CC BY
40
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 621.785.532
Н.Б. Фомичева, канд. техн. наук, доц.,(4872)35-05-81, nbf62@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Л.М. Нечаев, канд. физ.-мат. наук, проф., (4872)35-18-32, nech47@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
И.Ю. Канунникова, канд. техн. наук, доц., (4872)33-24-88, nbf62@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Е.В. Маркова, магистр, (4872)35-05-81, marta06@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ АЗОТА ПРИ НИКОТРИРОВАНИИ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ КАРБОНИТРИДНЫХ СЛОЁВ
Анализируется влияние концентрации азота в никотрирующей смеси «аммиак -эндогаз» на износостойкость каубонитуидных слоев никотуиуованной стали 30ХН2МФА. Получены оптимальные для параметров износостойкости технологические параметры процесса никотуиуования
Ключевые слова: никотрирование, антифрикционные свойства, триботехнические хaуактeуиcтикя.
Решение проблемы научного обоснования выбора и оптимизации термодиффузионных процессов сдерживается отсутствием достоверных представлений о взаимообусловленности свойств поверхностно упрочняемых стаей и технологических режимов обработки. Для защиты от изнашивания пар трения, а также для повышения антифрикционных свойств в последние годы находит применение низкотемпературный способ химикотермической обработки - никотрирование. В этой связи возникла необходимость разработки комплексной оценки антифрикционных свойств покрытий для раз личных режимов эксплуатации.
Для анализа триботехнических характеристик применяли специальную установку трения [1], позволяющую измерять износ в диапазоне контактных нагрузок ак = 0,5...10 МПа и скоростей скольжения Уск= 0,5...5 м/с. Эксперимент проводили по схеме «штифт - диск» в условия ресурсно-
го смазывания (в начале каждого эксперимента в зону контакта подавалось контролируемое количество смазочного материала). Была исследована износостойкость конструкционной стали 30ХН2МФА, никотрированной по двухступенчатому режиму при температуре 630 0С: насыщение в атмосфере аммиака с малым азотным потенциалом в смеси «азот - аммиак», затем проводили обработку в среде, состоящей из аммиака (50 %) и эндогаза (50 %). При длительности первой стадии 3 ч общая продолжительность процесса насыщения составляла 7 ч.
Повышение содержания лота на первой стадии нитрирования от 50 до 90 % уменьшает толщину карбонитридного слоя с 30 (при концентрации азота » 50 %) до »8 мкм (при концентрации лота » 90 %) (рис. 1). В то же время зона продуктов распада у-фазы в диффузионной зоне, или так называемая подмартенситная зона возрастает с » 40 до ^90 мкм.
Видно, что для ускоренной аустенизации стаи на первой стадии ни-котрирования количество лота в смеси должно составлять 90 %. Однако разбавление насыщающей атмосферы лотом в пределах концентрации 75...95 % в значительной степени уменьшает толщину {в + /-слоя. При этом было установлено, что одновременно с утонением карбонитридного покрытия уменьшается пористость в -фазы, что приводит к улучшению триботехнических характеристик покрытия.
И,-, - мкм
80 60 40 20 0
50 60 70 80 90 См
Рис. 1. Зависимость толщины упрочненного слоя к никотрированной стали от содержания азота См в насыщающей смеси «аммиак- азот»:
1 - шрбонитридный слой; 2 - диффузная зона
С уменьшением содержания аммиака в смеси одновременно снижается концентрация азота в /-азотистом аустенете (рис. 2, крива 2), что значительно уменьшает твердость внешнего слоя диффузионной зоны, а также смещает область с максимальной твердостью ближе к поверхности обрлца.
Проведенный анализ показывает, что наиболее активно у -лотиста фла растет в первые три часа процесса. Дльнейшее увеличение продолжи-
тельности первой стадии никотрирования расширяет область аустенита лишь до 20 %, поэтому длительность этой стадии следует ограничивать.
Таким образом, на первом этапе процесса для исследуемой легированной стаи 30Н2МФА огггимаьным с позиции наибольшей износостойкости является состав никотрирующей смеси (30 % КНз + 70 % N2). Замечено также, что при уменьшении содержания легирующих элементов в конструкционных стаях рациональный состав смеси должен содержать большие объемы лота. В частности, для конструкционной стаи марки 30Х смесь должна состоять из » 10 % NНз и » 90 % N2.
Г, мкм/мин
8 6 4 2 0
5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 <тк,МПа
Рис. 2. Зависимость скорости изнашивания (ф) ништрированной стали от контактной нарузки ак:
1 - См= 0 %;2-См= 70 %; 3- См=90 %
Сопоставление значений скоростей изнашивания карбонитридного слоя, полученного при никотридoвaнии Хмод и Хжсц, поклывает, что они значительно отличаются и особенно при высоких контактных нагрузках. Как видно из рис. 3, при малых а к~ 1,0 МПа в области невысокой пористости (АУ < 10%) рлличиеХмод и Хжсп небольшое. Однако для более пористых карбонитридных слоев (АУ< 16 %) это различие достигает 1,0^ 10-6 мкм/мин. С повышением ак параметра различие между Хмод и Хэкш увеличивается, причем Хксп-фактор всегда оклывается больше.
Характерно, что для трения в силовых условиях а к = 7 МПа при повышении пористости карбонитридного слоя разница между Хмод и Хэкш непрерывно возрастает. В табл. 1 представлены значения (Хэкш - Хмоо), которые позволя при даьнейшем анаизе сформулировать определенное заключение по рационльной пористости карбонитридного слоя в связи с решениями задач повышения его износостойкости.
На износостойкость карбонитридного слоя оклывают влияние такие поклатели напряженного состояния покрытия, как концентрационные микронапряжения вокруг пор а В11 и остаточные технологические напряжения а ост [2, 3].
Концентрационные напряжения а вн, формирующиеся вокруг пор в карбонитридном покрытии играют негативную роль в его повреждаемости, так как они ускоряют зарождение трещи по гетерогенному механизму от пор при трении [3,4].
(ХМОД И Х'ЗКи! )' 10\ МКМ/МИН 16 14 12 10 8 6 4 2
5 10 15 20 25 ЛЧ%
Рис. 3. Сопоставление моделей Хмод (сплошные) и экспериментальной Хэксп (пунктирные линии) скоростей изнашивания; онтлктные давления ок:
1-1,0МПа; 2- 3,0 МПа; 3- 5,0МПа; 4 - 7,0 МПа
Таблица 1
Сопоставление экспериментальной и модеьной скоростей изнашивания карбонитридного слоя АХ= Хэксп - Хмод никотрированной стаи 30ХН2МФА
Контактные давления а к, МПа Покаатели объемной пористости А V, %
4 10 16 25
1,0 -0,2 -0,05 0,7 1,3
3,0 0,6 0,6 1,0 1,3
5,0 1,0 1,6 1,6 3,0
7,0 1,3 2,0 2,6 3,8
Как показали предварительные оценки энергий концентрационных полей, эта величина может изменяться от ~600 - 700 и до 2200 эрг/см2, что составляет порядка 50 % от свободной энергии карбонитридного кристала. Была обоснована схема расчета концентрационных напряжений, которую с определенной степенью точности возможно представить в следующей гипотетической форме:
где оВ11 - концентрационные напрякения, МПа, К - коэффициент микро-нап-ряжений в покрытии, В - рлмер макродефектов в структуре, мкм, й- расстояние между дефектами, мкм.
Поклатель степени п при геометрическом параметре гетерогенности карбонитридного слоя отражает уровень и знак остаточных макронапряжений аост. Если в покрытии формируются технологические макронапряжения сжатия, то будет выполняться условие п < 0,5, что равносильно снижению концентрационного аш-поклателя. Если же в слое обрлуется макронагфяженное поле растяжения (ему соответствует условие п > 0,5), то это повышает концентрацию напряжений у пор.
Для простоты анлиза допускаем условие п = 0,5 и получаем, что концентрационные микронагфяжения ств11 будут пропорциональны факто-
ру приняь во внимание расчетные значения , то можно за-
ключить, что параметр ств11 возрастает по отношению к млопористому (АУ = 4%) карбон дгри дно му слою: в 1,2 рла для покрытия с пористостью АУ = 8 %, в 1,3 раза для слоя с АУ =10 %, в 1,4 рла для слоя с АУ = 16 %, в 1,6 рла для покрытия с АУ =25 %. Это позволяет объяснить, почему с повышением объемной пористости увеличивается скорость изнашивания.
В выбранной технологической схеме никотридования финишное охлаждение детлей осуществлялось в масле. В этом случае в карбонит-ридном слое фиксироваись остаточные макронапряжения сжатия уровня 400...800 МПа. Для предварительно деформированных сталей эти напряжения всегда оклывались выше и достигали 1200 МПа. Все это дополнительно повышает износостойкость никотрированных конструкционных стаей.
Таким обрлом, проведенные модельные расчеты линейной скорости изнашивания Хмод структурно оптимальных карбонитридных слоев ни-котрированной стаи 30ХН2МФА поклли, что нличие пор в поверхностном слое активирует процессы изнашивания, так как уменьшается его динамическа трешдностойкость и, кроме того, протекают процессы изнашивания по механизму хрупких отколов микрообъемов покрытия. С повышением контактных нагрузок степень негативного влияния пористости на износостойкость возрастает. Сопоставление модельных Хмод и экспериментальных Хэкш скоростей изнашивания поклао, что их рлличие в области невысокой пористости (АУ <10 %) незначительно, в то время как для более пористых карбонитридных слоев (АУ <16 %) Хэкш - фактор на 1,0-10"6 мкм/мин больше модельных значений. Для более жестких силовых условий трения (ак> 5,0 МПа) пористость покрытия в еще большей степени по вышаетХэкс-характеристику.
Установлено также, что карбонитридные слои рационально эксплуатировать во всем исследованном диапазоне ж пористости (А Уот 4 до 25 %) при контактных нагрузках не выше ~3,0 МПа. С повышением а к - фактора допустимая граница «рационаьной пористости» снижается: при 5 МПа АУ = 10 %, а при 7 МПа - должна быть не более АУ = 4 %. Показано, что с учетом позитивного влияния пористости на коэффициент трения «износостойкий уровень пористости» покрытия никотрированных стаей должен быть установлен не выше АУ = 16 %. Определена активи-рующа роль концентрационных микронапряжений вокруг поры в гетеро-пористых е-фаах карбонитридного слоя в процессах контактного трещи-нообраования и хрупких отколов материаа.
С учетом обраованной при никотрировании толщины карбонит-ридного слоя на стали 30ХН2МФА и полученных значений скоростей изнашивания Х были рассчитаны для четырех типов покрытий усредненные покаатели ресурса (табл. 2). Видно, что наибольшей долговечностью обладает покрытие, получаемое пи режимах насыщения (Я = 70/30 - т = 8 ч и е =20 %). Его ресурс в среднем в 2,5 раа выше, чем у слоя сформированного пи Я = 50/50 - т = 8 ч и е = 40 %; в 3,5 раа больше, чем у слоя, насыщенного при Я = 50/50 - т = 2 чие=10 %; в 6,0 ра выше, чем у слоя, полученного при Я = 30/70 - т = 8 ч и е = 10 %.
Таблица 2
Показатели ресурса карбонитридных слоев (часы) никотрированных сталей 30ХН2МФА
Контактные давления а к, МПа Покаател объемной пористости АУ, %
4 10 16 25
1,0 34,4 -105 12,5 -105 75,0- 104 35,5 -104
3,0 13,5 -105 52,5 -104 40,0 -104 22,5 -104
5,0 82,5 -104 35,5 -104 25,5 -104 4 0 4,
7,0 78,0 -104 27,5 -104 21,5 -104 4 0 2,
Однако с учётом изменяющегося в обратном направлении в зависимости от пористости антифрикционного покаателя в качестве рекомендуемых к применению в узах трения машин следует иметь в вид режимы никотрирования с составами насыщающей среды Я = 70/30
и R = 50/50 при времени выдержки т = 8 ч и степенях предварительного пластического деформирования е от 20 до 40 %.
Список литературы
1. Власов В.М., Нечаев Л.М. Работоспособность высокопрочных термодиффузионных покрытий в узах трения машин. Тула : Приокск. кн. изд-во, 1994. 235 с.
2. Оценка антифрикционных свойств никотрированной стали 25Х3М3НБЦА / В.М. Власов [и др.] // Успехи современного естествознания. 2003. №5. С. 31-34.
3. В.М. Власов, Л.МНечаев, Фомичева Н.Б. Оценка влияния параметров насыщающей среды на качество формирующихся покрытий // Изв. ТулГУ. Сер. Материаловедение. 2004. № 4. С.45-48.
4. Власов В.М., Нечаев Л.М., ФомичеваН.Б. Влияние технологически параметров на триботехнические свойства многофаных термохимически покрытий // Трение и износ. 2001.Т. 22. №2 5. С. 592-596.
N. Fomicheva, L. Nechaev, I. Kanynnikova, E. Markova
The influence of concentration of Nitrogen under low temperature carbonitriding on the wear resistance of Carbonitride layers
The influence of concentration of nitrogen in the carbonitriding “ammonia-RX gas ” mixture on the wear resistance of carbonitride layers of the carbonitrided steel 30XH2MФA has been analysed. The technological parameters of the process of carbonitriding, optimal for the parameters of wear resistance, have been obtained.
Получено 19.01.09
УДК 621.785
Л.В. Мясникова, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-05-81, fmm@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ И СВОЙСТВА ЛАЗЕРНО-ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Рассмотрены возможности получения лазерно-легированных покрытий. Исследованы структуройбразование я свойства лазерно-легированных покрытий, полученных при различных режимах лазерного воздействия.
Ключевые слова: лазерно-легированные покрытия, структура, свойства, технологя лазерного упрочнения конструкционных сталей.
Долговечность многих элементов современных технологических машин лимитируется их поверхностной прочностью. В последние годы
