автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Поверхностная графитизация конструкционных сталей при двухступенчатой нитроцементации

На правах рукописи

Летова Оксана Владимировна

ПОВЕРХНОСТНАЯ ГРАФИТИЗАДИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ

06.15.01- Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических

9 ИЮН 2011

Курск 2011

4849181

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Курская государственная сельскохозяйственная академия им. проф. И.И. Иванова» на кафедре «Технология металлов и ремонт машин»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Колмыков Валерий Иванович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Гадалов Владимир Николаевич

кандидат технических наук, доцент Квашнин Борис Николаевич

ОАО «Силовые машины»,

г. Санкт-Петербург

Защита состоится «28» июня 2011 г. в 15 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.105.01 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета

Автореферат разослан « » мая 2011 года.

Ученый секретарь совета по

защите докторских и кандидатских Б.В. Лушников

диссертаций Д 212.105.01,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Актуальной задачей, стоящей перед современным машиностроением, является повышение надёжности деталей машин и оборудования, работающих в условиях недостаточной смазки или вовсе без таковой. Высокие нагрузки на рабочие поверхности таких деталей и неблагоприятное сочетание свойств контактирующих материалов создают большую вероятность схватывания трущихся поверхностей, ускорения изнашивания деталей или даже заедания сопряжений.

Эта задача решается путем использования в таких сопряжениях деталей, изготовленных из антифрикционных материалов, имеющих низкий коэффициент трения и малую склонность к схватыванию, главным образом из серых, ковких и высокопрочных чугунов. Антифрикционные свойства чугунов обеспечиваются наличием в их структуре графита, который выполняет роль твёрдой смазки на поверхностях трения. Однако чугунные детали имеют меньшую прочность, чем детали, изготовляемые из конструкционных сталей, поэтому представляется целесообразным использование для таких деталей материалов, сочетающих хорошие антифрикционные свойства чугуна и высокую прочность стали.

В качестве таких материалов традиционно использовались высокоуглеродистые графитизированные стали, часть углерода в которых представлена в виде мелкодисперсных включений графита. Однако процесс графитизации этих сталей (получение «черного излома») отличается очень большой длительностью и дороговизной, поэтому графитизированные стали не нашли широкого применения.

Предпринимались попытки получения графитосодержащих слоев на поверхности стальных деталей путём их цементации с образованием графита в диффузионных слоях. Однако известные способы поверхностной графитизации, состоящие в длительном науглероживании с последующим ещё более длительным графитизирукмцим отжигом, также не получили широкого практического применения.

Поэтому до настоящего времени остаётся весьма актуальной задача улучшения антифрикционных свойств стальных изделий методами, приемлемыми по технологическим и экономическим показателям для современного машиностроительного производства. Одним из таких методов может быть нитроцементация, проведенная по специальным режимам.

Цель работы - разработка технологического процесса поверхностной графитизации изделий из конструкционных сталей массового производства, который по технологичности, длительности и энергоёмкости соответствовал бы распространенным и освоенным промышленностью методам химико-термической обработки стали.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать условия образования графита при эксплуатации и обработке стальных изделий и оценить возможность

получения графитосодержащих диффузионных слоев при нитроцементации с использованием эффекта «тёмной составляющей».

2. Разработать нитроцементирующую среду для интенсивного насыщения стали при низких и высоких температурах и исследовать влияние режимов нитроцементации на содержание азота и углерода в диффузионных слоях.

3. Исследовать особенности двухступенчатой нитроцементации углеродистых и низколегированных конструкционных сталей и установить наиболее рациональные режимы, обеспечивающие максимальное насыщение поверхностных слоёв сталей графитом.

4. Исследовать влияние термической обработки графитизированных сталей на структуру и механические свойства поверхностных графитосодержащих слоёв и материала сердцевины.

5. Исследовать износостойкость и стойкость против схватывания графитизированных слоёв и определить наиболее рациональные режимы обработки для изделий, работающих в различных условиях эксплуатации.

6. Разработать технологические рекомендации по поверхностной графитизации деталей для внедрения разработанного метода в производство, как массовое, так и единичное.

Объект исследования - графитизированные слои на стали 40, полученные двухступенчатой нитроцементацией в азотисто-углеродной пасте.

Методы исследований. Для определения состава, структуры и свойств нитроцементированных сталей с графитизированными слоями в работе были использованы следующие методы исследования: спектрометрический, микроскопический, фазовый рентгеноструктурный и дюраметрический.

В работе исследовали износостойкость графитизированных образцов в различных условиях изнашивания (в условиях трения без смазки и со смазкой и трения по абразивной поверхности), а также определяли ударную вязкость на образцах малого сечения, и на стандартных образцах.

При проведении исследований применяли математическое планирование эксперимента с использованием компьютерной техники.

Достоверность полученных результатов положений и выводов обеспечена применением стандартных методик металлографических и металлофизических исследований и приборов, а также многократной повторяемостью опытов и статистической обработкой их результатов. Научные положения и выводы по работе имеют теоретическое обоснование и не противоречат современным научным представлениям в области химико-термической обработки стали.

Научная новизна:

1. Раскрыт механизм образования графитных включений при нитроцементации стали, заключающийся в том, что нитроцементация должна на первом этапе проводиться при температурах в области т. А! для системы Ре-И с целью максимально возможного насыщения стали азотом. На втором этапе нитроцементация должна проходить при температурах выше т. А3 системы Ре-С, при которых происходит деазотирование диффузионного слоя с образованием дефектов структуры и заполнение этих дефектов углеродом. Таким образом, при двухступенчатой обработке происходит графитизация поверхности стали.

2. Установлены зависимости образования графита в диффузионных слоях нелегированной стали 40 при ее цементации в высокоактивной пасте на основе желтой кровяной соли и аморфного углерода от концентрации компонентов и от температурно-временных режимов обработки. При увеличении длительности ■ первой (низкотемпературной) ступени нитроцементации увеличивается глубина графитосодержащего слоя, а при увеличении длительности и температуры второй ступени (высокотемпературной) увеличивается содержание графита в диффузионных слоях.

3. Получены зависимости прочности графитной пленки на поверхности графитизированной стали, обеспечивающей этой стали высокую износостойкость, от характеристик структуры и механических свойств графитосодержащих слоев. Максимальную прочность пленка твердой смазки (графита) проявляет при высокой твердости трущихся поверхностей, при недостаточной твердости возникают локальные области пластического течения в поверхностном слое металла, где графитная пленка разрушается. При этом резко снижается износостойкость стали. Содержание графита на поверхности стали влияет на прочность пленки твердой смазки незначительно.

Практическая значимость работы. На основе обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана технология поверхностной графитизации конструкционных сталей (углеродистых и низколегированных), обеспечивающая их повышенную стойкость против изнашивания при недостатке смазки и против схватывания. Графитизация стальных изделий путем двухступенчатой I нитроцементации выгодно отличается от других методов графитизации (цементация с последующим графитизирующим отжигом, цементация кремнистых сталей с предварительной закалкой) гораздо меньшей длительностью процесса (в 2... 10 раз) и меньшей энергоемкостью за счет пониженной температуры процесса, а также возможностью получения графитосодержащих слоев на простых углеродистых сталях.

Результаты работы могут быть использованы на предприятиях автотракторного и сельскохозяйственного машиностроения, а также на

многих других машиностроительных предприятиях и в ремонтном производстве.

Научные положения, выносимые на защиту:

- теоретическое обоснование использования, эффекта «темной составляющей» при нитроцементации стали для получения графитосодержащих структур в диффузионных слоях;

- способ ускоренной поверхностной графитизации стали, заключающийся в двухступенчатой нитроцементации, когда на первой низкотемпературной ступени происходит наибольшее насыщение стали азотом, а на второй высокотемпературной ступени - распад азотистых фаз и насыщение углеродом с образованием графитных включений на дефектах структуры;

-результаты экспериментального исследования свойств графитизированных сталей и установленные зависимости твёрдости, ударной вязкости и износостойкости в различных условиях изнашивания от характеристик структуры диффузионных слоев и от режимов нитроцементации;

- особенности технологии поверхностной графитизации различных • деталей с использованием двухступенчатой нитроцементации в высокоактивной азотисто-углеродной пасте и эффективность разработанного метода поверхностной обработки деталей.

Личный вклад автора. Лично автором проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов нитроцементации углеродистых и легированных сталей при различных режимах (температурах и длительности) с целью получения графитных включений в диффузионных слоях. Проведены исследования влияния количества графитных включений в структуре нитроцементированных сталей, а также фазового состава металлической матрицы на их механические и эксплуатационные свойства. Проведен анализ полученных результатов и сформулированы вывода по работе. Проведена апробация разработанного способа поверхностной графитизации стальных изделий в производственных условиях. .

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на III Международной научно-практической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2005 г.); Юбилейной научной конференции, посвященной 55-летию Курской государственной сельскохозяйственной академии им. проф. И.И. Иванова (Курск, 2006 г.); IV Международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2006 г.), I Международной научно-практической конференции «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (Курск, 2009г.). /

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основной части, общих выводов, библиографического списка и приложения. Работа изложена на 115 страницах машинописного текста, включает 18 рисунков и 9 таблиц. Библиографический список содержит 125 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации.

В первой главе диссертации представлен аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы по современному состоянию вопроса использования и получения графитизированных сталей.

Графитизированные стали могут быть с высоким эффектом использованы для деталей машин и оборудования, которые работают в условиях недостаточной смазки при высоких нагрузках. Это обусловлено весьма благоприятным сочетанием в них свойств стали (высокая прочность) и серого чугуна (хорошие антифрикционные свойства). Содержащийся в структуре таких сталей графит выполняет функцию твердой смазки и, кроме того, обеспечивает пористость, способствующую удержанию смазки на поверхности трения в процессе эксплуатации графитизированных деталей.

Область использования графитизированных сталей граничит с областью применения ковкого чугуна и чугуна с шаровидным графитом. Однако чугунное литье, даже после упрочняющей обработки, приобретает свойства, лишь приближенные к свойствам графитизированных сталей, но по прочности и вязкости чугунные детали никогда не достигнут уровня стальных. Несмотря на высокие эксплуатационные характеристики и явное превосходство над чугунами, графитизированные стали не получили широкого практического применения, что обусловлено их высокой стоимостью, очень большой длительностью графитизирующего отжига, режимы которого близки к режимам отжига ковкого чугуна, и трудностью механической обработки из-за высокого содержания углерода.

Поверхностная графитизация стали может быть достигнута её интенсивным науглероживанием с последующим графитизирующим отжигом. При этом для цементации применяется специальный твердый карбюризатор с повышенным углеродным потенциалом. Есть сведения, что графитсодержащие слои можно получить на кремнистых сталях (55С2) в результате цементации без графитизирующего отжига, однако графитизация этой стали происходит только после предварительной закалки (с 850°С в воде). Данный эффект обусловлен тем, что во время закалки на мартенсит в структуре кремнистой стали образуются многочисленные микротрещины и микропоры (волосные и щелевидные), размещенные поперек пластин мартенсита и в местах их стыка. Такую же форму приобретают и включения графита, образующиеся в этих трещинах при науглероживании предварительно закаленной стали.

Поскольку главным условием образования графита в стали является наличие в её структуре дефектов, можно предположить, что графитизацию сталей, причем сталей нелегированных, можно осуществлять таким методом, при котором в её структуре будет получено большое количество микропор. Таким методом может быть нитроцементация, которая обеспечит образование в структуре диффузионного слоя специфического дефекта -«темной составляющей».

Темная составляющая представляет собой поры в поверхностных слоях стали, в которых при интенсивном науглероживании будет выделяться углерод в свободном виде (в форме графита), т.е. будет происходить графитизация поверхностного слоя. При наличии достаточно активной среды, включающей азотосодержащие и углеродосодержащие компоненты, и использовании оптимальных режимов насыщения стали, вначале азотом, а затем углеродом можно ожидать прохождение процесса графитизации на обычных конструкционных сталях без специального легирования их кремнием и без последующего графитизирующего отжига. Исследованию этих процессов и посвящена диссертационная работа.

Во второй главе изложена методика экспериментальных исследований, проводимых в работе. Для исследования была выбрана углеродистая качественная улучшаемая сталь 40, которая широко используется для изготовления самых различных деталей и выпускается отечественной промышленностью в массовых количествах. Кроме того, для отдельных экспериментов использовалась сталь 50С2 и специальная графитизированная сталь ЭИ 293 (1,6% С; 0,9% Si; 0,35% Мп; 0,15% Ni; 0,07% Сг).

Нитроцементацию образцов проводили в пастообразном углеродно-азотистом карбюризаторе на основе мелкодисперсной газовой сажи ДГ-100 и желтой кровяной соли (железосинеродистого калия) KtFe(CN)6, пастообразователь - водный раствор ПВА (или КМЦ). Образцы покрывали пастой, высушивали и упаковывали в герметичный контейнер с наполнителем в виде отработанного древесно-угольного карбюризатора. Нитроцементацию проводили в шахтной лабораторной печи СШОЛ-12-МЗ-Ц4 с автоматическим поддержанием и регулированием температуры.

Закалку образцов после нитроцементации проводили либо непосредственно из нитроцементационной печи, высыпая содержимое контейнера в масло или воду, либо с повторным нагревом в камерной печи ТП-2, в ней также производили отпуск закаленных образцов.

Химический анализ исследуемых сталей до и после нитроцементации проводили на спектрометре Quanto Port F с компьютерной обработкой результатов (точность ±0,001%). Распределение азота и углерода по сечению диффузионных слоев нитроцементационных сталей изучали с использованием атомно-эмиссионного спектрометра SA-2000 фирма LEKO.

Микроструктурный анализ проводили при помощи металлографических микроскопов МИМ-8 и ММР при различных увеличениях, для количественного микроструктурного анализа использовали окуляр-микрометр, содержание графита в структуре подсчитывали точечным методом Глаголева.

Рентгенострукгурный анализ проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 непосредственной съёмкой с металлографических шлифов в кобальтовом или хромовом излучении.

Твердость образцов и нитроцементированных изделий определяли на твердомере ТК-2 (Роквелл), микротвердость - на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузках на индентор 0,49 -1,96 Н.

Для оценки износостойкости графитизированных сталей в различных условиях трения проводили испытания на машине трения СМЦ-2. Износостойкость определяли при настройке машины по схеме «ролик-ролик» и по схеме «ролик-колодка» с подачей в зону трения чистой смазки и смазки загрязненной абразивными частицами, проводили испытание при сухом трении, а также определяли стойкость графитизированных образцов против схватывания и задира. Таким образом, воспроизводились практически все возможные варианты изнашивания реальных деталей.

Износы образцов определяли весовым методом на аналитических лабораторных весах с точностью 0,0001 г. Схватывание при трении определяли визуально по полосам задира на полированной поверхности образца (ролика), а также по специфическому вибрирующему звуку, который появлялся при возникновении схватывания.

Испытания графитизированных сталей на ударную вязкость проводили по методике Шарпи на маятниковом копре МК - 30 с использованием стандартных образцов 10х 10x55 мм без надреза, а также по методике Пружанского на малых образцах диаметром 2 мм с использованием копра с пониженной энергией удара (1-2 Дж).

Для уменьшения количества опытов при экспериментальных исследованиях использовали математическое планирование эксперимента, расчеты по статистической обработке опытных данных производили на ПЭВМ.

Третья глава диссертации посвящена разработке универсальной нитроцементующей среды, обеспечивающей насыщение стали азотом и углеродом в широком диапазоне температур, и исследованию влияния режимов нитроцементации на образование графитосодержащих слоев.

Графитизация стали может произойти, если нитроцементирующая среда будет обладать повышенной активностью по азоту и углероду,.. В качестве такой среды была предложена паста на основе аморфного (сажистого) углерода, имеющего чрезвычайно развитую реакционную поверхность, и желтой кровяной соли (железосинеродистого калия)

К^СЭДв, содержащей около 30% азота, с некоторыми добавками для улучшения технологических свойств.

При температурах 550...650°С предлагаемая среда генерирует большое количество активного азота, а при температурах выше 800°С -большое количество углерода. Изменяя температуру процесса, в одной и той же пасте можно проводить насыщение поверхности стали азотом, а затем углеродом, что необходимо для графитизации. Оптимизация состава нитроцементуюшей пасты по глубине диффузионного слоя, проведенная при температуре 650°С, позволяет рекомендовать следующее содержание компонентов (масс, %): желтая кровяная соль К4ре(СИ)б - 30...40%, углекислый натрий №2С03 - 8... 10%, углекислый кальций СаС03 - 4...6%, газовая сажа ДГ-100 - остальное. В качестве пастообразователя была использована поливинилацетатная эмульсия (ПВА) с добавлением этанола в качестве поверхностно активного вещества.

Исследование влияния температуры на насыщение стали азотом в названной выше пасте (табл.1) показало, что притемпературе 650°С общее количество азота, усвоенного сталью, оказывается максимальным (достаточно большое содержание азота на поверхности и максимальная глубина зоны карбонитрида □). Поэтому температура первой ступени нитроцементации, проводимой с целью графитизации стали, была принята равной 650°С.

Влияние температуры нитроцементации на содержание азота на поверхности и глубину карбонитридных зон в диффузионных _слоях стопи 40 (длительность 1,5 ч)__

Температура нитроцементации, °С 570 600 650 700 750

Содержание азота N на поверхности, % 7,21 6,68 5,62 1,95 1,35

Глубина зоны карбонитрида Рег-зИС (П-фазы), мм 0,03 0,04 0,07 - -

Глубина зоны карбонитрида, изоморфного с цементитом, мм —- - 0,01 0,14* 0,15*

* Карбонитридные включения присутствуют в структуре в виде отдельных изолированных включений.

Вторая ступень нитроцементации должна обеспечить

деазотирование диффузионного слоя с образованием дефектов («темной составляющей») и заполнение этих дефектов углеродом. Температура этой ступени, как показали наши исследования, должна быть выше 820°С.

При двухступенчатой нитроцементации глубина графитизированных слоев, которая соответствует глубине зоны карбонитридов на поверхности стали, определяется длительностью низкотемпературной (~ 650°С) ступени обработки. Количество графита, форма и величина графитных включений определяются температурой и длительностью второй, высокотемпературной ступени процесса (рис.).

«тт.

?. -н 1

* л

ад";»»"» ^ ■> 'Л- ■ ' V

. сУ* » 1'¿Л. . , - -- * *

'»А

-

: *

;' *

■ ] » <

а)

ч:,

б)

Рис. Микроструктуры графитизированных слоев на стали 40 (хЗОО), полученные при различных режимах двухступенчатой нитроцементаци: а) -650°С, 3 ч +850°С, 3 ч; б) - 650°С, 3 ч + 950°С, 5 ч

Скорость роста карбонитридной корки при 650°С составляет 0,05... 0,06 мм/ч, скорость насыщения графитом предварительно азотированного слоя зависит от температуры: чем она выше, тем интенсивнее идет насыщение. Однако содержание графита при всех температурах второй ступени нитроцементации не превышает ~ 5% площади шлифа, что при температуре 950°С достигается примерно за 3 часа. Дальнейшее увеличение длительности высокотемпературной обработки не приводит к увеличению содержания графита на поверхности стали.

В заключение надо отметить, что общее время обработки стали в нитроцементующей обмазке не должно превышать ~ 8 часов, после чего интенсивность насыщения стали резко снижается, по-видимому, из-за истощения насыщающей среды. За это время на углеродистой стали можно получить графитизированный слой толщиной 0,2...0,3 мм с содержанием графита от 2 до 5%.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованию свойств сталей с графитизированными поверхностными слоями.

Графит, выходящий на поверхность трения, создает на них тонкую пленку твердой смазки, облегчая взаимное перемещение трущихся поверхностей (снижается коэффициент трения) и резко уменьшая износ.

Несущая способность такой пленки увеличивается с увеличением протяженности контакта (снижением шероховатости поверхностей) и повышением твердости трущихся поверхностей. Толщина графитной пленки, т.е. содержание графита в поверхностных слоях графитизированных сталей, влияет на несущую способность графитной пленки весьма незначительно.

Теоретический анализ и экспериментальные данные, полученные при исследовании изнашивания графитизированных слоев, позволили вывести формулу для оценки предельной нагрузки, выдерживаемой графитной пленкой на поверхности графитизированных слоев

рр = коНог4й, о)

где Рр -расчетная предельная нагрузка,

К - размерный коэффициент,

Н - твердость поверхности,

N - доля графитных включений в поверхностной зоне

графитизированного слоя.

Приведенные расчеты показали, что при содержании графита в графитизированных слоях ~ 2% критическая нагрузка на графитную пленку на поверхности закаленной стали составляет 1500...2000 Н.

Графитная пленка имеет весьма высокую прочность на поверхностях, обладающих высокой твердостью, и надежно защищает основной металл от трения, вызываемого непосредственным контактом с контртелом. При недостаточной твердости поверхности трения (графитизированного слоя) возникает локальное пластическое течение материала в пятнах контакта и графитная пленка быстро разрушается, не оказывая на материал защитного действия.

При закалке непосредственно с температуры нитроцементации (850°С) твердость графитизированных слоев зависит от содержания в структуре графита. При содержании графита до 2%, графитизированная сталь 40 имеет твердость более НЯС 50, что достаточно для обеспечения высокой износостойкости. При большем содержании графита твердость заметно снижается и составляет при 5% графита в структуре только НЯС 35. Аналогичная твердость получается и при закалке графитизированной стали с повторного нагрева. В последнем случае имеется опасность обезуглероживания поверхности стали при достаточно длительной выдержке в печной (воздушной) атмосфере для аустенизации.

Поскольку графитизированный слой на поверхности стали имеет небольшую глубину, его обезуглероживание весьма опасно из-за резкого снижения износостойкости и усталостной прочности. Поэтому при использовании для графитизации стали двухступенчатой нитроцементации целесообразно проводить закалку непосредственно с температуры второй

(высокотемпературной) ступени. При этом в сердцевине графитизированной стали не наблюдается чрезмерного роста зерна.

Наши исследования показали, что графитные включения при температурах отпуска (Ю0...500°С) практически не оказывают влияния на процессы, происходящие в металлической матрице, поэтому режимы отпуска графитизированных сталей могут быть такими же, как и неграфитизированных.

Испытания на изнашивание графитизированных слоев на стали 40 в условиях сухого трения показали, что их износостойкость в несколько раз (более чем в 3 раза) выше, чем износостойкость стали 45, закаленной на максимальную твердость. Высокая износостойкость графитизированной стали наблюдается вплоть до нагрузок 1000 Н/см2, в то время, как у неграфитизированной стали уже при ~ 200 Н/см2 происходит схватывание поверхностей трения.

В условиях полусухого трения (с периодической подачей смазки в зону трения) износостойкость графитизированной стали превосходит износостойкость традиционных антифрикционных материалов: серого чугуна СЧ-21 в 3,3 раза; латуни ЛС-59-1 в 3,8 раза; бронзы Бр ОЦС 5-5-5 в 1,4 раза. Это обусловлено чрезвычайно низким коэффициентом трения (в два раза меньшим, чем у серого чугуна), высокой твердостью поверхности, а также способностью графитизированного слоя удерживать смазку в порах на своей поверхности.

Графитизация несколько повышает износостойкость стали при трении в присутствии абразива (на 20...50%), однако такого повышения недостаточно, чтобы рекомендовать графитизацию как средство борьбы с абразивным износом. Ударная вязкость стальных изделий с графитизированными слоями на поверхности определяется, в основном, структурой и свойствами сердцевины, а также глубиной графитизированного слоя. Графитосодержащий слой по своему влиянию на ударную вязкость, может быть приравнен к надрезу на поверхности образца, поскольку он пронизан многочисленными трещинами и порами (заполненными углеродом), что способствует легкому образованию магистральных разрушающих трещин.

По мере увеличения содержания графита в диффузионных слоях нитроцементованных сталей их ударная вязкость понижается одновременно со снижением твердости, хотя у большинства известных металлических материалов снижение твердости приводит к увеличению ударной вязкости. Эту особенность графитизированных сталей следует учитывать при изготовлении конкретных изделий.

Использование для графитизации путем двухступенчатой нитроцементации легированных сталей, в частности кремнистой стали 50С2, как показали наши исследования, никаких преимуществ перед простыми углеродистыми сталями не дает.

Графитизированная сталь 40 (так же как и другие углеродистые улучшаемые стали) на практике может быть с успехом использована в качестве антифрикционного материала для замены бронзы, латуни и чугунов (серого, ковкого и высокопрочного). При этом графитизированная сталь будет выгодно отличаться от названных материалов, так как сердцевина деталей, обладающая высокой прочностью, будет хорошо сопротивляться высоким силовым нагрузкам.

Предлагаемая технология двухступенчатой нитроцементации, выполняемой для графитизации поверхностных слоев, может быть использована для повышения долговечности многих деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных и других машин, работающих без смазки или при недостаточной смазке. Кроме того, сталь с графитизированными поверхностными слоями может быть использована для изготовления вкладышей, втулок и других антифрикционных деталей в различных узлах трения.

Производственные испытания деталей поворотного устройства трактора Т-150К (шкворня и втулок) и открытых шарниров комбайна

«Дон-1500», изготовленных из стали 40 и подвергнутых двухступенчатой нитроцементации, показали хорошую работоспособность без смазки и высокую долговечность.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что графитизация углеродистых сталей возможна при их нитроцементации, проводимой по двухступенчатому режиму - при низкой и высокой температурах. Во время низкотемпературной ступени обработки (в районе температур т.А! системы Ре-М) поверхность стали насыщается азотом с образованием высокоазотистых карбонитридных фаз. Во время второй ступени, температура которой выше т. А3 для системы Ре-С, происходит деазотирование поверхностного слоя с образованием дефектов (трещин и пор) на месте азотистых фаз и заполнение этих дефектов углеродом в виде графита.

2. Для обеспечения графитизации поверхностных слоев углеродистых сталей (улучшаемая сталь 40) предложена нитроцементующая паста, состоящая из желтой кровяной соли (30...40%), углекислого натрия (8... 10%), углекислого кальция (4...6%) и сажи ДГ-100 (остальное). В качестве пастообразователя использовалась поливинилацетатная эмульсия (ПВА) с добавлением этанола. При температурах 550...650°С эта паста обеспечивает интенсивное насыщение поверхности стали азотом, а при температурах 820...950°С - насыщение стали углеродом.

3. Температура и длительность первой ступени нитроцементации обусловливают глубину графитосодержащих слоев, а температура и

длительность второй ступени определяют количество и форму графитных включений в диффузионных слоях. Проведение нитроцементации стали 40 по следующему режиму: первая ступень - 650°С, 3 ч, вторая ступень - 850°С, 3 ч, позволяет получить на поверхности этой стали графитосодержащий слой толщиной ~ 0,25 мм, с содержанием графита ~ 3%.

4. Графитные включения на поверхности трения стальных изделий играют роль твердой смазки, образуя тонкую пленку, препятствующую непосредственному контакту материалов трущихся деталей. Критическая нагрузка, при которой разрушается пленка, зависит в основном от твердости поверхности, на которой она образовалась. При недостаточной твердости этой поверхности возникает локальная пластическая деформация (течение металла) и графитная пленка разрушается. При этом резко возрастает интенсивность изнашивания стали.

5. Твердость графитизированных слоев на стали 40 при непосредственной закалке с нитроцементационного нагрева (850°С) зависит от содержания в их структуре графита: при содержании до 2% твердого слоя достаточно высокая для обеспечения износостойкости (более НЯС 50), при повышении содержания графита твердость графитизированного слоя интенсивно снижается (при 5% графита НЯС 35). Анологичная твердость получается и при закалке графитизированной стали с повторного нагрева.

6. Графитизированные слои на углеродистой стали способствуют значительному повышению их износоустойчивости при изнашивании в условиях сухого трения (более чем в 3 раза) и в условиях граничного трения, а также имеют высокую стойкость против схватывания: нагрузка, вызывающая схватывание графитизированной стали, составляет 1000 Н/см2, против 200 Н/см2 у неграфитизированной стали.

7. Поверхностную графитизацию углеродистых сталей можно рекомендовать для повышения эксплуатационных свойств большой номенклатуры деталей. Поверхностные слои с содержанием до 2% графитных включений обладают высокой твердостью (Н11С 50...60), износостойкостью и удовлетворительной ударной вязкостью, могут значительно повысить долговечность самых различных, в том числе тяжелонагруженных деталей. Сталь с большим содержанием графита может быть использована для замены антифрикционных материалов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИЯМ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Колмыков, В.И. Особенности формирования графитсодержащих диффузионных слоев при двухступенчатой нитроцементации конструкционных сталей [Текст]/ В.И. Колмыков, И.Н. Росляков, О.В. Летова // Технология металлов. - 2008. -№11.- С.22-24.

2.Летова O.B. Закалка и отпуск графитизированных сталей [Текст]/ О.В. Летова, С.С. Летов., H.A. Пивовар// Перспективы науки. - Тамбов, 2011.-№3(18).-С. 79-82.

3. Летова О.В. Азотисто-углеродная паста для нитроцементации стали при низких и высоких температурах [Текст]/ О.В. Летова// Вестник Курской гос. с.-х. акад., - 2011. - №2. - С. 75-76.

Статьи и материалы конференций

4.Колмыков В.И. Анализ стойкости графитизированных сталей против изнашивания и схватывания [Текст]/ В.И. Колмыков, В.Я. Красников, О.В. Летова// Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: материалы III Междунар. науч.-техн. конф. в 2 ч.: -Курск, 2005. - Ч.1.- С.276-279.

5. К вопросу об образовании графита в диффузионных слоях при цементации сталей [Текст]/ В.И. Колмыков, С.С. Летов, О.В. Летова, [и др.]// Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: материалы III Междунар. науч.-технич. конф.: в 2 ч,- Курск, 2005.-4.1.-С.279-283.

6. Поверхностная графитизация стали 40 при двухступенчатой нитроцементации [Текст]/ В.М. Переверзев, В.И. Колмыков, О.В. Летова [и др.]/ Совершенствование технологии восстановления деталей и ремонта машин в АПК: материалы юбил. научн. конференции. - Курск, 2006.-С.86-91.

7. Повышение триботехнических свойств конструкционных сталей поверхностной графитизацией при насыщении азотом и углеродом [Текст]/ В.М. Переверзев, В.И. Колмыков, О.В. Летова [и др.]/ Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: материалы IV междунар. науч.-техн. конф.: в 2 ч. - Курск, 2006. - Ч.2.-С.59-64

8. Летова, О.В. Условия образования графита в сталях [Текст]/ Летова О.В., В.Я. Красников, А.Г. Уварова // Инновации, качество и сервис в технике и технологиях: материалы 1-й Междунар. науч.-практ. конф.: в 2 ч. - Курск, 2009. -Ч.2.-С. 150-153.

9. Летова, О.В. Влияние кремния и других легирующих элементов и примесей на графитизацию сталей [Текст] / О.В. Летова, В.Я. Красников, А.Г. Уварова // Инновации, качество и сервис в технике и технологиях: материалы 1-й Междунар. науч.-практ. конференции.: в 2 ч. -Курск. - 2009. -4.2. - С.153-156.

10. Летова, О.В. Свойства и области применения графитизированных сталей [Текст]/ О.В. Летова, В.Я. Красников, А.Г. Уварова // Инновации, качество и сервис в технике и технологиях: материалы 1-й Междунар. науч.-практич. конференции.: в 2 ч. - Курск, 2009. -Ч.2.-С. 156-160.

\

Подписано в печать 24.05.11 г.. Формат 60x84 1/16 Печ. л. 1,0. Тираж 130 экз. Заказ 52 Юго-Западный государственный университет 305040, г. Курск, ул. 50лет Октября,94