CC BY
78
НИТРОЦЕМЕНТАЦИЯ ХРОМОМАРГАНЦЕВЫХ НАПЛАВОК ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ИЗНОШЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
В. В. Бедин, Л. Х. Балдаев, Д. В. Ко. тыков, М.Б. Ковынев
Аннотация. Представлены экспериментальные данные, показывающие высокую эффективность нитроце-ментации покрытий, наплавленных хромомарганцевыми проволоками Нп-30ХГСА и Св-08ХГ2С. Нитроцемента-ция при температуре 600...650 °С в активной азотисто-углеродной пасте значительно повышает твердость наплавок и создает на поверхности сжимающие напряжения, что благотворно скажется на износостойкости и усталостной прочности восстановленных деталей.
Ключевые слова: нитроцементация, наплавка, упрочнение стальных деталей, восстановление деталей машин.
Наплавка, то есть нанесение с помощью сварки слоя металла на поверхность изделия, широко применяется при восстановлении изношенных деталей машин. При этом появляется возможность наплавлять на поверхности деталей из дешевых углеродистых сталей слой легированного металла, отличающегося повышенными механическими и эксплуатационными свойствами.
Наибольший объем наплавочных работ в ремонтном производстве в настоящее время выполняется методом дуговой сварки под слоем флюса и в среде защитных газов. Наплавка позволяет восстанавливать детали различных размеров и форм с различными, в том числе и весьма большими, износами [1]. Главный недостаток дуговой наплавки заключается в том, что при ее проведении происходит глубокий прогрев детали с изменением структуры металла, в результате чего происходит потеря прочности и коробление восстановленных деталей. В поверхностных наплавленных слоях возникают значительные растягивающие напряжения, которые вызывают снижение усталостной прочности или даже появление трещин [2].
Применяемые в настоящее время наплавочные материалы и оборудование позволяют в значительной степени уменьшить недостатки метода, однако устранить такой недостаток, как невысокая усталостная прочность наплавленных деталей, никакими технологическими приемами не удается.
Радикальной мерой, которая может устранить этот присущий наплавке недостаток и одновременно повысить износостойкость наплавленных слоев, является их химико-термическая обработка. При такой обработке на поверхностях деталей создаются напряжения сжатия, которые, как известно, благоприятно влияют на долговечность их при циклическом нагружении, и повышается твердость поверхностных слоев.
В условиях ремонтного производства наиболее рациональным методом поверхностного упрочнения наплавленных деталей может быть нитроцементация, так как она является наиболее универсальным процессом, может обеспечивать насыщение стали азотом и углеродом в заданных количествах и тем самым способствовать созданию на поверхности широкой гаммы фазовых композиций, обеспечивающих требуемые свойства упрочняемых деталей. Во всех случаях нитроцементация способствует образованию на поверхности благоприятных напряжений сжатия.
Был проведен эксперимент по исследованию влияния низкотемпературной нитроцементации (500.750 °С) на характеристики структуры диффузионных слоев и на их твердость.
Низкотемпературный процесс был выбран из тех соображений, что он способствует снижению затрат энергии на проведение упрочняющих операций, не тре-
бует закалки после нитроцементации и не вызывает сильного коробления упрочняемых деталей. Все это является весьма положительными моментами в плане внедрения его в ремонтное производство. Кроме того, использование для нитроцементации пастообразного азотисто-углеродного карбюризатора делает процесс упрочнения предельно простым и удобным для внедрения в производство с минимальными затратами.
В качестве объектов исследования были выбраны наплавленные покрытия, полученные с использованием легированных проволок Нп-30ХГСА и Св-08ХГ2С. Наплавка проводилась в газовой среде, состоящей из смеси углекислого газа и аргона (в равных количествах), на полуавтомате А-548. Нитроцементация проводилась с использованием пасты следующего состава (% масс.): железосинеродистый калий К4Бе(СМ)6 - 20 %; аморфный углерод (сажа ДГ-100) - 50 %; раствор нитроцеллюлозы в ацетоне (нитролак НЦ-222) [3].
Нитроцементация образцов (из стали 30Х) с наплавленными слоями проводилась в лабораторной шахтной печи СШОЛ-12-М3-ЦЧ в закрытых контейнерах. Образцы перед загрузкой в контейнер покрывались нитроцементующей пастой (слоем ~ 1,5 мм) и высушивались. Пространство между образцами заполнялось нейтральным наполнителем - чугунной стружкой. Процесс проводили при различных температурах и при различных выдержках в соответствии с матрицей мате-магического планирования эксперимента. После нит-роцементации образцы охлаждались в воде (содержимое контейнера высыпалось в емкость с холодной водой).
На нитроцементованных образцах определяли глубину и твердость диффузионных (карбонитридных) слоев на поверхности наплавленного металла.
Как показали результаты эксперимента, названные характеристики оказались практически идентичны характеристикам покрытий, наплавленных как проволокой Нп-30ХГСА, так и более дешевой проволокой Св-08ХГ2С. Вид структуры нитроцементованных слоев на обеих наплавках определяется только режимами обработки - главным образом температурой (рисунок 1).
а) б)
Рисунок 1 - Микроструктуры нитроцементованных слоев покрытия, наплавленного проволокой Св-08Г2С (х 300): а) - температура нитроцементации 550 °С; б) -температура нитроцементации 650 °С. Длительность нитроцементации - 3 часа
Рентгеноструктурный анализ нитроцементованных поверхностей наплавленных покрытий позволил уста-
новить, что их фазовый состав определяется температурой обработки. При температурах до ~ 600 °С на поверхности наплавок образуется сплошной слой, представленных, главным образом, гексагональным карбо-нитридом е (рисунок 1-а). При повышенных температурах нитроцементованные слои имеют две зоны (рисунок 1-б): на поверхности - зона карбонитридов, изоморфных с цементитом, под ней - зона карбонитрида е.
Надо отметить, что при увеличении температуры нитроцементации свыше 700 °С сплошность слоя карбонитридов нарушается. Карбонитридная фаза (главным образом цементитного типа) начинает формироваться в виде отдельных включений, изолированных друг от друга участками твердорастворной матрицы (рисунок 2).
Глубина слоев с карбонитридными включениями, полученными при повышенных температурах нитроцементации, значительно (в несколько раз) превышает глубину сплошных карбонитридных слоев, полученных при низких температурах.
Рисунок 2 - Микроструктура покрытия, наплавленного проволокой Св-08Г2С, нитроцементованного при 750 °С (3 ч) (х 300)
Влияние температуры и длительности нитроцемен-тации на глубину и твердость диффузионных слоев на нитроцементованных наплавках (проволока Св-08ХГ2С) представлено на рисунках 3 и 4.
0,40
0,35 I 0,30 0,25 "0,20 "0,15 , 0,10 0,05
2 HRA)
✓ / ч N
/ / / -' •Л", ••'•Л
/ / / /$ з - V 5 ,я £■ aZ 5 5" г, е.
/ / 1 /
/ / / 1 de» ) •.•;''
/ / / / / V о
/У
90
85
80
75 <г
ее
—
70 X
о.
65 а S-
60
55
500 550 600 650 700 750 Температура нитроцементации, 'С
Рисунок 3 - Влияние температуры нитроцементации покрытия, наплавленного проволокой Св-08ХГ2С, на глубину карбонитридного слоя (1) и твердость поверхности (2). Длительность нитроцементации 5 ч
Повышение температуры нитроцементации приводит к интенсивному увеличению глубины карбонит-
ридных слоев, однако твердость при этом увеличивается только до температуры ~ 650 °С. При дальнейшем повышении температуры нитроцементации твердость диффузионных слоев на наплавленном металле заметно снижается (рисунок 3). Это связано, по-видимому, с тем, что в карбонитридных слоях, полученных при температуре 650 °С, начинает преобладать фаза изоморфная с цементитом. Эта карбонитридная фаза располагается непосредственно на нитроцементованной поверхности и имеет твердость примерно в 1,5 раза ниже, чем карбонитрид е, располагающийся под цементитом. В соответствии с таким изменением структуры и фазового состава нитроцементованного слоя изменяется и его твердость (снижается).
Увеличение длительности нитроцементации при температуре, обеспечивающей максимальную твердость (~ 620 °С), влияет на эту характеристику только в первые два часа - твердость в этот период резко возрастает. При дальнейшем увеличении времени нитроце-ментации твердость остается практически на одном, весьма высоком, уровне (рисунок 4).
0,40 0,35 t 0,30
0
1 0,25
9
S
t 0,20
х
о
10
2 0,15
И =
I, 0,10
и
0,05
/
/
/ / 1
1 1
1 1 1 Klo,
1 1
1 у
0
2 3 4 5 6 Длительность нитроцементации, ч
Рисунок 4 - Влияние длительности нитроцемента-ции покрытия, наплавленного проволокой Св-08ХГ2С, на глубину карбонитридного слоя (1) и твердость поверхности (2). Температура нитроцементации 620 °С
Глубина карбонитридного слоя растет прямо пропорционально времени нитроцементации до ~ 6 часов, что свидетельствует об интенсивной диффузии азота и углерода через сплошную корку карбонитридов. Снижение интенсивности роста карбонитридного слоя после 6-часовой выдержки связано, по-видимому, с истощением нитроцементующей обмазки.
Под коркой карбонитридов в диффузионных слоях нитроцементованных наплавок располагается обширная зона азотистых а- и у-твердых растворов. Продукты превращения азотистого аустенита, образующиеся при быстром охлаждении нитроцементованного слоя, также имеют весьма высокую твердость (HRA 50...55), они подпирают слой карбонитридов и повышают его стойкость против воздействия локальных нагрузок.
Для определения эффективности нитроцементации для повышения усталостной прочности изделий с наплавленными покрытиями был проведен эксперимент по изучению влияния режимов нитроцементации на уровень остаточных напряжений в поверхностных слоях.
Остаточные напряжения определяли методом разрезных колец (метод Н. Н. Давиденкова) [3]. На кольцевые образцы из стали 30Х диаметром 30 мм и толщиной стенки 3 мм наплавляли покрытия проволокой Св-08ХГ2С толщиной 0,5 мм (после протачивания для получения гладкой поверхности). Подготовленные таким образом образцы подвергали нитроцементации при различных температурах, охлаждали в воде и делали
разрез с одной стороны (тонким шлифовальным кругом). После этого определяли деформацию кольца и по ее величине рассчитывали остаточные напряжения в диффузионных слоях. Результаты эксперимента представлены в таблице.
Таблица 1 - Остаточные напряжения на поверхности наплавленных покрытий, нитроцементованных (5 часов) при различных температурах ___
Температура нитроцементации, °С 500 550 600 650 700 750
Остаточные напряжения, МПа 625 475 208 133 +67 +84
(-) - напряжения сжатия; (+) - напряжения растяжения
Наиболее высокие напряжения сжатия, благоприятные для обеспечения высокой усталостной прочности наплавленных изделий, возникают в нитроцементован-ных слоях, полученных при низких температурах обработки. Повышение температуры приводит к уменьшению сжимающих напряжений в диффузионных слоях, что, по-видимому, связано с увеличением толщины этих слоев и с изменением их фазового состава.
Критическая температура нитроцементации, при которой на поверхности наплавок еще присутствуют сжимающие напряжения, составляет, по нашим данным, ~ 650 °С. Выше этой температуры возникают растягивающие напряжения. Это происходит, по-видимому, из-за того, что карбонитридный слой теряет сплошность, а напряжения, возникающие при росте отдельных частиц карбонитридов (имеющий большой удельный объем по сравнению с аустенитом), релакси-руются при повышенной температуре в участках мягкой матрицы.
Таким образом, можно заключить, что нитроцементация покрытий, полученных наплавкой хромомарган-цевыми проволоками в среде защитных газов, значительно увеличивает их твердость и создает на поверхности сжимающие напряжения. Это будет способствовать повышению износостойкости и усталостной прочности стальных изделий с такими покрытиями. Восстановление изношенных деталей машин такими наплавками с последующей нитроцементацией в азотисто-углеродной пасте при температуре 600.650 °С позволит увеличить их послеремонтный ресурс (до уровня новых деталей или даже выше) и представляется весьма выгодным в условиях ремонтного производства.
Список использованных источников
1 Батищев А. Н., Голубев И. Г., Лялякин В. П. Восстановление деталей сельскохозяйственных машин. - М.: Ин-формагротех, 1995. - 296 с.
2 Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. - М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.
3 Костин Н. А., Трусова Е. В. Износостойкость нитро-цементованных наплавок штамповых сталей // Машиностроение и инженерное образование. - 2011. - № 3. - С. 2-7.
4 Тылкин М. А. Справочник термиста ремонтной службы. - М.: Металлургия, 1981. - 684 с.
Информация об авторах
Бедин Василий Викторович, соискатель ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет», Московская область, г. Балашиха.
Балдаев Лев Христофорович, доктор технических наук, генеральный директор ООО «Технологические системы защитных покрытий», Московская область, г. Щербинка.
Колмыков Денис Валерьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электрооборудования ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».
Ковынев Максим Борисович, аспирант ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».
