CC BY
8
УДК: 621.785.5; 621.793.74
А.Д. Федоров, М.Н. Тимофеев, С.Я. Пичхидзе
К ВОПРОСУ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ТИТАНИРОВАНИЯ И ЦЕМЕНТАЦИИ СТАЛИ 45
Аннотация. Рассматриваются вопросы создания упрочняющего покрытия методом плазменного напыления порошка Ti на сталь марки 45 с последующей цементацией в пастах. Исследуются свойства полученного покрытия методом измерения микротвёрдости по ГОСТ 9450-76, а также морфология и структурные особенности поверхности образцов.
Ключевые слова: плазменное напыление, цементация, сталь марки 45, индукционный нагрев
A.D. Fedorov, M.N. Timofeev, S.Ya. Pichkhidze
THE ISSUES OF SEQUENTIAL TITANIZING AND CASE HARDENING OF STEEL 45
Abstract. The issues of creation a hardening coating by plasma spraying of Ti powder on steel grade 45 with subsequent carburizing in pastes are considered. The properties of coating obtained by measuring microhardness in line with GOST 9450-76, , as well as morphology and structural features of the surface of the samples are studied.
Keywords: plasma spraying, carburizing, 45 steel, induction heating
ВВЕДЕНИЕ
Потеря деталью своего служебного назначения и ее разрушение в большинстве случаев начинается с поверхностного слоя, например, возникновение и развитие усталостной трещины, коррозии, эрозии, износа и др. [1].
Достижения современной науки и техники позволяют решать эти проблемы путем создания материалов с заданными структурой и свойствами за счет новых эффективных способов упрочнения. На сегодняшний день распространенным способом упрочнения
высоконагруженных деталей машин (зубчатые колеса, шестерни и др.) являются: объемная закалка, закалка токами высокой частоты, химико-термическая обработка (цементация, нитроцементация, азотирование) [2].
Объемная закалка - наиболее простой способ получения высокой твердости зубьев. При этом зуб становится твердым по всему объему. Для объемной закалки используют углеродистые и легированные стали со средним содержанием углерода 0,35...0,50 % (стали 45, 40Х, 40ХН и т. д). Твердость на поверхности зуба составляет 45.. .55 HRC.
Основные недостатки объемной закалки: коробление зубьев и необходимость последующих отделочных операций; понижение изгибной прочности при ударных нагрузках (материал приобретает хрупкость); ограничение размеров заготовок, которые могут воспринимать объемную закалку. Последнее связано с тем, что для получения необходимой твердости при закалке скорость охлаждения не должна быть ниже критической. С увеличением размеров сечений детали скорость охлаждения падает, и если ее значение будет меньше критической, то получается так называемая мягкая закалка. Мягкая закалка дает пониженную твердость.
Объемную закалку во многих случаях заменяют поверхностными термическими и химико-термическими видами обработки, которые обеспечивают высокую поверхностную твердость (высокую контактную прочность) при сохранении вязкой сердцевины зуба (высокой изгибной прочности при ударных нагрузках) [3].
Химико-термическая обработка (цементация, ХТО) повышает твердость, износостойкость, задиростойкость, кавитационную и коррозионную стойкость и создает на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, повышая тем самым усталостную прочность и надежность деталей машин [4].
Наиболее часто для упрочнения деталей машин на машиностроительных предприятиях применяется цементация. При цементации стальное изделие не подвергается значительному термическому воздействию, но при этом твердость его поверхностного слоя значительно увеличивается. Важно, что размеры цементуемых деталей не изменяются. Цементацию применяют в технологии изготовления зубчатых колес небольших размеров, при этом твердость поверхностного слоя должна составлять 658.771 НУ (56.60 HRC), а толщина цементованного (поверхностного) слоя -0,10.0,15 мм от толщины зуба [5-7].
Для цементации применяют низкоуглеродистые стали 3, 10, 20 и легированные стали 20Х, 12ХН3А, 30ХГСА. Они широко применяется при изготовлении шестерни, вала-шестерни, червяка, кулачковых муфт, и других цементируемых деталей, к которым предъявляются требования высокой прочности, пластичности, вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающих под действием ударных нагрузок или при отрицательных температурах [8-9].
Поверхностная закалка токами высокой частоты или пламенем ацетиленовой горелки обеспечивает твердость 48...54 HRC и применима для сравнительно крупных зубьев ^ > 5 мм). При малых модулях возможно сквозное прокаливание зуба, что приводит к охрупчиванию и сопровождается короблением зубьев. При относительно тонком поверхностном закаливании профиль зуба искажается менее существенно. Однако без дополнительных отделочных операций трудно обеспечить степень точности выше 8-й. Закалка ТВЧ требует специального оборудования и строгого соблюдения режимов обработки. Стоимость обработки ТВЧ значительно возрастает с увеличением размеров колес. Наиболее часто поверхностной закалке подвергают зубчатые колеса из стали 40Х, 40ХН, 45 [10].
Одним из наиболее широко применяемых способов поверхностного упрочнения, основанного на диффузии легирующих элементов в поверхностный слой изделий из насыщающей среды при высоких температурах, является ХТО, цементация с последующей закалкой. Упрочнение методом цементации позволяет получить более стабильные показатели твердости, чем при осуществлении других видов ХТО [11]. При цементации происходит насыщение поверхностного слоя детали углеродом до концентрации 0,81,1 % и получение после закалки высокой твердости поверхностного слоя при сохранении пластичной сердцевины [12-14].
Цель работы: создание упрочняющего покрытия на образцах из стали марки 45 методами последовательного плазменного напыления порошка титана и цементации, анализ механических свойств полученного покрытия.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
— синтез новой обмазки на основе аммонийной соли 2-моноэтаноламина и лимонной кислоты;
— анализ механических свойств плазмонапыленного Тьпокрытия;
— анализ механических свойств цементованного ^С-покрытия;
— исследовалось изменение механических свойств материала при использовании изменяющихся по времени режимов ХТО;
— идентификация элементного состава полученного составного покрытия.
Пример 1. Синтез аммонийной соли 2-моноэтаноламина и лимонной кислоты.
Смешение 2-моноэтаноламина СТП ТУ КОМП 2-198-10, лимонной
(2-гидроксипропан-1,2,3-трикарбоновая) кислоты ГОСТ 908-04 и дистиллированной воды проводили в мольном соотношении 1:1:1 в литровой колбе при нагревании до температуры 88-98° С. Стабилизацию смеси осуществляли путем ее выдержки в течение не менее 2 часов с последующим удалением воды на ротационном испарителе при подъеме температуры до 97-100° С. После чего полученную вязкую массу аммонийной соли
2-аминоэтанола и лимонной кислоты переносили в отдельную ёмкость. Элементный анализ синтезированной соли и ИК-спектр подтверждают образование соединения НОС(О)СН2С(ОН)С(О)(ОН) СН2С(0)0-НэК+СН2СН20Н (табл. 1, рис. 1).
Таблица 1
Элементный анализ синтезированной соли
НОС(О)СН2С(ОН)С(О)(ОН) СН2С(О)О- НзК+СЩСЩОН
Содержание С Н N
Теоретическое 37,94 5,93 5,53
Найдено 37,8; 37,8; 37,9 5,9; 5,7; 5,8 5,3; 5,5; 5,7
Основные полосы поглощения: 2953,7 см-1 - асимметричные, 2918,6 см-1 - симметричные валентные колебания СН2-групп; 1704,1, 1633,0, 1575,2 и 1404,4 см-1 - анион сложноэфирной группы - С(О)О-, 3500-3400 см-1 - катион -ЫНз+ - группы, 1780,2 см-1 -карбонильная группа С = О.
Рис. 1. ИК - спектр синтезированной соли Пример 2. Титанирование поверхности стали марки 45.
При проведении исследования были вырезаны пять дисков из стали марки 45 по ГОСТ 1050-88, 0 17 мм, толщиной 3 мм. Диски были подвергнуты пескоструйной обра-
ботке и ультразвуковой чистке, обезжирены этанолом, (рис. 2а) для подготовки к плазменному напылению.
Стальные диски закреплены магнитным прижимом на мишени (рис. 2б), далее на подготовленные образцы нанесено плазменное покрытие, порошком Т марки ПТС-1 по ГОСТ 19807-91 дисперсностью 40 мкм (рис. 2в) в установке УПН-28, при токе дуги 240А, расстоянии 30 см.
Рис. 2. Этапы нанесения плазменного покрытия порошка титана, где: а - образцы из стали марки 45, подготовленные к плазменному напылению; б - образцы на магнитном прижиме в УПН-28; в - процесс плазменного напыления; г - результат нанесения плазменного покрытия
Как видно из рис. 1г, покрытие лучше всего нанесено на три образца: два из верхнего ряда и один расположенный в середине нижнего ряда. Эти образцы использованы в дальнейшем для исследований.
Пример 3. Цементация плазменного плазмонапыленного Тьпокрытия на стали марки 45.
Для последующей цементации приготовлена обмазка, состоящая из смеси 2 г графита и 2 г аммонийной соли 2-моноэтаноламина и лимонной кислоты согласно примеру 1. Обмазка наносилась на образцы после плазменного нанесения Т - покрытия согласно примера 2. Перед ХТО образцы охлаждены до температуры -15° С, рис. 3а. ХТО (рис. 3б) проводилась посредством индукционной закалки с предварительным нагревом током 250 А, в индукционной печи ВЧ-15А, тремя циклами, параметры которых представлены в табл. 2.
б
Рис. 3. Цементация образцов, где: а - образцы, подготовленные к науглероживанию, покрытые цементирующей пастой; б - процесс науглероживания в индукционной печи
Таблица 2
Режимы цементации образцов
Номер образца Сила тока на индукторе, I, А Температура, Т, °С Время выдержки, мин
I 240 1000 5
II 240 1000 4
III 240 1000 3
а
Извлечённые образцы после ХТО подвергались очистке в ультразвуковой ванне в водном 40 % спиртовом растворе в течение 7 мин. После промывки титановые диски подвергали анализу микротвердости поверхности по ГОСТ 9450-76 при помощи микротвердомера ПМТ-3 с грузом массой 100 г. От металлических дисков вырезаны сегменты и залиты эпоксидной смолой для изготовления микрошлифов. Подготовленные микрошлифы обрабатывались абразивной бумагой от меньшего номера к большему. Направление движения выбиралось от напыления вглубь образца для сохранения плазменного покрытия. Для индентирования образцов были выбраны следующие участки: покрытие образца, граница диффузионного слоя, 50 мкм от укола границы, 150 мкм от укола на 50 мкм и середина образца, на каждом участке делалось по 5 уколов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ рис. 4 и 5а показывает, что в результате плазменного напыления и ХТО на шлифах образцов надежно выделяются следующие три области: покрытие, диффузионный слой и неупрочнённая основа стали. При этом заметна по падению твёрдости граница между напылением и диффузионным слоем, что связано с одновременными процессами диффузии и десорбции, протекающими во время физико-химической обработки. Исследование морфологии и структурных особенностей поверхности образцов (рис. 5б) вторичными и отраженными электронами, а также химического состава (рис. 5в) на растровом электронном микроскопе «Aspex EXplorer» подтверждает гипотезу о возможности получения упрочнённого слоя TiC и науглероженного железа.
450
400
350
и
300
2С
250
о
с
¡? 200
и
§:
£ 150
о
100 50 0
Покрытие Граница слоя 50 мкм 150 мкм Центр Глубина упрочнённого слоя
Рис. 4. Графики зависимости микротвердости на шлифах от глубины упрочнённого слоя
Рис. 5. РЭМ/ЭДРА, где: а - шлиф при 800*, где: I - эпоксидная смола, II - покрытие, III -диффузионный слой; б - шлиф при 10000*; в - спектр поверхности
Таким образом, разработана технология упрочнения высоконагруженных изделий и тел вращения из стали 45 путём нанесения плазменного покрытия порошка титана и последующей цементации.
в
Данная технология позволит в дальнейшем получить упрочнённый слой, состоящий из карбида титана TiC и науглероженного железа Fe3C, имеющий высокую твёрдость и износостойкость.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Получено упрочняющее покрытие на образцах из стали марки 45 методами последовательного плазменного напыления порошка Ti и цементации. Проведенные испытания микротвёрдости показали образование упрочнённого покрытия и диффузионного слоя. Показано, что твёрдость покрытия увеличилась в 1,5-2 раза в зависимости от режимов цементации. Исследования химического состава позволяют предположить образование упрочнённого слоя из TiC и науглероженного железа, имеющего высокую твёрдость и износостойкость. Разрабатываемая технология позволит получить для высоконагруженных узлов износостойкое покрытие, состоящее из карбида титана TiC.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Собачкин А.В., Ситников А.А., Яковлев В.И. Нанесение различных функциональных покрытий из СВС - механокомпозитов газодетонационным методом // Пол-зуновский вестник. 2019. Вып. 1. С. 186-191.
2. Магин Д.Ю., Костромин С.В. Исследование структуры и свойств высокопрочной теплостойкой стали после объемной термической обработки и лазерного поверхностного упрочнения // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Нижний Новгород, 2013. Вып. 4 (101). С. 256-261.
3. Иванов М.Н. Детали машин: учеб. для машиностр. спец. вузов. 4-е изд., пере-раб. Москва: Высшая школа, 1984. 336 с.
4. Бокштейн С.З. Диффузия в металлах. Москва: Металлургия, 1978. 248 с.
5. Магин Д.Ю., Костромин С.В. Оценка применения технологии лазерного поверхностного упрочнения и объемной термической обработки для повышения эксплуатационных свойств и формирования упрочненного слоя на поверхности детали зубчатое колесо // Инновации в материаловедении и металлургии: материалы III Междунар. интерактив. науч.-практ. конф. [Екатеринбург, 17-21 декабря 2013 г.] Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2013. С. 226-228.
6. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов: учеб. пособие для вузов. Москва: Металлургия, 1985. 256 с.
7. Козловский И.С. Химико-термическая обработка шестерен. Москва: Машиностроение, 1970. 232 с.
8. Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. Москва: Машиностроение, 1988. 240 с.
9. Кобелева К.В., Туктамышев В.Р. Обзор методов повышения долговечности авиационных зубатых передач // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2017. № 50. 11 с. doi: 10.15593/2224-9982/2017.50.12.
10. Татаринов И.В. Механоэлектрохимическая обработка упрочненных зубчатых колес: дис... канд. техн. наук: 05.02.07. Тула, 2010. 134 с.
11. Решетов Д.Н. Детали машин: учеб. для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов. 4-е изд., перераб. и доп. Москва: Машиностроение, 1989. 496 с.
12. Исследование влияния тока индуктора на структуру и механические свойства газотермических титановых покрытий / Е.О. Осипова, О.А. Маркелова, В.А. Ко-шуро, А.А. Фомин // Вопросы электротехнологии. 2021. № 3 (32). С. 27-32.
13. Палканов П.А., Кошуро В.А., Фомин А.А. Влияние тока индуктора при азотировании стали Р6М5 на структуру и микротвердость диффузионного слоя // Вопросы электротехнологии. 2021. № 2. С. 5-12.
14. Структура и микротвердость упрочненных слоев, формируемых на титане при лазерной обработке в среде графита / В.А. Кошуро, Е.О. Осипова, М.А. Фомина, А.А. Фомин // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2021. № 3 (90). С. 80-87.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Фёдоров Андрей Дмитриевич -
магистрант кафедры «Системотехника и управление в технических системах» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Andrey D. Fedorov -
Master student, Department of System Engineering and Control in Technical Systems, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Тимофеев Максим Николаевич -
ассистент кафедры «Системотехника и управление в технических системах» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., сотрудник ФИЦ «Саратовский научный центр РАН»
Пичхидзе Сергей Яковлевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Maxim N. Timofeev -
Assistant Lecturer, Department of System Engineering and Control in Technical Systems, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Staff member at the Federal Research Center «Saratov Scientific Center of the Russian Academy of Sciences»
Sergey Ya. Pichkhidze -
Dr. Sci. Tech., Professor, Department of Materials Science and Biomedical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 25.07.2022, принята к опубликованию 12.09.2022
