ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ УПРОЧНЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ НА СТАЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.74

ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ УПРОЧНЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ НА СТАЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ

М.А. Гурьев, Д.С. Фильчаков, И.А. Гармаева, С.Г. Иванов, А.М. Гурьев, Г.А. Околович

В статье рассматриваются структура поверхностных слоев и свойства стальных деталей, полученных поверхностным легированием при литье. Образование упрочненного слоя происходит в результате взаимодействия горячего материала отливки с легирующим облицовочным слоем, нанесенным на поверхность литейной формы. Описаны структура и фазовый состав диффузионных слоев, полученных в процессе изготовления отливки одновременным насыщением сталей бором совместно с хромом и бором совместно с титаном.

Ключевые слова: поверхностное легирование, структура, фазовый состав, сталь.

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. 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 химико-термическая обработка 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 инструмента.

Исследования воздействия насыщающих сред в виде обмазок при ХТО показали, что использование соединений бора с хромом в качестве добавки к карбиду бора, зна-

чительно увеличивает срок службы инструмента. Борирование, хромирование, титани-рование и совмещенные процессы (борохро-мирование 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. Однако, известные методы получения таких упрочняющих покрытий несовершенны и достаточно трудоемки [1, 2].

Указанных недостатков лишен способ поверхностного упрочнения, когда упрочнение поверхности и процесс изготовления изделия совмещены в единый процесс. Такая комбинация возможно 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 [3].

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 экс-

плуатации. Наиболее перспективным в этом направлении является метод литья по газифицируемым моделям (ЛГМ), позволяющий получать высокоточные отливки с хорошей чистотой поверхности.

Метод литья по газифицируемым моделям основан на выгорании (деструкции или газификации) одноразовой не извлекаемой модели в форме при заполнении ее жидким расплавом [3, 5, 9].

Интересен способ, описанный в работе [4], где рассматривается возможность легирования требуемых участков заготовок, полученных методом ЛГМ.

Рисунок 1 - Схема установки металлических пластин 1 в модель 2 из пенополисти-рола

Способ осуществляется размещением вставок в виде тонких (толщиной до 1 мм) металлических пластин или игл диаметром до 2 мм, заданного состава, для увеличения эксплуатационных характеристик отливок, в модель из полистирола (рисунок 1). При заливке моделей расплавом формируется легированный слой заданной глубины. Однако предлагаемый способ помимо несомненных преимуществ имеет и ряд недостатков, основным из которых является сложность изготовления модели и необходимость изготовления пластин или игл заданных размеров и химического состава. Все это значительно усложняет технологический процесс получения готовых отливок и приводит к его удорожанию, что делает его малопривлекательным для серийного производства.

Большой практический интерес представляет получение в процессе литья диффузионных слоев на основе боридов железа, обладающих, как известно, высокой твердостью и износостойкостью [6 - 8]. Повышение работоспособности деталей машин и меха-

низмов, инструмента и технической оснастки, их надежности и долговечности обеспечивается в определенной мере оптимизацией технологии нанесения борсодержащих покрытий, и химическим составом насыщающей смеси.

Целю работы являлось повышение износостойкости деталей машин и инструмента за счет комплексного диффузионного насыщения поверхностного слоя деталей из железоуглеродистых сплавов в процессе литья по газифицируемым моделям на основе оптимизации состава насыщающих смесей и установления закономерностей структурообразо-вания.

В работе применялся способ ЛГМ в формах из песка с применением вакуума, применяемого в единичном, серийном и массовом производстве отливок из черных и цветных сплавов массой по чугуну до 2000кг.

В качестве исследуемых материалов использовали стали различного назначения (25Л, 30Л, 35Л, 45Л, 25ГЛ, 110Г13Л), а также чугун СЧ15 и СЧ20.

Литые образцы стали для исследования структуры и свойств упрочненного слоя получали двумя способами:

1 - литьем по газифицируемым моделям (размер образцов для стали 040 мм, длина 8-30 мм, для чугуна - 90x45x20 мм);

2 - в форму из стержневой смеси (холоднотвердеющая смесь (ХТС), состоящая из кварцевого песка марки 4К20202, кислоты ор-тофосфорной и смолы БС-40). Размер образцов: 025 мм, длина 40 мм.

Насыщающую обмазку наносили на поверхность модели. На схеме (рисунок 2) показан способ нанесения упрочняющей обмазки. Обмазка (позиция 2 на рисунке 2) наносится на упрочняемую поверхность в виде сметанообразной пасты толщиной от 0,2 до 2 мм.

Из рисунка видно, что в случае литья в песчано-глинистые формы необходимо учитывать влияние толщины наносимой обмазки на размеры получаемой отливки. Полость 3 уменьшается на величину равную толщине обмазки, а увеличение толщины слоя обмазки ведет к уменьшению размеров отливки. Поэтому в случае литья в форму необходимо корректировать размеры формы в местах нанесения упрочняемой отливки. В случае ЛГМ насыщающая обмазка наносится на поверхность модели, что не влияет на размерную точность получаемой отливки и никакой корректировки размеров модели не требуется (рисунок 2 б).

Модель из пенополистирола с литниковой системой с нанесенным на ее поверхность огнеупорным покрытием устанавливается в контейнер и засыпается сухим песком, который затем уплотняется вибрацией. Верх контейнера закрывается полиэтиленовой пленкой и в форме создается вакуум порядка 0,045-0,05 МПа, после чего форма заливается металлом.

Плавку стали проводили в индукционной тигельной электропечи LHGW-0,5/ISM мощностью W=500 кВт, а заливку осуществляли ковшом чайникового типа емкостью V=250 кг. Температуру расплава измеряли при помощи инфракрасного термометра Кельвин 1800П. Химический анализ исследуемых сплавов определяли на спектрометрах «Аргон-5» и «МСА II».

а б

Рисунок 2 - Нанесение обмазки: а - литье в песчано-глинистые формы, б - литье по газифицируемым моделям (1 - литейная форма, 2 - насыщающая обмазка, 3 - полость формы, 4 - модель из пенополистирола)

Упрочнение проводили из обмазки, нанесенной на поверхность газифицируемой модели и на поверхность полости формы из ХТС.

После проведения процессов диффузионного насыщения изучали структуру, фазовый и химический состав боридных слоев. Металлографическое исследование проводили на оптическом микроскопе Neophot-21 и методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) на электронном растровом микроскопе JSM-6510 LV JEOL с системой микроанализа INCA Energy 350, Oxford Instruments, просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на электронном микроскопе ЭМ-125К и атомно-силовой микроскопии (АСМ) на микроскопе «FEMTOSKAN» в режиме сканирования рельефа поверхности. Для просмотра в оптическом микроскопе шлифы готовились методами химического и электрохимического травления.

Механические свойства определяли по стандартным методикам. Износостойкость определяли в лабораторных условиях на машине Амслера по ГОСТ 47421-73. Дюро-метрические исследования производили на твердомере Роквелла ТР 5005 по шкале С согласно ГОСТ 9013-82 и на приборе ПМТ-

3М по ГОСТ 9450-76.

На сталях различного химического состава были получены упрочняющие диффузионные слои (рисунок 3), распределение значений микротвердости в слоях после упрочнения бором совместно с другими элементами N ^ и W) при литье представлено на рисунке 4.

На рисунке 4 приведены средние значения по результатам 10 измерений толщины диффузионного слоя. Видно, что состав стали не оказывает значительного влияния на толщину получаемого упрочненного слоя, сформировавшегося в процессе поверхностного легирования стали при литье. На всех сталях получены слои толщиной от 0,9 до 1,2 мм при толщине стенки отливки 10 мм и времени выдержки в форме 5 минут. 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. Микротвердость изменяется в значительных пределах от 7500 МПа при борохромировании и до 14000 МПа при боротитанировании. Данные на рисунке 3 приведены для образцов толщиной 10 мм и

времени выдержки в форме 5 минут.

Рисунок 3 - Толщина упрочненного слоя, полученного на сталях различного состава после борохромирования и боротитанирования.

Толщина слоя, мкм Рисунок 4 - Распределение значений микротвердости в упрочненном слое стали 45Л после упрочнения бором совместно с другими элементами (Сг, Ы1, Т и ^

Микроструктура полученного диффузионного борохромированного слоя представлена на рисунке 5. Сформировавшиеся взамен игольчатых диффузионные слои толщиной более 1 мм имеют структуру боридной эвтектики с крупными включениями перлита (до 30 мкм), где эвтектика представляет собой мелкодисперсную механическую смесь боридов и перлита.

Микроструктура полученного диффузионного боротитанированного слоя приведена на рисунке 6. Диффузионный слой имеет структуру боридной эвтектики с крупными включениями боридов (до 70 мкм) и твердо-

стью до 14000 МПа. Эвтектика представляет собой мелкодисперсную механическую смесь боридов и перлита.

Таким образом установлена возможность получения упрочненной поверхности на конструкционном феррито-перлитном и перлитным чугуне, среднеуглеродистых сталях и износостойкой высокомарганцовистой аусте-нитной стали методом литья в отрытую форму из стержневой смеси и литьем по газифицируемым моделям из пенополистирола. Показано, что диффузионный боридный слой на стали 30Л, полученный при литье имеет на порядок большую толщину (до 5 мм) и не-

сколько меньшую микротвердость (1100016000 МПа) по сравнению с диффузионными слоями, полученными методами химико-термической обработки (до 0,25 мм с микро-

**; ¿Г »■ >•

Р&со .»V * 'Ч!| <. Д., ^

"Т Ч - ¿м-Г . Г* ?

• ' "** • 'Я- • .Л*. ♦ * ■ Ь V ^

. ♦ /% _ идмав

твердостью 16500-25000 МПа).

а б

Рисунок 5 - Микроструктура диффузионного борохромированного слоя на стали 45Л, полученного при литье, а - цена деления шкалы 10 мкм, б - цена деления шкалы 2,5 мкм

а б

Рисунок 6 - Микроструктура диффузионного боротитанированного слоя на стали 45Л,

полученного при литье, а - цена деления шкалы 10 мкм, б - цена деления шкалы 2,5 мкм

В работе также исследованы и описаны структуры и фазовый состав диффузионных слоев, полученных в процессе изготовления отливки одновременным насыщением сталей 25Л, 30Л, 35Л, 45Л, 25ГЛ и 110Г13Л бором совместно с хромом и бором совместно с титаном. Установлены условия проведения процесса поверхностного легирования, в которых возникает возможность образования боридной эвтектики, боридов, карбидов, кар-боборидов, твердых растворов на основе а-железа.

Определено [10] оптимальное сочетание компонентов насыщающей среды для по-

верхностного упрочнения сталей при получении деталей машин и инструмента методом литья (борид хрома (СгВ2), карбид бора (В4С), графит, бентонит, фтористый натрий (NаF)).

Установлены аналитические зависимости, связывающие компоненты состава насыщающей смеси (борид хрома (СгВ2), карбид бора (В4С), графит, бентонит, фтористый натрий (NаF)) с эксплуатационными и физико-механическими свойствами сталей (микротвердость, износостойкость, толщина диффузионного слоя) после упрочнения в процессе получения отливки методом литья по газифицируемым моделям.

Исследование насыщающей способности представленных насыщающих сред показало, что соединения бора с хромом (дибо-рид хрома, феррохром), используемые как компоненты насыщающей обмазки, эффективны и как поставщики бора, так и как поставщики хрома. Разработан новый состав насыщающей среды для поверхностного упрочнения литых сталей одновременным насыщением бором и титаном, содержащий: B4C - 40-80 масс.%, TiB2 - 10-30 масс.%, графит - 10-20 масс.%, - 5-10 масс.%, бентонит - 2-5 масс.%. Для разработанного состава рекомендованы оптимальные темпе-ратурно-временные режимы обработки [11].

Применение разработанной технологии упрочнения позволяет улучшить эксплуатационные свойства, в частности абразивная износостойкость полученных на стали 35Л диффузионных слоев возрастает в 15,4 при борохромировании и в 25,6 раз после боро-титанирования. Испытания фильер для прессования древесных отходов в брикеты из стали 45Л, упрочненных с помощью разработанной технологии, показали, что их стойкость повышается более чем в 4,5 раза по сравнению с ранее применяемыми из стали ХВГ упрочненные карбоазотиррованием, а использование разработанной технологии упрочнения позволяет уменьшить затраты на изготовление данной детали в 1,5 раза [612].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ворошнин, Л. Г. Борирование промышленных сталей и чугунов [Текст] / Л. Г. Ворошнин. -Минск: Беларусь, 1981. - 205 с.

2. Гурьев, М. А. Комплексное диффузионное упрочнение тяжелонагруженных деталей машин и инструмента [Текст] / М. А. Гурьев, С. Г. Иванов, Е.А. Кошелева, А. Г. Иванов, А. Д. Грешилов, А. М. Гурьев, Б. Д. Лыгденов, Г. А.Околович // Ползунов-ский вестник. - 2010. - №1. - С.114 -121.

3. Шуляк, В. С. Литье по газифицируемым моделям. - СПб.: НПО «Профессионал», 2007. -408с.

4. Дементьев, В.Б. О глубинном легировании стальных деталей при литье по газифицируемым моделям [Текст] / В. Б. Дементьев, Овчаренко П. Г., Лещев А. Ю. // Литейное производство - №8.2011, С. 29-31.

5. Гурьев М.А., Упрочнение литых деталей поверхностным легированием [Текст] / М. А. Гурьев, О. А Власова. А. М.Гурьев // Международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии (СММТ, 2009)» / СПбГПУ. - Санкт-Петербург: Изд-во Поли-техн. ун-та. 2009. - С. 163-166.

6. Guriev, M. A. Surface alloying of steel [Текст] / M. A. Guriev , S. G. Ivanov, A. M. Guriev / 17 international conference production and management in the steel industry, Poland, Zakopane, 25-27.06.2009. P.12-14.

7. Гурьев, М.А. Поверхностное легирование стали бором [Текст] / М. А.Гурьев, С. Г. Иванов, А. М. Гурьев // Международный симпозиум «Перспективные материалы и технологии» / Витебск, Беларусь 25-29 мая 2009 г.: издательский отдел ЦИТ ВГТУ УО "Витебский государственный технологический университет". - С. 195.

8. Гурьев, М. А. Упрочнение литых деталей поверхностным легированием на основе бора [Текст] / М. А. Гурьев // Ползуновский альманах-№2.- 2009.-С.46-47.

9. Гурьев, М.А. Поверхностное упрочнение стальных деталей при литье по газифицируемым моделям [Текст] / М. А. Гурьев, Г. А. Околович // Ползуновский альманах - №1.- 2010.- С.102-106.

10. Гурьев, М.А. Оптимизация состава многокомпонентной насыщающей смеси на основе бора и хрома для поверхностного легирования сталей [Текст] / М. А. Гурьев, Е. А. Кошелева, С.Г Иванов // Ползуновский альманах - №1.- 2010.- С.131-135.

11.Гурьев, М. А. Упрочнение литых сталей поверхностным легированием из борсодержащих обмазок [Текст] / М. А. Гурьев, А. Г. Иванов, С. Г. Иванов, А. М. Гурьев // Успехи современного естествознания - №3.- 2010.- С.123-124.

12.Гурьев, М. А. Анализ влияния природы легирующих элементов в высоколегированных сталях на процессы комплексного многокомпонентного диффузионного борирования [Текст] / М. А. Гурьев, А. М. Гурьев А. Г. Иванов, С. Г. Иванов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований - №5.- 2010. - С. 155-157

Гурьев М.А., к.т.н., главный металлург ООО «ЛитПром», г. Барнаул, e-mail: gurievma@mail.ru

Фильчаков Д.С., ст. преподаватель, ФБГОУ ВПО «(Восточно-Сибирский государственный университет технологии и управления», г. Улан-Удэ

Гармаева И.А., к.т.н., докторант Иванов С.Г., к.т.н., инженер-электроник 1 категории кафедры «Общая физика», e-mail: serg225582@mail.ru,

Гурьев А.М., д.т.н., профессор, зав. кафедрой НГиГ, e-mail: gurievam@mail.ru,

ОколовичГ.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой МТиО,

ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».