CC BY
185
УДК 621
КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ
© 2016 Д. В. Колмыков1, О. В. Воробьева2, В. В. Катенев3
1канд. техн. наук, доцент кафедры безопасности жизнедеятельности и сервиса транспортных средств e-mail: d.v.kolmykov@,gmail.ru
Курский государственный университет
2канд. техн. наук, доцент, заведующая кафедрой информационной, техносферной безопасности и правовой защиты информации
Курская академия государственной и муниципальной службы
3аспирант кафедры машиностроительных технологий и оборудования
Юго-Западный государственный университет
Приведены и проанализированы комбинированные и двухступенчатые технологии восстановления и упрочнения стальных деталей с использованием методов нанесения покрытий с последующей упрочняющей обработкой
Ключевые слова: восстановление деталей, упрочнение деталей, химико-термическая обработка, наплавка, железнение, газопламенное напыление, графитизация, нитроцементация, азотирование, цианирование, цементация, структура стали.
Главным недостатком практически всех металлических покрытий, наносимых различными методами (наплавкой, газотермическим напылением , электроосаждение и др.), является наличие в них остаточных напряжений, которые негативно сказываются на усталостной прочности и других свойствах деталей с покрытиями. Кроме того, в покрытиях, нанесенных на поверхности деталей, могут встречаться несплошности (поры) и другие дефекты, отрицательно влияющие на прочность.
Радикальным способом устранения указанных недостатков и обеспечения высоких эксплуатационных характеристик изделий с нанесенными на их поверхности покрытиями может быть химико-термическая обработка. Насыщение металлических покрытий из внешней среды различными элементами изменяет их химический и фазовый состав, повышая твердость, создавая благоприятные напряжения сжатия и устраняя дефекты структуры.
В этом плане представляет интерес серия работ [Колмыков, Рослков 2009; Колмыков, Серебровский 2009; Бедин, Колмыков 2011] по упрочнению стальных деталей и инструментов комбинированной обработкой, включающей нанесение на их рабочие поверхности покрытий с последующей цементацией или нитроцементацией. При этом покрытия на крупногабаритные изделия наносятся наплавкой или газотермическим напылением, а на изделия небольших размеров - электроискровым легированием или электролитическим осаждением железохромистого сплава. Насыщение таких покрытий азотом и углеродом производится из высокоактивных твердых сред (порошковых и пастообразных карбюризаторов) или соляных ванн.
Изменяя систему и степень легирования материала покрытий и режимы насыщения их углеродом и азотом, можно получить практически любые требуемые характеристики поверхностных слоев.
Для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания, разработан способ получения износостойких покрытий, содержащих большое количество высокотвердых карбидных включений, сопротивляющихся действию абразивных частиц [Костин и соавт. 2015]. Этот способ состоит в наплавке на упрочняемые поверхности материала, содержащего 1.. .2% Сг (например, стандартной проволоки СВ-30ХГСА), и последующем науглероживании до заэвтектоидных концентраций в высокоактивном карбюризаторе. В результате на поверхности образуется структура типа металлического композита (рис. 1) с твердыми цементитными включениями (Иц = 1000.1200) в вязкой матрице.
Рис. 1. Микроструктуры поверхностной зоны наплавленной стали 30ХГСА после цементации в высокоактивном пастообразном карбюризаторе
Содержание карбидов в цементованном слое может достигать 70%, что обеспечивает ему после закалки и низкого отпуска очень высокую износостойкость, в 5 и более раз выше по сравнению с аналогичной нецементованной сталью, в сочетании с удовлетворительной ударной вязкостью. Такие же слои можно получить и без наплавки на сталях, легированных соответствующим количеством хрома.
Карбюризатор, используемый для такого рода цементации, должен обладать высокой активностью, достаточной для предельного насыщения твердого раствора и образования избыточных карбидов. Наилучшие результаты получаются при использовании пастообразного карбюризатора на основе аморфного углерода (сажи).
Для деталей, работающих в условиях недостаточной смазки или вовсе без таковой, разработан аналогичный метод цементации, обеспечивающий образование графитосодержащих диффузионных слоев (рис. 2). При этом цементуемые стали или наплавленные покрытия должны содержать в своем составе кремний, поскольку он способствует образованию графита при науглероживании, и не содержать карбидообразующих элементов.
Для большего содержания графита в структуре диффузионного слоя (до 20%) изделие после цементации можно подвергнуть дополнительному графитизирующему отжигу (900...920 °С, 8...10 ч).
Графит, образующийся в поверхностных слоях стальных изделий после такого рода обработки, играет роль твердой смазки, снижает коэффициент трения (в 2.3 раза по сравнению со сталью) и не допускает схватывания контактирующих поверхностей в сопряжениях.
Рис. 2. Графитизированный слой на покрытии, наплавленном проволокой СВ-08ГС после цементации в активном пастообразном карбюризаторе (950 °С, 10 ч)
Представленный выше процесс графитизации наплавленных покрытий довольно длительный и дорогой, так как требует высокотемпературного нагрева, поэтому при его внедрении в производство могут возникнуть технологические и экономические трудности. В связи с этим была разработана технология ускоренной графитизации поверхностных слоев стальных изделий посредством двухступенчатой (низко- и высокотемпературной ступеней) нитроцементации. Для проведения такой нитроцементации используется специальная азотисто-углеродная паста, которая при низкой температуре способствует насыщению стали азотом, а при высокой - углеродом [Колмыков и соавт. 2010].
Первая ступень графитизирующей нитроцементации проводится при температуре 600.650 °С, при которой поверхность металла насыщается большим количеством азота. Вторая ступень нитроцементации (собственно графитизация) проводится при температуре ~850 °С. На этой ступени происходит деазотирование поверхности с образованием пор (эффект т.н. «темной составляющей»), которые заполняются углеродом, поступающим из внешней среды. В результате за относительно короткое время (3 ч при 650 °С + 3 ч при 850 °С) на поверхности стали получается графитизированный слой толщиной около 0,2 мм с содержанием графита до 7 %. Закалка графитизированных изделий при двухступенчатой нитроцементации может производиться непосредственно с нитроцементационного нагрева, что дополнительно снижает стоимость процесса и очень удобно для массового производства.
Для деталей, работающих в условиях трения со смазкой, в том числе в условиях полусухого трения, рационально использовать низкотемпературные технологии химико-термической обработки, позволяющие получать на упрочняемых поверхностях нитридные и карбонитридные слои, отличающиеся высокой твердостью и пониженным коэффициентом трения. При этом малое значение толщин упрочненных слоев (~ 0,15 мм), получаемых при низкотемпературной обработке, не имеет решающего значения, поскольку износы таких деталей по большей части, незначительны.
В состав сталей и покрытий, которые предполагается подвергать низкотемпературной обработке, должны входить нитридо- и карбонитридообразующие элементы (V, Мо, Т1, Сг и др.). Низкотемпературную нитроцементацию можно проводить различными методами: в газовых атмосферах, в порошках, в соляных ваннах и др.
При комбинированном упрочнении деталей, работающих в условиях граничного трения, можно использовать электрохимическое осаждение легированных покрытий на основе железа с последующим низкотемпературным цианированием, например, в соляных ваннах. Для такого метода упрочнения можно использовать ванну на основе карбамида с добавлением соединений натрия [Колмыков, Серевбровский 2008] Активность такой ванны не отличается от активности цианистой ванны (ТепшГег-ТиГйпёе), а стоимость и токсичность в разы ниже. Обработка в карбамидо-натриевой ванне при температуре 560.580 °С позволяет получать на стальных поверхностях карбонитридные слои, отличающиеся очень высокой износостойкостью (рис. 3).
В результате химико-термической обработки, как низкотемпературной, так и высокотемпературной, на поверхности диффузионных слоев возникают сжимающие напряжения, что благоприятно сказывается на усталостной прочности изделий. Износостойкость цианированных слоев в 8.10 раз выше износостойкости закаленной стали.
Легирование поверхностных слоев стальных изделий при комбинированном упрочнении можно производить лазерной обработкой. Применение лазерной обработки наиболее эффективно, если при лазерном легировании вводятся нитридообразующие элементы [Колмыков и соавт. 2013]. При этом после азотирования на поверхности удается получить чрезвычайно высокую микротвердость (до 20 ГПа) и заметно (в 1,5.2 раза) повысить износостойкость по сравнению, например, с азотированной сталью 38Х2МЮА.
Известен пример использования такого метода комбинированного упрочнения, как нанесение на поверхности деталей электролитических железных покрытий с последующим диффузионным борированием. Насыщение бором производится из порошковой смеси на основе карбида бора с добавкой оксида алюминия (температура процесса 980 °С, длительность - 2.6 ч). В результате получается борированный слой, упрочняющей фазой в котором является Бе4В, глубиной от 0,1 до 0,25 мм с микротвердостью 14.16 ГПа. Борирование увеличивает износостойкость изделий с различными покрытиями и без покрытий. Этот метод рекомендуется для упрочнения и восстановления деталей, работающих в абразивных средах.
Рис. 3. Микроструктура электрохимического железохромистого покрытия (~ 3 % Cr) после цианирования в карбамидо-натриевой ванне (570 °С, 1 ч)
К настоящему времени разработанно множество комбинированных способов упрочнения режущих инструментов и штампового оборудования. Среди них значительное место занимают методы, сочетающие технологии поверхностного упрочнения (ХТО, лазерный нагрев, вибрационная обработка и т.п.) с последующим нанесением тонких (2.10 мкм) «пленочных» покрытий из высокотвердых, жаростойких, износостойких и других подобных материалов. Формирование твердой подложки и нанесение на нее высокотвердых покрытий методами химического (CVD) или физического (DVD) осаждения позволяет существенно повысить стойкость инструментов.
Тонкие покрытия на металлических поверхностях могут быть получены, например, методами конденсации вещества из плазменной фазы в условиях ионной бомбардировки в вакууме (метод КИБ). Ионно-плазменные покрытия, полученные этим методом, имеют незначительную толщину, так как максимальная прочность наблюдается при 5.10 мкм, и хорошие адгезионные свойства. После нанесения покрытий не требуется механической обработки, эти покрытия не изменяют свойств подложки.
Для нанесения ионно-плазменных покрытий отечественной промышленностью выпускаются установки («Булат», «Пуск» и др.), которые используются в основном для нанесения нитрида титана на инструмент из быстрорежущей стали. За 20.30 минут обработки осаждается покрытие толщиной 4.6 мкм с микротвердостью 24.26 ГПа. Стойкость инструмента после такой обработки повышается в 2.5 раз.
Одним из перспективных методов комбинированного упрочнения инструмента и ответственных изделий из стали и сплавов других металлов (например, никелевых) может быть нанесение на их поверхности электроискровых покрытий с их последующим выглаживанием [Емельянов и соавт. 2011]. Электроискровые покрытия получаются в результате переноса материала электрода на упрочняемые поверхности при импульсном искровом разряде. При этом в разряде концентрируется энергия,
достаточная для эрозии самых твердых и тугоплавких материалов. Широко используются твердые сплавы (содержащие карбиды вольфрама и титана), различные ферросплавы, белые легированные чугуны, графит и др. Метод не требует нагрева и последующей термообработки, однако электроискровые покрытия имеют повышенную пористость и большую шероховатость поверхности, а также внутренние растягивающие напряжения. Для устранения этих недостатков необходимо использовать дополнительную обработку электроискровых покрытий: лазерное оплавление, алмазное выглаживание, электрохимическое упрочнение и др.
Электромеханическая упрочняющая обработка (ЭМО) заключается в высокоскоростном нагреве локальных поверхностных объемов металла импульсным электрическим током высокой плотности (108...109 А/м2) при напряжении 2...7 В с одновременной пластической деформацией и быстрым охлаждением. Такая обработка приводит к образованию на поверхности бесструктурного «белого слоя», обладающего повышенной твердостью и износостойкостью. Электромеханическая обработка, кроме того, повышает усталостную прочность изделий.
Библиографический список
Бедин В.В., Колмыков В.И. Об эффективности химико-термической обработки деталей машин, восстановленных наплавкой в среде защитных газов // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2011. Т. 6. № 6. С. 77-79.
Колмыков В.И., Росляков И.Н. Низкотемпературная нитроцементация как способ повышения эксплуатационных свойств деталей, восстановленных железнением // Автомобильная промышленность. 2009. №11. С. 28-32.
Колмыков Д.В., Серебровский В.И. Восстановление деталей машин цементованными железохромистыми покрытиями // Главный механик. 2009. №3. С. 912.
Костин Н.А., Трусова Е.В., Колмыков В.И. Восстановление штампового инструмента наплавленными цианированными покрытиями // Металлургия машиностроения. 2015. №2. С. 28-30.
Колмыков В.И., Черкашин Е.А., Трусова Е.В. Исследование структуры и свойств конструкционной стали массового использования 30ХГТ после цианирования // Материалы и упрочняющие технологии - 2010: сб. материалов XVII Российской научн. техн. конф. Курск: КГТУ, 2010. С. 191-196.
Колмыков Д.В., Серебровский В.И. Структура и свойства гальванических железных покрытий, упрочненных низкотемпературной нитроцементацией // Аграрная наука. 2008. №1. С. 32-35.
Колмыков В.И., Горожанкин В.В., Романенко Д.Н. и др. Прогнозирование абразивной износостойкости двухфазных структур в металлических композитах // Заготовительные производства в машиностроении. 2013. №5. С. 40-42.
Емельянов С.Г., Сальников В.Г., Колмыков В.И. Поверхностное упрочнение восстановленных деталей машин химико-термической обработкой - перспективное направление развитие ремонтного производства // Известия Юго-Западного университета. 2011. №6-2 (39). С. 115-119.
