CC BY
53II
Технологии и энергоэффективность
Для цитирования: Гурьев М.А., Аугсткалн А.И. Повышение износостойкости литых деталей машин и инструмента поверхностным легированием // [Электронный ресурс] URL: http://rectors.altstu.rU/ru/periodical/archiv/2020/2/articles/2_1.pdf DOI: 10.25712/ASTU.2410-485X.2020.02.005
Повышение износостойкости литых деталей машин
и инструмента поверхностным легированием
1 2 М.А.Гурьев , А.И.Аугсткалн
1 ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», г. Барнаул,
Российская Федерация gurievma@mail.ru
1. Введение
В процессе эксплуатации деталей машин и инструмента наиболее интенсивным внешним воздействиям подвергаются их поверхностные слои, поэтому нередко структура и свойства именно поверхностных слоев оказывают определяющее влияние на работоспособность изделий в целом [1].
Существует множество способов упрочнения поверхности: лазерное упрочнение, наплавка, накатка, применение различных технологий нанесения покрытий. Однако применение данных технологий требует использования сложного, часто уникального, дорогостоящего и энергоёмкого оборудования, дорогостоящих упрочняющих сплавов, высококвалифицированного персонала.
Поэтому особый интерес представляет разработка новых высокоэффективных методов упрочнения деталей машин и инструмента за счет диффузионного насыщения поверхности металлов и сплавов различными химическими элементами — метод химико-термической обработки (ХТО). В отдельных случаях, когда требуется упрочнение не всей поверхности, а только отдельных участков деталей, метод упрочнения из насыщающих обмазок является практически единственно возможным. В тоже время широко используемая традиционная ХТО хотя и повышает износостойкость инструмента, но кроме выше перечисленных достоинств, требует большого расхода электроэнергии в связи с длительностью высокотемпературных диффузионных процессов. Всё это приводит к повышению стоимости упрочняемых деталей машин и инструмента.
УДК 621
2 ЗАО «РОУ», г. Барнаул, Российская Федерация augstkaln-a@yandex. ru
Наука и образование Большого Алтая»
35
Борирование является одним из наиболее перспективных методов ХТО, так как среди известных диффузионных покрытий лидерство в плане повышения таких параметров как износостойкость, теплостойкость и поверхностная твердость принадлежит покрытиям на основе бора [2-5].
Исследования воздействия насыщающих сред в виде обмазок при химико-термической обработке (ХТО) показали, что использование соединений бора с хромом в качестве добавки к карбиду бора значительно увеличивает срок службы инструмента. Борирование, хромирование, титанирование и совмещенные процессы (борохромирование и боротитанирование) эффективнее, чем традиционно используемые цементация, азотирование и др., практически по всем параметрам свойств поверхностных слоев материала. Боридные слои на сталях отличаются высокой износостойкостью, хромирование придает жаростойкость, а комбинированные покрытия совмещают в себе исходные свойства однокомпонентных. Работоспособность борохромированных слоев почти в два раза выше, чем борированных [6-8].
Предлагаемый способ повышения эксплуатационных возможностей изделия — это единый процесс изготовления изделия (отливки) и упрочнения его поверхности. Такая комбинация возможна только при изготовлении деталей машин и инструмента методами литья. В этом случае образование упрочненного слоя происходит в результате взаимодействия горячего материала отливки с легирующим облицовочным слоем, нанесенным на поверхность литейной формы [9].
Изготовление инструмента различными методами литья приводит к сокращению расхода дорогостоящей инструментальной стали, снижению расходов на изготовление инструмента и повышению его стойкости. При использовании литейных технологий появляется возможность в широких пределах использовать дополнительное легирование, микролегирование и модифицирование стали для повышения работоспособности инструмента исходя из конкретных условий его эксплуатации. На рисунке 1 представлены обработанные насыщающим составом рабочие поверхности литейной формы для получения отливок с упрочненной поверхностью.
Рисунок 1. Подготовленные к сборке элементы форм Figure 1. Form elements prepared for assembly
Структура упрочненного при литье слоя значительно отличается от боридного слоя, полученного классическим способом (ХТО). При таком способе упрочнения на поверхности отливок образуется эвтектический слой (литая боридная эвтектика), в котором не наблюдается ярко выраженной зоны столбчатых боридов (рис. 2). Следует отметить, что такая структура определяет более высокий комплекс механических свойств упрочненного слоя за счет снижения уровня внутренних напряжений и более благоприятного сочетания твердости и пластичности.
Рисунок 2. Сталь 30Л: а — поверхностное упрочнение бором при литье в жидкостекольную песчано-глинистую форму с предварительно нанесенной обмазкой; б — микроструктура
боридной эвтектики
Figure 2. Steel 30L: a — surface hardening with boron when casting into a liquid glass sandy-clay mold with a preliminary applied coating; b — microstructure of boride eutectic
Микротвердость диффузионных слоев, получаемых в процессе литья несколько ниже, чем у слоев, получаемых методами ХТО (11000-16000 МПа у литых и до 30000 МПа при ХТО), однако это компенсируется увеличением пластичности. Значительно возросшая пластичность диффузионного слоя дает возможность использовать литые диффузионно-упрочненные детали при повышенных ударных нагрузках без опасности скалывания слоя (рис. 3) [10]. Это приводит к многократному увеличению ее износостойкости (рис.4).
Расстояние от поверхности образца, мкм
Рисунок 3. Распределение значений микротвердости в упрочненном слое: сталь 30 — твердофазное борирование из обмазки, сталь 30Л — насыщение поверхности при получении отливки по газифицируемой модели Figure 3. Distribution of microhardness values in the hardened layer: steel 30 — solid-phase boriding from the coating; steel 30L — saturation of the surface when receiving a casting according to the gasified model
30,00 2800
25,00 20,00 15,00 10,00 5,00
1.00
0,00 1=1
Рисунок 4. Износостойкость упрочненных борированием и поверхностным упрочнением в процессе литья сталей относительно закаленной стали У8 Figure 4. Wear resistance of borated and surface hardened steels in the process of casting relative to tempered U8 steel
На сталях различного химического состава были получены упрочняющие диффузионные слои (рис. 5).
■ борошташфованпе
Рисунок 5. Толщина упрочненного слоя полученного на сталях различного состава после борохромирования и боротитанирования, мм Figure 5. Thickness of the hardened layer obtained on steels of various compositions after boron chromizing and boron titanizing, mm
Анализ полученных результатов показывает, что состав стали не оказывает значительного влияния на толщину получаемого упрочненного слоя, сформировавшегося в процессе поверхностного легирования стали при
а>*
□ Спи. .10.1 ■ С та II. ДО
7,71
I
литье. На всех сталях получены слои толщиной около 1 мм при толщине стенки отливки 10мм. Основное влияние на образование диффузионного слоя оказывает длительность процесса кристаллизации и охлаждения в аустенитном состоянии, что определяется толщиной стенки отливки и временем выдержки отливки при температуре выше 800оС. Так же показано, что состав упрочняющей обмазки оказывает значительное влияние на твердость поверхности отливок. Микротвердость изменяется в значительных пределах от 7500 МПа при борохромировании и до 14000 МПа при боротитанировании [11, 12].
В таблице 1 приведены данные по распределению значений микротвердости (по направлению от поверхности вглубь металла) на литых образцах из стали 20ГСЛ. Микроструктура упрочненного слоя и сердцевины отливки представлена на рисунке 6. В данном случае применено многокомпонентное упрочнение бором, хромом и титаном. Толщина упрочненного слоя при этом составила 550-600 мкм.
Таблица 1.
Микротвердость бор-хром-титанированного слоя на стали 20ГСЛ
Table 1.
Microhardness of boron-chromium-titanated layer on steel 20GSL
Расстояние от Твердость, HV Расстояние от Твердость, HV Расстояние от Твердость, HV
поверхности образца, мкм Сталь 20ГСЛ поверхности образца, мкм Сталь 20ГСЛ поверхности образца, мкм Сталь 20ГСЛ
10 1319 350 944 700 330
50 1079 400 935 750 329
100 966 450 926 800 328
150 948 500 917 850 335
200 1159 550 800 900 320
250 562 600 333 950 333
300 753 650 334 1000 299
В настоящее время продолжаются исследования по изучению влияния многокомпонентных упрочняющих покрытий на изменение состава и свойств поверхности стальных и чугунных отливок [14-16].
Структура упрочненного при литье слоя на литых изделиях значительно отличается от боридного слоя, полученного классическим способом. Микротвердость диффузионных слоев, получаемых в процессе литья, несколько ниже, чем у слоев, получаемых методами ХТО (11000-16000 МПа у литых и до 30000 МПа при ХТО), однако это компенсируется увеличением пластичности.
Значительное влияние на твердость поверхности отливок оказывает состав упрочняющей обмазки. Микротвердость изменяется в значительных пределах от 7500 МПа при борохромировании и до 14000 МПа при боротитанировании.
Рисунок 6. Поверхностное упрочнение на стали 20ГСЛ при литье: а — упрочненный слой; б — микроструктура упрочненного слоя Figure 6. Surface hardening on steel 20GSL during casting: a — hardened layer; b — microstructure of the hardened layer
______«Grand Altai Research & Education»
Issue 2'2020
Составы разработанных насыщающих смесей и технология получения отливок из стали и сплавов с упрочняющим покрытием защищены патентами на изобретения РФ (№2440869, №2381299, №2508959).
Список литературы
1. Ворошнин Л.Г. Многокомпонентные диффузионные покрытия. Минск: Наука и техника,
2. Лыгденов Б.Д., Гурьев А.М., Мэй Ш., Гармаева И.А. Особенности формирования диффузионного слоя при комплексном насыщении углеродистой стали бором и титаном // Успехи современного естествознания. 2015. №1-7. С. 1171-1173.
3. Гурьев А.М., Иванов С.Г. Механизм диффузии бора, хрома и титана при одновременном многокомпонентном насыщении поверхности железоуглеродистых сплавов// Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2011. Т.8. №3. С. 92-96.
4. Иванов С.Г., Гурьев А.М., Бильтриков Н.Г., Кошелева Е.А., Иванова Т.Г., Левченко А.А. Особенности кинетики диффузионного насыщения углеродистых сталей бором и хромом // Ползуновский альманах. 2013. №2. С. 157-160.
5. Иванов С.Г., Гармаева И.А., Гурьев А.М. Особенности диффузии атомов бора и хрома при двухкомпонентном насыщении поверхности стали Ст3 // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2012. Т.9. №1. С. 86-88.
6. Гармаева И.А., Гурьев А.М., Иванов С.Г., Гурьев М.А., Кошелева Е.А., Мэй Ш. Одновременное насыщение бором, хромом и титаном углеродистых и легированных сталей // Ползуновский альманах. 2016. №4. С. 117-121.
7. Мэй Ш., Лыгденов Б.Д., Гурьев А.М., Бутуханов В.А. Формирование фазового состава при многокомпонентном диффузионном насыщении в смесях на основе бора // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2018. Т. 15. №1. С. 123-127.
8. Власова О.А., Иванов С.Г., Гурьев А.М., Кошелева Е.А., Чех С.А. Оптимизация многокомпонентной химико-термической обработки стали 30Х // Современные наукоемкие технологии. 2008. №3. С.32.
9. Гурьев М.А., Иванов А.Г., Иванов С.Г., Гурьев А.М. Упрочнение литых сталей поверхностным легированием из борсодержащих обмазок // Успехи современного естествознания. 2010. №3. С. 123.
10. Гурьев М.А. Повышение износостойкости деталей машин и инструмента поверхностным легированием при производстве литых изделий // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова. Барнаул, 2010.
11. Гурьев М.А., Иванов С.Г., Гурьев А.М., Черных Е.В. Диффузионное насыщение среднеуглеродистой стали бором совместно с хромом, титаном и вольфрамом // Эволюция дефектных структур в конденсированных средах. Сборник тезисов XVI Международной школы-семинара. Под редакцией М.Д. Старостенкова. 2020. С. 77-78.
12. Гурьев М.А., Иванов С.Г., Алонцева Д.Л., Иванова Т.Г., Гурьев А.М. Взаимосвязь химического состава насыщающей среды и диффузионного покрытия на сталях 45 и 45Л // Письма о материалах. 2014. Т.4. №3 (15). С. 179-181.
13. Гурьев А.М., Иванов С.Г., Власова О.А., Кошелева Е.А., Гурьев М.А., Лыгденов Б.Д. Способ упрочнения стальных деталей // Патент на изобретение RU 2381299 C1, 10.02.2010. Заявка №2008118705/02 от 12.05.2008.
14. Гурьев М.А., Аугсткалн А.И., Гурьев А.М., Иванов С.Г. Структура и свойства многокомпонентных диффузионных покрытий на сером чугуне СЧ25 // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2020. Т.17. №1. С. 26-31.
1981. 296с.
Наука и образование Большого Алтая»
15. Kazakov A.A., Kiselev D. Industrial Application of Thixomet Image Analyzer for Quantitative Description of Steel and Alloys Microstructure // Microscopy and Microanalysis. 2015. V.21, Suppl.3. P.457-458.
16. Kazakov A.A., Kiselev D. Metallography Industrial Application of Thixomet// Microstructure, and Analysis. 2016. P.294-301.
References
1. Voroshnin L.G. Mnogokomponentnye diffuzionnye pokrytiya. Minsk: Nauka i tekhnika, 1981. 296s.
2. Lygdenov B.D., Gur'ev A.M., Mej SH., Garmaeva I.A. Osobennosti formirovaniya diffuzionnogo sloya pri kompleksnom nasyshchenii uglerodistoj stali borom i titanom // Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya. 2015. №1-7. S. 1171-1173.
3. Gur'ev A.M., Ivanov S.G. Mekhanizm diffuzii bora, hroma i titana pri odnovremennom mnogokomponentnom nasyshchenii poverhnosti zhelezouglerodistyh splavov// Fundamental'nye problemy sovremennogo materialovedeniya. 2011. T.8. №3. S. 92-96.
4. Ivanov S.G., Gur'ev A.M., Bil'trikov N.G., Kosheleva E.A., Ivanova T.G., Levchenko A.A. Osobennosti kinetiki diffuzionnogo nasyshcheniya uglerodistyh stalej borom i hromom // Polzunovskij al'manah. 2013. №2. S. 157-160.
5. Ivanov S.G., Garmaeva I.A., Gur'ev A.M. Osobennosti diffuzii atomov bora i hroma pri dvuhkomponentnom nasyshchenii poverhnosti stali St3 // Fundamental'nye problemy sovremennogo materialovedeniya. 2012. T.9. №1. S. 86-88.
6. Garmaeva I.A., Gur'ev A.M., Ivanov S.G., Gur'ev M.A., Kosheleva E.A., Mej SH. Odnovremennoe nasyshchenie borom, hromom i titanom uglerodistyh i legirovannyh stalej // Polzunovskij al'manah. 2016. №4. S. 117-121.
7. Mej SH., Lygdenov B.D., Gur'ev A.M., Butuhanov V.A. Formirovanie fazovogo sostava pri mnogokomponentnom diffuzionnom nasyshchenii v smesyah na osnove bora // Fundamental'nye problemy sovremennogo materialovedeniya. 2018. T. 15. №1. S. 123-127.
8. Vlasova O.A., Ivanov S.G., Gur'ev A.M., Kosheleva E.A., CHekh S.A. Optimizaciya mnogokomponentnoj himiko-termicheskoj obrabotki stali 30H // Sovremennye naukoemkie tekhnologii. 2008. №3. S.32.
9. Gur'ev M.A., Ivanov A.G., Ivanov S.G., Gur'ev A.M. Uprochnenie lityh stalej poverhnostnym legirovaniem iz borsoderzhashchih obmazok // Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya. 2010. №3. S. 123.
10. Gur'ev M.A. Povyshenie iznosostojkosti detalej mashin i instrumenta poverhnostnym legirovaniem pri proizvodstve lityh izdelij // Dissertaciya na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tekhnicheskih nauk. Altajskij gosudarstvennyj tekhnicheskij universitet im. I.I. Polzunova. Barnaul, 2010.
11. Gur'ev M.A., Ivanov S.G., Gur'ev A.M., CHernyh E.V. Diffuzionnoe nasyshchenie sredneuglerodistoj stali borom sovmestno s hromom, titanom i vol'framom // Evolyuciya defektnyh struktur v kondensirovannyh sredah. Sbornik tezisov XVI Mezhdunarodnoj shkoly-seminara. Pod redakciej M.D. Starostenkova. 2020. S. 77-78.
12. Gur'ev M.A., Ivanov S.G., Alonceva D.L., Ivanova T.G., Gur'ev A.M. Vzaimosvyaz' himicheskogo sostava nasyshchayushchej sredy i diffuzionnogo pokrytiya na stalyah 45 i 45L // Pis'ma o materialah. 2014. T.4. №3 (15). S. 179-181.
13. Gur'ev A.M., Ivanov S.G., Vlasova O.A., Kosheleva E.A., Gur'ev M.A., Lygdenov B.D. Sposob uprochneniya stal'nyh detalej // Patent na izobretenie RU 2381299 C1, 10.02.2010. Zayavka №2008118705/02 ot 12.05.2008.
14. Gur'ev M.A., Augstkaln A.I., Gur'ev A.M., Ivanov S.G. Struktura i svojstva mnogokomponentnyh diffuzionnyh pokrytij na serom chugune SCH25 // Fundamental'nye problemy sovremennogo materialovedeniya. 2020. T.17. №1. S. 26-31.
15. Kazakov A.A., Kiselev D. Industrial Application of Thixomet Image Analyzer for Quantitative Description of Steel and Alloys Microstructure // Microscopy and Microanalysis. 2015. V.21, Suppl.3. P.457-458.
16. Kazakov A.A., Kiselev D. Metallography Industrial Application of Thixomet// Microstructure, and Analysis. 2016. P.294-301.
Наука и образование Большого Алтая»
45
