способ борирования углеродистой стали

Формула изобретения

Способ борирования углеродистой стали, включающий формирование боридного слоя при температуре 940°С в течение 3 ч в контейнере с плавким затвором с насыщающей смесью, состоящей из 97% В ₄С и 3% KBF₄, отличающийся тем, что перед формированием боридного слоя проводят предварительную обработку электронным пучком в вакууме (Р=2·10^-3 Па) в течение 30 с при удельной мощности (4÷5)·10 ⁴ Вт/см².

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к химико-термической обработке, и может быть использовано для поверхностного упрочнения инструмента, деталей машин и т.д., изготовленных из углеродистой стали.

Известен способ электролизного борирования стали с последующим нагревом в вакуумной печи (Р=10 ^-3 мм рт.ст.) при температуре 900-940°С в течение 4-20 ч. В результате такой обработки глубина борированного слоя после выдержки увеличивается на 30-40% (см. Шаля М.А. Снижение хрупкости борированного слоя // МиТОМ, 1969, №8, с.69).

Недостатком данного способа является высокая хрупкость боридного слоя, который выкрашивается даже при приготовлении шлифа.

Наиболее близким способом по технической сущности к заявляемому изобретению является способ борирования в порошковой смеси в контейнере с плавким затвором. Упрочняемое изделие помещают в герметичный контейнер (97% В₄С + 3% KBF ₄) с последующим нагревом в печи при температуре 940°С в течение 3 часов. В результате такой обработки на поверхности образуется боридный слой толщиной 85-90 мкм (см. Ворошнин Л.Г. Борирование промышленных сталей и чугунов: (Справ. пособие). - Мн.: Беларусь, 1981. - 205 с.)

Недостатком данного способа является высокая хрупкость боридного слоя.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка технологии борирования, направленной на поверхностное упрочнение инструментов, деталей машин и т.д.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение хрупкости боридного слоя, увеличение толщины слоя, снижение внутренних напряжений в боридной зоне.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в предлагаемом способе борирования углеродистой стали, включающем борирование при температуре 940°С в течение 3 часов в контейнере с плавким затвором с насыщающей смесью, состоящей из 97% В₄С и 3% KBF ₄, согласно изобретению перед борированием проводят предварительную обработку электронным пучком в вакууме Р=2×10 ^-3 Па в течение 30 с при удельной мощности 4÷5×10 ⁴ Вт/см².

Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что перед борированием проводят предварительную обработку электронным пучком в вакууме Р=2×10 ^-3 Па в течение 30 с при удельной мощности 4÷5×10 ⁴ Вт/см², что позволяет увеличить скорость формирования боридного слоя и получить большую толщину слоя за счет увеличения количества дефектов кристаллического строения в тонком поверхностном слое при обработке поверхности электронным пучком.

Экспериментально обнаружено, что предварительная обработка электронным пучком позволяет увеличить скорость формирования боридного слоя и получить большую толщину слоя (см. таблицу).

Из таблицы видно, что при этом происходит также снижение на дифрактограммах значений уширения основных линий фазы FeB, свидетельствующее о формировании боридов, имеющих меньшие внутренние напряжения II рода. При этом снижается хрупкость боридного слоя. Хрупкость оценивали по величине напряжения скола _ск, являющейся интегральной характеристикой хрупкости слоя, самопроизвольно учитывающей физико-механические свойства самих боридов (микротвердость, модуль упругости), фазовый состав, соотношение фаз, их дисперсность и взаимное расположение в слое и на поверхности, напряженное состояние слоя и его пластичность (Григоров П.К., Катханов Б.Б. Методика исследования хрупкости борированного слоя // Повышение надежности и долговечности деталей машин: Труды НИИТМа (Ростов-на-Дону). - 1972. - Вып. XVI. - С.97-99.).

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

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

Предлагаемый способ борирования углеродистой стали осуществляют следующим образом.

Образцы помещают в вакуумную камеру (вакуум Р=2×10^-3 Па) и проводят обработку поверхности электронным пучком. Параметры электронно-лучевой обработки: удельная мощность (4÷5)×10 ⁴ Вт/см², время обработки 30 с. В результате проникновения электронов, в поверхностных слоях происходит повышение количества дефектов, интенсифицирующих процессы диффузии. Обработка поверхности электронным пучком при меньших значениях удельной мощности и времени не приводит к увеличению дефектов. Повышение же удельной мощности и времени обработки выше указанных значений приводит к оплавлению поверхности. Обработанные таким образом образцы помещают в контейнер с плавким затвором и проводят традиционное твердофазное борирование с насыщающей смесью, состоящей из 97% В₄С и 3% KBF₄ при температуре 940°С в течение 3 часов. Наличие дефектов в поверхностных слоях позволяет увеличить скорость формирования боридных слоев.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. Образец из стали Ст3 в форме пластины размером 15×15×3 мм обрабатывают электронным пучком в вакууме (Р=2×10 ^-3 Па) при удельной мощности (4÷5)×10 ⁴ Вт/см² в течение 30 с. Затем проводят борирование в контейнере с плавким затвором (50% В ₂О₃ + 50% SiO₂ ) с насыщающей смесью, состоящей из 97% В₄ С и 3% KBF₄ при температуре 940°С в течение 3 часов. В результате на поверхности формируется боридный слой толщиной 110-115 мкм.

Пример 2. Образец из стали 45 в форме пластины размером 15х15х3 мм обрабатывают электронным пучком в вакууме (Р=2×10^-3 Па) при удельной мощности (4÷5)×10⁴ Вт/см ² в течение 30 с. Затем проводят борирование в контейнере с плавким затвором (50% В₂О ₃ + 50% SiO₂) с насыщающей смесью, состоящей из 97% В₄С и 3% KBF ₄ при температуре 940°С в течение 3 часов. В результате на поверхности формируется боридный слой толщиной 90-95 мкм.

Предлагаемый способ борирования углеродистой стали по сравнению с прототипом (см. Ворошнин Л.Г. Борирование промышленных сталей и чугунов: Справ. пособие. - Мн.: Беларусь, 1989. - 205 с.) обеспечивает следующие преимущества:

- получение боридного слоя с меньшими внутренними напряжениями;

- снижение хрупкости боридной зоны;

- повышение скорости формирования боридного слоя.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о соответствии заявляемого способа борирования углеродистой стали критерию "промышленная применимость".