Спосіб нанесення карбонітридних покриттів на сталі та тверді сплави

Способ нанесения карбонитридных покрытий на стали и твердые сплавы, включающий помещение в реакционную камеру изделий, порошка 28335 комнатной температуры. После окончания процесса нанесения покрытий изделия извлекают из камеры. Разработанный способ нанесения на поверхность сталей и твердых сплавов карбонитридных покрытий позволяет получить на поверхности деталей (над зоной карбида титана) слой нитрида титана, что позволяет увеличить сопротивление изделий абразивному износу в условиях трения скольжения без смазки в среднем в 2,7 раза по сравнению с прототипом. Описанный способ нанесения на поверхность сталей и твердых сплавов карбонитридных покрытий апробирован в лабораторных условиях, в результате чего подтверждена целесообразность его применения для повышения сопротивления изделий абразивному износу в условиях трения скольжения без смазки. В эксперименте использовалась установка на базе шахтной печи типа СШОЛ 1.1.6/12, в которой реакционная камера изготовлена из углеродистой стали. Сверху камеру закрывали крышкой, приваренной к вставке. Для обеспечения герметичности и необходимой степени разряжения в камере между ее корпусом и крышкой помещают вакуумное уплотнение. Верхнюю часть реакционной камеры охлаждали проточной водой, циркулирующей в приваренной к корпусу втулке. Вакуум в реакционной камере создается с помощью вакуумного насоса. Четыреххлористый углерод и молекулярный азот вводят в реакционную камеру через кран или технологическое отверстие. В процессе их напуска давление в камере контролируют мановакууметром, который после окончания контроля отключают от системы вакуумировода краном. Измерение и автоматическое регулирование температур в процессе нагрева и изотермической выдержки осуществляется терморегулятором. Датчиком температуры являлась термопара, горячий спай которой упирался непосредственно в стенку реакционной камеры. Рациональный расход исходных реагентов, как и в прототипе, определяли экспериментально, исходя из расчета на 1 м 2 обрабатываемой поверхности. Установлено, что рациональный расход порошка карбидообразующего элемента (титана) при постоянном расходе четыреххлористого углерода равном 0,005 л/м 2 должен составлять 0,05-0,07 кг/м 2. При меньшем содержании порошка в реакционном пространстве образуется сравнительно небольшое количество хлоридов, которое оказывается недостаточным для реализации реакций карбидообразования. Увеличение содержания карбидообразующих элементов свыше 0,050,07 кг/м 2 не приводит к полному расходу его даже при проведении процесса насыщения в течение 6 часов. Рациональный расход карбюризатора (древесного угля) составляет 0,03-0,05 кг/м 2. При меньших его значениях наблюдается обезуглероживание поверхности образцов, а при больших образование тонкой пленки сажистого углерода на поверхности: образцов, что препятствует протеканию диффузионных процессов. В таблице приведен фазовый состав, толщина и износостойкость покрытий, полученных по спо собу прототипа (ряд № 1) и по предлагаемому способу. Температурно-временные условия ХТО в таблице описываются следующими величинами: Т1 - температура первой изотермической выдержки, при которой вводится четыреххлористый углерод; Т2 - температура второй изотермической выдержки, при которой вводится молекулярный азот; r1 - время первой изотермической выдержки; r2 - время второй изотермической выдержки. Оптимальные температурно-временные условия ХТО выбираются таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность диффузии легирующи х элементов и получить покрытия значительной толщины за сравнительно небольшой промежуток времени. Оптимальными эксплуатационными характеристиками обладают карбидные покрытия, нанесенные на поверхность сталей и сплавов, толщиной 10-15 мкм. Исходя из этого экспериментальным путем устанавливались минимальные температуры, обеспечивающие возможность протекания диффузионных процессов. Для первой изотермической выдержки эти температуры оказались в интервале 950-1100°С, а для второй - в интервале 800-850°С. При меньших температурах эффективность диффузии легирующих элементов будет недостаточна, т.е. толщина покрытий будет значительно меньше 10-15 мкм (нр: ряд № 3). Повышать же температуру насыщения до более высоких значений нецелесообразно, т.к. возможно сильное обезуглероживание приповерхностных зон обрабатываемых материалов. Итак, оптимальные интервалы насыщения: Т1=950-1100°С, Т2=800-850°С. Этим интервалом температур было экспериментальным путем подобраносоответствующее время выдержки, исходя из необходимости получить на сталях и сплавах толщину покрытия 10-15 мкм: r1=2-4 часа, r2=0,5-1 час (ряд № 2). Оказалось, что при одних и тех же температурно-временных условиях ХТО износостойкость деталей с карбонитридными покрытиями, полученными по нашему способу (ряд № 2), оказалась выше в среднем в 2,7 раза, чем у деталей с карбидными покрытиями, полученными по способу прототипа (ряд № 1). В колонке № 10 приведены значения показателя износостойкости для указанных сталей и сплавов при различных температурно-временных условиях ХТО для нашего способа и по способу прототипа. Износостойкость карбидных и карбонитридных покрытий в условиях абразивного износа исследовалась по специальной методике (Хижняк В.Г. Карбидные покрытия на инструментальных сплавах: Автореф. дис... канд. техн. наук. - К., 1980, 25 с.). Суть применяемой методики определения износостойкости состоит в том, что цилиндрические образцы после различных видов обработки поверхности совершали вращательное движение вокруг своей оси и и х окружности в среде с абразивом. В качестве абразива использовали сухой или увлажненный карбид бора с крупностью частиц 150 мкм и микротвердостью примерно 42 ГПа. Испытанию подвергались одновременно два об 2 28335 разца с исследованными типами защитных покрытий и два закаленных образца. Об износостойкости образцов судили по потере массы, измеряемой на аналитических весах с точностью до четвертого знака после запятой. Из потерь массы находили показатель износостойкости (колонка № 10), который численно равен дроби, в числителе которой указано потеря массы образца, а в зна менателе - произведение площади поверхности образца на время продолжительности испытания. Итак, в результате дополнительного (по сравнению со способом прототипа) ввода в реакционную камеру молекулярного азота на поверхности деталей образуется карбонитридный слой, износостойкость которого в среднем 2,7 раза выше, чем у те х же деталей с карбидным покрытием. Таблица Толщина и износостойкость покрытий на основе карбидов и карбонитридов титана, полученных на техническом железе, на стали У10А, ВК8, Т15К6 при температуре 800-1100°С в течение 1-7 часов №№ п.п. 1 2 3 4 5 6 7 8 Компоненты, вводимые в реакционную камеру Порошок Тi Древесный уголь Четыреххлористый углерод (прототип) Порошок Тi Древесный уголь Четыреххлористый углерод Молекулярный азот Порошок Тi Древесный уголь Четыреххлористый углерод Молекулярный азот Порошок Тi Древесный уголь Четыреххлористый углерод Молекулярный азот Порошок Тi Древесный уголь Четыреххлористый углерод Молекулярный азот Порошок Тi Древесный уголь Четыреххлористый углерод Молекулярный азот Порошок Тi Древесный уголь Четыреххлористый углерод Молекулярный азот Порошок Тi Древесный уголь Четыреххлористый углерод Молекулярный азот Т1 Т2 r1 r2 Фазовый состав покрытия Техн. железо Сталь У10 950 1000 2 3 TiC TiC 2 15 Показатель износостойкости, г/м 2·час 0,126 0,028 ВК8 1050 4 TiC 7 0,032 Техн. железо Сталь У10А 950 1000 800 820 2 3 0,5 1 TiC, TiN TiC, TiN 4 18 0,046 0,009 ВК8 1050 840 4 0,5 TiC, TiN 8 0,012 Т15К6 Техн. железо Сталь У10А 1100 830 820 850 800 820 2 2 3 1 0,5 1 TiC, TiN TiC, TiN TiC, TiN 10 1 2 0,014 0,12 0,114 ВК8 800 840 4 0,5 TiC, TiN 2 0,112 Т15К6 Техн. железо Сталь У10А 750 950 1000 850 750 700 2 2 3 1 0,5 1 TiC, TiN TiC, TiN TiC, TiN 1 2 15 0,110 0,111 0,026 ВК8 1050 650 4 0,5 TiC, TiN 7 0,030 Т15К6 Техн. железо Сталь У10А 1100 950 1000 630 900 950 2 2 3 1 0,5 1 TiC, TiN TiC, TiN TiC, TiN 8 4 18 0,031 0,061 0,020 ВК8 1050 1000 4 0,5 TiC, TiN 8 0,018 Т15К6 Техн. железо Сталь У10А 1100 950 1000 1100 800 820 2 1,5 1 1 0,5 1 TiC, TiN TiC, TiN TiC, TiN 10 2 12 0,021 0,051 0,014 ВК8 1050 840 0,8 0,5 TiC, TiN 4 0,018 Т15К6 Техн. железо Сталь У10А 1100 950 1000 850 800 820 0,5 5 6 1 0,5 1 TiC, TiN TiC, TiN TiC, TiN 6 5 21 0,070 0,063 0,021 ВК8 1050 840 7 0,5 TiC, TiN 12 0,014 Т15К6 Техн. железо Сталь У10А 1100 950 1000 850 800 820 8 2 3 1 1,5 2 TiC, TiN TiC, TiN TiC, TiN 14 6,0 20 0,022 0,065 0,022 ВК8 1050 840 4 3 TiC, TiN 10 0,022 Т15К6 1100 850 2 4 TiC, TiN 12 0,030 Насыщаемый материал Режимы процесса r, час Т, °С 3 Толщина покрытия, мкм 28335 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 34 прим. Зам._______ __________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 __________________________________________________________ 4