CC BY
46
ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ НИТРОЦЕМЕНТОВАННЫХ НАПЛАВОК ШТАМПОВЫХ СТАЛЕЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМАХ
© 2011 Н. А. Костин1, Е. В. Трусова2, В. И. Колмыков3
1 канд. техн. наук, доцент каф. общетехнических дисциплин e-mail: nikolay-kostin@yandex.ru Курский государственный университет
2ст. преподаватель e-mail: ev.trusova@yandex.ru Курский государственный университет
3докт. техн. наук., профессор e-mail: kolmyckov-vi@yandex. ru Юго-Западный государственный университет
Показана износостойкость нитроцементованных наплавок штамповых сталей при различных температурных режимах. Экспериментально установлена зависимость износа наплавленных покрытий при сухом трении в присутствии абразива от удельной нагрузки и интенсивность изнашивания наплавленных сталей упрочнённых по различным режимам.
Ключевые слова: износостойкость, нитроцементация, наплавка, штамповые стали.
Для штампов, работающих в контакте с абразивными массами (в открытых сопряжениях), упрочнение поверхностей с нитроцементацией при пониженной температуре будет неэффективным из-за небольшой толщины твердой карбонитридной зоны (0,10...0,15мм). В этих условиях более эффективным будет такой метод упрочнения, который обеспечит большую глубину слоев, содержащих в большом количестве карбо-нитридные включения. Таким методом может быть высокотемпературная нитроцементация хромистых покрытий типа 20ХГСМ и 15ХГ2СМ, обеспечивающая получение глубоких диффузионных слоёв с содержанием карбонитридов до 50% и более.
Для проверки названной гипотезы были приготовлены образцы, наплавленные сталью 15ХГ2СМ, которые подвергли нитроцементации при температуре 920°С в течение 6-ти часов в пастообразном карбюризаторе. После нитроцементации образцы были закалены с температруры 800°С в масле и отпущены при температуре 180°С в течение двух часов.
В результате такой обработки на поверхности образцов (роликов) были получены диффузионные слои глубиной до 0,8 мм, то есть больше, чем толщина наплавленного слоя. Структура нитроцементованного слоя представлена большим количеством карбонитридных включений цементитного типа, изолированных друг от друга участниками твердой мартенситно-аустенитной матрицы.
Испытания на абразивное изнашивание упрочнённых таким образом образцов проводили на машине трения СМЦ-2 по двум вариантам:
1) в зону трения подавали чистую смазку из капельницы с периодичностью 12 кап. в мин.;
2) в зону трения подавали смазку, загрязненную мелкими абразивными частицами.
В качестве смазки использовали индустриальное масло И-14А ГОСТ 20799 («веретенное №2»). В обоих случаях нагрузка на трущиеся поверхности составляла 2,5 МПа, длительность испытания принималась различной. Для эксперимента использовали ролики, наплавленные по периферии электродами ОЗШ-1В [Колмыков 2010]. Толщина наплавленного слоя составляла (после механической обработки) ~ 0,3 мм. Ролики с наплавленными слоями нитроцементовали в пастообразном карбюризаторе при различных температурах (700...900°С) в течение 3 часов, после чего ролики закаливали в масле. В качестве контртела использовали колодку из закаленной стали 20ХГСМ. Износ абразивов определяли весовым методом [Сторожев, Попов 2001].
Изнашивание проводили без смазки. В зону трения подавали мелкий песок (маршаллит) из бункера в небольшом количестве (~ 50 г в течение 30 мин.).
Для сравнения такому же виду изнашивания подвергали образцы, наплавленные электродом ЦН^- на сталь 30Г6 [Калмыков 2010] и упрочнённые по тем же режимам, что и хромистые наплавки.
На первом этапе износных испытаний определяли зависимость износа нитроце-ментованных образцов от удельной нагрузки на изнашиваемую поверхность, для чего изменяли давление на образец с помощью нагружающего устройства машины СМЦ-2. Давление изменялось в пределах от 1 до 15 мПа, при этом площадь контакта образца контртела принималась равной 40х 10 мм.
Результаты эксперимента, проведенного в названных выше условиях, представлены на рисунке 1.
Нагрузка, МПа
Рис. 1. Зависимости износа наплавленных покрытий при сухом трении в присутствии абразива от удельной нагрузки: 1 - сталь упрочнённая нитроцементацией 20ХГСМ; 2 - сталь 30Г6
Как видно из рисунка, нитроцементованное покрытие из стали 20ХГСМ до удельной нагрузки 5 МПа изнашивается незначительно и практически прямо пропорционально прилагаемому к изнашиваемой поверхности усилию. При дальнейшем повышении давления наблюдается заметное повышение интенсивности изнашивания, а при давлении более 6 МПа на многих образцах наблюдается разрушение нитроцемен-тованного слоя. Это разрушение появляется в виде дефектов двух видов: царапин и вмятин, имеющих удлиненную форму, и мелких чешуек.
Наплавленная сталь 30Г6 во всех случаях изнашивается во много раз (в 4... 10 раз) интенсивнее, чем хромистые, а при давлении выше 3 МПа происходит схватывание, что проявляется в вибрации машины и значительном нагреве образцов (появляются цвета побежалости).
Для разработки технологических рекомендаций по упрочнению штампов, восстановленных наплавкой, представляет интерес сравнение интенсивности изнашивания наплавок, полученных с использованием марганцовистых и хромомарганцовистых
Костин Н. А., Трусова Е. В., Колмыков В. И. Износостойкость нитроцементированных наплавок
штамповых сталей при различных температурных режимах
электродов в различных условиях испытаний [Металловедение... 1998]. Для сравнительного анализа все результаты проведенных опытов были приведены к одной сопоставимой величине - интенсивности изнашивания, представляющей собой величину весового износа различных образцов за одно и то же время (1 час). Сравнительные данные, полученные по результатам экспериментов, приведены на рисунке 2.
25i
ЦН-i 0ШЗ-1В 30 Гб 20ХГСМ ЦН-Ь 0ШЗ-1В ЦН-i 0ШЗ-1В
дез упрочнения дез упрочнения нормализация нормализация нитроцементация нитроцементация нитроцементация нитроцементация
(700’С.З г.i {700X3 г! (850Х, 3 г) (850Х 3 г)
Рис. 2. Интенсивность изнашивания наплавленных сталей ЦН-4 и ОЗШ-1В, упрочнённых по различным режимам
Как видно из приведенного рисунка, наивысшей износостойкостью при работе в условиях граничного трения обладают наплавки, полученные с использованием хромомарганцевых электродов и нитроцементованные при низкой температуре (700°С). Однако заметим, что износостойкость нитроцементованных (700°С) наплавок, полученных при использовании хромомарганцовистых электродов, не намного уступает износостойкости наплавок, содержащих хром.
В заключение необходимо отметить, что нитроцементация при повышенных температурах (800°С) по эффективности значительно уступают низкотемпературной нитроцементации, применительно к условиям граничного трения без абразива.
Что касается изнашивания нитроцементованных наплавок в условиях смазки с абразивными включениями, то эффективнее оказывается нитроцементация при повышенных температурах.
Несмотря на высокую твердость карбонитридных корок, образуемых на поверхности наплавок при низкотемпературном процессе, они не выдерживают длительного воздействия абразивных частиц из-за своей небольшой глубины. Зоны диффузионных слоев, лежащих ниже карбонитридных корок, по износостойкости практически не отличаются от среднеуглеродистых сталей (~ в 10 раз ниже, чем карбонитридов).
Высокий уровень абразивной износостойкости установлен лишь в одном случае при использовании легированной наплавки электродом ОЗШ-1В и высокотемпературной нитроцементации при 880°С в течение 8... 10 часов. После нитроцементации по названному режиму наплавки подвергают закалке (с нитроцементационного нагрева либо с повторного нагрева при температуре 820°С) и низкому отпуску (180°С, 2 ч). Данная технология позволяет значительно повысить износостойкость штампов, восстановленных наплавкой с последующей нитроцементацией.
Библиографический список
Колмыков В. И., Трусова Е. В., Гараибе Н. С., Фёдоров А. И. Наплавка молото-
вых штампов для восстановления их работоспособности // Материалы и упрочняющие
технологии-2010: сб. материалов XVII Российской науч.-техн. конф. с международным уч. : 4.2. Курск: ЮЗГУ, 2010. С. 174-177.
Сторожев М. В., Попов Е. А. Теория обработки металлов давлением: учеб. для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2001. 423 с.
Металловедение и термическая обработка стали: справочник. Т. 1. Т. 2. М.: Ме-таллургиздат, 1998.
