Низкотемпературное никотрирование в древесноугольных смесях инструмента из быстрорежущих сталей

Традиционные технологии химико-термической обработки режущего инструмента из быстрорежущих сталей с целью повышения износостойкости при резании сталей, прецизионных сплавов и неметаллических материалов предусматривают проведение низкотемпературного, газового азотирования [1], нитроцементации в атмосферах пиролиза жидких углеводородов, нитрооксидирования и карбонитрации, в том числе в расплавах солей, образующих нетоксичные цианатные среды [2-5]. В последнее время распространяются процессы никотрирования конструкционных деталей из легированных сталей для повышения износостойкости и улучшения трибологических характеристик поверхностного слоя, но они осуществляются также в газовых средах, содержащих аммиак в смеси с природными газами или эндо-, экзотермическими атмосферами , получаемыми в специальных газоприготовительных агрегатах и установках [6-7].

В настоящий время при повышении цен на газ и нефтепродукты возрождаются малозатратные технологии химико-термической обработки цементации и нитроцементации с использованием древесноугольных смесей и карбюризаторов с введением активизирующих азотоуглеродосодержащих компонентов [8-9]. Разрабатываемые и возобновляемые технологии являются перспективными для предприятий мелкосерийного производства и в малых ремонтных и инструментальных мастерских

При этом полученные данные исследований и производственных испытаний направлены на расширение технических возможностей процессов высокотемпературной химико-термической обработки с использованием недефицитных компонентов - древесных углей с добавками карбамида и натрийсодержащих активаторов при упрочнении конструкционных деталей и мелкосерийного инструмента.

Опыты проводились на тонких прорезных (шлицепрорезных) фрезах из стали Р6М5 по ГОСТ 2679-93, диаметр фрез от 32 до 63 мм, толщина о 0,25 до 1,5 мм, применяемых в приборостроении, производстве ЭР, (электрических реактивных двигателей) при изготовлении нестандартного крепежа со шлицевыми коническими, цилиндрическими и потайными головками из нержавеющих и коррозионных сталей. В качестве образцов для прочностных испытаний использовали сверла из стали Р6М5 диаметром 0,61,0 мм по ГОСТ 4010-77 и ГОСТ 10902-77 никотрированные в одних садках с фрезами. В таблице 1 приведены составы карбюризатора и режимы никотрирования с нагревом в малоэнергоемких электропечах мощностью 1,83 кВт CHOJI -1,6.2,5.1/9И1 и ПД-10-13 с упаковкой инструмента по схеме контейнер в контейнере в реторте вакуумной печи СШОЛ-ВНЦ.

Таблица 1 – Составы карбюризатора и режимы никотрирования

При приготовлении смеси для никотрирования использовали колотый активированный березовый уголь, отработанный древесноугольный карбюризатор. В качестве азотоуглеродосодержащих компонентов и активаторов в него вводили карбамид (мочевину) (NH 2 ) 2 CO, а также трилон-Б (C 10 H 8 O 10 )Na 2 N2. Загрузка садки проводилась в печь разогретую до рабочих температур, выгрузка на воздух после окончания времени выдержки.

Азотоуглеродный потенциал газовой среды, образующейся при пиролизе активаторов карбамида и трилона-Б в присутствии избыточного углерода определяли количественным химическим анализом ленты из сплава

36НХТЮ и тонких проволочек диаметром до 0,5 мм из малоуглеродистых сталей 10, 20. В интервалах температур 520-5600С протекают реакции диссоциации карбамида и трилона-Б:

(NH 2 ) 2 О→NH 3 +CO+0,5H 2 +0,5N 2 ;

(C 10 H 8 O 10 )Na 2 N 2 →9CO+N 2 +Na 2 O+2H 2 +CH 4 , с последующим образованием атомарного азота из аммиака и атомарного углерода из окиси углерода и метана. Выбранный способ упаковки, размещения мелкоразмерного и тонкостенного инструмента при никотрировании, названный контейнер в контейнере, был выбран, исходя из кратковременности процесса 3-8 часов и необходимости поддержания временного, но достаточно высокого азото-углеродного потенциала атмосферы образующейся из введенных компонентов - активаторов в смесь на основе активированных древесных углей.

На рис. 1 приведена микроструктура диффузионного слоя в "косом" срезе на одной из рабочих поверхностей фрез из стали Р6М5.

Рис.1 микроструктура карбонитридного слоя фрезы из стали Р6М5 в косом срезе (хЗОО) после никотрирования 560°С, 4 часа.

Как показали металлографические иследованиия, рентгеноструктурный и химико-спектральный анализы, при никотрировании в интервале температур 520-560°С в течение 3-8 часов в древесноугольных смесях с введением карбамида и трилона -Б позволяющим поддерживать достаточно стабильный, монотонно убывающий потенциал азота и углерода, формируются диффузионные карбонитридные слои при скорости роста до 10 мкм/ч.

Установлено, что формирование диффузионных карбонитридных слоев в исследованных интервалах температур при длительности никотрирования 3-8 часов в атмосферах диссоциации компонентов твердых смесей с постепенно убывающим азотным потенциалом, происходит с образованием на поверхности тонких 4-6 мкм слоев оксидов Fе3О4, Fе2О3,переменного состава и слоев содержащих 8 и у' - фазы состава Fe3(N,C) толщиной 40-80 мкм.

Карбонитридные слои прочно связанные с основой и при микротвердости Н0,5H = 1080-1170 позволяют повысить износостойкость тонких фрез и свёрл при обработке керамик, боросил, БГП, текстолитов СТЕФ, минералов природного янтаря в 2-3,5 раза до уровней соизмеримых с твердосплавным инструментом групп ВК, ТК.