CC BY
16
УДК 631.374: 621.785.5
В.Ю. Паульс, М.Ф. Жданович
ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛЫХ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОДИФФУЗИОННОЙ ТЕРМООБРАБОТКОЙ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СЕВЕРНОГО
ЗАУРАЛЬЯ», ТЮМЕНЬ, РОССИЯ
V.Yu. Pauls, M.F. Zhdanovich FEATURES OF OBTAINING A STRENGTHENED LAYER ON THE INNER SURFACE OF A HOLLOW PARTS OF ELECTRODIFFUSION HEAT TREATMENT FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «NORTHERN TRANS-URAL STATE AGRICULTURAL UNIVERSITY», TYUMEN, RUSSIA
Вячеслав Юрьевич Паульс
Viacheslav Yurievich Pauls кандидат технических наук, доцент paulsvy@gausz.ru
Михаил Францевич Жданович
Michael Franzevich Zhdanovich shdanovichmf@gausz.ru
Аннотация. Известные в настоящее время упрочняющие технологии малопригодны для обработки полых деталей с рабочей внутренней поверхностью. Это связано со сложной конфигурацией изделий, значительной протяженностью внутренних полостей, невысокой рассеивающей способностью ряда электролитов. В статье приводятся сведения об особенностях разработанного способа и установки для электродиффузионной термообработки (ЭДТО) полых деталей. В предлагаемой технологии исключается использование высокотемпературных тиглей, что расширяет возможности для обработки полых деталей больших габаритов, а также сокращает расход электроэнергии и электролита. В процессе ЭДТО легирующие элементы, входящие в состав стали, направленно диффундируют по механизму «восходящей диффузии» на внутреннюю рабочую поверхность полой детали, способствуя формированию упрочненного слоя. Величина микротвердости от поверхности насыщения вглубь сплава снижается плавно, таким образом, отслоение или выкрашивание упрочненного слоя после электродиффузионной термообработки маловероятно. Производственные испытания втулок из стали 40Х стрелы экскаватора-погрузчика, подвергнутых ЭДТО, показали снижение их износа в 1,4-1,8 раза по сравнению со стандартными деталями. Предлагаемая технология может быть использована для повышения механических свойств полых деталей с внутренней рабочей поверхностью, например, втулок, гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания и компрессоров, труб, полых корпусов, цилиндров гидросистем, колец, стаканов и т. п.
Ключевые слова: сталь, электрический ток, диффузия, втулка, износ, упрочнение, микротвердость, термическая обработка.
Abstract. The hardening technologies currently known are not suitable for machining hollow parts with a working inner surface. This is due to the complex configuration of products, a significant length of internal cavities, low scattering ability of a number of electrolytes. The article provides information about the features of the developed method and installation for electrodiffusion heat treatment (EDHT) hollow parts. The proposed technology eliminates the use of high-temperature crucibles, which expands the possibilities for processing hollow parts of large dimensions, as well as reduces the consumption of electricity and electrolyte. In the process of EDHT, alloying elements that are part of the steel, diffuse directionally by the mechanism of "uphill diffusion" on the inner working surface of the hollow part, contributing to the formation of the hardened layer. The magnitude of the microhardness from the saturation surface into the depth of the alloy decreases smoothly, thus, detachment or chipping of the hardened layer after the electrodiffusion heat treatment is unlikely. Production tests of 41Cr4 steel bushings of an excavator-loader boom subjected to EDHT showed a decrease in their wear by 1.4-1.8 times compared with standard parts. The proposed technology can be used to improve the mechanical properties of hollow parts with an inner working surface, for example, bushings, cylinder liners of internal combustion engines and compressors, pipes, hollow bodies, hydraulic system cylinders, rings, glasses, etc.
Keywords: steel, electric current, diffusion, sleeve, wear, hardening, microhardness, heat treatment.
Введение. Известные в настоящее время упрочняющие технологии малопригодны для обработки полых деталей с рабочей внутренней поверхностью. Это связано со сложной конфигурацией изделий, значительной протяженностью внутренних полостей, невысокой рассеивающей способностью ряда электролитов. Зачастую в результате обработки на наружной поверхности полой детали образуется слой с повышенной микротвердостью и износостойкостью, однако на внутренней поверхности толщина упрочненного слоя меньше в 2-3 раза, а эксплуатационные характеристики понижены.
На сегодняшний день в сельском хозяйстве широко используют универсальные погрузчики. При эксплуатации данной техники износ втулок подъемного механизма может привести к изменению геометрии стрелы, деформации, изгибам, а также возникновению трещин. Отклонение от
формы, в частности, от округлости, приводит к ускоренному изнашиванию внутренней рабочей поверхности втулки. Увеличить срок службы сопряжения можно в результате повышения износостойкости деталей.
Сравнительно недавно разработан способ электродиффузионной термообработки (ЭДТО) полых деталей [1] и установка [2] для его осуществления. Преимуществами ЭДТО является простота технологии, использование уже входящих в состав стали сплавообразующих компонентов [3], стабильность результатов, экологическая чистота и безотходность [4]. В процессе электродиффузионной термообработки легирующие элементы, входящие в состав стали, направленно диффундируют по механизму «восходящей диффузии» на внутреннюю рабочую поверхность полой детали, способствуя формированию упрочненного
68 Научный журнал Вестник Курганской ГСХА
слоя. В предлагаемой технологии исключается использование высокотемпературных тиглей, что расширяет возможность для ЭДТО полых деталей больших габаритов, а также сокращает расход электроэнергии и электролита.
Методика. Электродиффузионной термообработке были подвергнуты втулки из стали 40Х стрелы экскаватора-погрузчика на базе трактора МТЗ-82 с емкостью погрузочного ковша 0,7 м3. В качестве слабоокислительного электролита для ЭДТО использовали расплав порошка 10-водного тетраборнокислого натрия марки «ЧДА», который переплавляли на воздухе в шахтной электропечи при температуре 850 °С.
Устройство рабочего электрода для ЭДТО втулки стрелы экскаватора-погрузчика показано на рисунке 1. Крепление токоподвода 1 к упрочняемой втулке 2 осуществлялось сварным соединением 3 с её верхним торцом, взамен которого можно использовать фиксирующий хомут, а также резьбовое или паяное соединение с высокотемпературным припоем. Для обеспечения герметичности в соединении между обрабатываемой деталью (анодом) и заглушкой 4 вносили высокотемпературную замазку 5 из силиката натрия и порошкообразного оксида алюминия. Внутрь детали загружали электролит до верхнего торца. Затем рабочий электрод помещали в шахтную печь и включали нагревательный блок установки. По достижении температуры термообработки 825 °С погружали вспомогательный электрод (катод) в электролит и проводили анодную поляризацию током плотностью 0,02 А/см2 в течение 2 ч. После электродиффузионной термообработки установку отключали, извлекали из электропечи вспомогательный электрод и втулку, выливали из последней солевой расплав и охлаждали её на воздухе (нормализовали). Затем отделяли токоподвод, фиксируемую заглушку от детали и удаляли остатки электролита.
ных шлифах по уменьшению величины микротвердости по мере продвижения вглубь образца. Микроанализ легирующих элементов выполняли на интегрированном спектрометре электронного растрового микроскопа JEOL JSM-6510A.
Результаты. После электродиффузионной термообработки часть обработанных втулок разрезали с последующим изготовлением поперечных и продольных микрошлифов. В результате ЭДТО с последующей нормализацией микротвердость внутренней поверхности втулки из стали 40Х повысилась в 1,2 раза на глубину 200 мкм по сравнению с нижележащими слоями (рисунок 2). 2 280
350
Расстояние от внутренней поверхности втулки, мкм
Рисунок 2 - Распределение микротвердости по глубине внутреннего упрочненного слоя втулки из стали 40Х после ЭДТО и нормализации
Величина микротвердости от поверхности насыщения вглубь полой детали снижается плавно, таким образом, отслоение или выкрашивание упрочненного слоя после электродиффузионной термообработки маловероятно. Упрочненный слой на внутренней поверхности является частью изделия и не имеет резкой переходной границы.
Спектральный анализ элементов в стали 40Х после ЭДТО показал увеличение в 2 раза содержания хрома на внутренней упрочненной поверхности втулки по сравнению с объемом (рисунок 3). Таким образом, в процессе электродиффузионной термообработки полых деталей с размещением катода (вспомогательного электрода) внутри анода (обрабатываемой детали) возникают радиальные диффузионные потоки сплавообразующих компонентов от периферии к центру. Легирующие элементы, в частности хром, смещаются к внутренней рабочей поверхности полой детали.
1 - токоподвод, 2 - упрочняемая втулка, 3 - сварное соединение, 4 - заглушка, 5 - высокотемпературная замазка
Рисунок 1 - Устройство рабочего электрода для электродиффузионной термообработки втулки стрелы экскаватора-погрузчика
Микротвердость HV обработанных втулок измеряли с помощью прибора ПМТ-3М при нагрузке на индентор 1,96 Н. Толщину упрочненного слоя определяли на попереч-
Расстояние от внутренней поверхности втулки, мкм
Рисунок 3 - Распределение концентрации хрома по глубине внутреннего упрочненного слоя втулки из стали 40Х после ЭДТО
Перед производственными испытаниями на стрелу погрузчика на базе трактора МТЗ-82 с одной стороны устанавливали новые стандартные втулки, а с противоположной - упрочненные ЭДТО, работающие в паре со стандартными. Экскаватор-погрузчик использовался для разгрузки и погрузки грубых кормов, органических и минеральных удобрений. Техническое обслуживание проводили в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя. Продолжительность испытаний составила 1 месяц с наработкой 230 тонн технологического материала. После этого снимали стандартные и обработанные ЭДТО втулки и оценивали износ внутреннего диаметра деталей в двух взаимно перпендикулярных плоскостях измерением линейных размеров.
Производственные испытания упрочненных электродиффузионной термообработкой втулок стрелы экскаватора-погрузчика показали снижение их износа в 1,4-1,8 раза по сравнению со стандартными деталями. Таким образом, считаем целесообразным использование ЭДТО для полых деталей с целью увеличения срока их службы, сокращения эксплуатационных расходов и простоя сельскохозяйственной техники.
Выводы. Разработаны способ и установка для электродиффузионной термообработки полых деталей, позволяющие исключить использование высокотемпературных тиглей, что расширяет технологические возможности, сокращает расход электроэнергии и электролита. Проведена апробация ЭДТО на реальных деталях сельскохозяйственной техники, показавшая повышение износостойкости втулок стрелы экскаватора-погрузчика в 1,4-1,8 раза по сравнению со стандартными. Предлагаемая технология может быть использована для повышения механических свойств полых деталей с внутренней рабочей поверхностью, например, втулок, гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания и компрессоров, труб, полых корпусов, цилиндров гидросистем, колец, стаканов и т. п.
Список литературы
1 Патент № 2450084 РФ, МПК C23C 10/26. Способ электродиффузионной термообработки полой детали из стали / Паульс В.Ю., Кусков В.Н., Жданович М.Ф., Смолин Н.И. (РФ); заявл. 25.08.10, опубл. 10.05.12, Бюл. № 13.
2 Патент на полезную модель № 100517 РФ, МПК С 23 С 8/42. Установка для электродиффузионной термообработки полых деталей / Паульс В.Ю., Кусков В.Н., Жданович М.Ф., Смолин Н.И. (РФ); заявл. 21.06.10, опубл. 20.12.10, Бюл. № 35.
3 Pauls V.Yu., Kuskov V.N., Smolin N.I. Simulation of Alloying-Element Diffusion during Electrodiffusion Heat Treatment of Steels // Russian Metallurgy (Metally). 2007. № 1. Pp. 29-32. DOI: 10.1134/S0036029507010065.
4 Кусков В.Н., Паульс В.Ю., Смолин Н.И. Конструкционные материалы и восстановительно-упрочняющие технологии для перерабатывающего оборудования АПК. Тюмень: Вектор Бук, 2010. 172 с.
5 Паульс В.Ю., Жданович М.Ф. Оценка параметров электродиффузионного упрочнения полых цилиндров // Технология металлов. 2018. № 7. С. 38-43.
6 Жданович М.Ф., Паульс В.Ю. Результаты испытаний на износ деталей трансмиссии трактора К-700 после электродиффузионного упрочнения // Современные научно-практические решения в АПК: сборник статей Всероссийской научно-практической конференции. Тюмень: ГАУ Северного Зауралья, 2017. С. 139-149.
7 Жданович М.Ф., Паульс В.Ю. Статистический анализ параметров электродиффузионной термообработки полых деталей // Современные научно-практические ре-
шения в АПК: сборник статей Всероссийской научно-практической конференции. Тюмень: ГАУ Северного Зауралья, 2017. С. 150-155.
8 Паульс В.Ю., Смолин Н.И., Жданович М.Ф., Скок М.А., Ставицкий А.В. Формирование износостойкого поверхностного слоя электродиффузионной термообработкой // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2015. Т. 12. № 2. С. 209-213.
9 Паульс В.Ю. Формирование структуры поверхностного слоя легированных сталей под воздействием электрического тока при высокотемпературной обработке: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Тюменский государственный нефтегазовый университет. Тюмень, 2004. С. 10.
10 Паульс В.Ю. Формирование структуры поверхностного слоя легированных сталей под воздействием электрического тока при высокотемпературной обработке: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тюмень, 2004. С. 25-46.
List of references
1 Patent No. 2450084 of the Russian Federation, IPC C23C 10/26. The method of electrodiffusion heat treatment of hollow steel parts / Pauls V.Yu., Kuskov V.N., Zhdanovich M.F., Smolin N.I. (RF); declare 08.25.10, publ. 10.05.12, Byul. № 13.
2 Patent for utility model No. 100517 of the Russian Federation, IPC C 23 C 8/42. Installation for electrodiffusion heat treatment of hollow parts / Pauls V.Yu., Kuskov V.N., Zhdanovich M.F., Smolin N.I. (RF); declare 06/21/10, publ. 12/20/10, Byul. № 35.
3 Pauls V.Yu., Kuskov V.N., Smolin N.I. Simulation of Alloying-Element Diffusion during Electrodiffusion Heat Treatment of Steels // Russian Metallurgy (Metally). 2007. № 1. Pp. 29-32. DOI: 10.1134/S0036029507010065.
4 Kuskov V.N., Pauls V.Yu., Smolin N.I. Construction materials and restoration and strengthening technologies for the processing equipment of the agroindustrial complex. Tyumen: Vector Book, 2010. 172 p.
5 Pauls V.Yu., Zhdanovich M.F. Evaluation of the parameters of electrodiffusion hardening of hollow cylinders // Metal Technology. 2018. № 7. Рр. 38-43.
6 Zhdanovich MF, Pauls V.Yu. The test results on the wear of transmission parts of the K-700 tractor after electrodiffusion hardening // Modern scientific and practical solutions in the agricultural sector: a collection of articles of the All-Russian Scientific and Practical Conference. Tyumen: State Agricultural University of Northern Zauralye, 2017. Рр. 139-149.
7 Zhdanovich M.F., Pauls V.Yu. Statistical analysis of the parameters of electrodiffusion heat treatment of hollow parts // Modern scientific and practical solutions in the agricultural sector: a collection of articles of the All-Russian scientific-practical conference. Tyumen: State Agricultural University of Northern Zauralye, 2017. Рp. 150-155.
8 Pauls V.Yu., Smolin N.I., Zhdanovich M.F., Skok M.A., Stavitsky A.V. Formation of a wear-resistant surface layer by electrodiffusion heat treatment // Fundamental problems of modern materials science. 2015. V. 12. № 2. Pp. 209-213.
9 Pauls V.Yu. Formation of the structure of the surface layer of alloyed steels under the influence of an electric current during high-temperature processing: dissertation abstract for the degree of candidate of technical sciences. Tyumen, 2004. P. 10.
10 Pauls V.Yu. Formation of the structure of the surface layer of alloyed steels under the influence of electric current during high-temperature processing: dissertation for the degree of candidate of technical sciences. Tyumen, 2004. Pp. 25-46.
