CC BY
47
УДК 621.793
Канд. техн. наук О. Г. Чернета1, д-р техн. наук Л. И. Ивщенко2, И. Н. Поддубный1, А. М. Нестеренко3, д-р техн. наук А. Н. Коробочка1
1 Днепродзержинский государственный технический университет
2 Запорожский национальный технический университет
3 Институт черной металлургии НАЛ Украины, г. Днепропетровск
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ КОМБИНИРОВАННОГО УПРОЧНЕНИЯ
Разработана комбинированная технология упрочнения жаропрочных сталей путем азотирования с последующей закалкой токами высокой частоты, охлаждением на воздухе и низкотемпературного отпуска.
Ключевые слова: жаропрочная сталъ, микроструктура, микротвердостъ, испытание.
Введение
Одним из перспективных научных направлений является повышение ресурса работы деталей автомобилей, в частности, двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Среди деталей цилиндропоршневой группы бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) наибольшему термическому воздействию подвергаются выпускные клапаны. Выпускные клапаны изготавливают из жаропрочных и ко-розионностойких сплавов: 45Х14Н14В2М, ЭП- 322, ЭП-303 (55Х20Г9АН) [1].
Методика исследований
Для исследований выбраны стали мартенсит-ного класса 40Х10С2М и аустенитного класса — ЭП-303 (55Х20Г9АН4) и ЭП-332 [2].
Для упрочняющей обработки исследованных образцов из жаропрочных сталей использовали комбинированную технологию термической обработки, которая включала азотирование, последующий нагрев токами высокой частоты, охлаждение на воздухе и низкотемпературный отпуск.
Азотирование образцов проводили в промышленной печи азотации шахтного типа на ОАО «Азот» (г. Днепродзержинск). Процесс азотирования осуществлялся путем выдержки образцов в течение 96 часов при температуре 520 °С в атмосфере частично диссоциированного аммиака. Избыточное давление газообразного аммиака поддерживали на уровне 0,3 МПа. Степень диссоциации аммиака в первые 10 часов составляла 23—30 %, а в остальное время — 70 %.
Затем образцы подвергались нагреву до температуры 1130 — 1180 °С токами высокой частоты (ТВЧ) на высокочастотном генераторе модели ВЧГ 8.60 / 0,44 (ТУ 16 - 530.239 - 78) и последующему охлаждению на воздухе. Отпуск образцов проводили в печи в течение 3 часов при температуре 400 °С [3].
Образцы для металлографического анализа заливали пастой «Протакрил» в специальные обоймы (рис. 1), а затем препарировали шлифовкой и полировкой по стандартной методике [4]. Травление полированных шлифов для выявления основной структуры осуществляли в стандартном травителе (реактив Ржешотарского — 4 % раствор ИК03 в спирте — «ниталь» [4]).
Рис. 1. Микрошлиф для проведения исследования
Металлографический анализ полученных шлифов производили с помощью современного оптического микроскопа «Axiovert 200M MAT» (рис. 2) фирмы «Карл Цейсс» (Германия).
Рис. 2. Оптический микроскоп «Axiovert 200M MAT» фирмы «Карл Цейсс»
© О. Г. Чернета, Л. И. Ивщенко, И. Н. Поддубный, А. М. Нестеренко, А. Н. Коробочка, 2011 ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения №1/2011
Рентгеновский фазовый анализ исследованных образцов проводили на дифрактометре ДРОН-2,0 в монохороматизированном СиКа-из-лучении.
Полученные результаты и их обсуждение
Микроструктура поверхностного слоя стали 40Х10С2М до обработки представлена на рис. 3. Образец имеет феррито-карбидную структуру.
Рис. 3. Микроструктура образца из стали 40Х10С2М до обработки
Данные проведенного рентгено-фазового анализа аустенитных сталей свидетельствуют о наличии в структуре материала исследованных образцов (ЭП-303 и ЭП-332) после обработки по указанным выше режимам трех фаз — феррита, аустенита и комплексного карбида Ме23С6, системные интерференции которых отчетливо выявляются на соответствующей дифрактограмме (рис. 4).
Согласно результатам микроструктурного анализа частицы карбида Ме23^ округлой и, час-
тично, продолговатой формы размером 1—12 мкм достаточно равномерно распределены по объему феррито-аустенитной матрицы сталей (рис. 5, б, в).
Аустенит, как составляющая структуры, имеет вид более светлых микроучастков с размытыми очертаниями, окруженных более темной по окраске ферритной фазой (рис. 5, б, в). Карбидная составляющая (Ме23С6) из округлой и продолговатой по форме трансформируется в изогнутые нити или образования с отростками, распределяющимися по границам ферритных зерен (рис. 5, в).
Замеры микротвердости поверхностного слоя образцов жаропрочных сталей после термической обработки, произведенные на микротвердомере ПМТ-3 с нагрузкой 0,5 Н, показали следующие результаты (рис. 6). В поверхностном слое исследованных термообработанных образцов вдоль поверхности величина микротвердости Н^0 5 каждого из них практически одинаковы и составляют: для стали 40Х10С2М — 4694 МПа, для стали ЭП-332 - 4586 МПа, для стали ЭП-303 - 4035 МПа.
Таким образом величина микротвердости поверхностного слоя образцов из сталей 40Х10С2М, ЭП-332, ЭП-303, обработанных с помощью комбинированного упрочнения увеличивается по сравнению с необработанным в 1,75; 1,7; 1,5 раза соответственно. Из этого следует, что предложенную комбинированую технологию упрочнения следует рекомендовать для применения при упрочнении жаростойких и жаропрочных сталей, используемых в машиностроении.
Рис. 4. Дифрактограмма поверхностного слоя стали ЭП-303 после азотирования с последующей обработкой ТВЧ
а б в
Рис. 5. Микроструктура образцов из жаропрочных сталей после азотирования с последующей закалкой ТВЧ:
а - 40Х10С2М; б - ЭП-332; в - ЭП-303
ä 5000 -,
2 4500 -
Л н 4000 -
^
te
н о 3000 -
£ 2500 -
щ 2000 -
2 Ш 4
Точка уколи твердомера
-До обработки —~— После обработки
50 00
с
2 4500
л
н
л 4000
м 35 0Ü
Г'
О
3000
н
■ 2500
2 3 4
Точка укола твердомера
-До обработки
-После обработки
„ 45 00 Й
3 4000 >4
Й 3500 tt
и 3000
н
о
2500
Ш 2000
2 Ж 4
Точка укола твердОМерг;
-До обрабопки
-После обработки
Рис. 6. Графики изменения микротвердости поверхностного слоя образцов из жаропрочных сталей после комбинированного упрочнения: а - 40Х10С2М; б - ЭП-332; в - ЭП-303
а
в
ISSN 1727-0219
Вестник двигателестроения № 1/2011
- 83 -
Трибологические исследования образцов в дальнейшем будут проведены на машине трения, разработанной на кафедре «Автомобили и автомобильное хозяйство» Днепродзержинского государственного технического университета [5].
Выводы
Установлено, что комбинированная термическая обработка образцов из стали 40Х10С2М, ЭП-332 и ЭП-303, включающая низкотемпературное газовое азотирование, последующий нагрев ТВЧ, охлаждение на воздухе и последующий низкотемпературный (400 °С) отпуск, приводит к формированию в поверхностном слое структур отпуска, обеспечивающих увеличение микротвердости Н 0 5 поверхностной зоны этих образцов в 1,75; 1,7 и 1,5 раза соответственно.
Перечень ссылок
1. Мотовилин Г. В. и др. Автомобильные материалы : справочник. — [3-е изд., перераб. и доп.] / Г. В. Мотовилин, М. А. Масино, О. М. Суворов. — М. : Транспорт, 1989. — С. 94—97.
2. Марочник сталей и сплавов. — [2-е изд., доп. и испр.] / [А. С. Зубченко, М. М. Колосков, Ю. В. Каширский и др.] ; под общей ред. А. С. Зубченко. — М. : Машиностроение, 2003. — 784 с.
3. Седов Ю. Е.Справочник молодого термиста / Седов Ю. Е., Адаксин А. М. — М. : Высш. шк., 1986. — 239 с., ил.
4. Баранова Л. В. Металлографическое травление металлов : справочник / Баранова Л. В., Демкина Э. Л.. — М. : Металлургия, 1986 — 256 с.
5. Пат. 43294 Украша, МПК8 О 23 М 15/00. Пристрш для випробування клапанв двигунв внутргшнього згоряння / Щддубний I. М., Чернета О. Г., Коробочка О. М., 1вщенко Л.Й., Куб1ч В. I. ; заявник та патентовласник Дншродзержинський держ. техтч. ушвер. — № 200902605 ; заявл. 23.03.09 ; опубл. 10.08.09, Бюл. №15.
Поступила в редакцию 08.07.2010
Чернета О.Г., 1вщенко Л.Й., Пщдубний I.M., Нестеренко А.М., Коробочка О.М. Дослщження структури жаромщних сталей тсля комбшованого змщнення
Розроблено комбтовану змщнюючу технологию жаромщних сталей шляхом азотування з наступним гартуванням струмами високог частоты, охолодженням на повтр1 та низь-котемпературним в^дпусканням.
Ключов1 слова: жаромщна сталь, мкроструктура, мкротвердсть, випробування.
Cherneta O., Ivcshenko L., Poddubniy I., Nesterenko A., Korobochka A. Research of structure heatproof staley after the combined work-hardening
The main result of the work is considered to rambined technology of the treatment of the heatproof steels by nitriding with subsequent heating of high-frequency currents, quenching on the air and low temperature tempering.
Key words: heatproof steel, microstructure, microhardness, test.
