CC BY
10УДК 621.785
МНОГОКОМПОНЕНТНОЕ ДИФФУЗИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И ИНСТРУМЕНТА ИЗ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ КАРБИДА БОРА
А.М. ГУРЬЕВ, доктор техн. наук, профессор, А.Д. ГРЕШИЛОВ, канд. техн. наук, доцент, докторант, Е.А. КОШЕЛЕВА, канд. техн. наук, С.Г. ИВАНОВ, канд. техн. наук, М.А. ГУРЬЕВ, аспирант, А.Г. ИВАНОВ, аспирант,
А. А. ДОЛГОРОВ, аспирант, АлтГТУ, г. Барнаул
Статья получена 31 марта 2010 г.
Гурьев А.М. - 656038, Барнаул, пр. Ленина, 46, Алтайский государственный технический университет, e-mail: gurievam@mail.ru
Показано, что добавки соединений бора с титаном, бора с хромом к карбиду бора значительно увеличивают срок службы инструмента, а также повышают экономичность процесса диффузионного насыщения в сравнении с другими способами ХТО. Проведены экспериментальные исследования по боротитанированию и борохромированию при циклически изменяющихся температурах. Исследования показали, что применение термоциклирования в процессе насыщения позволило в 2 раза сократить время процесса насыщения.
Ключевые слова: сталь, химико-термическая обработка, химико-термоцикли-ческая обработка, износостойкость, насыщение, бор, титан, хром.
It was obtained that the compounds of boron in combination with titanium, boron in combination with chromium as the admixtures to boron carbide considerably increased service life of tools. The method appeared to be more economical in comparison with other methods of chemical-thermal treatment. Experimental researches of the saturation of surfaces by boron in combination with titanium and boron in combination with chromium at cyclic-thermal treatment were made. The studies showed that the use of thermal-cyclic treatment in the saturation process allowed decreasing the duration of the process in two times.
Key words: steel, chemical-thermal treatments, cyclic-thermal treatment, wear resistance, saturation, boron, titanium, chromium.
Исследования воздействия насыщающих сред в виде обмазок при химико-термической обработке (ХТО) показали, что соединения бора с различными металлами достаточно эффективны и как поставщики бора, и как поставщики второго компонента. Использование соединений бора с титаном, бора с хромом в качестве добавки к карбиду бора значительно увеличивает срок службы инструмента, а также более экономично в сравнении с другими способами ХТО при получении покрытий с заданными свойствами [1].
Повышение работоспособности деталей узлов машин и механизмов, инструмента и технической оснастки, их надежности и долговечности обеспечивается в определенной мере оптимизацией технологии нанесения борсодер-жащих покрытий, а также химического состава насыщающей смеси [2-5].
Целью настоящей работы являлось установление и аналитическое описание зависимости износостойкости и толщины упрочняющего покрытия при диффузионном борохромиро-вании и боротитанировании от соотношения
компонентов, входящих в состав насыщающей смеси.
Для описания зависимости "состав - свойство" в многокомпонентных системах более удо -бен метод симплексных решеток, позволяющий получать математическую модель исследуемой зависимости, ее графическую интерпретацию и не требующий большого объема экспериментов. Данный метод был применен при изучении влияния химического состава многокомпонентной насыщающей среды на толщину и износостойкость борсодержащих покрытий инструментальных сталей.
В качестве исходных компонентов насыщающей смеси (обмазки) для диффузионного боро-хромирования использовались феррохром (БеСг), карбид бора (В4С), мелкодисперсный графит, бентонит и фторид аммония (ЫН4Б).
Для диффузионного боротитанирования использовались диборид титана (Т1В2), карбид бора (В4С), мелкодисперсный графит, бентонит и фторид аммония (КН4Б).
В качестве упрочняемых деталей способом диффузионного борохромирования были использованы штамповые вставки для горячего деформирования из стали 5ХНМ. Насыщающая смесь разводилась в воде до пастообразного состояния и наносилась на упрочняемую поверхность детали слоем толщиной 4...6 мм. После сушки деталей на воздухе до получения твердой корки производили процесс насыщения в термической печи при температуре 1050 °С в течение 6 часов. Затем проводили охлаждение в масле с температуры насыщения и последующий отпуск. Износостойкость оценивали ресурсом упрочненной штамповой вставки по количеству отштампованных деталей.
Ранее проведенные исследования [1-5] показали, что зависимость свойств покрытий от состава насыщающей смеси необходимо изучать не во всей области изменения концентрации компонентов, а только на локальный участок, который ограничивается следующим содержанием веществ в смеси при диффузионном борохромиро-вании: В4С - 40...80 %, БеСг - 10...30 %, графита - 10 ^.20 %, КН4Б - 5.10 %, бентонита - 2 . . . 5 %; при диффузионном боротитаниро-вании: В4С - 40 . . . 80 %, Т1В2 - 10 . . . 30 %, гра-
фита - 10 . . . 20 %, КН4Б - 5 . . .10 %, бентонита - 2 5 %. 4
Так как изучаемая локальная область представляет собой неправильный симплекс, то для получения уравнения регрессии были составлены симплекс-решетчатые планы {5, 2} относительно псевдокомпонентов, представляющих собой полный план, и соответственно исходных компонентов насыщающей смеси. Были получены коэффициенты уравнения регрессии в координатах псевдокомпонентов, проверена адекватность реализованного плана. Для практического использования произведен перевод координат из одной аффинной системы в другую и получено уравнение регрессии в исходных координатах.
Были построены математические модели второй степени зависимости износостойкости и толщины упрочняющего покрытия от соотношения компонентов, входящих в составы насыщающих смесей. По результатам планирования экспериментов проведены контрольные опыты, которые подтвердили правильность математических моделей.
На упрочненных деталях поверхность приобрела характерную для боридных слоев тексту-рованность материала (рис. 1).
Проведена оптимизация химического состава и установлено оптимальное количественное содержание компонентов в насыщающей смеси при диффузионном борохромировании.
1. При содержании в насыщающей смеси в процессе борохромирования феррохрома меньше 15 % от общей массы преимущественно имеет место насыщение бором, что приводит к высокой хрупкости диффузионного слоя и, следовательно, к снижению ресурса работы. При содержании в обмазках БеСг больше 25 % преимущественно реализуется процесс хромирования, что приводит к образованию более мягких диффузионных слоев, обладающих пониженной твердостью и соответственно низким ресурсом.
2. Содержание в насыщающей смеси В4С меньше 50 % приводит к получению диффузионных слоев с малой твердостью и снижению ресурса упрочненных деталей. При содержании карбида бора больше 60 % преимущественно
происходит насыщение бором, что приводит к высокой хрупкости получающихся слоев и выходу изделия из строя еще до начала процесса эксплуатации.
3. При содержании в обмазке мелкодисперсного графита в количестве ниже 10 % формируются упрочненные слои малой толщины. Отделение обмазки от поверхности упрочненной детали затруднено. Содержание мелкодисперсного графита больше 15 % от общей массы приводит к сползанию обмазки с упрочняемой детали и, как следствие, отсутствию упрочненного слоя.
4. При содержании в насыщающей смеси бентонита меньше 5 % возможно осыпание обмазки в процессе сушки либо сползание ее в процессе насыщения. Содержание бентонита в обмазке более 7 % дает диффузионные слои малой толщины, что способствует образованию сколов при отделении обмазки из-за ее повышенной адгезии к поверхности детали.
5. При содержании в насыщающей смеси фторида аммония в количестве меньшем 2 %, возможно получение диффузионного слоя очень малой толщины либо полное его отсутствие по причине недостаточной активности смеси. Количество фторида аммония большее 3 % повышает активность смеси и приводит к прогару обмазки, окислению поверхности детали, что снижает стойкость упрочненной детали.
Оптимальное содержание компонентов в насыщающей смеси при диффузионном боро-титанировании соответствует следующим значениям:
20.25 мас.% диборида титана (при данном содержании образуются упрочненные слои с наиболее высоким ресурсом);
50.60 мас.% карбида бора (при этом содержании образуются диффузионные слои с наибольшей пластичностью и износостойкостью);
10.15 мас.% мелкодисперсного графита (обеспечивает легкое отделение обмазки и достаточную толщину диффузионных слоев);
5.7 мас.% бентонита (обеспечивает необходимую жесткость обмазке в процессе насыщения и предотвращает осыпание обмазки в процессе сушки);
3.5 мас.% фторида аммония (обеспечивает необходимую активность насыщающей смеси, что приводит к формированию диффузионных
в
Рис. 1. Микроструктура поверхностных слоев: а - диффузионное борохромирование стали 5ХНМ; б - диффузионное боротитанирование стали 45; в - структура борированной стали 45 (цена малого деления шкалы - 1 мкм)
слоев с оптимальными пластичностью и износостойкостью).
По результатам исследований и оптимизации химического состава разработаны новые составы насыщающих смесей и технология для комплексного поверхностного диффузионного упрочнения деталей машин и инструмента из конструкционных и инструментальных сталей [6, 7].
Испытания упрочненных по разработанной технологии штамповых вставок из стали 5 ХНМ показали, что использование разработанной технологии диффузионного упрочнения позволяет повысить их стойкость от 2,5 до 4,35 раз в сравнении с ранее используемой технологией упрочнения, а также уменьшить трудоемкость процесса упрочнения в 3 раза без применения специального сложного оборудования. Сравнение результатов экспериментов, проведенных для получения аналитических зависимостей, подтверждает возможность замены в большинстве случаев стали 5 ХНМ на сталь 30ХМ, упрочненную разработанным способом боро-хромирования.
Данное предположение обосновывается тем, что сталь 5 ХНМ является штамповой сталью и чаще всего применяется для горячей штамповки. Поэтому преобладающим видом износа для данной стали является образование так называемых разгарных трещин на поверхности штампа. Боридные слои на поверхности штамповых сталей кроме высокой износостойкости обладают также свойством «залечивать» зарождающиеся разгарные трещины и таким образом значительно продлевать ресурс работы всего изделия в целом. При борировании стали 5ХНМ возможно получение диффузионного слоя толщиной до 70 мкм (слои большей толщины обладают высокой хрупкостью и поэтому неработоспособны). При бориро-вании стали 30ХМ толщина слоя может быть увеличена до 120... 150 мкм при сохранении работоспособности. В итоге значения износостойкости борированной стали 30ХМ находятся в соотношении с износостойкостью бори-
рованной и неборированной стали 5ХНМ как (0,95...1,3):1:(0,37...0,54). В качестве эталона здесь принята сталь 5ХНМ, подвергнутая закалке и отпуску (рис. 2).
Относительная износостойкость
Рис. 2. Износостойкость борохромированных сталей 5ХНМ и 30ХМ относительно стали 5ХНМ, подвергнутой закалке и низкому отпуску (5ХНМ (ТО) эталон)
Себестоимость изделия из стали 30ХМ, подвергнутого борированию, равноценна себестоимости неборированного изделия из стали 5ХНМ. Борирование удорожает стоимость изделия еще на 30 %. Таким образом, в некоторых случаях возможна замена стали 5 ХНМ на более дешевую сталь 30ХМ, упрочненную борированием. При этом износостойкость может быть повышена в 1,15-2,34 раза при уменьшении затрат на изготовление на 12...25 %.
Повышение износостойкости упрочненных деталей в значительной степени обусловлено снижением хрупкости диффузионных слоев. Это достигается отсутствием необходимости в предварительной цементации при насыщении поверхностей стальных деталей одновременно бором и хромом либо бором и титаном и увеличением толщины получаемых диффузионных слоев до 75.95 мкм (в зависимости от химиче-
ского состава сталей), образованных при насыщении из обмазки, содержащей феррохром (ди-борид титана), мелкодисперсный графит, бентонит, фторид аммония.
Повышение экономичности процесса упрочнения при диффузионном борохромировании и боротитанировании обусловлено, во-первых, тем, что процесс упрочнения осуществляется путем использования термических печей любого принципа действия, имеющихся на каждом металлообрабатывающем предприятии, во-вторых, отсутствия необходимости применения предварительной цементации, связанной с использованием дорогостоящего муфеля, изготавливаемого из дорогостоящих высоколегированных сталей, в-третьих, многократного использования насыщающей обмазки.
Процессы многокомпонентного насыщения позволяют сформировать многофазную структуру поверхностного слоя, обладающего комплексом полезных свойств. Более того, химико-термической обработкой можно получать такое сочетание свойств упрочненного изделия, которое другими методами получить невозможно. В этом случае ХТО можно рассматривать не как определенную операцию изготовления детали, а как метод получения принципиально нового конструкционного материала. Многокомпонентное насыщение разными элементами или насыщение ими наружной и внутренней поверхности изделия дает возможность создавать многослойные композиционные материалы с уникальными свойствами.
Список литературы
1. Гурьев А.М. Новые методы диффузионного термоциклического упрочнения поверхности стальных изделий бором совместно с титаном и хромом / А.М. Гурьев, Б.Д. Лыгденов, С.Г. Иванов, О.А. Власова, И.А. Гармаева, Е.А. Кошелева, М.А. Гурьев // Успехи современного естествознания. - 2007. - № 10. -С. 89-91.
2. Иванов С.Г. Комплексное насыщение сталей бором и хромом - борохромирование / С. Г. Иванов, А.М. Гурьев, Е.А. Кошелева, О.А. Власова, М.А. Гурьев // Ползуновский альманах. - 2008. -№ 3. - С. 53-54.
3. Гурьев А.М. Новый способ диффузионного термоциклического упрочнения поверхностей железоуглеродистых сплавов / А.М. Гурьев, Б.Д. Лыгденов, С.Г. Иванов, О.А. Власова, Е.А. Кошелева, М.А. Гурьев, С.А. Земляков // Ползуновский альманах. -2008. - № 3. - С. 10-16.
4. Кошелева Е.А. Оптимизация химического состава насыщающих смесей при диффузионном бори-ровании инструментальных сталей / Е.А. Кошелева, А.М. Гурьев // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2009 - № 5 -С. 76-77.
5. Гурьев А.М. Совершенствование технологии химико-термической обработки инструментальных сталей / А.М. Гурьев, Б.Д. Лыгденов, О.А. Власова // Обработка металлов. - 2009. - № 1. - С. 14-15.
6. Способ упрочнения деталей из конструкционных и инструментальных сталей: пат. 2345175 Рос. Федерация: / А.М. Гурьев, С.Г. Иванов, Б.Д. Лыгденов, С.А. Земляков, О.А. Власова, Е.А. Кошелева, М.А. Гурьев - № 2007112368/02: заявл. 03.04.2007: опубл. 27.01.2009. Бюл. № 3.
7. Способ упрочнения деталей из штамповых сталей: пат. 2360031 Рос. Федерация: / А.М. Гурьев, С.Г. Иванов, С.А. Земляков, О.А. Власова, Е.А. Кошелева, М.А. Гурьев. - № 2007127587/02: заявл. 18.07.2007: опубл. 27.06.2009. Бюл. № 18.
