CC BY
22
УДК 621.762: 621.01
ТЕХНОЛОГИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
© 2009 г. Э.В. Ульяновская
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Дано обоснование выбора метода диффузионного алитирования для повышения эффективности изготовления и качества изделий из горячедеформированных порошковых сталей. Приводится описание технологии диффузионного алитирования, результатов, полученных при лабораторных исследованиях метода, даются рекомендации по практическому использованию.
Ключевые слова: технология изготовления; диффузионное алитирование; горячедеформированные порошковые стали; повышение износостойкости; повышение коррозионной стойкости; повышение жаростойкости.
Given substantiation of choice the method of diffusion alumining to elevate effectiveness of manufacture and quality ofproduct from the hot-deformed powder steel. Takes description technology diffusion alumining, results of the laboratory research of method, gives recommendations on practical using.
Keywords: technology of manufacture, diffusion alumining; the hot-deformed powder steel; elevating of attrition; elevating of corrosion resistance; elevating of heat resistance.
Одним из путей повышения эффективности изготовления и качества изделий из горячедеформированных порошковых сталей является применение химико-термической обработки. Это особенно оправдано в том случае, когда повышенные требования предъявляются к поверхностным слоям материала детали (коррозионная стойкость, износостойкость, несущая способность поверхности и др.), при этом химико-термическая обработка может эффективно дополнять такие виды обработки, как термическая обработка и механическая обработка. Подобное сочетание имеет следующие преимущества: отпадает необходимость в обработке резанием труднообрабатываемых легированных порошковых сталей, которая заменяется на механическую обработку углеродистых нелегированных материалов, при этом значительно сокращаются расходы на основной материал заготовки. Однако эффективность такой технологической схемы может быть сведена на нет из-за высоких затрат на продолжительную и энергоемкую химико-термическую обработку, основанную на традиционных методах с применением твердых насыщающих сред. Следовательно, проблема повышения эффективности изготовления и качества изделий из горячедеформированных порошковых сталей неразрывно связана с разработкой интенсивных методов химико-термической обработки, например диффузионное алитирование.
По классификации [1, 2] горячедеформированные порошковые стали относят к классу непроницаемых материалов и применяют к ним те же закономерности
диффузионных процессов, которые характерны для литых и горячекатаных сталей. Тем не менее при проведении диффузионного алитирования горячедефор-мированных порошковых сталей следует ожидать значительной интенсификации диффузионных процессов, обусловленной следующими характерными особенностями этих материалов: значительная раз-ветвленность межзеренных и субзеренных границ, наличие бывших межчастичных границ, повышенная дефектность кристаллического строения, большее количество примесей, значительная свободная поверхность (даже при закрытых порах) [2].
Интенсификация процессов химико-термической обработки в значительной мере зависит от методов ее проведения.
Жидкостный метод алитирования литых сталей имеет ряд преимуществ, к числу которых относится высокая скорость алитирования, сравнительно низкие температуры (600 - 850 °С), простота технологии и универсальность используемого оборудования. Кроме того, алитирование погружением является наиболее дешевым по сравнению с другими методами [3].
Широкое, по сравнению с другими средами, применение ванн с расплавленным металлом при химико-термической обработке вызвано такими их преимуществами, как высокая скорость нагрева, обусловленная большими значениями коэффициентов теплопередачи в расплавах; высокая равномерность нагрева вследствие большей теплопроводности жидкости по сравнению с газами; относительно простое получение высо-
ких температур (до 1300 °С); возможность осуществления местного нагрева; высокая точность регулирования температуры расплава; предохранение поверхности от непосредственного воздействия воздуха; возможность работы при высоких температурах.
Сравнительно высокая скорость нагрева в расплавах также позволяет избежать чрезмерного роста зерна в сталях при закалке и нормализации и повысить производительность.
Присутствие расплавленной фазы - одно из главных условий получения высококачественных плотных покрытий. Решающее влияние на их формирование оказывают кристаллизационная способность, вязкость, поверхностное натяжение, смачивающая способность, химическая и электрохимическая активность исходных систем.
Алюминиевые расплавы относятся к числу маловязких жидкостей. Вязкость расплавов исчисляется всего лишь тысячными долями Паскаль-секунды и мало изменяется при охлаждении, вплоть до температуры кристаллизации.
Поэтому алитирование горячедеформированных порошковых сталей в расплаве представляется весьма перспективным для повышения качества деталей машин и эффективности их изготовления.
Сущность метода диффузионного алитирования горячедеформированных порошковых сталей заключается в следующем. После механической обработки заготовку помещают в ванну с расплавом следующего состава (% по массе): 96 - алюминия технической чистоты А85 ГОСТ 11069-74; 4 - железного порошка марки ПЖР2.200.28 ГОСТ 9849-86. Железный порошок служит для предотвращения коррозии изделий расплавом алюминия. Расплав алюминия нагревают в печи до рабочей температуры (950 °С), добавляют железо, перемешивают и выдерживают в печи 1,5 ч. Образцы загружают в расплав так, чтобы они не выступали над зеркалом ванны.
Для получения качественного покрытия необходима надежная защита расплавленного алюминия и покрываемого изделия от окисления. На зеркало ванны расплава наносят слой флюса, состоящего из 50 % NaCl и 50 % KCl.
Для оптимизации технологии диффузионного али-тирования горячедеформированных порошковых сталей применялись различные варианты технологических процессов получения образцов: СХП - ДА, СХП - ДА - ГШ, СХП - ГШ - ДА, СХП - ГШ - ДА - ТО, где ХП - статическое холодное прессование порошковой шихты в закрытой пресс-форме; ДА - диффузионное алитирование по предлагаемому методу; ГШ - горячая штамповка в закрытой пресс-форме пористой порошковой заготовки, полученной на стадии СХП, после проведения ГШ плотность заготовок составляла 7,70-7,75-103 кг/м3; ТО - термическая обработка: закалка, непосредственно из ванны расплавленного алюминия в воду, с последующим высоким отпуском при температуре 550 - 600 °С в течение 1,5 ч.
При увеличении пористости порошковых материалов ухудшалось как качество диффузионного слоя при диффузионном алитировании (неравномерность по толщине диффузионного слоя, снижение концентрации А1 в диффузионном слое, вследствие наличия открытой пористости), так и механические свойства образцов
В процессе диффузионного алитирования горяче-деформированных порошковых сталей образуются четыре различающиеся по структуре и фазовому составу зоны: внешняя обогащенная алюминием однофазная зона диффузионного слоя; переходная зона диффузионного слоя; подслойная обогащенная углеродом зона; ферритная или феррито-перлитная сердцевина, в которой соотношение структурных составляющих определяется общим содержанием углерода.
Механизм диффузионного алитирования в ванне с расплавленным алюминием заключается в постадий-ном протекании этапов насыщения. На первом этапе, начинающемся непосредственно после погружения образца в расплав, происходит частичное растворение железа в алюминии и хемосорбция на его поверхности атомов алюминия с образованием интерметаллического соединения FeAl3. На последующих этапах происходит диффузия атомов алюминия (молекул FeAl3) в матрицу материала с образованием интерметаллидов, обогащающихся алюминием вплоть до FeAl3. По мере протекания встречной диффузии металлов толщина слоя FeAl3 достигает определенной величины и наблюдается образование соединения Fe2Al5.
Структура сердцевины порошковых сталей после диффузионного алитирования практически не претерпевает изменений и в зависимости от содержания углерода в насыщаемом материале может быть фер-ритной, феррито-перлитной, перлитной и перлито-цементитной.
Повышение содержания углерода в насыщаемом материале приводит к снижению толщины алитиро-ванного слоя, что связано с тем, что углерод оказывает тормозящее действие на диффузию алюминия. Увеличение температуры и продолжительности диффузионного алитирования в большинстве случаев приводит к увеличению толщины алитированного слоя. Зависимость толщины алитированного слоя от температуры имеет характер, близкий к экспоненциальному, а от продолжительности - к параболическому. Экспериментально доказано, что повышение температуры диффузионного алитирования при данном способе химико-термической обработки увеличивает толщину диффузионного слоя, но с ростом температуры в интервале 950 - 1250 °С эта тенденция уменьшается. При повышении температуры диффузионного алитирования до 1050 - 1100 °С наблюдается оплавление поверхности или полное растворение образцов в насыщающем расплаве. При увеличении продолжительности диффузионного алитирования растет и толщина диффузионного слоя. Но после 1,5 ч насыщения интенсивность роста уменьшается.
Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что наибольшая эффективность процесса насыщения при диффузионном алитирова-нии в ванне с расплавленным алюминием достигается в случае его проведения на горячедеформированных безуглеродистых образцах. При этом толщина диффузионного слоя достигает h = 780 мкм ^ = 950 °С, т = 1,5 ч, остаточная пористость 1 - 3 %). Увеличение содержания углерода снижает эффективность процесса из-за неспособности углерода проникать через интерметаллический слой, и образования обогащенного углеродом подслоя, препятствующего диффузии атомов алюминия (молекул FeAlз) в сердцевину образца.
Определены следующие количественные показатели изменения свойств горячедеформированных порошковых сталей в результате диффузионного али-тирования:
- повышение износостойкости при сухом трении на уровне компактной стали ШХ15СГ вследствие высокой микротвердости алитированных слоев, достигающей 9500...10500 МПа, а также их низкой адгезионной способности вследствие образования на поверхности пленки оксида алюминия;
- повышение коррозионной стойкости в дистиллированной, котловой и морской воде, солевом тума-
Поступила в редакцию
не, в 5,5, 10, 5, 8 раз, соответственно, а в 5 % -м растворе азотной кислоты коррозионная стойкость возросла всего в 2 - 2,5 раза;
- повышение жаростойкости при температуре 700 0С в 20,8.32,2 раза, при 900 0С - в 29.50 раз, а при 1000 ОС - в 11.19,4 раза; при этом жаростойкость алитированных горячедеформированных порошковых материалов находится на уровне стали 12Х18Н10Т; алитированные горячедеформированные порошковые стали обладают жаростойкостью до 1000 ОС; а при температуре выше 1000 ос алюминий начинает диффундировать из алитированного слоя в глубь образца, что приводит к снижению его защитных свойств.
Литература
1. Дорофеев Ю.Г. Динамическое горячее прессование пористых материалов. М., 1968. 120 с.
2. Ермаков С.С., Вязников Н.Ф. Металлокерамические детали в машиностроении. Л., 1975. 232 с.
3. Кейз. С.Л., Ван Горн К.Р. Алюминий в чугуне и стали. М.,
1959. 491 с.
10 марта 2009 г.
Ульяновская Элеонора Владимировна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология машиностроения», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 25-54-86.
Ulyanovskaya Eleonora Vladimirovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Technology of mechanical engineering», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 25-54-86.
