CC BY
63
УДК [621.793.7:620.193.16]:629.5
А. Р. Юсуфов, И. М. Абачараев
ПОЛУЧЕНИЕ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫ1М ЛЕГИРОВАНИЕМ ОТЛИВОК В ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЕ
Для получения защитных покрытий с целью повышения износостойкости деталей судовых машин и механизмов, повышения коррозионной стойкости цилиндровых втулок судовых дизелей, узлов гидрорулевых машин, гребных валов и баллеров рулей широко применяются технологии химико-термической обработки (ХТО), плазменного и детонационного напыления [1-3].
Наиболее известной и изученной является ХТО. По результатам исследований [4] диффузионное насыщение карбидообразователями (Сг, Т1, ", V) позволяет резко увеличить износостойкость и кавитационную стойкость сталей 45, У 8 и серого чугуна СЧ25.
На наш взгляд, существенным недостатком ХТО являются:
1) малая толщина карбидных покрытий (< 20 мкм);
2) большие временные и экономические затраты при проведении высокотемпературной ХТО и последующей дополнительной термической обработки для нормализации структуры и свойств сердцевины.
Избежать названных несовершенств можно, изменив способ нанесения диффузионных покрытий большой толщины при непосредственном изготовлении требуемой детали.
Это наиболее перспективное направление получения защитных покрытий многофункционального назначения уже привлекло пристальное внимание учёных и инженеров.
Среди высокотемпературных технологий поверхностного упрочнения большого внимания заслуживает создание легированного поверхностного слоя отливок в процессе их непосредственного изготовления. В данном случае образование упрочнённого слоя происходит в результате взаимодействия жидкого металла отливки с легирующим облицовочным слоем, нанесённым на поверхность литейной формы [5].
Известные в настоящее время методы поверхностного упрочнения отливок можно разделить на три группы в зависимости от того, как происходит упрочнение [6]:
1) в результате сваривания легирующего материала с поверхностью отливки;
2) пропитки жидким сплавом облицовочного легирующего покрытия;
3) диффузии легирующих элементов из облицовочного слоя формы в отливку.
В основе каждого из них лежит свой механизм упрочнения. В первом случае легирующая паста расплавляется при контакте с жидким металлом и сваривается с кристаллизующейся поверхностью отливки, что позволяет получать сравнительно толстые слои с высоким содержание легирующих элементов. Но в этом случае возникают трудности с легированием тугоплавкими элементами и снижается качество поверхности отливки.
При использовании второго варианта поверхностного легирования отливок можно получить упрочнённые слои значительной толщины. Для образования бездефектного покрытия необходимо, чтобы жидкий металл пропитал легирующую пасту на всю её толщину. Формирование упрочнённого слоя большой толщины возможно при условии, если температура в зоне контакта металла с литейной формой выше температуры его кристаллизации, а длительность фильтрации расплава в порах пасты больше продолжительности нагрева всего материала до температуры смачивания и меньше времени охлаждения сплава до кристаллизации. Недостатком метода является сложность определения оптимальной температуры заливки и поддержания её на заданном уровне.
На наш взгляд, выполнению второго варианта и устранению его недостатков может способствовать создание в легирующей пасте литейной формы металлотермической насыщающей среды. При этом диффузия легирующих элементов в поверхность отливки будет происходить как в процессе кристаллизации, так и при последующем охлаждении отливки. Такой механизм образования легированного слоя позволит получить отливки с хорошим качеством поверхности, что и подтверждено нами практически при проведении исследований с использованием хромомарганцевой металлотермической смеси различного состава (табл.). При этом преследовалась цель
создать хромкарбидное покрытие большой толщины с деформационно-упрочняемой подложкой марганцовистого аустенита. Такие диффузионные слои в ходе наших предварительных исследований [7] показали высокую кавитационную стойкость при лабораторных и натурных испытаниях.
Исследованные составы покрытий литейной формы
Компонент Состав покрытий, % масс
1 2 3
Карбид бора 8 9 10
Оксид хрома 18 20 18
Оксид марганца 10 12 12
Ферросиликованадий 6 7 8
Алюминий порошковый 18 14 18
Криолит 1 2 2
Г идролизованный этилсиликат 40 33 32
При приготовлении насыщающих покрытий придерживались определенной последовательности. Сухие составляющие определённого гранулометрического состава смешивали между собой до равномерного распределения, затем заливали гидролизованный этилсиликат и тщательно перемешивали.
Окрашивание рабочей части литейной формы готовым составом производили кисточкой до получения толщины заданного покрытия (5-7 мм). Затем форму просушивали в печи при температуре 250-300 °С в течение 0,5-1 часа.
Для изучения свойств поверхностно-легированных отливок в подготовленные литейные формы заливали сталь 40Л и чугун СЧ25, из них изготавливали опытные образцы для лабораторных испытаний: втулки цилиндров судовых дизелей 4Ч 8,5/11 (СЧ25) и шкив редуктора гидромашины (сталь 40Л).
Микроструктурным анализом легированного слоя отливок установлено, что на стали 40Л и чугуне СЧ25 формируются карбидно-твердорастворные покрытия общей толщиной 240... 320 мкм (рис. 1), из них карбидная зона стали 40Л составляла 60.70 мкм, чугуна - СЧ25... 140 мкм. Содержание карбидов в легированном литом слое стальных образцов составляло 35.40 %, чугунных - 45.60 %. Микротвердость карбидов соответствует 1 510.1 800 кгс/мм2.
а б
Рис. 1. Характерное строение хромомарганцевого покрытия при легировании в литейной форме:
а - сталь 40Л; б - чугун СЧ25
Кавитационные и коррозионные испытания осуществляли по методике, изложенной в [4, 7].
Исследованиями установлено, что поверхностное легирование стали 40Л и чугуна СЧ25 хромом и марганцем способствует повышению кавитационной стойкости в 10.12 и 20.25 раз соответственно, понижает потери от коррозии в морской воде (синтезированной) в 6.8 и 7.9 раз соответственно.
Высотные испытания на гидроабразивную стойкость по ранее разработанной методике [7] показали, что поверхностное хромомарганцирование в литейной форме стали 40Л и чугуна СЧ25 увеличивает значение этого параметра в 12 и 15 раз соответственно.
Испытания на износ проводили на машине типа МИ в условиях сухого трения скольжения при скорости скольжения 1,0 м/мин нагрузки 10 кгс/мм2 в течение двух часов. Контртело -стальной диск из инструментальной стали Р18. Испытания показали, что потери от трения образцов, хромомарганцированных в литейной форме, в 4,6. 6,3 раза ниже, чем у штатных.
Для подтверждения положительных результатов лабораторных исследований была изготовлена опытная партия деталей для натурных испытаний. Центробежным литьем в стержневой форме с обмазкой составом 2 были получены втулки цилиндров дизелей 4ЧСП 8,5/11 из чугуна СЧ25, а в земляной форме с такой же обмазкой отлит шкив редуктора гидрорулевой машины из стали 40Л. Дизели 4ЧСП 8,5/11 - главные двигатели спасательных шлюпок морских судов. Системы охлаждения в них являются одноконтурными проточными, теплоносителем служит забортная морская вода. Поэтому водоохлаждаемые поверхности втулок подвергаются интенсивному коррозионно-кавитационному воздействию.
Натурными испытаниями установлено: опытные втулки цилиндров не имели следов разрушений на водоохлаждаемой поверхности после 4 800 часов испытаний, а штатные втулки с гальваническим хромовым покрытием водоохлаждаемой поверхности имели на ней каверны диаметром 3.8 и глубиной 0,8. 1,5 мм (рис. 2). Штатный шкив редуктора за 500 часов эксплуатации имел борозды износа глубиной 0,8. 1,2 мм, а шкив с легированной поверхностью (состав 2) был без следов износа.
а б
Рис. 2. Состояние поверхности втулок цилиндров дизеля 4Ч 8,5/11 после 4 800 часов наработки: а - втулка с диффузионным хромомарганцевым покрытием в литейной форме; б - штатная втулка с гальваническим хромовым покрытием
Таким образом, натурные испытания полностью подтвердили положительные результаты теоретических и лабораторных исследований и показали, что поверхностное легирование отливок в литейной форме является эффективным способом повышения ресурса изделий, работающих в условиях трения, гидроабразивного износа, воздействия кавитации и коррозии.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Лахтин Ю. М., Арзамасов Б. Н. Химико-термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1984. - 240 с.
2. Кулик А. Я., Борисов Ю. С., Мнухин А. С., Никитин М. Д. Газотермическое напыление композиционных порошков. - Л.: Машиностроение, 1985. - 199 с.
3. Бартенев С. С., Федько Ю. П., Григоров А. И. Детонационные покрытия в машиностроении. - Л.: Машиностроение, 1985. - 215 с.
4. Ворошнин Л. Г., Абачараев М. М., Хусид Б. М. Кавитационностойкие диффузионные покрытия
на железоуглеродистых сплавах. - Минск: Наука и техника, 1986. - 246 с.
5. Абачараев М. М., Абачараев И. М. Поверхностное хромотитанирование в литейной форме. Проблемы машиностроения и надежности машин. - 1996. - № 1. - С. 100-104.
6. Гурьев М. А., Власов О. А., Гурьев А. М. Упрочнение литых деталей поверхностным легированием //
Тр. Междунар. науч.-техн. конф. «Современные металлические материалы и технологии
(СММ’ 2009)». - СПб.: Изд-во СПбПУ, 2009. - С. 163-166.
7. Абачараев М. М. Кавитация и защита металлов от кавитационных разрушений. - Махачкала: Дагкни-гоиздат, 1990. - 196 с.
Статья поступила в редакцию 27.02.2010
TECHNOLOGY OF THE MULTIFUNCTIONAL PROTECTIVE COATING PRODUCTION WITH THE SUPERFICIAL ALLOYING IN A CASTING FORM
А. R. Yusufov, I. M. Abacharaev
The investigations of production of thick chromium-carbide coatings are made on steel 40L and grey cast iron SCH25 with application of alloying pastes on the working surfaces of the casting forms. It is determined that alloying in a casting form of steel 40L and cast-iron SCH25 become effective in the production of chromium-carbide layers with thickness 120-240 mkm and increase their cavitation resistance by 10-12 and 20-25 times accordingly.
Key words: cylinder liner, protective coating, chemical-thermal processions, carbide formers, cavitation resistance.
