CC BY
13
УДК 669.14.18.296
ЦИАНИРОВАНИЕ ЛЕГИРОВАННЫХ НАПЛАВОК В КАРБАМИДО-НАТРИЕВОЙ ВАННЕ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ
ДЕТАЛЕЙ МАШИН Колмыков Валерий Иванович, д.т.н., профессор Чаплыгин Владислав Юрьевич, аспирант (e-mail: metroJlava@mail.ru) Колмыков Дмитрий Валерьевич, к.т.н., доцент Воскобойников Дмитрий Викторович, к.т.н., преподаватель Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
Приведены экспериментальные данные по цианированию в дешевой и нетоксичной соляной ванне стальных изделий с наплавленными покрытиями, применяемыми при восстановлении изношенных деталей машин. Показана высокая эффективность низкотемпературного цианирования для повышения твердости и усталостной прочности деталей с наплавками.
Ключевые слова: цианирование, покрытия, повышение твердости, усталостная прочность
Наплавка металлических покрытий на поверхности стальных изделий широко используется в ремонтном производстве при восстановлении изношенных деталей машин [1]. Для такого рода наплавки используются различные методы и самые разнообразные наплавочные материалы, что дает возможность получать наплавленный металл с различными и, порой, с весьма высокими свойствами (твердостью, износостойкостью и др.) . Главным недостатком метода наплавки является то, что в наплавленных слоях возникают растягивающие внутренние напряжения, которые в той или иной степени снижают усталостную прочность восстановленных деталей [2]. Устранить указанный недостаток и, тем самым, значительно повысить эксплуатационные свойства наплавленных возможно химико-термической обработкой, которая, как известно, создает в поверхностных слоях стальных изделий благоприятные сжимающие напряжения [3].
Одним из наиболее эффективных и одновременно дешевых способов химико-термической обработки является низкотемпературное цианирование ( или «мягкое азотирование») сталей, которое проводится в расплавах азотисто-углеродных солей при температурах 560...580 С. За рубежом ( в Германии, США и других странах) такой метод упрочняющей обработки используется достаточно широко под названием Тенифер-процесс. Этот процесс начинает внедряться и на отечественных машиностроительных предприятиях, однако его широкое внедрение сдерживается чрезвычайно высокой стойкостью цианатов, используемых в этом процессе.
Нами, в качестве импортозамещения, предлагается новый состав соляной ванны для низкотемпературного цианирования стальных деталей, в
том числе деталей с наплавленными покрытиями, который отличается дешевизной при примерно одинаковой активности с Тенифер-ванными. Состава предлагаемой ванны следующий (% масс.): карбамид (широко распространенное азотное удобрение мочевина) - 35...45 %; углекислый натрий ( кальцинированная сода, которая производится в массовых количествах и широко используется в промышленности и в быту) - 35.45 %; хлористый натрий ( обыкновенная поваренная соль) - 8.10 % и едкий натр ( каустическая сода) - 10.12 %. Эта ванна, как видно, не содержит дорогих и не очень токсичных компонентов ( для которых требуются специальные меры защиты) имеет хорошую жидко текучесть и низкую летучесть ( испаряемость ) в интервале рабочих температур 560.660 с [4].
Для определения активности предлагаемой цианирующей ванны, которую можно назвать «карбамидо-натриевой ванной», и для определения возможности её использования в ремонтном производстве был проведен эксперимент по цианированию образцов с металлическими покрытиями, наплавленными различными проволоками.
Образцы для исследования наплавлением сварочными проволоками СВ-08(нелегированной) СВ-08 ХМ и СВ-08 ХГСМ (с различными системами легирования) в среде защитных газов( 50% углекислого газа +50% аргона). Наплавка проводилась на основу из конструкционной стали 45(нормализованной) в два прохода для основного металла на состав наплавленных слоёв, после чего проводилась механических образцов до получения толщины наплавленных покрытий 1,5.1,7 мм. Химический состав металла, наплавленного различными проволоками, представлен в таблице 1.
Таблица 1 - Химический состав наплавленного металла.
Марка наплавочной проволоки Содержание элементов, % масс
С Мп Сг N1 Мо Прочие
Св-08 0,11 0,30 0,51 0,15 0,29 - 0,01 А1
Св-08ХМ 0,09 0,17 0,47 1,12 0,30 0,54 -
Св-08ХГСМ 0,08 0,69 1,42 1,15 0,27 0,49 -
Цианирование образцов в карбамидо-натриевой ванне проводилось при температуре 650 в течение 1 часа. Несколько повышенная температура (против традиционной температуры,, «мягкого азотирорования») принята в эксперименте для уменьшения длительности упрочняющей обработки, что имеет очень важное значение в условиях ремонтного производства. После цианирования образцы, непосредственно из ванны, охлаждали в воде.
На упрочнённых таким образом образцах с наплавленными покрытиями готовили микросферы, на которых изучали микроструктуру цианирован-ных слоёв и измеряли их микротвёрдость. Результаты проведенного исследования представлены на рисунках 1 и 2.
Рис. 1. микроструктуры цианированных слоёв на металле, наплавленном различными проволоками: 1 - СВ-08; 2-СВ-08ХМ; 3-СВ-08ХГСМ
На всех наплавленных покрытиях, как легированных, так и не нелегированных в результате цианирования в карбалидо- натриевой ванне при температуре 650, которая соответствует температуре высокого отпуска улучшаемых сталей, образовались карбонитридные поверхносные слои, глубина которых зависит от степени легирования наплавленного металла. На нелегированном металле ( наплавленном проволокой СВ-08) глубина карбо-нитридного слоя составляет ~0,06 мм, на наиболее легированной наплавке ( СВ-08 ХГСМ ), содержащей более 4% легирующих элементов, глубина карбонитридного слоя наименьшая ~0,045 мм.
На всех цианированных наплавках карбонитридные слои имеют две чётко ограниченные зоны: поверхностная зона представлена карбонитридом , изоморфным с цементитом, которые можно представить стехнометриче-ской формулой Бе3 (СЫ). При этом в легированных наплавках часть атомов железа в этом карбонитрида может быть замещена атомами легирующих элементов (Сг,Мо,Мд). Ниже зоны цементитоподобного карбонитрида располагается более глубокая зона гексагонального карбонитрида Е, имеющего стехиометрическую формулу Бе2-3(СК).Эти карбонитриды имеют разные механические свойства, что обусловливает сложное распределение микротвёрдости (как и других характеристик) по сечению циани-рованных наплавок, как это показано на рис.2.Микротвёрдость цианиро-ванных наплавок определяется типом карбонитридов, образующихся на их поверхности, и глубины зоны этих карбонитридов в диффузионных слоях на наплавленное металле. Сопоставляя рисунки 1 и 2 можно видеть, что названные характеристики определяются легированием цианируемого металла.
1200
Щ 1000
80.0
600
1 А V \
N \
N
О 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
Расстояние от Преерхночтц, мм Рис.2.Распределение микротвёрдости по сечению цианированных слоёв металла, наплавленного различными праволоками: 1-СВ-08;2-СВ-08ХМ;3-
СВ-08ХГСМ
Карбонитрид цементитного типа, находящийся на самой поверхности цианированных слоёв, имеет пониженную твёрдость по сравнению с кар-бонитридом Е, которая находится прямо под ним. Поэтому максимум микротвёрдости у цианированных наплавок располагается на некотором расстоянии от поверхности. Величина микротвёрдости ,а также глубина кар-бонитридных зон в цианированных слоях , как можно видеть из результатов эксперимента, зависит от легирования наплавленного металла. Чем больше легирующих элементов содержит наплавленный металл, тем меньше глубина карбонитридных зон, образующих в этом металле при цианировании. Что касается величины микротвёрдости легированных и нелегированных цианированных наплавок, то она практически одинакова и не зависит от степени легирования. Максимальная микротвёрдость циа-нированных наплавок достигает весьма большой величины Нм=1020...1080(кгс/мм2),что будет благоприятно влиять на износостойкость постановленных изделий.
Глубина цианированных слоёв с твёрдыми износостойкими карбонит-ридными зонами на поверхности можно изменять, изменяя длительное ци-нирование (рис.3.).,
о
3
о
О н я: а
со
О £
3 й-
а я а ю
£
0.7 0.6
0.5
0.4 0.3 0.2 0.1
у
2
/ 3
>
>
0
1
7 8
Длительность цианирования, час Рис.3.Зависимости глубины карбонитридных зон в диффузионных слоях наплавленных покрытий цианированных в карбомидо-натриевой ванне при температуре 650 С от длительности цианирования:1-Наплавка СВ-08;2-Наплавка СВ-08ХМ;3-Наплавка СВ-08ХГСМ
Как можно увидеть из полученных результатов, цианирование в карбо-мидо-натриевой ванне при температуре 650С позволяет получать диффузионные слои, содержащиеся высокотвёрдые карбонитриды, по глубине сварнимые с толщиной наплавленного покрытия.
Глубина карбонитридной зоны на цианированных наплавках оказывает заметное влияние не только на распределение микротвёрдости по сечению диффузионных слоёв, но и на остаточные внутренние напряжения в этих слоях и, как следствие, на усталостную прочность установленных деталей.
щ й
0
-200 -400 -600
С/ '-08
1
!-<
О 10 20 30 40 50 60
Расстояние от по-яепхнпгти ®гси
10 20 30 40 50 60
Расстояние от поверхности, мкм
-200
-400
-600
с е-08 АТС М
к \ '/
1—, У 2
< -! 3
О 10 20 30 40 50 60
Расстояние от поверхности, мш
а) б) в)
Рис. 4. Распределения остаточных напряжений по глубине цианированных слоёв наплавленных покрытий проволоками СВ-08(а); СВ-08ХМ(б); СВ-08ХГСМ(в). Цианирование в карбамидо-натриевой ванне при температуре 650 С различными выдержками: а-1ч; б-3ч; в-5ч.
Величины остаточных напряжений в зависимости от глубины карбонит-ридного слоя на цианированных наплавленных образцах представлены на рис. 4.
Эксперимент показывает, что с увеличением выдержки при цианировании при постоянно возрастающей толщине карбонитридного слоя максимум остаточных напряжений сжатия смещается в глубину цианированного слоя для всех исследованных наплавок. Причём это особенно заметно на наиболее легированной наплавке СВ-08ХГСМ, на этой наплавке наблюдается и самые высокие сжимающие напряжения G ост >700 мпа. Пониженный уровень остаточных напряжений сжатия на самой поверхности цианированных образцов может быть, по-видимому, объяснён образованием на поверхности бордюра из карбонитрида, изоморфного с цементитом, которое имеет меньшую прочность и твёрдость по сравнения с карбонитридом Е, расположенным под ним.
Наличие остаточных напряжений сжатия в поверхностных слоях стальных изделий, как известно [ ... ], значительно повышает их усталостную прочность, поэтому можно с уверенностью утверждать, что цианирование наплавленных покрытий с образованием в их поверхностных слоях сжимающих напряжений позволят повысить предел выносливости деталей. Тем самым будет устранён главный недостаток метода восстановления изношенных деталей наплавкой снижения усталостной прочности наплавленной детали.
В заключении необходимо отличить, что структура и свойства (в частности внутренние напряжения) цианированных слоёв формируются не только в результате непосредственного насыщения стали азотов и углеро-дов, но и в процессе последующего охлаждения. При медленном охлаждении происходит распад пересыщенного азотисто-углеродного твёрдого раствора (под коркой карбонитридов) с выделение избыточного азота и углерода в виде весьма мелкодисперсных частиц новой фазы. В то же время происходит обеднение твёрдого раствора названными элементами и, как следствие, его разупрочнения. Это вызывает снижение общей твёрдости диффузионных слоёв, так как снижается твёрдость нижележащих под кар-бонитридами слоёв материала, т.е. ослабевает опора под относительно тонкой хрупкой коркой карбонитридов.
При быстро охлаждении распада твёрдого раствора практически не происходит и подслой под карбонитридами не снижает своей высокой твёрдости. Поэтому после низкотемпературного цианирования необходимо проводить ускорение охлаждения цианированных образцов - непосредственно из печи в воде или в холодном масле. При ускоренном охлаждении, кроме того, подавляются процессы деазотирования (распада Е - фазы) на поверхности и формируются высокие остаточные напряжения сжатия, благоприятно действующие на прочность цианированных изделий .
Список литературы
1. Батищев А.Н. Восстановление деталей сельскохозяйственной техники / А.Н. Ба-тищев, И.Г. Голубев, В.П. Лялякин. - М.: Информагротех, 1995. 296 с.
2. Колмыков В.И. Повышение предела выносливости стали 42ХМФА для коленчатых валов автомобильных двигателей низкотемпературной нитроцементацией / В.И. Колмыков, Т.Н. Зиборова, А. А. Жосанов // Известия Юго-Западного государственного университета, 2013 №3. С. 12-15
3. Колмыков В.И. Низкотемпературное цианирование конструкционных сталей с использованием бесцианистых соляных ванн / В.И. Колмыков, И.Н. Росляков - Упрочняющие технологии и покрытия, 2009. № 7. С. 27-30
Chaplygin Vladislav Yuryevich, graduate student (e-mail: metro_flava@mail.ru)
Kolmykov Valery Ivanovich, Doctor of Technical Sciences, Professor Kolmykov Dmitriy Valeryevich, Associate Professor Dmitry Voskoboinikov Dmitryi Victorovich, teacher Southwestern State University, Kursk, Russia
CYANIZING DURABLE OVERS IN CARBAMIDE SODIUM BATH WHEN RESTORING MACHINE PARTS
Abstract: Experimental data on cyanidation of steel products with deposited coatings used in the recovery of worn-out machine parts in cheap and non-toxic salt bath are given. The high efficiency of low-temperature cyanidation is shown to increase the hardness and fatigue strength of parts with claddings.
Keywords: cyanidation, coatings, increasing hardness, fatigue strength
