CC BY
14
ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИ
УДК 621.43.038
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГОМАШИН МЕТОДАМИ ДИФФУЗИОННОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ
В.К. ИЛЬИН
Казанский государственный энергетический университет
В статье рассмотрен механизм формирования диффузионного слоя на стальных и чугунных деталях при их насыщении карбидообразующими элементами. Показаны пути интенсификации роста линейных размеров восстанавливаемых деталей.
Введение
Для повышения надёжности деталей машин, работающих в условиях абразивного и коррозионного износов, наряду с другими способами упрочнения применяются и способы химико-термической обработки (ХТО) [1]. Получаемые вследствие ХТО покрытия обладают повышенной износной и коррозионной стойкостью. Некоторые виды ХТО дают и изменение линейных размеров, которое вообще не учитывают, ввиду их незначительности, или первоначальный размер детали заранее занижают на величину приращения. Однако в литературе нет сведений, дающих чёткого представления о механизме роста линейных размеров и факторах, влияющих на данный процесс. Поэтому задача построения модели роста линейных размеров является актуальной.
Теоретическая часть
Наибольшее приращение линейных размеров можно получить при насыщении стальных и чугунных деталей металлами, и в частности карбидообразующими: титаном, хромом, ванадием и.т.д.
Диффузионное хромирование на углеродистых сталях позволяет получить прирост линейных размеров до 30...80 мкм, что вполне достаточно для восстановления прецизионных деталей [2].
Механизм образования диффузионного и наращиваемого слоёв можно представить следующим образом (рис.1).
После осаждения атомов насыщающего элемента из паровой фазы или восстановления галогенидов водородом при газофазном способе происходит их диффузия в глубь детали. Движущей силой диффузии является разность концентраций насыщающего элемента на поверхности и внутри насыщаемой детали.
Диффузия хрома, титана, ванадия происходит преимущественно по вакансионному механизму. Одновременно с диффузией с поверхности в глубь детали будет идти и встречная диффузия углерода и железа из детали в направлении реакционного пространства.
© В.К. Ильин
Проблемы энергетики, 2003, № 11-12
Рис.1. Схема образования диффузионного слоя
Насыщающий элемент в стали может занимать не только образовавшиеся от встречной диффузии железа вакансии, но и размещаться в межузлиях, деформируя, тем самым, кристаллическую решетку. Деформация кристаллической решётки способствует диффузии насыщающего элемента в глубь детали. Таким образом, образуется диффузионный слой твёрдого раствора хрома, титана или ванадия в железе.
Концентрация насыщающих элементов в диффузионном слое будет переменной. Максимальное значение наблюдается в приповерхностном слое, где и возникнут первые карбидные соединения.
Образование карбидной фазы замедляет диффузию насыщающего элемента с поверхности в глубь детали, так как подвижность его атомов в химическом соединении мала и недостаточна для разрыва образовавшихся связей и их перемещения. Замедлится, по этой же причине, и диффузия железа из детали в реакционное пространство. В результате - в приповерхностном слое изделия образуется диффузионный карбидный слой толщиной Ь и происходит движение внешней границы слоя наружу на величину 81.
Одновременно с диффузией насыщающего элемента в глубь изделия, как отмечалось выше, происходит встречная диффузия углерода из детали в реакционное пространство. Движущей силой диффузии углерода является разность его концентрации в изделии и насыщающей среде. Этому же способствует процесс высвобождения атомов углерода при перестроении кристаллической решетки в слое Ь .
Замедление процесса отвода насыщающего элемента в атомарном состоянии от поверхностных слоёв в глубь детали приведёт к увеличению его концентрации на поверхности детали. В результате встречной диффузии углерода и осаждения насыщающего элемента на поверхности изделия образуется карбидный слой и происходит сдвиг его внешней границы на величину 82 .
Таким образом, изменение линейных размеров изделия (А) определяется как сумма двух составляющих:
А = 81+ 8 2.
(1)
Движение внешней границы диффузионного слоя на величину 81 будет зависеть от глубины диффузии хрома в деталь Ь2 , разности параметров кристаллических решеток железа и образующихся химических соединений (карбидов, нитридов, интерметаллидов).
Основное изменение размеров слоя 82 происходит по двум причинами:
1. образования активного элемента на поверхности детали, т.е. от его коэффициента массопереноса (в) из реакционного пространства к поверхности детали;
2. встречной диффузии углерода стали в осаждённый слой и образования карбидной фазы.
Коэффициент массопереноса в зависит от температуры процесса, коэффициента диффузии состава насыщающей среды и от состава насыщаемой детали и может быть определен по следующей зависимости:
где сп - концентрация насыщающего элемента в реакционном пространстве (активность атмосферы); сср -конечная средняя концентрация насыщающего элемента в карбидном слое; с0 - начальная концентрация насыщающего элемента в детали; т -время хромирования; 8 - толщина карбидного слоя.
Насыщение углеродом стали насыщающего элемента, расположенного на поверхности детали, происходит при температурах, соответствующих у - области. Поэтому необходимо определить реакцию и её направление в зависимости от активности углерода. Так как процесс протекает в области аустенита Гву (С) в
системе ¥в - ¥в3С , реакция получит вид
Для определения зависимости активности углерода в аустените предложены различные уравнения, которые дают совпадающие результаты. Нами принято уравнение по Шенку и Кайзеру
где Мс - атомарная доля углерода; Т - температура, К; ас - активность углерода в аустените.
Активность углерода в аустените ас зависит от двух факторов: температуры и концентрации углерода в аустените (рис.2).
Как следует из рис.2., чем больше в аустените углерода и ниже температура, тем выше значение ас .
2т сп - с0
(2)
1п ас = 1§[ —— + 0,9МІ | + 2105 - 0,6735 с \ 1 - 5 Мс с J Т
(3)
йс
0,8
0,6
0,4
0,2
0\ ь/ А. /
> / ( 7 Г
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 С %
Рис.2. Зависимость активности углерода аустенита ас от концентрации и температуры
По Вагнеру, влияние легирующих аустенит элементов на активность углерода может быть представлена следующим уравнением:
бх 3 4 п
1п у с = 1п у с + N3 8 с + N4 Б с + ... + Мп8 с ,
(4)
где у С — коэффициент активности растворённого углерода под влиянием легирующих элементов х3, х4,... хп; ^, ^,... N - атомные доли легирующих элементов; б X — параметр, учитывающий взаимодействие растворённого углерода с другими легирующими элементами, растворёнными в аустените,
е£ = (дАпус)/ дNx. (5)
При рассмотрении механизма формирования роста слоя 82 необходимо рассмотреть последовательность образования фаз и их состав. Для этого был использован горизонтальный разрез тройной диаграммы железо-хром-углерод при * = 1050 °С (рис.3).
Как следует из рис.3, повышение в поверхностном слое содержания хрома до 30 % способствует растворимости углерода в железе и увеличению его растворимости в карбидной фазе. Таким образом, в трёхкомпонентном сплаве, в отличие от двухкомпонентного, при температуре насыщения в равновесии могут находиться две фазы переменного состава. При увеличении длительности хромирования состав поверхностного слоя изменяется в сторону повышения концентрации хрома и роста карбидной фазы. Причём последовательность и состав фаз можно определить, зная изменение концентрации по глубине диффузионного слоя.
О 1 2 3 4 5 6 7 С,%
Рис.3. Горизонтальный разрез диаграммы состояния
О
"железо-хром-углерод" при 1=1050 С
Таким образом, полученные зависимости раскрывают механизм роста линейных размеров при диффузионном насыщении стальных и чугунных деталей карбидообразующими элементами и позволяют прогнозировать пути интенсификации роста линейных размеров восстанавливаемых деталей.
Выводы
1. Созданная модель роста линейных размеров раскрывает механизм формирования диффузионного слоя при насыщении стальных и чугунных деталей карбидообразующими элементами и позволяет прогнозировать величину приращения линейных размеров, а также пути интенсификации диффузионного процесса.
2. Установлено, что основными факторами, влияющими на величину
приращения линейных размеров, являются: параметры кристаллических
решеток насыщающих элементов и образующихся химических соединений (карбидов, нитридов, интерметаллидов), а также наличие углерода и его активность.
Summary
Mechanism of diffusive layer formation on steel and cast-iron details upon their impregnation with carbide-forming elements was examined in the paper. Ways to intensify growth of linear dimensions of the restored details were shown.
Литература
1. Бугаев В.Н. Восстановление деталей и повышение ресурса топливной аппаратуры тракторных и комбайновых дизелей диффузионной металлизацией: Дис... докт. техн. наук. - М., МИИСП, 1987. - 209 с.
2. Ильин В.К. Восстановление и упрочнение деталей картофелеуборочных комбайнов диффузионным насыщением с применением электромеханической обработки: Дис... канд. - техн. наук. М., МИИСП, 1992. - 187 с.
Поступила 15.09.2003
