CC BY
43
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ, ПОВЕРХНОСТНОЙ ГРАФИТИЗАЦИЕЙ
В.И. КОЛМЫКОВ, доктор технических наук
Д.А. ЧЕРНЯВСКИЙ, аспирант
Курская ГСХА
Важная проблема современного машиностроения и ремонтного производства — обеспечение надежной работы узлов трения (подшипников, подпятников, шарниров, направляющих, кулачковых механизмов, тормозных устройств и др.). Неблагоприятное соотношение свойств твердых тел, контактирующих при трении, приводит к схватыванию с образованием наростов и за-диров, заеданию и ускорению изнашивания.
Наиболее доступное и широко распространенное средство борьбы с перечисленными явлениями — это применение смазочных материалов (жидких, пластичных и твердых), которые подаются в узлы трения и обеспечивают их работоспособность. Однако в современных машинах существует много точек куда затруднительно подать смазку в необходимых количествах. Для таких сопряжений используют детали, изготовленные из антифрикционных материалов (серых, ковких и высокопрочных чугунов), имеющих низкий коэффициент трения и небольшую склонность к схватыванию.
Хорошие триботехнические свойства чугуна связаны с тем, что содержащийся в нем графит играет роль смазки и, кроме того, обусловливает повышенную пористость материала, благодаря чему поверхностные слои деталей в какой-то мере пропитываются маслом, облегчающим трение и уменьшающим износ.
Детали, изготавливаемые из обычных конструкционных сталей ковкой, штамповкой и металлической обработкой имеют более высокие прочностные показатели, чем чугунные отливки, однако их антифрикционные свойства гораздо ниже.
Необходимость сочетания свойств стали и чугуна привела к созданию высокоуглеродистой графитизиро-ванной стали, часть углерода в которой содержится в виде мелкодисперсных графитных включений. Но она не нашла широкого распространения из-за дороговизны и длительности технологического процесса графи-тизации. Получение графитосодержащих слоев на трущихся поверхностях стальных деталей путем цементации с образованием графита в диффузионных слоях в результате науглероживания и последующего графити-зирующего отжига, по тем же причинам практического применения не получили.
Поэтому до сегодняшнего дня остается весьма актуальной задача улучшения антифрикционных свойств стальных изделий, используемых в автомобильной, тракторной, сельскохозяйственной и других отраслях машиностроения, таким методом, который по длительности, стоимости и технологичности не уступал бы обычной цементации.
Цель наших исследований - разработка техноло-
гического процесса, который позволял бы науглероживать низколегированные стали до составов чугунов и получать при этом структуру диффузионных слоев, состоящую из избыточных включений графита, изолированных друг от друга в стальной матрице.
Для изучения были выбраны стали марок 55С2 и 70СЗА (табл. 1), широко используемые при изготовлении подвесок, пружин, листовых рессор, пластин тор-сионов, а также клапанных пружин двигателей, пружин сцепления и других деталей, от которых требуется высокая прочность, износостойкость и упругость.
Таблица 1. Химический состав исследованных сталей (ГОСТ 14959-79)
Марка стали Содержание элементов, % масс
углерод кремний марганец хром
55С2 0,52...0,60 1,50...2,00 0,60...0,90 <0,30 70СЗА 0,66...0,74 2,40...2,80 0,60...0,90 <0,30
Образование графита в поверхностных слоях стали при цементации возможно лишь в том случае, если в нее из карбюризатора будет доставлено значительное количество углерода. Последнего должно хватить не только для образования графита в структуре, но и для достаточно большого насыщения твердого раствора, обеспечивающего закалку после графитизации.
В работах [1...3] приводятся сведения о весьма эффективной цементации сталей с помощью пастообразного карбюризатора, где в качестве жидкой составляющей использованы вещества, не содержащие углеводородов (триэтаноламин, поливинилацетатная эмульсия, карбометилцеллюлоза, декстрин и др.). Они интенсивно разлагаются при нагреве с образованием большого количества парогазовой фазы, разрыхляющей сажевое покрытие на поверхности стали. Многочисленные поры и каналы, появляющиеся в результате разложения жидкой составляющей, создают весьма благоприятные условия для циркуляции науглероживающих газов и возникновения активной окиси углерода. При этом реакция генерирования последней в дисперсном углеродном покрытии максимально приближена к науглероживаемой поверхности, благодаря чему скорость поцесса резко увеличивается по сравнению с цементацией как в твердых (древесноугольном, полукоксовом и др.), так и в газовых карбюризаторах. Упомянутые сажевые карбюризаторы одновременно обеспечивают равномерность насыщения стальных поверхностей углеродом.
Кроме углеродного материала и пастообразующей жидкости сажевые карбюризаторы, также как и традиционные твердые, содержат в своем составе карбонаты бария (ВаС03) или натрия (№2С03). Установлено [4], что эти вещества заметно ускоряют цементацию.
Мы исследовали пастообразные карбюризаторы на основе сажи с целью изучения влияния их состава на глубину диффузионных слоев и содержание в них графитных включений. В качестве активизирующих добавок были выбраны карбонаты бария и
натрия, а в качестве жидких составляющих — триэ-таноламин, поливинилацетатная эмульсия (ПВА) и водный раствор карбометилцеллюлозы (КМЦ).
Триэтаноламин N(С2Н4(Ж)3 диссоциирует при нагреве под цементацию с выделением чрезвычайно активного вещества, цианистого водорода НСМ, что способствует насыщению поверхности стали азотом, а последний, как известно 11 ], вне зависимости от температуры заметно ускоряет диффузию углерода в железе. Другие жидкие вещества (ПВА и КМЦ), принятые для исследования, не содержат в своем составе азота, поэтому, мы считаем, что их действие должно основываться только на способности разрыхлять карбонатно-сажевое покрытие на поверхности стали, превращая его в губчатую массу. Все компоненты исследуемых карбюризаторов дешевы и не дефицитны, широко используются в промышленности и в быту.
Для экспериментального исследования образцы сталей 55С2 и 70СЗА диаметром 15 мм перед цементацией подвергали закалке при температуре 850 °С в воде для получения в структуре микротрещин и микропор [4], которые, как мы предполагали, могут способствовать графитообразованию при последующем науглероживании. После закалки заготовки покрывали цементирующей пастой, слоем 2...3 мм, просушивали при 60...80°С, помещали в цементационный контейнер и засыпали древесным углем. Контейнер закрывали крышкой с песочным затвором и помещали в цементационную печь, разогретую до рабочей температуры. Цементацию проводили при 920°С в течение 6 часов.
Все исследованные карбюризаторы обеспечили примерно одинаковые результаты графитизации. Наличие кремния в составе изучаемого материала, радикальным образом отражается на глубине графитосодержащих слоев. На стали 70СЗА величина этого показателя оказалась примерно в 1,5 раза меньше, чем на стали 55С2, хотя содержание графита на поверхности было примерно одинаковым (рис. 1, 2).
Рис. 1. Микроструктуры диффузионных слоев сталей 55С2 (а) и 70СЗА (б) после закалки и цементации в сажевом карбюризаторе с углекислым натрием и ПВА (х 500)
Присутствие в составе карбюризатора углекислого натрия обеспечило несколько большую глубину диффузионного слоя и содержание в нем графитных включений, чем добавки углекислого бария (табл. 2). Эта разница может объяснить, как показано в работе [2], тем, что при температуре цементации окись натрия, которая об-
Годеахание гравитны* бключений М
Рис. 2. Глубина цементациям и содержание графита в структуре кремнистых сталей, цементованных в различных карбюризаторах: К\У| - сталь 55С2; У/А- сталь 70СЗА
разуется при термической диссоциации Ка^СО^ находится в жидком состоянии. Она хорошо смачивает поверхность цементуемой стали и оказывает более активное каталитическое действие, чем окисьбария, которая при температуре цементации находится в твердом состоянии.
Таблица 2. Науглероживающая и графитизирующая способность карбюризаторов различных составов (№ 1...4)
№ Наименование сухих компонентов Содержание компонентов, % масс Жидкая составляющая Характеристики диффузионных слоев (глубина, мм; содержание графита, % поля шлифа)
55С2 70СЗА
мм % поля мм % поля
1. Сажа газовая 85
ВаСОз 15 ПВА 1,15 12,8 0,77 13,6
2. Сажа газовая 85
ЫагСОз 15 ПВА 1,21 13,1 0,80 13,7
3. Сажа газовая 85
ЫагСОз 15 КМЦ 1,20 13,0 0,78 13,7
4. Сажа газовая 85 триэтанол
ЫагСОз 15 амин 1,26 11,7 0,84 12,2
Что касается карбюризатора с триэтаноламином, то, хотя он и показал весьма хорошие результаты цементации, особенно по глубине диффузионного слоя, его применение нельзя рекомендовать по экологическим соображениям. Несмотря на то, что чрезвычайно ядовитый цианистый водород HCN выделяется из цементирующей пасты в относительно малых количествах, при использовании в массовом производстве он может попадать в атмосферу цеха. Поэтому применение
триэтаноламина возможно лишь в случае, когда цементационный участок оборудован эффективной вентиляцией и устройством для нейтрализации отходящих газов. Дополнительные затраты на экологические мероприятия, связанные с использованием триэтаноламина лишают его преимуществ, имеющихся по сравнению с другими жидкими компонентами.
По результатам проведенных экспериментов можно заключить, что для графитизации кремнистых сталей наиболее подходящим следует считать пастообразный карбюризатор, состоящий из 85% мелкодисперсной газовой сажи и 15% углекислого натрия (соды). Порошкообразные компоненты должны быть тщательно смешаны в сухом виде, после чего доведены до состояния густой пасты путем разведения в вод-
ном растворе поливинилацетатной эмульсии (клея ПВА). Количество жидкого клея составляет приблизительно 30% от массы сухих компонентов.
Поверхности, предназначенные для графитизации, покрываются пастой с помощью жесткой кисти или погружением в сосуд с пастой. После нанесения ее нужно высушить (в течении 1 ч при комнатной температуре). Сухое покрытие не пачкает оборудование и рабочих. Деталь с нанесенной пастой до упаковки её в контейнер для цементации может храниться долгое время, при этом покрытие не теряет своих свойств.
Детали с нанесенным карбонатно-сажевым покрытием могут цементироваться в контейнерах, как при твердой цементации, в ретортныхцементационных печах типа (С) и др. в любой науглероживающей атмосфере.
Литература
1. Переверзев В.М., КолмыковВ.И. Влияние режимов цементации и последующей закалки на склонность к разрушению стали ХВГ// МиТОМ. 1979.№1. - с. 16-18.
2. Переверзев В.М., КолмыковВ.И. Влияние ванадия, хрома и марганца на окисление стали при цементации // Известия вузов. Черная металлургия. 1980. №1.- с. 113-115.
3. Рыжков Ф.Н., Иванова О.В. Калмыков В. И. Поверхностное упрочнение стали карбидами при цементации // Известия Курского государственного технического университета. Курск. 1998. М2. - с. 31-35.
4. Летов С. С., Переверзев В.М., КолмыковВ.И., Занин Н.Е. Интенсификация графитообразования в диффузионных слоях кремнистых сталей при цементации// Инновационные технологии и оборудование. Вып. 3. Межвуз. сб. научных трудов — Воронеж: ВГТУ. 2004. — с. 114-117.
ОРИЕНТИРОВАНИЕ ЛУКОВИЦ В ВОСХОДЯЩЕМ ВОЗДУШНОМ ПОТОКЕ
П.А. ЕМЕЛЬЯНОВ, доктор технических наук А. Г. АКСЕНОВ, инженер Пензенская ГСХА
Посадка луковицдолжна выполняться донцем вниз. Нарушение этого требования ведет к резкому (в 2-4 раза) снижению урожайности. В Пензенской ГСХА были проведены исследования по их ориентированию в восходящем воздушном потоке с целью использования полученных результатов при разработке ориентирующего устройства для посадочных машин.
Опыты проводили на специально изготовленной установке, состоящей из электродвигателя, вентилятора, рамы и конического направителя воздушного потока. Часть направителя выполнена из прозрачного материала для наблюдения за поведением луковиц, а в его стенках проделаны отверстия для замера давлений воздушного потока.
В качестве экспериментального материала были отобраны луковицы репчатого лука с индексом формы г = 0,85...0,95 — (сплюснутый эллипсоид) и длиной вешки (отсохших листьев) - 10...35 мм. Масса луковиц 14,5...28 г, диаметр - 28...40 мм.
При исследованиях одиночные луковицы помещались в различные по высоте и поперечному сечению точки направителя. За счет силы воздушного потока, создаваемого вентилятором, луковица поднималась на определенную высоту. С целью определе-
ния значимости влияния вешки на ориентирование ее отрезали, и снова проводили эксперимент.
Скорость витания (критическую) Ук рассчитывали косвенным путем через динамическое давление воздушного потока, с использованием известной из механики формулы Ньютона:
?=№,-«/, (О
где Р— сила Ньютона, Н; к — коэффициент сопротивления тела воздушному потоку, зависящий от формы тела и состояния его поверхности; р— плотность юз-духа, кг/м3; ¥ — площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную вектору относительной скорости, м2; у-и — скорости, соответственно воздуха и тела, м/с.
Если вертикально восходящий воздушный поток (как в нашем случае) под держивает тело в неподвижном состоянии (и = 0; /*=(7), то его скорость называют критической или скоростью витания Ук, м/с
ук=^в/крР, (2)
где (7 — сила тяжести тела, Н.
Поскольку в этой формуле коэффициент к теоретически определить невозможно, то критическую скорость Vк вычисляем по замеренному динамическому давлению кд воздушного потока. Так как динамическое давление — это кинетическая энергия 1 м3 воздуха, то есть кд = 0,5р\?к, то
ук=ркд/р=\,25^, (3)
Контроль за ориентированием луковицы и ее дви-
