкость деталей из штамповых сталей.

Содержание в пасте газовой сажи ДГ-100 в заданном количестве является оптимальным, так как распад сажи позволяет насыщающим элементам активно поглощаться сталью, что обеспечивает высокую скорость насыщения при минимальном расходе цианизатора, а в поверхностном слое образуется корка с зернами цементита, что повышает ударную вязкость деталей из штамповых сталей.

Способ осуществляют следующим образом.

Пасту, содержащую железосинеродистый калий К 4Бе(СК)б - 20-30%, пастообразователь - нитроцеллюлозный лак НЦ-222 - 15-20%; остальное -газовая сажа ДГ-100, наносят на упрочняемую поверхность изделия и сушат в течение 0,5 ч до образования твердого покрытия толщиной 1,0-1,5 мм. Подготовленное изделие загружают в печь, нагревают до 680°С и выдерживают в течение 3 часов. Затем охлаждают в масле и производят отпуск при 200°С в течение 2 часов.

Сущность способа иллюстрируется примером.

В качестве упрочняемых деталей использовали образцы (10*10*60 мм.), предварительно очищенные уайт-спиртом. Пасту, содержащую железосинеродистый калий, пастообразователь, нитроцеллюлозный лак, газовую сажу наносят с помощью кисти или окунанием. После сушки в течение 0,5 ч на поверхности образуется твердое покрытие, толщиной 1.1,5 мм. Подготовленные таким образом изделия загружают в печь, нагревают до 680°С и выдерживают в течение 3 ч. Перед охлаждением деталей в масле обмазку удаляют с рабочих поверхностей, затем производят отпуск при 200°С в течение 2 ч. Окончательно с помощью металлической щетки изделие очищают от пасты.

Заявленный способ не требует больших энергозатрат и дорогостоящего оборудования и может быть применен в крупносерийном, мелкосерийном и ремонтном производстве. Кроме того, способ позволяет повысить экологическую безопасность, т.к. карбюризатор в своем составе не имеет токсичных компонентов. Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить пластичность нитроцементованных диффузионных слоев и уменьшить коэффициент трения между штампом и обрабатываемым материалом, что приведет к повышению эксплуатационной стойкости штампа.

Микротвердость, ударная вязкость и интенсивность изнашивания диффузионных слоев нитроцементованных штамповых сталей

Марка стали Температура нитроцементации 680°С, время нитроцементации 3 ч Температура нитроцементации 680°С, время нитроцементации 3 ч

Глубина карбонитрид-ного слоя, мм Микротвердость зоны карбонитри-дов, НЦ100, кг/мм2 Микротвердость зоны под карбо-нитридами, Нцю0, кг/мм2 Интенсивность изнашивания, мг/ч Ударная вязкость КС, МДж/м2

6Х6В3МФС (СТО) 0,068 640 400 10,3 0,50

У7 0,27 810 650 5,62 0,14

65Г 0,22 840 710 4,67 0,12

ХГС 0,13 1050 795 4,11 0,13

Х12МФ 0,11 1020 810 3,53 0,12

ХГВ 0,19 1020 785 3,92 0,16

6Х6В3МФС 0,12 1010 790 4,54 0,23

Заявленный способ не требует больших энергозатрат и дорогостоящего оборудования и может быть применен в любом производстве, как крупносерийном, так и ремонтном мелкосерийном. Кроме того, способ позволяет избежать экологических проблем, т.к. карбюризатор в своем составе не имеет токсичных компонентов.

Формула изобретения Способ нитроцементации деталей из штамповых сталей, включающий приготовление смешиванием пасты, содержащей железосинеродистый калий К4ре(СК}б, нанесение её на детали и нагрев с выдержкой, отличается тем, что при смешивании пасты в нее дополнительно вводят пастообразователь - нитроцеллюлозный лак НЦ-222 и газовую сажу ДГ -100 при следующем соотношении компонентов, масс.%: железосинеродистый калий К4Бе(СК)б - 20-30, нитроцеллюлозный лак НЦ- 222 - 15-20, газовая сажа ДГ-100 - остальное, нагрев проводят до температуры 680°С с выдержкой при этой температуре в течение 3 часов, затем детали охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 200°С в течение 2 часов.

(19)

RU 2 533 577

(51) МПК

С23С 8/54 (2006.01) (13)

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(21)(22) Заявка: 2013156397/02, 18.12.2013

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 18.12.2013

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 18.12.2013

(45) Опубликовано: 20.11.2014 Бюл. № 32

(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Лахтин Ю.М. и др. Химико -термическая обработка металлов, М., Металлургия, 1985, с.183-186. RU 2463381 «,10.10.2012. RU 2242533 C2, 20.12.2004. RU 2205892 И, 10.06.2003. CN 101139695 A, 12.03.2008

Адрес для переписки:

305000, г.Курск, ул. Радищева, 33, КГУ, НИС, Вервейко В.Н.

(72)Автор(ы):

Костин Николай Анатольевич ^Ц), Трусова Елена Валентиновна ^Ц), Колмыков Валерий Иванович ^Ц)

(73)Патентообладатель(и):

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Курский государственный университет" №

(54) Состав ванны для цианирования металлов и сплавов в жидких средах

(57) Реферат:

Изобретение относится к машиностроению, в частности к химико -термической обработке металлов или сплавов в жидких средах. Состав ванны для цианирования металлов и сплавов в жидких средах для насыщения азотом и углеродом содержит следующие компоненты, масс.%: карбамид (КН^СО - 40.45, углекислый натрий Ка2СО3 - 35.40, хлористый натрий КаС1 - 8.10 и едкий натр КаОН - остальное. Обеспечивается повышение технологичности приготовления состава ванны и экологической безопасности и, как следствие, повышение эксплуатационной стойкости деталей машин и инструментов. (табл). Может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и инструментов, работающих в условиях высоких контактных нагрузок и трения при недостатке смазки.

Известен способ Тенифер-процесс (Те^ег-ТиШгМе). Согласно этому способу цианирование производилось в цианистых средах такого состава: 40% ШСК + 40% КСК + 20% ^СОэ (Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1986. С.300-301) /1/. Недостатками этого состава является высокая стоимость компонентов, высокая токсичность, что вызывает значительные проблемы, связанные с охраной окружающей среды (нейтрализация газов, сточных вод, отходов производства и т.п.) /1/.

Известен также состав ванны для низкотемпературного цианирования - «мягкого азотирования». Расплав карбамида с углекислыми солями калия или натрия (карбонатами) обеспечивает эффект упрочнения поверхностей стальных деталей (КЫН2)2С0 - 55%; Ка2СОэ - 45% (карбамидо-карбонатный)) (Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. М., 1985. - С. 183-186) /2/.

Недостатки указанного состава:

- технологические трудности, т.к. при очень низкой температуре плавления карбамида (133°С) и высокой температуре плавления углекислого натрия (854°С) и особенно углекислого калия (896°С) реакция карбамида с углекислыми солями (карбонатами) происходит очень бурно, с выделением большого количества газов и разбрызгиванием расплава;

- трудность регулирования состава диффузионного слоя, а также контроля состава расплава;

- трудности при освежении состава путем введения в него дополнительных порций карбамида;

- высокая токсичность солей в расплаве и сложности при обезвреживании цианистых отходов.

В качестве наиболее близкого аналога может быть выбран состав ванны для цианирования деталей машин и инструмента, включающий приготовление расплава карбамида с углекислыми солями калия или натрия: (Ы^ЬСО - 55%; ^СОэ -45% /2/.

Технической задачей изобретения является повышение технологичности приготовления состава ванны, обеспечение экологической безопасности и, как следствие, повышение эксплуатационной стойкости деталей машин и инструментов.

Технический результат достигается тем, что в известный состав ванны для цианирования металлов и сплавов в жидких средах для насыщения азотом и углеродом, включающий карбамид и углекислый натрий, согласно изобретению, дополнительно вводят хлористый натрий и едкий натр при следующем соотношении компонентов (мас.%): карбамид (КЫН2)2С0 - 40.45; углекислый натрий Ка2С03 - 35.40; хлористый натрий КаС1 - 8. 10; едкий натр КаОН - остальное.

Основной недостаток двухкомпонентной карбамидо-карбонатной ванны - значительные трудности, возникающие при ее приготовлении, так как температура плавления карбамида (133°С) очень низка по сравнению с температурой плавления углекислого натрия (854°) и особенно углекислого калия (896°С). При нагревании твердой смеси (порошков)

названных веществ вначале плавится карбамид и начинает реагировать с частицами углекислого натрия, плавающими в жидкости. При этом выделяется большое количество газов. Реакция карбамида с углекислым натрием происходит очень бурно, с выделением большого количества газов и разбрызгиванием расплава.

В результате этого на поверхности ванны образуется большое количество пены, которая выносит из ванны жидкость и твердые частицы. При быстром нагреве смеси наблюдается интенсивное выплескивание расплава из тигля. Большое количество аммиака, выделяющегося при сплавлении компонентов карбамидо-карбонатной ванны, значительно загрязняет атмосферу в зоне работы печи.

Для уменьшения потери компонентов в процессе приготовления ванны на основе карбамида-углекислого натрия в ее состав дополнительно вводят хлористый натрий в количестве 8.10%. Хлористый натрий при данном соотношении значительно снижает температуру плавления солевой смеси и тем самым уменьшает разницу в температурах плавления карбамида и углекислого натрия.

Экспериментальные исследования показали, что при введении в ванну хлористого натрия ее выкипание при сплавлении компонентов прекратилось. Кроме недостатков известных ванн на основе карбамида, связанных с выкипанием и большим выносом солей, они представляют экологическую опасность, так как в процессе работы выделяют очень токсичное газообразное вещество - цианистый водород. Цианистый водород образуется в результате реакции цианистого натрия, находящегося в расплаве, с парами воды и углекислым газом, образующимися при разложении карбамида.

2(Ш2):С0+№2С0з^2МаСЫ0+2ЫНз|+С0;2|+Н20| (1}

4ЫаСК-*2ЩР^СО+2ЫаС№-Ма2СОз (2)

С02 -^Гчта3СО;+2а-Ш | (3)

СН№- ЫаОН -*ЫаС№- Н20| (4)

Едкий натр, введенный в состав ванны, связывает цианистый водород в нелетучее вещество - цианистый натрий, тем самым делает карбамидсодержащую ванну экологически безопасной в плане выделения вредных веществ в атмосферу. Кроме того, введение в состав ванны едкого натра способствует обогащению расплава цианистым натрием, участвующим в насыщении стали азотом.

Технологический процесс состоит в следующем. Подобранный состав компонентов - карбамид (МН2)2СО - 40.45%, углекислый натрий №2СО3 - 35.40%, хлористый натрий КаС1 - 8. 10% и едкий натр КаОН -остальное расплавляли в специальном тигле, затем производили

стабилизацию (старение) состава ванны в течение 2-3 часов, после чего в тигель с расплавом помещали исследуемые образцы.

Как показали эксперименты, активность предлагаемого состава ванны не уступает активности состава на основе карбамида (карбамидо -карбонатный), а также состава ванны, используемого для цианирования стальных изделий по методу Teшfer-ТиШгМе (табл.).

Формула изобретения

Состав ванны для цианирования металлов или сплавов в жидких средах для насыщения азотом и углеродом, содержащий карбамид и углекислый натрий, отличается тем, что он дополнительно содержит хлористый натрий и едкий натр при следующем соотношении компонентов, масс.%:

карбамид (^^СО 40.45

углекислый натрий Ка2С03 35.40

хлористый натрий КаС1 8.10

едкий натр КаОН остальное

(19)

КЦ2 592 339

(13)

С1

(51) МПК

С23С 8/76 (2006.01) (12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(21)(22) Заявка: 2015111054/02, 26.03.2015

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 26.03.2015

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 26.03.2015

(45) Опубликовано: 20.07.2016 Бюл. № 20

(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Ки 2501884 С2, 20.12.2013. Ки 2314363 С1, 10.01.2008. Ки 2535123 С2, 10.12.2014. Ш 3953570 А1, 27.04.1976.

Адрес для переписки:

305000, г. Курск, ул. Радищева, 33, КГУ, НИС, Пикалов И.Ю.

(72) Автор(ы):

Костин Николай Анатольевич ^Ц), Колмыков Валерий Иванович ^Ц), Костин Николай Николаевич ^Ц), Дедов Анатолий Ефимович ^Ц), Трусова Елена Владимировна ^и)

(73) Патентообладатель(и):

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Курский государственный университет"

(ки)

(54) Способ нитроцементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей

(57) Реферат:

Изобретение относится к химико-термической обработке конструкционных и инструментальных сталей и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента в машиностроительной, металлургической, химической и инструментальной промышленности. Способ нитроцементации деталей включает приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия К4Бе(СК)6, газовой сажи ДГ-100, карбамида, бентонита, маршалита, а также пастообразующей жидкости при следующем соотношении компонентов, масс.%: железосинеродистый калий К 4Бе(СК)6 - 16, карбамид (КН2)2С0 - 18, бентонит -12, маршалит - 24, газовая сажа ДГ -100 - остальное, пастообразующая жидкость (об.%): поливинилацетатная эмульсия 50%, этанол - 10%, вода - 40%, нанесение пасты на детали, нагрев в нейтральной соляной ванне при следующем соотношении компонентов, масс.%: КаС1 - 35, Ка2С03 - 35, №0И - 30, при температуре 550-650°С с выдержкой при этой температуре в течение 0,5-3 часов. Затем

детали охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°С. Обеспечивается повышение скорости нитроцементации и снижение трудоемкости процесса, расширение температурного интервала, повышение равномерности нагрева деталей и экологической безопасности. 1пр.

Известны способы упрочнения штамповых сталей методом цианирования. Цианирование проводят в расплавленных солях - жидкое цианирование, в газовых средах - газовое цианирование, или нитроцементация в твердых смесях. Твердое цианирование проводят в смеси, состоящей из 60-70% древесного угля и 30-40% желтой кровяной соли, интенсивная диссоциация которой протекает в твердом состоянии при 540-560°С (Штамповые стали / Л.А. Позняк, Ю.М. Скрынеченко, С.И. Тишаев. М: Металлургия, 1980. С. 212-213).

Недостатки указанного способа 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 нитроцементации деталей из штамповых сталей (патент №2501884, МПК С23С 8/76), включающий приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия К4Бе(СК)б и газовой сажи ДГ-100 при следующем соотношении компонентов, масс. %: железосинеродистый калий К4Бе(СК)б - 20-30%; нитроцеллюлозный лак НЦ-222 -15-20%; остальное - газовая сажа ДГ-100, нанесение пасты и последующую нитроцементацию проводят при температуре 680°С в течение 3 часов, затем образцы охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 200°С в течение 2 часов. Этот способ взят нами в качестве прототипа.

Недостатки указанного способа состоят в том, что возникает необходимость использования дополнительной азото-углеродистой среды (газовой или твердой), вытесняющей воздух из рабочего пространства печи, что усложняет технологию нитроцементации и повышает ее трудоемкость.

Технической задачей изобретения является повышение скорости нитроцементации и снижение трудоемкости процесса, расширение температурного интервала, повышение равномерности нагрева деталей, повышение экологической безопасности.

Технический результат достигается тем, что в известном способе нитроцементации деталей, включающем приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия К 4Бе(СК)б, газовой сажи ДГ-100, нанесение пасты на изделие, нагрев с выдержкой, охлаждение в масле и низкий отпуск, согласно изобретению, при приготовлении пасты в нее дополнительно вводят карбамид, бентонит, маршалит, а также пастообразующую жидкость при следующем соотношении компонентов, масс. %: железосинеродистый калий К 4ре(СК)б - 16, карбамид (К^^СО -18, бентонит - 12, маршалит - 24, газовая сажа ДГ-100 - остальное,

пастообразующая жидкость (% об.): поливинилацетатная эмульсия 50%; этанол - 10%; вода - 40%, нагрев проводят в нейтральной соляной ванне при следующем соотношении компонентов, масс. %: КаС1 - 35, Ка2СО3 -35, КаОИ - 30, при температуре 550-650°С с выдержкой при этой температуре в течении 0,5.3 часов, затем образцы охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°С.

В качестве связующего вещества используют бентонит, обладающий повышенной связывающей способностью и высокой сорбционной и каталитической активностью. Основной недостаток бентонитового покрытия - невысокая прочность при повышенных температурах. Для повышения прочности бентонитового покрытия в его состав вводят маршалит. Маршалит - пылевидный кварц, огнеупорность которого составляет 1650-1710°С, что вполне достаточно для использования в нитроцементирующем покрытии, температура которого не превышает 700°С. При нагреве с бентонитом маршалит спекается в пористую массу, прочность которой составляет 0,4.0,7 МПа.

Маршалит - доступное и дешевое вещество, входящее в состав огнеупорных материалов.

В результате эксперимента установлено, что наилучшее удержание пасты в процессе нитроцементации наблюдается при соотношении бентонита, маршалита в связующей части покрытия 1 : 2.

Активность нитроцементирующего покрытия зависит от соотношения в нем активной части, т.е. азото- и углесодержащих компонентов: железосинеродистого калия (К4ре(СК)б, карбамида (ЫИ2)2СО, газовой сажи ДГ-100, и нейтральной части - бентонита и маршалита. Результаты проведенного эксперимента показали, что оптимальной активностью обладает покрытие, которое состоит из ~б0% активной части, и ~40% связующей части. Нитроцементация стали с использованием такого покрытия обеспечивает высокую скорость и равномерность насыщения поверхностных слоев азотом и углеродом.

Использование поливинилацетатной эмульсии, этанола и воды для приготовления пастообразующей жидкости вместо нитроцеллюлозного лака НЦ-222, делает способ нитроцементации экологически безопасным.

При использовании соляных ванн для нагрева сталей с азотисто -углеродными покрытиями необходимо, чтобы она обеспечивала нагрев в широком диапазоне температур (170-1350°С). Для низкотемпературной нитроцементации температурный интервал составляет 560-700°С.

За основу такой ванны была принята смесь солей S 650 (США), содержащая хлористый натрий КаС1 и углекислый натрий Ка 2СО3.

Рабочий температурный интервал этой ванны 700-950°С, что соответствует режиму высокотемпературной нитроцементации. Для понижения температуры ванны в ее состав был добавлен едкий натрий КаОН. Композиция из хлористого и углекислого натрия с добавлением едкого натра, как показали наши эксперименты, может сохранять

жидкотекучесть и при значительно более низких температурах, чем соль S 650.

Такая ванна должна содержать в своем составе углекислый натрий -Ка2С03, хлористый натрий - КаС1, едкий натр - КаОН. Эти компоненты в исходном состоянии доступны, дешевы, широко используются в производстве и не являются высокотоксичными веществами, требующими соблюдения специальных мер безопасности.

При данном соотношении солей, масс. %: КаС1 - 35, Ка2С03 - 35, №0И - 30, композиция солей обеспечивает температуру перехода в жидкое состояние при 420°С, рабочую температуру 550-650°С, а начало кипения 700°С.

Важным преимуществом этих соляных ванн является оптимальное сочетание жидкотекучести и испаряемости расплава, а также отсутствие взаимодействия с нитроцементующим покрытием. Это покрытие сохраняется в названных ваннах (не разъедается и не осыпается) длительное время до 10 часов.

Отсутствие ядовитых компонентов и невысокая испаряемость не приводит к недопустимому загрязнению атмосферного воздуха и не требует устройства специальной вентиляции. Для этих ванн не требуется также и специальной утилизации солей, выносимых на поверхности деталей при обработке.

Содержание в азото-углеродистой пасте железосинеродистого калия в количестве, составляющем 16 масс. %, является оптимальным, так как при температуре 560°С железосинеродистый калий начинает диссоциировать с выделением атомов азота и углерода. Атомы азота и углерода поглощаются поверхностью стали и диффундируют в ее глубину.

Содержание в пасте карбамида в количестве, составляющем 18 масс. %, является оптимальным, так как карбамид начинает разлагаться при низких температурах 450-550°С, с выделением большого количества азота, который поглощается поверхностью стали и диффундируют в ее глубину.

Содержание в пасте газовой сажи ДГ -100 в заданном количестве является оптимальным, так как распад сажи позволяет насыщающим элементам активно поглощаться сталью, что обеспечивает высокую скорость насыщения при минимальном расходе цианизатора.

Способ осуществляют следующим образом.

Готовят пасту. Для этого смешивают сухие компоненты, масс. %: железосинеродистый калий К4ре(СК)6 - 16, карбамид (КН2)2С0 - 18, бентонит - 12, маршалит - 24, газовая сажа ДГ-100 - остальное и пастообразующую жидкость (% об.): поливинилацетатную эмульсию 50%; этанол - 10%; воду - 40%. Приготовленную пасту наносят на нитроцементируемые поверхности детали слоем от 0,5.2,0 мм и сушат при Т=80°С в течение 0,5 ч до образования твердого покрытия.

Подготовленную таким образом деталь загружают в нейтральную соляную ванну при следующем соотношении компонентов, масс. %: КаС1 -35, ^ГОэ - 35, Ка0И - 30.

Нагрев проводят при температуре 550. 650°С, с выдержкой при этой температуре в течение 0,5.3 часов, затем образцы охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°С.

Сущность способа иллюстрируется примером.

В качестве упрочняемых деталей использовали образцы (10*10*60 мм) из стали 40Х, предварительно очищенные уайт-спиритом. Пасту наносят на образцы слоем 0,5-2,0 мм и сушат при 80°С в течение 0,5 часа до образования твердого покрытия. Затем образцы загружают в нейтральную соляную ванну и нагревают в течение 0,5-3 часов, после чего их охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 150-200°С.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить скорость нитроцементации и снизить трудоемкость процесса, расширить температурный интервал нитроцементации, повысить равномерность нагрева деталей, их экологическую безопасность.

Заявленный способ не требует значительных энергозатрат и дорогостоящего оборудования и может быть применен в любом производстве, как в серийном, так и ремонтном. Кроме того, данный способ позволяет избежать экологических проблем, т.к. карбюризатор в твердом покрытии и ванна для нагрева не имеют токсичных компонентов.

Формула изобретения

Способ нитроцементации деталей из конструкционных или инструментальных сталей, включающий приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия К 4Бе(СК)б, газовой сажи ДГ-100, нанесение пасты на детали, нагрев с выдержкой, охлаждение в масле и низкий отпуск, отличается тем, что при приготовлении пасты в нее дополнительно вводят карбамид, бентонит, маршалит, а также пастообразующую жидкость, при следующем соотношении компонентов, мас.%: железосинеродистый калий К4Бе(СК)б - 16, карбамид (КН2)2СО -18, бентонит - 12, маршалит - 24, газовая сажа ДГ-100 - остальное, пастообразующая жидкость (об.%): поливинилацетатная эмульсия 50%, этанол - 10%, вода - 40%, нагрев проводят в нейтральной соляной ванне при следующем соотношении компонентов, масс.%: №С1 - 35, Ка2СО3 -35, КаОИ - 30, при температуре 550-650°С с выдержкой при этой температуре в течение 0,5-3 часов; затем детали охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°С.

(19)

RU 2 574 943

(13)

И

(51) МПК

С23С 8/76 (200б.01) (12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(21)(22) Заявка: 2014137094/02, 12.09.2014 (72) Автор(ы):

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: Костин Николай Анатольевич ^Ц),

Колмыков Валерий Иванович ^Ц),

12.09.2014 Костин Николай Николаевич ^Ц),

Приоритет(ы): Колмыков Денис Валерьевич ^Ц)

(22) Дата подачи заявки: 12.09.2014 (73) Патентообладатель(и):

(45) Опубликовано: 10.02.2016 Бюл. № 4 Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

(56) Список документов, цитированных в отчете о профессионального образования

поиске: RU 2501884 C2, 20.12.2013. RU "Курский государственный университет"

2250930 C2, 27.04.2005. SU 122158 A,

01.01.1959. Ш 2009165896 A1, 02.07.2009. RO

108876 B1, 30.09.1994.

Адрес для переписки:

305000, г.Курск, ул. Радищева, 33, КГУ,

НИС, Пикалов И.Ю.

(54) Способ нитроцементации деталей из штамповых сталей

(57) Реферат:

Изобретение относится к химико-термической обработке конструкционных и инструментальных сталей и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента в машиностроительной, металлургической, химической, инструментальной и других отраслях промышленности. Способ нитроцементации деталей из штамповых сталей включает приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия К 4Бе(СК)б и газовой сажи ДГ-100, нанесение пасты на изделие, нагрев с выдержкой, охлаждение в масле и низкий отпуск. При приготовлении пасты в нее дополнительно вводят бентонит и маршалит при следующем соотношении компонентов, масс.%: железосинеродистый калий К4Бе(СК)б - 24-34, бентонит - 12, маршалит -24, газовая сажа ДГ-100 - остальное, а в качестве пастообразователя используют поливинилацетатную эмульсию, приготовленную из клея ПВА (ГОСТ 18992-80) - 50%, метанола или этанола - 10% и воды - 40%. Нагрев проводят в нейтральной соляной ванне при следующем соотношении

компонентов, мас.%: КаС1 - 50, Ка2С03 - 40, Ка0И - 10, при температуре 600-750°С с выдержкой при этой температуре в течение 0,5-3 часов. Затем образцы охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°С. Обеспечивается повышение скорости нитроцементации и снижение трудоемкости процесса, расширение температурного интервала, повышение равномерности нагрева деталей и экологической безопасности. 1 пр.

Изобретение относится к способам химико-термической обработки конструкционных и инструментальных сталей и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента в машиностроительной, металлургической, химической, инструментальной и других отраслях промышленности.

Известны способы упрочнения штамповых сталей методом цианирования. Цианирование проводят в расплавленных солях - жидкое цианирование, в газовых средах - газовое цианирование, или нитроцементация, и в твердых смесях. Твердое цианирование проводят в смеси, состоящей из 60-70% древесного угля и 30-40% желтой кровяной соли, интенсивная диссоциация которой протекает в твердом состоянии при 540-560°С (Штамповые стали / Л.А. Позняк, Ю.М. Скрынеченко, С.И. Тишаев. М: Металлургия, 1980. С. 212-213). Недостатки указанного способа состоят в том, что диффузионные слои обладают высокой микротвердостыо и хрупкостью. При циклических ударных нагрузках они преждевременно выкрашиваются, что приводит к выходу из строя дорогостоящих штампов.

Известен способ нитроцементации деталей из штамповых сталей (патент №2501884, МПК С23С 8/76), включающий приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия К 4Бе(СК)6 и газовой сажи ДГ-100 при следующем соотношении компонентов, масс.%: железосинеродистый калий К 4Бе(СК)6 - 20-30%; нитроцеллюлозный лак НЦ-222 - 15-20%; остальное - газовая сажа ДГ-100, нанесение пасты и последующую нитроцементацию проводят при температуре 680°С в течение 3 часов, затем образцы охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 200°С в течение 2 часов. Этот способ взят нами в качестве прототипа.

Недостатки указанного способа состоят в том, что возникает необходимость использования дополнительной азотоуглеродистой среды (газовой или твердой), вытесняющей воздух из рабочего пространства печи, что усложняет технологию нитроцементации и повышает ее трудоемкость.

Технической задачей изобретения является повышение скорости нитроцементации и снижение трудоемкости процесса, расширение температурного интервала, повышение равномерности нагрева деталей и экологической безопасности.

Технический результат достигается тем, что в известном способе нитроцементации деталей из штамповых сталей, включающем

приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия К4Бе(СК)б, газовой сажи ДГ-100, нанесение пасты на изделие, нагрев с выдержкой, охлаждение в масле и низкий отпуск, согласно изобретению, при приготовлении пасты в нее дополнительно вводят бентонит и маршалит при следующем соотношении компонентов, масс.%: железосинеродистый калий К 4Бе(СК)б - 24.34, бентонит - 12, маршалит -24, газовая сажа ДГ-100 - остальное, а в качестве пастообразователя используют поливинилацетатную эмульсию, приготовленную из клея ПВА (ГОСТ 18992-80) - 50%; метанола (этанола) - 10% и воды - 40%. Нагрев проводят в нейтральной соляной ванне при следующем соотношении компонентов, масс.%: №С1 - 50, №2СО3 - 40, КаОИ - 10, при температуре б00-750°С с выдержкой при этой температуре в течение 0,5.3 часов. Затем образцы охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°С.

В качестве связующего вещества использовали бентонит, обладающий повышенной связывающей способностью и высокой сорбционной и каталитической активностью. Бентониты отличаются высокой водоудерживающей способностью - от 8 до 16 раз от массы сухого вещества. Бентониты не являются дефицитным материалом и выпускаются отечественной промышленностью в соответствии с ГОСТ 322б-77. Основной недостаток бентонитового покрытия - невысокая прочность при повышенных температурах. Для повышения прочности бентонитового покрытия в его состав был введен маршалит - пылевидный кварц, огнеупорность которого составляет 1650-1710°С, что вполне достаточно для использования в нитроцементирующем покрытии, температура которого не превышает 1000°С. При нагреве с бентонитом маршалит спекается в пористую массу, прочность которой составляет 0,4.0,7 МПа.

Маршалит - доступное и дешевое вещество, входящее в состав огнеупорных материалов. В качестве наполнителя маршалит также входит в состав пластмасс, клеев, красок и т.д. Выпускается маршалит по ГОСТ 9077-82 с содержанием кварца не менее 98%. В результате эксперимента установлено, что наилучшее удержание пасты в процессе нитроцементации наблюдается при соотношении бентонита и маршалита в связующей части покрытия 1:2.

Активность нитроцементирующего покрытия зависит от соотношения в нем активной части, т.е. азот - и углесодержащие компоненты (К4Бе(СК)б, газовая сажа ДГ-100, и нейтральной части -связки бентонит и маршалит. Результаты проведенного эксперимента показали, что оптимальной активностью обладает покрытие, которое состоит из ~60% активной части и ~40% связующей части. Нитроцементация стали с использованием такого покрытия обеспечивает высокую скорость и равномерность насыщения поверхностных слоев азотом и углеродом.

Использование клея ПАВ, метанола и воды для приготовления пастообразователя вместо нитроцеллюлозного лака НЦ-222 делает способ нитроцементации экологически безопасным.

В соляных ваннах можно производить нагрев изделий в широком диапазоне температур 170-1350°С. При использовании соляных ванн для нагрева сталей с азотисто-углеродными покрытиями необходимо, чтобы она обеспечивала нагрев в широком диапазоне температур.

Такая ванна должна содержать в своем составе углекислый натрий -Ка2С0з, хлористый натрий - КаС1, едкий натр - КаОН. Эти компоненты в исходном состоянии доступны, дешевы, широко используются в народном хозяйстве и в быту и не относятся к высокотоксичным веществам, требующим соблюдения специальных мер безопасности.

При соотношении (масс.%) КаС1 - 50, ^Шэ - 40, Ка0И - 10, композиция солей обеспечивает температуру перехода в жидкое состояние при 570°С, а начало кипения 800°С.

Важным преимуществом этих соляных ванн является оптимальное сочетание жидкотекучести и испаряемости расплава, а также отсутствие взаимодействия с нитроцементующим покрытием. Это покрытие сохраняется в названных ваннах (не разъедается и не осыпается) длительное время до - 10 часов.

Отсутствие ядовитых компонентов и невысокая испаряемость не приводят к недопустимому загрязнению атмосферного воздуха и не требуют устройства специальной вентиляции. Для этих ванн не требуется также и специальной утилизации солей, выносимых на поверхности деталей при обработке.

Содержание в азотоуглеродистой пасте железосинеродистого калия в количестве, составляющем 24-34 масс.%, является оптимальным, так как при температуре 560°С железосинеродистый калий начинает диссоциировать с выделением атомов азота и углерода. Атомы азота и углерода поглощаются поверхностью стали и диффундируют в ее глубину.

Содержание в пасте газовой сажи ДГ -100 в заданном количестве является оптимальным, так как распад сажи позволяет насыщающим элементам активно поглощаться сталью, что обеспечивает высокую скорость насыщения при минимальном расходе цианизатора.

Способ осуществляют следующим образом.

Сухие компоненты, масс.%: железосинеродистый калий К 4Бе(СК)6 -24.34, бентонит - 12, маршалит - 24, газовая сажа ДГ-100 - остальное, тщательно смешивают и разводят до пастообразного состояния водным раствором поливинилацетатной эмульсии, приготовленной из клея ПВА (ГОСТ 18992-80) - 50, метанола (этанол) - 10 и воды - 40. Расход поливинилацетатной эмульсии составляет 30.50% от массы порошкообразных компонентов. Приготовленную пасту наносят на нитроцементируемые поверхности детали слоем от 0,5.2,0 мм и сушат при Т=80°С в течение 0,5 часа до образования твердого покрытия. Подготовленную таким образом деталь загружают в нейтральную соляную

ванну и проводят нитроцементацию в течение 0,5.3 часов, затем образцы охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 150-200°С.

Сущность способа иллюстрируется примером.

В качестве упрочняемых деталей использовали образцы (10*10*60 мм) из стали 30ХГТ, предварительно очищенные уайт-спиртом. Пасту наносят на образцы слоем 0,5-2,0 мм и сушат при 80°С в течение 0,5 часа до образования твердого покрытия. Затем образцы загружают в нейтральную соляную ванну и нагревают в течение 0,5-3 часов, после чего их охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 150 -200°С.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить скорость нитроцементации и снизить трудоемкость процесса, расширить температурный интервал нитроцементации, повысить равномерность нагрева деталей и экологическую безопасность.

Заявленный способ не требует значительных энергозатрат и дорогостоящего оборудования и может быть применен в любом производстве, как в мелкосерийном и крупносерийном, так и ремонтном. Кроме того, данный способ позволяет избежать экологических проблем, т.к. карбюризатор в твердом покрытии и ванна для нагрева не имеет токсичных компонентов.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить скорость нитроцементации и снизить трудоемкость процесса, расширить температурный интервал нитроцементации, повысить равномерность нагрева деталей, повысить экологическую безопасность.

Заявленный способ не требует значительных энергозатрат и дорогостоящего оборудования и может быть применен в любом производстве, как в мелкосерийном и крупносерийном, так и ремонтном. Кроме того, данный способ позволяет избежать экологических проблем, т.к. карбюризатор в твердом покрытии и ванна для нагрева не имеет токсичных компонентов.

Формула изобретения

Способ нитроцементации деталей из штамповых сталей, включающий приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия К 4Бе(СК)б и газовой сажи ДГ-100, нанесение пасты на изделие, нагрев с выдержкой, охлаждение в масле и низкий отпуск, отличается тем, что при приготовлении пасты в неё дополнительно вводят бентонит и маршалит при следующем соотношении компонентов, масс.%: железосинеродистый калий К4Бе(СК)б -24-34, бентонит - 12, маршалит - 24, газовая сажа ДГ-100 - остальное, а в качестве пастообразователя используют поливинилацетатную эмульсию, приготовленную из клея ПВА (ГОСТ 18992-80) - 50%; метанола или этанола -10% и воды - 40%, нагрев проводят в нейтральной соляной ванне

при следующем соотношении компонентов, масс.%: КаС1 - 50, Ка2С03 -40, №0И - 10, при температуре 600-750°С с выдержкой при этой температуре в течение 0,5-3 часов; затем образцы охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°С.

(19)

RU 2 586 178

(13) «

(51) МПК

С23С 8/76 (200б.01)

(21)(22) Заявка: 2015109207/02, 16.03.2015 (72) Автор(ы):

Костин Николай Анатольевич ^Ц),

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: Колмыков Валерий Иванович ^Ц),

16.03.2015 Костин Николай Николаевич ^Ц),

Приоритет(ы): Колмыков Денис Валерьевич ^Ц)

(22) Дата подачи заявки: 16.03.2015 (73) Патентообладатель(и):

(45) Опубликовано: 10.06.2016 Бюл. № 16 Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

(56) Список документов, цитированных в отчете о профессионального образования

поиске: RU 2501884 C2, 20.12.2013. RU "Курский государственный университет"

2254396 И, 20.06.2005. RU 2179200 C2,

10.02.2002. Ш 5453109 A1, 26.09.1995.

Адрес для переписки:

305000, г. Курск, ул. Радищева, 33, КГУ,

НИС, Пикалов И.Ю.

(54) Способ нитроцементации деталей из конструкционных и

инструментальных сталей

(57) Реферат:

Изобретение относится к способу нитроцементации деталей из конструкционных или инструментальных сталей и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента в машиностроительной, металлургической, химической и инструментальной промышленности. Осуществляют приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия К 4Бе(СК)б и газовой сажи ДГ-100, нанесение пасты на изделие, нагрев с выдержкой, охлаждение в масле и низкий отпуск. При приготовлении пасты в нее дополнительно вводят карбонат бария, бентонит, маршалит и пастообразующую жидкость в виде поливинилацетатной эмульсии при следующем соотношении компонентов, мас.%: железосинеродистый калий К 4Бе(СК)б -1б-20, карбонат бария ВаСОз -14-18, бентонит -12, маршалит - 24, газовая сажа ДГ-100 - остальное, пастообразующая жидкость, об. %: поливинилацетатная эмульсия - 50, этанол - 10, вода - 40. Затем проводят нагрев в нейтральной соляной ванне при следующем соотношении

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ (12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

компонентов, масс.%: №С1 -50, Ка2С03 -50 при температуре 750-950°С с выдержкой при этой температуре в течение 1,0-6,0 часов, после чего образцы охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°С. Обеспечивается повышение скорости нироцементации и снижение трудоемкости этого процесса, расширение температурного интервала, повышение равномерности нагрева стальных деталей и экологической безопасности. 1 пр.

Изобретение относится к способам химико-термической обработки конструкционных и инструментальных сталей и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента в машиностроительной, металлургической, химической, инструментальной и других отраслях промышленности.

Известны способы упрочнения штамповых сталей методом цианирования. Цианирование проводят в расплавленных солях - жидкое цианирование, в газовых средах - газовое цианирование или нитроцементация и в твердых смесях. Твердое цианирование проводят в смеси, состоящей из 60-70% древесного угля и 30-40% желтой кровяной соли, интенсивная диссоциация которой протекает в твердом состоянии при 540-560°С (Штамповые стали / Л.А. Позняк, Ю.М Скрынеченко, С.И. Тишаев. М.: Металлургия, 1980. С. 212-213).

Недостатки указанного способа 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 нитроцементации деталей из штамповых сталей (патент № 2501884, МПК С23С 8/76), включающий приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия К 4Бе(СК)6 и газовой сажи ДГ-100 при следующем соотношении компонентов, мас. %: железосинеродистый калий К4Бе(СК)6 - 20-30; нитроцеллюлозный лак НЦ-222 - 15-20; остальное - газовая сажа ДГ-100. Нанесение пасты и последующую нитроцементацию проводят при температуре 680°С в течение 3 часов, затем образцы охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 200°С в течение 2 часов. Этот способ взят нами в качестве прототипа.

Недостатки указанного способа состоят в том, что возникает необходимость использования дополнительной азото-углеродистой среды (газовой или твердой), вытесняющей воздух из рабочего пространства печи, что усложняет технологию нитроцементации и повышает ее трудоемкость.

Технической задачей изобретения является повышение скорости нитроцементации и снижение трудоемкости процесса, расширение температурного интервала, повышение равномерности нагрева деталей и экологической безопасности.

Технический результат достигается тем, что в известном способе нитроцементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей, включающем приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия К4Бе(СК)6, газовой сажи ДГ-100, нанесение пасты на изделие, нагрев с выдержкой, охлаждение в масле и низкий отпуск, согласно изобретению при приготовлении пасты в нее дополнительно вводят карбонат бария, бентонит, маршалит и пастообразующую жидкость - поливинилацетатную эмульсию при следующем соотношении компонентов, мас. %: железосинеродистый калий К4Бе(СК)6 - 16-20, карбонат бария ВаСОз - 14-18, бентонит - 12, маршалит - 24, газовая сажа ДГ-100 - остальное, пастообразующая жидкость, об. %: поливинилацетатная эмульсия - 50; этанол - 10; вода -40, затем проводят нагрев в нейтральной соляной ванне при следующем соотношении компонентов, масс. %: №С1 - 50, Ка2С03 - 50 при температуре 750-950°С с выдержкой при этой температуре в течение 1,0 -6,0 часов, после чего образцы охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°С.

В качестве связующего вещества использовали бентонит, обладающий повышенной связывающей способностью и высокой сорбционной и каталитической активностью. Для бентонита свойственна невысокая прочность при повышенных температурах. Для устранения этого недостатка в его состав был введен маршалит - пылевидный кварц, огнеупорность которого составляет 1650-1710°С, что вполне достаточно для использования в нитроцементирующем покрытии, температура которого не превышает 1000°С.

В результате эксперимента установлено, что наилучшее удержание пасты в процессе нитроцементации наблюдается при соотношении бентонита, маршалита в связующей части покрытия 1:2.

Активность нитроцементирующего покрытия зависит от соотношения в нем активной части, т.е. азото- и углесодержащих компонентов: железосинеродистого калия (К4Бе(СК)6, карбоната бария ВаСОз - 14-18, газовой сажи ДГ -100, и нейтральной части - бентонита и маршалита. Результаты проведенного эксперимента показали, что оптимальной активностью обладает покрытие, которое состоит из ~60% активной части и ~40% связующей части. Нитроцементация стали с использованием такого покрытия обеспечивает высокую скорость и равномерность насыщения поверхностных слоев азотом и углеродом.

Использование поливинилацетатной эмульсии, этанола и воды для приготовления пастообразователя вместо нитроцеллюлозного лака НЦ-222, делает способ нитроцементации экологически безопасным.

При использовании соляных ванн для нагрева сталей с азотисто-углеродными покрытиями необходимо, чтобы она обеспечивала нагрев в широком диапазоне температур от 170-1350°С. Для высокотемпературной нитроцементации температурный интервал составляет 750-950°С.

В качестве исходных компонентов такой ванны была принята смесь солей, содержащая хлористый натрий №С1 и углекислый натрий № 2С03.

Эти компоненты в исходном состоянии доступны, дешевы, широко используются в производстве и не являются высокотоксичными веществами, требующими соблюдения специальных мер безопасности.

При соотношении (масс. %) КаС1 - 50, Ка2С03 - 50 композиция солей обеспечивает температуру перехода в жидкое состояние при 660°С, рабочую температуру 750 - 950°С, а начало кипения 1000°С.

Важным преимуществом этой соляной ванны является оптимальное сочетание жидкотекучести и испаряемости расплава, а также отсутствие взаимодействия с нитроцементирующим покрытием.

Отсутствие ядовитых компонентов и невысокая испаряемость не приводит к недопустимому загрязнению атмосферного воздуха и не требует устройства специальной вентиляции. Для этих ванн не требуется также и специальной утилизации солей, выносимых на поверхности деталей при обработке.

Содержание в азото-углеродистой пасте железосинеродистого калия в количестве, составляющем 16-20 масс. %, является оптимальным, так как при температуре 750°С железосинеродистый калий начинает диссоциировать с выделением атомов азота и углерода. Атомы азота и углерода поглощаются поверхностью стали и диффундируют в её глубину.

Содержание в пасте карбоната бария в количестве, составляющем 14-18 масс.%, является оптимальным, так как карбамид начинает разлагаться при температуре 750-950°С, с выделением большого количества азота, который поглощается поверхностью стали и диффундируют в её глубину.

Содержание в пасте газовой сажи ДГ -100 в заданном количестве является оптимальным, так как распад сажи позволяет насыщающим элементам активно поглощаться сталью, что обеспечивает высокую скорость насыщения при минимальном расходе цианизатора.

Способ осуществляют следующим образом.

Готовят пасту. Сухие компоненты, мас.%: железосинеродистый калий К4Бе(СК)б - 1б-20, карбонат бария ВаС03 -14-18, бентонит - 12, маршалит - 4, газовая сажа ДГ-100 - остальное, пастообразующая жидкость, об.%: поливинилацетатная эмульсия - 50; этанол - 10; вода - 40.

Приготовленную пасту наносят на нитроцементируемые поверхности детали слоем от 0,5-2,0 мм и сушат при Т=80°С в течение 0,5 часов до образования твердого покрытия. Подготовленную таким образом деталь загружают в нейтральную соляную ванну при следующем соотношении компонентов, масс.%: №С1 - 50, Ка2С03 - 50. Нагрев проводят при температуре 750-950°С с выдержкой при этой температуре в течение 1,0-6 часов, затем образцы охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°С.

Сущность способа иллюстрируется примером.

В качестве упрочняемых деталей используют образцы (10x10x60 мм) из стали 30 ХГТ, предварительно очищенные уайт-спиртом. Пасту наносят на образцы слоем 0,5-2,0 мм и сушат при t=75-85°C в течение 0,5 часа до образования твердого покрытия. Затем образцы загружают в нейтральную соляную ванну и нагревают в течение 0,5-3 часов, после чего их охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 150-200°С.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить скорость нитроцементации и снизить трудоемкость процесса, расширить температурный интервал нитроцементации, повысить равномерность нагрева деталей и экологическую безопасность.

Заявленный способ не требует значительных энергозатрат и дорогостоящего оборудования и может быть применен в любом производстве, как в серийном, так и ремонтном. Кроме того, данный способ позволяет избежать экологических проблем, т.к. карбюризатор в твердом покрытии и ванна для нагрева не имеет токсичных компонентов.

Формула изобретения

Способ нитроцементации деталей из стали, включающий приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия К4ре(СК)6 и газовой сажи ДГ -100, нанесение пасты на изделие, нагрев с выдержкой, охлаждение в масле и низкий отпуск, отличающийся тем, что при приготовлении пасты в нее дополнительно вводят карбонат бария, бентонит, маршалит и пастообразующую жидкость в виде поливинилацетатной эмульсии при следующем соотношении компонентов, масс.%: железосинеродистый калий К 4Бе(СК)6 -16-20, карбонат бария ВаС03 -14-18, бентонит - 12, маршалит - 24, газовая сажа ДГ-100 - остальное, пастообразующая жидкость, об. %: поливинилацетатная эмульсия - 50, этанол -10, вода - 40, затем проводят нагрев в нейтральной соляной ванне при следующем соотношении компонентов, мас.%: №С1 -50, Ка2С03 - 50 при температуре 750-950°С с выдержкой при этой температуре в течение 1,0-6,0 часов, после чего образцы охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°С.

(19)

RU2 600 612

(13)

С1

(51) МПК

С23С 8/76 (2006.01)

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(21)(22) Заявка: 2015116958/02, 05.05.2015

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

05.05.2015

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 05.05.2015

(45) Опубликовано: 27.10.2016 Бюл. № 30

(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2501884 С2, 20.12.2013. 8и 64975 А, 31.07.1945. 8и 1164290 А, 30.06.1985. Ш 8128761 В2, 06.03.2012. Ш 20100154937 А1, 24.06.2010.

Адрес для переписки:

305000, г. Курск, ул. Радищева, 33, КГУ, НИС, Пикалов И.Ю.

(72) Автор(ы):

Костин Николай Анатольевич ^Ц), Колмыков Валерий Иванович ^Ц), Костин Николай Николаевич (RU), Трусова Елена Владимировна ^Ц), Ермакова Наталья Вячеславовна ^Ц)

(73) Патентообладатель(и):

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Курский государственный университет"

^и)

(54) Способ нитроцементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей

(57) Реферат:

Изобретение относится к нитроцементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей. Осуществляют приготовление пасты путем смешивания компонентов, затем наносят пасту на изделие, проводят нагрев с выдержкой при температуре 450-850°С в течение 1-3 часов, охлаждают в масле и осуществляют низкий отпуск при температуре 150-180°С в течение 1-2 часов. При приготовлении пасты используют компоненты при следующем соотношении, масс. %: железосинеродистый калий К4ре(СК)6 - 20-30, карбамид (МН2)2С0 -15-20, нитроцеллюлозный лак НЦ-222 -15-30, газовая сажа ДГ -100 - остальное. При нитроцементации обеспечивается повышение скорости и расширение температурного интервала, а также повышается экологическая безопасность. 1 пр.

Изобретение относится к способам химико-термической обработки конструкционных и инструментальных сталей и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента в машиностроительной, металлургической, химической, инструментальной и других отраслях промышленности.

Известны способы упрочнения штамповых сталей методом цианирования. Цианирование проводят в расплавленных солях - жидкое цианирование, в газовых средах - газовое цианирование или нитроцементация в твердых смесях. Твердое цианирование проводят в смеси, состоящей из 60-70% древесного угля и 30-40% желтой кровяной соли, интенсивная диссоциация которой протекает в твердом состоянии при 540-560°С. (Штамповые стали / Л.А. Позняк, Ю.М. Скрынеченко, С.И. Тишаев. М.: Металлургия, 1980, С 212-213).

Недостатком указанного способа является то, что насыщение поверхностей упрочняемых деталей происходит неравномерно из-за неравномерного распределения порошка желтой кровяной соли между относительно крупными частицами древесного угля.

Известен способ нитроцементации деталей из штамповых сталей (патент №2501884, МПК С23С 8/76), который включает приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия К4Бе(СК)б, газовой сажи ДГ-100 и нитроцеллюлозного лака НЦ-222 при следующем соотношении компонентов, мас. %: железосинеродистый калий К4Бе(СК)б - 20-30; нитроцеллюлозный лак НЦ-222 - 15-20; остальное -газовая сажа ДГ-100, нанесение пасты и последующую нитроцементацию при температуре 680°С в течение 3 часов. Затем образцы охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 200°С в течение 2 часов. Этот способ взят в качестве прототипа.

Недостатки указанного способа состоят в том, что при данном способе ограничена нижняя температура нитроцементации. При температуре 550-560°С скорость нитроцементации невысокая.

Технической задачей изобретения является повышение скорости нитроцементации, расширение температурного интервала, повышение экологической безопасности.

Технический результат достигается тем, что в известном способе нитроцементации деталей, включающем приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия К 4Бе(СК)б, газовой сажи ДГ-100, нитроцеллюлозного лака НЦ-222, нанесение пасты на изделие, нагрев с выдержкой, охлаждение в масле и низкий отпуск, согласно изобретению при приготовлении пасты в неё дополнительно вводят карбамид (МН2)2С0, при следующем соотношении компонентов, масс.%: железосинеродистый калий К4Бе(СК)б - 20-30, карбамид (КИ2)2С0 - 15-20, нитроцеллюлозный лак НЦ-222 - 15-30; газовая сажа ДГ-100 - остальное, проводят нитроцементацию при температуре 450-850°С в течение 1-3 часов, затем

образцы охлаждают в масле и подвергают низкому отпуску при температуре 150-180°С в течение 1-2 часов.

Нитроцементация стали с использованием такого покрытия обеспечивает высокую скорость и равномерность насыщения поверхностных слоев азотом и углеродом.

Отсутствие ядовитых компонентов и невысокая испаряемость не приводит к недопустимому загрязнению атмосферного воздуха и не требует устройства специальной вентиляции.

Содержание в пасте карбамида (КЫН^СО в количестве, составляющем 15-20 масс.%, является оптимальным, так как карбамид обеспечивает образование азота при пониженных температурах упрочняющей обработки, при температуре около 200°С он разлагается с выделением газообразного аммиака и изоциановой кислоты по реакции (ЫН2ЬСО—КН3+1МНСО (1)

Изоциановая кислота (МНСО) при низкой температуре не разлагается и не принимает участия в дальнейших реакциях, а аммиак диссоциирует с образованием активных атомов азота, которые адсорбируются поверхностью стали:

ЫНЗ—+ЗН (2)

Степень диссоциации аммиака, т.е. активность насыщающей среды по азоту, зависит от температуры процесса. При 450-650°С степень диссоциации аммиака составляет 20-40%, что вполне достаточно для насыщения поверхности стали большим количеством азота.

Содержание в азотоуглеродистой пасте железосинеродистого калия в количестве, составляющем 16-20 масс.%, является оптимальным, поскольку при температуре 650°С железосинеродистый калий диссоциирует с образованием активных атомов азота и углерода: ЗК, [Ре(С1М)6]—5С1Тс +6Н1Рс +12КСЫ+Ре,С (3)

Активные атомы азота и углерода адсорбируются поверхностью стали, а цианистый калий, выделяющийся при разложении железосинеродистого калия, диссоциирует при дальнейшем нагревании с образованием активной группы СК которая также участвует в насыщении стали азотом и углеродом.

Надо отметить, что железосинеродистый калий, хотя и является цианидом, в твердом состоянии не токсичен. Токсическое действие этого вещества проявляется только при его расплавлении, однако в составе пасты свободного расплава не образуется, и токсические свойства железосинеродистого калия не проявляются, поэтому и не требуется особых предосторожностей при его использовании в сочетании с аморфным углеродом.

Содержание в обмазке нитроцеллюлозного лака НЦ-222 в количестве 15-30 масс.% является оптимальным, так как лак начинает разлагаться при еще более низкой температуре —200°С:

CeHéOnNj — 7H20+4C0 + 3N4 +2 С i (4)

Ft Fe

При этом образуется больше активного азота, чем при разложении железосинеродистого калия. Образование карбонитридного слоя начинается уже при температуре 200°C, увеличивается толщина карбонитридной корки на поверхности стали, повышается микротвердость, ударная вязкость штампа.

Содержание в пасте газовой сажи ДГ -100 в заданном количестве является оптимальным, так как распад сажи позволяет насыщающему элементу активно поглощаться сталью, что обеспечивает высокую скорость насыщения углеродом при минимальном расходе цианизатора, а в поверхностном слое образуется корка с зернами цементита, что повышает ударную вязкость деталей.

Способ осуществляют следующим образом.

Компоненты в сухом виде тщательно перемешивают и разводят лаком НЦ-222 при следующем соотношении, масс. %: железосинеродистый калий K 4Fe(CN)6 - 20-30, карбамид (NH2)2CO - 1520, нитроцеллюлозный лак НЦ-222 - 15-30, газовая сажа ДГ-100 -остальное до пастообразного состояния. Приготовленную таким образом пасту наносят на нитроцементируемые поверхности деталей слоем от 0,52,0 мм и сушат при t=75-85°C в течение 0,5-1 часа до образования твердого покрытия.

Подготовленные образцы с сухим покрытием на поверхности деталей упаковывают в герметичный контейнер с наполнителем в виде чугунной стружки и проводят нитроцементацию при различных температурах - от 450 до 850°C. Длительность нитроцементации во всех случаях составляла 1-3 часа, затем образцы охлаждают в масле и проводят низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°C в течение 1-2 часов.

Сущность способа иллюстрируется примером.

В качестве упрочняемых деталей использовали образцы (10*10*60 мм) из стали 5ХНМ, предварительно очищенные уайт-спиртом. Пасту наносили на образцы слоем 0,5-2,0 мм и подвергали сушке при t=75-85°C в течение 0,5-1 часа до образования твердого покрытия. Затем образцы упаковывали в герметичный контейнер с наполнителем в виде чугунной стружки и проводили нитроцементацию при различных температурах - от 450 до 850°C. Длительность нитроцементации во всех случаях составляла 1 -3 часа, затем образцы охлаждали в масле и проводили низкотемпературный отпуск при температуре 150-200°C в течение 1-2 часов

Таким образом, нитроцементирующая среда, содержащая нитроцеллюлозный лак НЦ-222, карбамид, железосинеродистый калий и газовую сажу ДГ-100, будет проявлять активность в широком диапазоне температур. Так, нитроцеллюлозный лак начинает разлагаться при температуре ~200°, карбамид начнет выделять активный азот уже при

450°С, железосинеродистый калий начнет выделять азот и углерод при 600-650°С и, наконец, сажа, при каталитическом действии продуктов реакций распада двух первых компонентов, будет генерировать активный углерод при повышенных температурах, вплоть до 950°С. Поочередная, по мере повышения температуры, активизация азотсодержащих и углеродосодержащих компонентов, присутствующих в предлагаемой среде, позволит варьировать насыщение стали, начиная от практически чистого азотирования при (500-580°С) до азотонауглероживания при (600-700°С) и до чистой цементации при (850-950°С и выше).

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить скорость нитроцементации, расширить температурный интервал нитроцементации, повысить равномерность нагрева деталей, и экологическую безопасность.

Заявленный способ не требует значительных энергозатрат и дорогостоящего оборудования и может быть применен в любом производстве, как в серийном, так и ремонтном. Кроме того, данный способ позволяет избежать экологических проблем, т.к. карбюризатор в твердом покрытии не имеет токсичных компонентов.

Формула изобретения

Способ нитроцементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей, включающий приготовление пасты путем смешивания железосинеродистого калия К 4Бе(СК)6, газовой сажи ДГ-100, нитроцеллюлозного лака НЦ 222, нанесение пасты на изделие, нагрев с выдержкой, охлаждение в масле и низкий отпуск, отличается тем, что при приготовлении пасты в нее дополнительно вводят карбамид (ККН 2)2СО, при следующем соотношении компонентов, масс.%: железосинеродистый калий К4Бе(СК)6 - 20-30, карбамид (КЫН2)2С0 - 15-20, нитроцеллюлозный лак НЦ-222 - 15-30, газовую сажу ДГ-100 - остальное. Нагрев проводят при температуре 450-850°С в течение 1-3 часов, а низкий отпуск при температуре 150-180°С в течение 1-2 часов.

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

RU 1)2 704 044

(13)

С1

(51) МПК

С23С 8/66 (2006.01)

(52) СПК

С23С 8/66 (2019.08)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(21)(22) Заявка: 2019102905, 02.02.2019

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 02.02.2019

Дата регистрации: 23.10.2019

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 02.02.2019

(45) Опубликовано: 23.10.2019 Бюл. № 30

(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 8и 1548263 А1, 07.03.1990. RU 2025540 С1, 30.12.1994. 8и 1640202 А1, 07.04.1991. Ш 5795406 А1, 18.08.1998.

Адрес для переписки:

305000, Курская обл., г. Курск, ул. Радищева, 33, ФГБОУ ВО "КГУ", Жуковой Валентине Тимофеевне

(72) Автор(ы):

Костин Николай Анатольевич ^Ц), Дедов Анатолий Ефимович ^Ц), Костин Николай Николаевич ^Ц)

(73) Патентообладатель(и): Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Курский государственный университет" ^Ц)

(54) Способ цементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей в цементуемой пасте

(57) Реферат:

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико -термической обработке конструкционных и инструментальных сталей, и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и технологической оснастки в машиностроительной, металлургической, химической, инструментальной и других отраслях промышленности. Способ цементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей в цементуемой пасте характеризуется тем, что на поверхность детали наносят пасту, которая содержит в качестве порошкообразных сухих компонентов углекислый барий ВаСО 3, бентонит, маршалит и сажу ДГ-100 при следующем соотношении компонентов, мас.%: углекислый барий ВаСО3 - 20-30, бентонит 5-10, маршалит 10-20, сажа ДГ-100 -остальное, а в качестве пастообразователя - декстриновый клей, содержащий следующие компоненты, масс.%: жёлтый декстрин 60-65, вода 30, глицерин 5-10 и бура 5-10. Затем указанную деталь нагревают при температуре 920-980°С в течение 5-6 часов и подвергают закалке и

низкому отпуску при температуре 150-200°С в течение 2 часов. Обеспечивается повышение скорости цементации, возможность обработки деталей любых размеров и форм, локальное цементирование рабочих поверхностей деталей, повышение равномерности нагрева деталей, а также повышение экологической безопасности процесса цементации.

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке конструкционных и инструментальных сталей и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и технологической оснастки (штампов, прессформ, фильер и т.д.) в машиностроительной, металлургической, химической, инструментальной и других отраслях промышленности.

Известен состав для цементации деталей (патент SU 1548263 А1), включающий приготовление пасты путем смешивания при следующем соотношении компонентов, масс.%: графит - 40-70%; углекислый барий - 510%; остальное - эмаль ЭВТ, нанесение пасты. Проводят сушку при Т=100-200°С в течение 0,5-1,0 часа и последующую цементацию при температуре 900°С в течение 4-6 часов, затем образцы подвергают закалке с температуры цементации. Это техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Недостатки состоят в том, что возникает необходимость повышения связывающей способности обмазки, использования дополнительной среды (газовой или твердой), вытесняющей воздух из рабочего пространства печи, что усложняет технологию цементации и повышает ее трудоемкость.

Технической задачей изобретения является повышение скорости цементации, обеспечение возможности обработки деталей любых размеров и форм, возможности локального цементирования рабочих поверхностей деталей, повышения равномерности нагрева деталей, экологической безопасности процесса цементации.

Технический результат достигается тем, что на поверхность детали наносят пасту, которая содержит углекислый барий ВаСО3, бентонит, маршалит, аморфный углерод (сажа ДГ-100) при следующем соотношении компонентов, масс.%: углекислый барий ВаСО3 - 20-30; бентонит - 5-10; маршалит - 10-20; газовая сажа ДГ-100 - остальное, а в качестве пастообразователя используют декстриновый клей, приготовленный из следующих компонентов (%): жёлтый декстрин - б0-65; вода - 30; глицерин (пластификатор) - 5-10, бура- 5-10; нагревают при температуре 920-980°С в течение 4-6 часов, затем подвергают закалке и низкому отпуску при температуре 150-200° С в течение 2 часов.

Цементация стали с использованием такого покрытия обеспечивает высокую скорость и равномерность насыщения поверхностных слоев углеродом. Отсутствие ядовитых компонентов и невысокая испаряемость не приводит к недопустимому загрязнению атмосферного воздуха и не требует устройства специальной вентиляции.

Способ цементации с использованием предлагаемой пасты осуществляется следующим образом: готовят пасту, для чего тщательно

смешивают порошкообразные сухие компоненты и полученную смесь разводят декстриновым клеем до образования густой пасты. Приготовленную пасту необходимо использовать в течение часа.

Приготовленную пасту наносят на деталь, очищенную от загрязнений. Либо погружением детали в сосуд с пастой (детали небольших размеров), либо кистью на упрочняемые поверхности крупногабаритных деталей. Слой пасты на поверхностях деталей должен составлять 1,5-2 мм.

Детали с нанесённой на их поверхности пастой высушивают при температуре 80оС в течение 15-30 мин. Детали с нанесённой на них пастой могут храниться неограниченное время до загрузки в печь, при этом они не вызывают загрязнения оборудования и персонала. Сухое покрытие устойчиво к ударам.

Для цементации детали с сухим покрытием загружают в печь с герметичной ретортой (типа Ц, США и др.) при температуре 920-980°С и выдерживают в течение 4-6 часов, затем подвергают закалке и низкому отпуску при температуре 150-200° С в течение 2 часов.

Цементацию деталей с использованием предлагаемой обмазки можно использовать в печах непрерывного действия в эндотермической или азотирующей атмосферах (в условиях массового производства) или в цементационных ящиках (в условиях единичного, в частности ремонтного, производства). В последнем случае изделия можно упаковывать вплотную друг к другу, что экономит пространство в ящике и ручной труд.

В качестве связующего вещества использовали бентонит, обладающий повышенной связывающей способностью и высокой сорбционной и каталитической активностью. Бентониты отличаются высокой водоудерживающей способностью - от 8 до 16 раз от массы сухого вещества. Бентониты не являются дефицитным материалом и выпускаются отечественной промышленностью. Основной недостаток бентонитового покрытия - невысокая прочность при повышенных температурах. Для повышения прочности бентонитового покрытия в его состав был введен маршалит - пылевидный кварц, огнеупорность которого составляет 1650-1710°С, что вполне достаточно для использования в цементирующем покрытии, температура которого не превышает 1000°С. При нагреве с бентонитом маршалит спекается в пористую массу, прочность которой составляет 0,4-0,7 МПа.

Маршалит - доступное и дешевое вещество, входящее в состав огнеупорных материалов. В качестве наполнителя маршалит также входит в состав пластмасс, клеев, красок и т.д. В результате эксперимента установлено, что наилучшее удержание пасты в процессе нитроцементации наблюдается при соотношении бентонита и маршалита в связующей части покрытия 1:2.

Активность цементирующего покрытия зависит от соотношения в нем активной части, т.е. углесодержащих компонентов: углекислого бария ВаСО3, газовой сажи ДГ-100 (в соотношении от 70:30 % до 60:40 %), и нейтральной части - связки бентонит и маршалит. Результаты проведенного