Соколов В.О., Игонин В.А.
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ СТАЛЬНЫХ ПЛАСТИН ШТАМПОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КИРПИЧА
В статье рассмотрена технология упрочнения сменных стальных пластин штампов путем борирования
в порошках. Применение предлагаемой технологии позволяет увеличить износостойкость пластин более
чем в два раза и соответственно, повысить эксплуатационную надежность штампов для производства
кирпича.
Эксплуатационная надежность деталей, подвергающихся интенсивному изнашиванию, определяется ме-
ханическими и физико-химическими свойствами их рабочих поверхностей
Наиболее распространенным методом повышения износостойкости таких деталей является химико-
термическая обработка (ХТО), в результате которой на поверхности детали можно получить упрочнен-
ный слой, свойства которого существенно отличаются от основного металла.
Особое место место среди процессов ХТО занимает борирование в порошках, позволяющее получить
высокую твердость, а следовательно и износостойкость поверхностного слоя[1]. В то же время суще-
ствующие способы борирования не полностью реализуют большие потенциальные возможности указанного
метода.
В данной работе в целях повышения эффективности борирования предлагается в состав порошковой
смеси, содержащей карбид бора, инертную добавку и активатор, добавить карбюризатор, в качестве
которого используется древесный уголь. Введение карбюризатора обеспечивает стабильное образование
газовой фазы (диоксида углерода), тем самым предохраняет смесь от окисления, сохраняя высокую
насыщающую способность ее компонентов.
Для осуществления процесса борирования в контейнер с установленными в него пластинами засыпа-
ется порошковая смесь, после чего он закрывается крышкой и устанавливается в электропечь. Герме-
тизация контейнера плавким затвором не производится, что существенно упрощает технологический
процесс и сокращает затраты времени. Температура нагрева составляет 900-1000°С. Время выдержки 6-
8 часов. После окончания процесса борирования образцы подвергаются закалке в соляной ванне.
Основным фактором формирования боридного слоя является фазовое превращение, приводящее к пере-
стройке кристаллической решетки.
Диффузия бора через поверхность детали в глубину при постоянной температуре, согласно второму
закону Фика может быть описана дифференциальным уравнением массопереноса [2]. Полагая, что коэф-
фициент диффузии незначительно зависит от концентрации, уравнение диффузии можно представить в
виде:
( )
( )
(1)
где ( ) концентрация бора в детали; коэффициент диффузии бора в сталь. Поскольку толщина диффузионного слоя незначительна по сравнению с размерами детали, последнюю
можно считать полубесконечным телом с адиабатическими условиями:
( )
Начальное распределение концентрации бора в слое принимается постоянным:
( )
Рисунок 1 –Микроструктура боридного слоя; х200
Решение дифференциального уравнения (1) позволяет определить профиль ( ) распределения концен-трации бора по толщине детали x. При содержании бора 8,84% образуется химическое соединение —
, а при содержании бора 16,25% — , имеющие, соответственно тетрагональную и ромбиче-скую кристаллическую решетку[3]. Таким образом, известный профиль концентрации бора дает
возможность прогнозировать толщину упрочненного слоя на поверхности детали. Структурные
особенности строения кристаллической решетки боридов железа обоих типов обусловливают их
высокую твердость.
Рисунок 2 – Результаты испытаний износостойкости пластин
При металлографическом исследовании образцов из углеродистой стали подвергшихся борированию, на
поверхности выявляется плотный белый слой боридов, которые вклиниваются в основной металл (рис.
1). Боридная зона имеет характерное игольчатое строение. Иглы-конусы боридов срастаются основания-
ми у поверхности и образуют сплошной слой.
Для сравнения износостойкости были проведены исследования пластин штампов для полусухого прес-
сования кирпича в реальных условиях производства. При этом использовали пластины, изготовленные из
стали 20, подвергаемые цементации на глубину 1,5-1,8мм с последующей закалкой до твердости 55-60
, и пластины, подвергнутые борированию по предложенной технологии. Гистограмма относительной износостойкости пластин приведена на (рис. 2).
Анализ показывает, борирование по предлагаемой технологии позволяет повысить износостойкость
более чем в 2 раза по сравнению с традиционным методом упрочнения.
Таким образом, предложенный способ позволяет существенно повысить долговечность и эксплуатаци-
онную надежность стальных пластин штампов для прессования кирпича, а также упростить и удешевить
технологию борирования из порошков.
Литература 1. Сорокин Л.М. Упрочнение деталей борированием.-М.: Машиностроение, 1972 - 325с.
2. Левченко Т.М., Панич Т.Т., Стасевич Т.В. и др. Диффузионное насыщение и покрытие на метал-
лах.-Киев.: Наукова думка, 1977 – 189с.
3. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник/ Под ред. Л.С. Ляховича. М: Ме-
таллургия, 1981 – 423с.