автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных свойств конструкционных сталей химико-термической обработкой с использованием пастообразных карбюризаторов

На правах рукописи

Романенко Анна Геннадьевна

Повышение эксплуатационных свойств конструкционных сталей химико-термической обработкой с использованием пастообразных

карбюризаторов

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и

сплавов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 МАЙ 2014

Курск-2014

005548774

Работа выполнена на кафедре «Материаловедения и сварочного производства» в ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Сальников Владимир Григорьевич

Официальные оппоненты: Афанасьев Александр Александрович,

доктор технических наук, профессор, Белгородский государственный технический университет им. В.Г. Шухова, заведующий кафедрой стандартизации и управления качеством

Борсяков Анатолий Сергеевич,

доктор технических наук, профессор, Воронежский государственный университет инженерных технологий, заведующий кафедрой естественных дисциплин

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Тверской государственный

технический университет»

Защита диссертации состоится «27» июня 2014г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.105.01 при ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет» по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальном сайте Юго-Западного государственного университета: www.swsu.ru

Автореферат разослан « 2014 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.105.01

Лушников

Борис Владимирович

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Развитие современного машиностроения требует обеспечения повышенного срока службы узлов трения и инструмента на уровне новых рабочих параметров машин, аппаратов, приборов и режущих инструментов, работающих в более широком диапазоне температур, в особых условиях окружающей среды, с более высокими скоростями и давлениями и при постоянно действующих требованиях снижения трудоемкости изделий.

Эффективным средством повышения эксплуатационных свойств конструкционных сталей является нанесение диффузионных покрытий на рабочие части деталей машин и инструмента усовершенствованными технологиями химико-термической обработки (ХТО). Однако различие в структуре, фазовом составе и физико-механических свойствах между материалом диффузионного покрытия и сталью приводят к преждевременному удалению покрытия за счет абразивного изнашивания, что приводит к снижению работоспособности рабочих поверхностей упрочненного материала.

Разработка новых и усовершенствование уже существующих процессов, обеспечивающих получение на поверхностях трения покрытий с прогнозируемыми свойствами, позволит существенно увеличить применение таких методов создания многофункциональных (износо- и коррозионно-стойких, антифрикционных и др.) покрытий, как электрофизические и химико-термические (газофазные и твердофазные с замкнутым рабочим циклом без выброса вредных газов в атмосферу). Возможно значительное повышение эксплуатационных свойств деталей, инструментов и узлов трения машин и механизмов в различных отраслях машиностроения за счет применения новых материалов, многофункциональных покрытий и технологий, а также комбинированных методов обработки сопряженных поверхностей.

В этой связи представляется важным повышение работоспособности деталей, узлов и инструмента, новыми и усовершенствованными технологиями ХТО, в частности нитроцементации, цианирования и др. Объем применения диффузионных покрытий в машиностроении пока остается все еще ограниченным. Однако расширение сферы выше указанных покрытий ограничивается из-за недостаточной изученности процессов их формирования, а также их влияния на свойства материала основы (детали или инструмента). Это затрудняет разработку технологий получения покрытий, обеспечивающих повышение работоспособности деталей и инструмента. На стадии проектирования не удается прогнозировать износ, усталость во всех проявлениях, сопровождающих эксплуатацию изделий с покрытиями.

Влияние окружающей среды, а также недостаточная изученность сложных закономерностей изменения прочностных и деформационных свойств многофункциональных покрытий и всей системы «основа-покрытие» (СОП) в процессе их работы, нестабильность технологических параметров нанесения осложняют получение достоверных результатов. Это также обусловлено малым количеством теоретических и экспериментальных работ, изучающих закономерности формирования структуры покрытий и их связь с основными эксплуатационными свойствами конструкционных материалов, а именно с прочностными и усталостными характеристиками. Специфичность (СОП) обусловлена тем, что начальные условия формирования покрытия, физико-химические процессы, протекающие на поверхности основы в период формирования покрытия, существенно влияют на поведение конструкционных материалов (сталей) при эксплуатации.

Поэтому озвученная в названии тема диссертационной работы на наш взгляд актуальна. Актуальность темы диссертационного исследования подтверждается выполнением её в рамках межвузовских, региональных и федеральных научно-технических программ и мероприятий по направлениям: координационным планом НИР «Реализация региональных научно-технических программ центральночерноземного района 2005-2015 годов»; «Повышение эксплуатационных характеристик

и экологической безопасности изделий из инструментальных и конструкционных сталей электроискровой и химико-термической обработками» (номер контракта № П653 от 19.05.2010 г.) в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».

Цель настоящей работы заключается в повышении механических и эксплуатационных свойств конструкционных сталей (20X13, 40X13, 20ХН, 20ХГСНТ, (24...25)ХГТ) за счет формирования рационального структурного и фазового состава материалов при диффузионном поверхностном упрочнении с использованием пастообразных карбюризаторов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

проанализировать, систематизировать и обобщить литературные данные по применению ХТО, в частности цементации, нитроцементации, цианирования и др., применяющихся в современном машиностроении для повышения работоспособности деталей, узлов и инструментов;

^ исследовать влияние предлагаемого пастообразного карбюризатора (состава, температуры и др.) на структуру и фазовый состав диффузионных слоев;

V изучить процесс формирования диффузионных слоев на сталях при их насыщении в азотисто-углеродистой среде в разных температурных условиях и проанализировать особенности диффузионных процессов;

•/ выявить закономерности влияния структуры, фазового состава диффузионных слоев изучаемых материалов на их эксплуатационные свойства;

^ провести сравнительные испытания исследуемых материалов, упрочненных ХТО и другими методами поверхностного упрочнения;

V разработка практических рекомендаций по применению в промышленности и учебном процессе.

Объекты исследования: упрочненные поверхностные слои конструкционных сталей термической и химико-термической обработками с применением углеродно-азотистых пастообразных карбюризаторов.

Методы исследования. В работе использованы следующие методы исследования структуры и свойств изучаемых материалов: оптической и электронной металлографии, рентгеноструктурного анализа для оценки структурного - фазового состава упрочненного поверхностного слоя; стандартные методы измерения твердости и микротвердости и определения механических свойств подвергнутых ХТО. Испытания на изнашивание и усталостную прочность проводились в соответствии с действующими ГОСТами. Для достижения поставленных задач в работе использовались методы математического планирования эксперимента и статистической обработки экспериментальных данных.

Научная новизна результатов работы и основные положения выносимые на защиту.

1. Для повышения эксплуатационных свойств стали 40X13 разработана новая технология нитроцементации на основе сажи (аморфного углерода) с азотосодержащими добавками (сажа - 60; желтая кровяная соль К4Рс(СЫ)6-20; карбамид (ЫН2)2 СО - мочевина - 10; углекислый натрий - На2С03 - сода - 10 (% масс). В результате обработки на поверхности стали 40X13 образовался диффузионный слой толщиной = 0,05 мм с содержанием (80...90)% карбидной фазы. Тем самым были повышены твердость и коррозионная стойкость стали 40X13. Износостойкость нитроцементируемой стали в (4...5) раз превышает износостойкость стали Х12М, наиболее часто используемой в настоящее время для изготовления мясоизмельчительных ножей.

2: Экспериментально оптимизирован состав пастообразного карбюризатора для цементации хромистых нержавеющих сталей (20...30)Х13. По результатам эксперимента сделан вывод, что на толщину слоя карбюризатора основное влияние оказывает содержание в нем клея КМЦ. Оптимальным содержанием КМЦ считается (4,5...5)%.

3. Впервые исследованы цементованные слои хромоникелевых сталей, дополнительно легированные (0,9... 1,1) % Мп, (0,9...0,1) % 81, (0,3...0,9) % И Установлены закономерности формирования их структуры, определяющие их высокие механические свойства (твердость, предел прочности) и износостойкость. Установлено, что дополнительное легирование хромоникелевой стали комплексом элементов, в состав которого входит кремний, повышает устойчивость стали против отпуска, поскольку он способствует сохранению мартенсита (отпущенного) при более высоких температурах (~200°С).

4. Впервые изучено влияние добавок метана и аммиака на кинетику взаимодействия эндотермической атмосферы с образцами из армко-железа. Получена зависимость константы скорости (Кн) насыщения азотом аустенита. Показано, что при достаточно высоком углеродно-азотном потенциале атмосферы науглероживание аустенита происходит интенсивнее, чем азотирование.

5. Разработан новый технологический процесс ХТО стали (24...25)ХГТ с использованием пастообразных углеродо-азотистых карбюризаторов. Проведено комплексное исследование образцов из этой стали как в исходном состоянии (закалка с 840°С в масле с последующим отпуске при 660°С (1...3) час), так и после нитроцементации. Установлено, что поверхность образцов после нитроцементации имеет четко выраженную - характерно тонкую (8...22) мкм нетравлющуюся полосу -«белый» слой, представляющую собой карбонитридныи слои 1'С^ Рез(СЫ). Твердые карбонитриды, образующиеся на поверхности обрабатываемых в этой пасте изделий, способствуют повышению их износостойкости. Карбонитридная корка на поверхности исследуемой стали, образовавшаяся после нитроцементации обладает значительно повышенной выносливоемостью в (1,4... 1,5) раза. Карбонитридная кромка на поверхности стали (24...25) ХГТ значительно повышает усталостную прочность материала и работоспособность деталей и узлов

6. Исследованы структура и свойства конструкционных сталей после двухкомпонентного диффузионного упрочнения на основе бора. Проведены сравнительные испытания сталей, в частности стали 25ХГТ, подвергнутой борированию, бороалюмосилицированию и нитроцементации. Установлено, что сталь 25ХГТ подвергнутая борированию и бороалюмосилицированию на (15...20)% более износостойка, чем нитроцементованная, в то же время нитроцементация повышает усталостную прочность на 30% по сравнению с борированием и бороалюмосилицированием.

Достоверность полученных результатов и выводов по работе подтверждаются применением современных металлофизических методов исследования, проверенных приборов и оборудования, стандартных методик исследования структуры, фазового состава и свойств материалов, сопоставлением своих результатов с результатами других исследователей. Полученные результаты не противоречат современным научным представлениям в области ХТО металлов и сплавов.

Практическая значимость работы состоит в следующем: на основе результатов экспериментальных исследований разработаны технологические рекомендации поверхностного упрочнения ряда конструкционных сталей ХТО с применением углеродно-азотистых пастообразных карбюризаторов, обеспечивающих повышение их эксплуатационных свойств. Результаты и выводы по работе подтверждаются полупромышленными испытаниями на предприятии ЗАО «Курский электроаппаратный завод». Научные результаты работы используются в учебном процессе кафедры «Материаловедения и сварочного производства» ЮЗГУ. Акты внедрения представлены в приложениях диссертации.

Личный вклад автора состоит в определении научного направления исследований, постановке задач, выполнения основного объема исследований, интерпретации и обобщения полученных результатов, формулирования научных положений и выводов, внедрения практических результатов в производством учебную

работу ВУЗа.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены: на XVII Российской НТК с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии - 2010»; V Всероссийской НПК «Проектирование механизмов и машин»; XVIII, XIX и XX Юбилейной Российской НТК с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии - 2011, 2012 и 2014 г.г.»; на заседании кафедры «Материаловедение и сварочное производство» март 2014 г.

Публикации по материалам диссертации. Опубликовано в 16 печатных работах, из них шесть в рецензируемых научных изданиях и журналах.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка из 260 наименований и приложений. Текст диссертации изложен на 128 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 6 таблиц, 2 приложения.

Основное содержание работы

Введение. Обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследования, озвучены научно-технические программы, по которым выполнялась диссертация. Исходя из изложенного сформулирована цель работы и задачи исследования.

В первой главе представлен аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы по современному состоянию науки и практики ХТО сталей, сплавов и покрытий.

Приводятся общие сведения по ХТО: цементации; азотированию; нитроцементации и цианированию сталей, а также по поверхностному легированию сталей и сплавов. В конце главы дается оценка влияния структуры и фазового состава сталей до и после ХТО на их изнашиваемость. Показана перспективность использования для цементации хромистых сталей высокоактивных пастообразных карбюризаторов. Установлено, что изменяя состав стали, главным образом, содержание в ней хрома и режимы цементации, можно добиться оптимального содержания карбидной фазы и размеров карбидов, обеспечивающих высокую износостойкость диффузионных слоев, в том числе при абразивном изнашивании. Теоретически и экспериментально установлено, что при легировании стали хромом при цементации изменяется радиус цементитного включения. Если концентрация хрома меньше критического значения (Ккр<2,1%), то цементитные частицы в диффузионных слоях образуются только в пластинчатой форме, независимо от условий цементации. При концентрациях больше критической, карбидные при цементации образуются только равноосными, т.е. их форма близка к шаровидной форме.

Вторая глава посвящена описанию методик экспериментального исследования структуры, фазового состава и свойств поверхностных слоев материалов подвергнутых ХТО. Приводятся сведения о сплавах и композитах, являющихся объектами изучения, а также применяющихся технологиях упрочнения.

Объектами изучения являлись следующие материалы: армко-железо; доэвтектоидные стали (24...25) % углерода и стали (20...40)Х13 до и после ХТО; цементованные хромоникелевые стали дополнительно легированные Мп, Б! и Ть

Для определения фазового состава, структуры и свойств, упрочненных ХТО, поверхностных слоев использовали следующие виды анализов: химический, микроструктурный, фазовый, рентгеноструктурный, измерения твердости и микротвердости, механические испытания.

Определение химического состава сплавов и покрытий осуществлялось на

оптико-эмиссионном спектрометре «Роипс1гуМа1е». Для микроструктурного анализа использовали приборы: МИМ-8М и «ЕРК^УЛЫТ».

Для определения типа карбидной и карбонитридной фаз упрочненные слои подвергали анодному травлению, анализ анодного осадка проводили на дифрактометре «Дрон-ЗМ»; фазовый состав определяли на этом же приборе.

Микрорентгеноспектральный анализ осуществляли на приборе «Самека»; электронная и растровая микроскопия проводилась на приборах «ЭВМ-100Б» и «РЭМ-200» соответственно.

Измерения геометрических параметров поверхности оценивалось с помощью профилометров: «Калибр-252» или «Абрис - ПМ7».

Испытания на усталостную прочность проводились на специально разработанной установке.

Испытания на износостойкость проводились на стандартных машинах типа СМЦ-2 и других.

Микротвердость измерялась на приборе ПМТ-3; прочность сцепления покрытия с основным металлом определялись на том же приборе методом царапания. Внутреннее трение измерялось динамическим методом затухающих колебаний на обратном крутильном маятнике с автоматической регистрацией колебаний и частоты с прецизионной регулировкой температуры.

В работе для получения достоверных результатов и сокращения количества опытов использовали математическое планирование экспериментов, для расчетов применяли ЭВМ.

Глава 3. Приведена оценка изнашиваемости ряда конструкционных сталей, используемых в пищевой промышленности. Определены основные факторы, определяющие их эксплуатационные свойства. Предложено использовать для деталей мясоизмельчающих машин дешевую сталь 40X13, упрочненную ХТО.

После закалки с 1050°С в масле и отпуска при (200...280)°С микроструктура ее состоит из отпущенного хромистого мартенсита с небольшим количеством карбидов типа СгС3. Сталь с такой структурой относится к мартенситному классу и хорошо сопротивляется коррозии. Однако твердость стали 40X13 после традиционной упрочняющей обработки, достигающая (48...56)НЯС, недостаточно высока для обеспечения хороших режущих свойств инструмента.

Известно, что радикальным образом повысить износостойкость стальных изделий можно путем насыщения их поверхностей азотом и углеродом из высокоактивных карбюризаторов с образованием в диффузионных слоях большого количества высокодисперсных карбидов и карбонитридов. При этом, если обеспечить одностороннее насыщение режущих лезвий, можно получить эффект самозатачивания в процессе работы.

Для нитроцементации хромистых коррозионно-стойких сталей можно использовать пастообразный карбюризатор на основе аморфного углерода (сажи) с азотосодержащими добавками, который позволяет увеличить скорость насыщения изделий углеродом и азотом в (1,5...2) раза и обеспечить высокую экологическую чистоту процесса. Состав карбюризатора следующий (%, масс.): сажа газовая - 60; железосинеродистый калий (желтая кровяная соль) - 20; карбамид (мочевина) - 10; углекислый натрий (сода) - 10. В качестве пастообразующей жидкости можно использовать любой органический клей (КМЦ, ПВА и т.п.).

Тщательно перемешанные в сухом состоянии компоненты карбюризатора разводят клеем, наносят на упрочняющую поверхность (переднюю поверхность ножа) и высушивают. После этого изделие с сухой нитроцементующей обмазкой упаковывают в контейнеры с углесодержащим наполнителем (древесным углем, золой, чугунной стружкой и др.) или помещают в цементационную печь с герметичной ретортой (типа "Ц") и выдерживают при температуре (880...900)°С в течение (З...6)ч в зависимости• от требуемой глубины диффузионного слоя.

В процессе выдержки в реторту печи подают в небольших количествах жидкий карбюризатор (синтин, керосин или др.) для вытеснения воздуха. Закалку после нитроцементации проводят с температуры (800...900)°С в масле, отпуск - при (180...200)°С в течение 2 ч.

В результате такой обработки на поверхности нитроцементованной коррозионно-стойкой стали образуется диффузионный слой толщиной ~ 0,05 мм с содержанием (80...90)% карбидной фазы (рис. 1). Рентгеноструктурный анализ показывает, что основным типом карбидной фазы в нитроцементованном слое является легированный цементит (Ре,Сг)3С. Поверхностные слои нитроцементованной и закаленной стали 40X13, состоящие, в основном, из карбидов, имеют высокую

твердость, которая по мере, удаления от поверхности плавно снижается (рис. 2).

Таким образом, карбидные слои имеют повышенную коррозионную стойкость, что имеет важное значение для деталей перерабатывающего оборудования, и высокую износостойкость, которая в (4... 5) раз превышает износостойкость стали Х12М, наиболее часто используемой в настоящее время для изготовления мясоизмельчительных ножей.

Одностороннее упрочнение ножей нитроцементацией с образованием

карбидосодержащих слоев на поверхности

обеспечивает высокую износостойкость и их самозатачивание за счет различия в твердости поверхности лезвия и сердцевины, что обеспечивает им постоянное сохранение остроты режущей кромки в процессе работы.

Далее в главе описаны исследования особенностей формирования структуры диффузионных слоев на 20X13 при цементации при температуре 920°С в пастообразном карбонатно — сажевом карбюризаторе с оптимизацией состава науглероживающей среды.

Основу пастообразного покрытия составляет газовая сажа; добавкой, ускоряющей цементацию, является углекислый натрий, связующим компонентом - водный раствор карбометилцеллюлозы (клей КМЦ) с добавлением метилового спирта для улучшения смачиваемости поверхности цементуемой стали, а также малой добавки мочевины (для расширения у-области высокохромистых сталей азотом, выделяющимся из мочевины при нагреве образцов до температуры цементации, поглощаемым при этом сталью).

Микроструктурный анализ цементованных образцов хромистой нержавеющей стали показал, что наилучшие результаты науглероживания могут быть получены при использовании покрытия, в котором ускоряющей добавкой к саже является углекислый натрий (Ка2С03). Добавки в пастообразный карбюризатор бикарбоната натрия Ыа(НС03) и ацетата натрия (СН3С03)Ка тоже привели к науглероживанию, однако, ниже, чем в карбюризаторе с углекислым натрием.

Цементация хромистой нержавеющей стали в пасте с углекислым барием Ва(С03), который широко используется как добавка к стандартным твердым карбюризаторам, не привела к ее заметному науглероживанию (рис. 3,а), имеются лишь отдельные участки на поверхности образцов, где наблюдается слабое науглероживание, на этих же участках хорошо заметно стравливание поверхности.

Рис. 1 Микроструктура нитроцементованного слоя стали 40X13 (880°С,Зч.) (х 350)

. 0 0,10 0.20 0.30 чм

Рис. 2 Распределение микротвердости по сечению нитроцементованного слоя стали 40Х 13:1- карбидный слой, II -переходная зона, III - сердцевина.

Добавка углекислого натрия в порошкообразное покрытие обеспечило получение развитого диффузионного слоя (рис. 3,6), на самой поверхности которого наблюдается разрыхленная зона повышенной травимости толщиной (0,03... 0,07) мм, под ней карбидная зона, состоящая почти исключительно из карбидов, довольно резко переходящая в основную часть диффузионного слоя с уменьшением на два порядка содержания карбидов в структуре и, притом, только мелких. Общая глубина слоя на образцах стали 20X13, цементованных в покрытии с углекислым натрием, достигает 0,8 мм, примерно в 1,5 раза превышает глубину слоя, полученного в покрытии с бикарбонатом натрия, и более чем в 2 раза в покрытии с ацетатом натрия.

Рыхлая зона на поверхности диффузионных слоев стали 20X13 снижает механические свойства цементованных изделий, особенно усталостную прочность.

Рис. 4 Микроструктура диффузионного слоя стали 20X13, цементованной в пастообразном карбюризаторе с добавкой 6% Ыа2С03 (920°, 6ч).

Рис. 3. Микроструктура диффузионного слоя стали 20X13 после цементации (920°С,6ч) в пастообразном карбюризаторе с добавкой 20% ВаСОз (а) или 20% Ка2С03 (б) Уменьшение содержания углекислого натрия в исследованном покрытии (табл. 1) приводит как к уменьшению глубины дефектной зоны в диффузионном слое стали 20X13, так и к уменьшению глубины самого диффузионного слоя. При этом на образцах, цементованных в карбюризаторе с содержанием >}а2С03 менее 6 %, диффузионный слой уже не имеет карбидной корки, а представлен мелкими изолированными карбидами в металлической матрице (рис. 4), при содержании в покрытии от 5 до 8,5 % углекислого натрия.

Таблица 1

Влияние содержания в карбюризаторе углекислого натрия на глубину цементации стали 20Х13 (920°С, 6ч)

Содержание Ка2СОэ вес, % 20 15 10 8 6 4 2

Глубина дефектной зоны, мм 0,07 0,06 0,02 - - - -

Общая глубина диффузионного слоя, мм 0,78 0,75 0,73 0,71 0,69 0,31 <0,1; слой неравномерный

При этом все еще сохраняется возможность получения глубоких диффузионных слоев, а дефектная зона на поверхности не образуется.

Экспериментально оптимизирован состав карбюризатора для нержавеющей хромистой стали не только по углекислому натрию, но и по другим компонентам. Для этого был проведен эксперимент с использованием метода математического планирования. В качестве независимых факторов в этом эксперименте было принято содержание сажи (сажа газовая марки ГД 100), углекислого натрия в найденных выше пределах и содержание сухого порошка карбометилцеллюлозы (КМЦ).

У - глубина карбидосодержащего слоя на стали 20X13 после цементации при 920°С в течение 3 ч. Условия варьирования факторов приведены в таблице 2.

Таблица 2

Наименование факторов Уровни варьирования Интервал варьирования

-1,68 -1 0 +1 + 1,68

хгконцентрация КМЦ, % 5,0 5,5 7,0 8,5 1,5 1,5

х2-концентрация % 0,5 1,0 1,0 2,0 0,5 0,5

Хз-концентрация сажи, % 6,0 9,5 11,5 13,5 2,0 2,0

По результатам эксперимента получено одно адекватное уравнение регрессии (для глубины карбидосодержащего слоя), которое имеет вид

У = 9,9-1,25х1-2,13Х2Х3+2,24Х12-1,54Х25 (1)

В работе представлены графические интерпретации уравнения регрессии.

Как видно из результатов эксперимента, повышение содержания КМЦ в цементующей пасте до (7...8) % приводит к резкому снижению глубины цементованного слоя на стали 20X13, дальнейшее повышение содержания клея в карбюризаторе практически не влияет на результаты цементации.

Сажа влияет на глубину цементации определяющим образом: при небольшом ее количестве цементация идет слабо, при содержании ее в пасте 8 % и выше глубина цементации достигает максимального значения и дальше практически не изменяется

Изменение концентрации углекислого натрия в карбюризаторе не оказывает влияния на результаты цементации в исследованном интервале.

Что касается влияния состава карбюризатора на толщину пастообразного покрытия, то уравнение регрессии получилось неадекватным, что свидетельствует о более сложной зависимости между факторами и критерием оптимизации чем зависимость второго порядка. Тем не менее, по результатам эксперимента можно сделать вывод, что на толщину слоя карбюризатора основное влияние оказывает содержание в нем клея КМЦ. Оптимальным содержанием КМЦ следует считать (4 5 5) /о. Дальнейшее повышение содержания этого компонента, хотя и вызывает некоторое увеличение толщины слоя обмазки, нежелательно, так как снижает глубину цементации. ' 4

Таким образом, можно заключить, что оптимальным составом пастообразного карбюризатора для цементации хромистых нержавеющих сталей является следующий

!%лгп0):л^Жа^1Ш0ВаЯ " (8"10); Углекисль™ натрий - (1,5...2); карбометилцеллюлоза (КМЦ) - (4,5...5); метиловый спирт - (2,5...3,5); мочевина - (1...2); остальное вода.

В конце главы приводятся исследования по дополнительному легированию

хромоникелевых сталей комплексом элементов Мп+Я^ , а также их влияния на

формирование микроструктуры и свойств цементованных и нитроцементованных слоев.

Объектами исследования служили стали 20ХН и 20ХГСНТ, вторая отличается от первой что^в ^своем^составе она дополнительно содержит (0,9... 1,1)% Мп,

Сталь 20ХГСНТ нестандартизирована (выпускается по ТУ завода), а ее свойства как технологические, так и эксплуатационные, не исследованы и не описаны в литературе. Хотя элементы: марганец и титан - широко применяются для легирования цементуемых сталей, комплексное легирование, включающее кремний, мало изучено Поэтому было проведено исследование процесса цементации стали 20ХГСНТ в сравнении со сталью 20ХН.

Цементация проводилась в стандартном древесно-угольном (бондюжском) карбюризаторе (5% ВаС03) при температуре 940°С в течение 12 часов. При этом глубина диффузионного слоя (до 50% феррита в структуре) на стали 20ХГСНТ составила 11 мм, а на стали 20ХН - 1,3 мм; содержание углерода в поверхностном слое (толщинои 0,1 мм) составило 1,01 и 1,26% соответственно. Таким образом, видно что легирование, хромоникелевой стали комплексом (Мп+81+'П) снижает насыщение углеродом поверхности стали и несколько уменьшает глубину цементации Однако

содержание углерода в комплексной стали находится в области оптимальных концентраций, при которых не возникает опасности пресыщения поверхности стали карбидами и, следовательно, снижения вязкости цементованного слоя.

Стали 20ХГСНТ и 20ХН после цементации были подвергнуты закалке со вторичного нагрева. Нагрев производился в камерной печи при температуре 840°С (для обеих сталей), охлаждение в масле.

Твёрдость непосредственно после закалки составила для стали 20ХГСНТ HRC 65, а для стали 20ХН - HRC 64, после отпуска при 180°С в течение 1,5 ч - соответственно HRC 62 и HRC 61. Отсюда следует, что закаливаемость цементованных слоев обеих сталей практически одинакова. Твёрдость сердцевины как той, так и другой стали также одинакова и составляет HRC ~ 48.

Микроструктура цементованного слоя стали 20ХГСНТ после закалки и низкого отпуска представляет собой мелкоигольчатый мартенсит, остаточный аустенит (2-го балла) с вкраплением небольшого количества карбидов (1-го балла) согласно отраслевому стандарту. Микроструктура цементованного слоя стали 20ХН идентична микроструктуре стали 20ХГСНТ.

Исследованный режим термической обработки, состоящий из цементации, закалки со вторичного нагрева и низкого отпуска, обеспечивает для хромоникелевых сталей высокую поверхностную твёрдость и оптимальную микроструктуру: мелкоигольчатый мартенсит + небольшое количество дисперсного остаточного аустенита с мелкими карбидами.

С целью изыскания возможностей автоматизации термической обработки деталей из хромоникелевых сплавов была произведена высокотемпературная нитроцементация образцов из сталей 20ХГСНТ и 20ХН с непосредственной закалкой. Такой режим позволяет все операции упрочняющей обработки: цементацию, закалку и отпуск -сосредоточить в одном агрегате и проводить автоматически. Всё это позволит значительно снизить затраты труда и энергии на термообработку и удешевить производство деталей.

Нитроцементацию производили при температуре 880°С в газовой атмосфере, состоящей из продуктов термической диссоциации синтина и аммиака, в течение 11 часов в печи Ц - 105. После нитроцементации непосредственно из печи образцы закаливали в масле и подвергали отпуску при 180°С в течение 1,5 часов.

Глубина нитроцементованного слоя на стали 20ХГСНТ составила 1,0 мм, микроструктура - мартенсит + остаточный аустенит (3-го балла) + карбиды (1-го балла).

Глубина нитроцементованного слоя на стали 20ХН 1,2 мм, что на 0,2 мм больше, чем глубина нитроцементованного слоя на предыдущей стали. Микроструктура стали 20ХН - также мартенсит, остаточный аустенит (6-го балла) и карбиды (1-го балла).

Твёрдость нитроцементованных слоев сталей 20ХГСНТ и 20ХН соответственно составляет HRC 59 и HRC 53. Содержание остаточного аустенита, определяемое по микроструктуре, в стали 20ХН больше, чем в стали 20ХГСНТ примерно в 2 раза, причем остаточный аустенит в хромоникелевой стали находится в виде довольно крупных обособленных участков. Такой характер расположения остаточного аустенита в структуре стали весьма неблагоприятно сказывается на всех её свойствах. Сталь 20ХГСНТ в результате нитроцементации с непосредственной закалкой приобретает достаточно высокую твёрдость и мелкодисперсную структуру, что обеспечивает ей высокие механические свойства и износостойкость. Применение этой стали в производстве позволит заметно ускорить и удешевить процесс упрочнения деталей.

Большое влияние на свойства цементованной стали после её закалки как со вторичного, так и непосредственно из цементованной печи оказывает заключительная операция - низкий отпуск. Легирующий элемент кремний, входящий в состав стали 20ХГСНТ, должен оказывать положительное влияние на уровень твёрдости этой стали после отпуска, поскольку он способствует сохранению мартенсита (отпущенного) при более высоких температурах. , ^

Было исследовано влияние температуры отпуска нитроцементованных и

закалённых сталей 20ХГСНТ и 20ХТ на их твёрдость (рис. 5).

Как видно из рисунка, повышение температуры отпуска для закалки стали 20ХН до 150°С приводит к недопустимому снижению твердости (менее НЯС 50), в то время как для стали 20ХГСНТ повышение температуры отпуска до 200°С все еще обеспечивает удовлетворительную твердость ЬЖС 55.

Таким образом, можно видеть, что дополнительное легирование

хромоникелевой стали комплексом элементов, в состав которого входит кремний, несколько повышает устойчивость стали против отпуска.

В заключение следует отметить, что легирование традиционной хромоникелевой стали 20ХН дополнительным комплексом элементов (Мп+81+Т0 до соответствия марке 20ХГСНТ влияет на её свойства неоднозначно, принятой для стали 20ХН, включающей нагрева и низкий отпуск, дополнительное

я ЮО НО 200 Геюяхтуро огтпуска °С

Рис. 5. Влияние низкого отпуска на твердость нитроцементованных с непосредственной закалкой сталей 20ХГСНТ (1) и 20ХН (2).

При упрочняющей обработке, цементацию, закалку со вторичного легирование названным комплексом элементов практически не оказывает влияния на результаты цементации (насыщение углеродом, структуру и свойства стали).

При ускоренной обработке, включающей нитроцементацию при пониженной температуре (800°С против 920°С при цементации), непосредственную закалку с нитроцементационного нагрева и низкий отпуск, затраты на которую примерно на 30% ниже по сравнению с первым вариантом, сталь, легированная, кроме хрома и никеля, дополнительно марганцем, кремнием и титаном, имеет некоторые преимущества перед просто хромоникелевой сталью.

Такое легирование обеспечивает получение при ускоренной обработке мелкодисперсной структуры и высокой твёрдости поверхностных слоев, а также повышенную устойчивость к отпуску.

Применение стали 20ХГСНТ вместо стали 20ХН для производства деталей, упрочняемых цементацией, позволит удешевить технологию упрочнения, а также даст возможность автоматизировать весь процесс термообработки, используя отечественное термическое оборудование. При этом комплекс дополнительных легирующих элементов, которые имеют очень невысокую стоимость и широко используются в металлургии, практически не приведет к удорожанию стали 20ХГСНТ по сравнению со сталью 20ХН.

В заключительной части главы 3 представлены исследования по влиянию добавок метана и аммиака на кинетику взаимодействия эндотермической атмосферы с образцами из армко-железа.

Изучено влияние добавок метана (СЫ4) и аммиака (МН3) на кинетику взаимодействия эндотермической атмосферы с образцами из армко-железа. Получена зависимость Константы скорости (Кн) насыщения азотом аустенита. Показано, что при достаточно высоком углеродно-азотном потенциале атмосферы науглероживание аустенита происходит интенсивнее, чем азотирование. Определены дополнительные факторы, влияющие на скорость реакции. Это наличие пассивных окисных пленок или слоев на насыщаемой поверхности; торможение реакции Б]' и Сг, дающих плотные оксидные пленки. Показаны пути повышения скоростей реакций при науглероживании и азотировании сталей.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованию дополнительной химико-термической обработке стали (24...25)ХГТ с использованием высокоактивных углеродо-азотистых пастообразных карбюризаторов. На основе анализа известных пастообразных углеродо-азотистых сред и реакций, происходящих при термической

диссоциации, широко выпускаемых углеродо-азотистых веществ, была предложена в качестве карбюризатора углеродно-азотистая паста (% масс) на основе газовой сажи ДГ-100-(60%); железосинеродистого калия (желтая кровяная соль), К4Ре(С1Ч)6-(20%) с добавками 20% карбамида (мочевины). Мочевина - (МН2)2СО применяется в качестве азотного удобрения в сельском хозяйстве (содержащая 40% азота). Компоненты в сухом виде тщательно перемешивали, а затем разбавляли поливинилацетатной эмульсией с добавлением поверхностно-активного вещества - этанола и доводили до консистенции густой пасты. Полученную пасту наносили в виде обмазки (слоем ~ 1,5 мм) на образцы из стали (24...25) ХГТ и высушивали.

Образцы с сухим покрытием упаковывали в герметичный контейнер. При этом образцы в контейнере располагались вплотную друг к другу, без промежутков, как это требуется при использовании древесноугольного карбюризатора, что является существенным преимуществом предлагаемого карбюризатора. За одну загрузку можно обработать значительно больше изделий, чем в традиционном твердом карбюризаторе, кроме того, заметно сокращается время, необходимое для прогрева контейнера.

Далее в главе представлены комплексные металлофизические исследования стали (20...25) ХГТ после стандартной обработки и обработки, включающей нитроцементацию в пасте выше представленного состава. Структура образцов стали после ТО: а) закалка 1050°С, (охлаждение - вода; б) закалка 950°С (неполная закалка), (охлаждение - масло 130°С; в) закалка 850°С (охлаждение - вода), отпуск 600°С представляет собой мартенсит, мартенсит с трооститом и сорбит соответственно.

Результаты микроструктурного анализа также показывают, что при всех температурах нитроцементации азотисто-углеродная паста показывает очень высокую активность как по азоту, так и по углероду. Об этом свидетельствует большое количество карбонитридов, образовавшихся на поверхности диффузионных слоев.

Температура нитроцементации решающим образом влияет как на глубину, так и на фазовый состав карбонитридных слоев, получаемых при нитроцементации стали в предложенном пастообразном карбюризаторе.

При низких температурах этот карбюризатор в большей степени обеспечивает насыщение стали азотом, причем, этот процесс идет с весьма высокой скоростью (0,05...0,10)мм/ч, сравнимой со скоростью насыщения в цианистых ваннах.

При высоких температурах (< 750°С) наблюдается интенсивное насыщение стали углеродом с образованием большого количества карбонитридов (РеСг)3(С>0 цементитного типа.

Поверхность образцов после нитроцементации имеет четко выраженную -характерно тонкую (8...22) мкм нетравлющуюся полосу - «белый» слой рис. 6 (а, б), представляющую собой карбонитридный слой 1-'е2.3(СК), Ре3(СЫ), обладающую хорошим сопротивлением износу и обладающим менее хрупким качеством, чем чистый цементит БезС или нитриды Ре3М Соотношение Ре2-3(СК') - (е - фазы) к карбонитриду Ре3(СЫ) составляет ~8

Ниже в таблице 3 представлены результаты

исследования твердости и усталости образцов из стали, являющейся объектом изучения, в различных состояниях.

Рис. 6. Микроструктуры диффузионных слоев настали (24. ..25) ХГТ, полученные нитроцементацией в, азотисто-углеродной пасте при различных температурах (длительность 2 ч).: а) - 560°С; б) - 660°С.

Из таблицы 3 видно, что замена отпуска (режим 1) на нитроцементацию (режим 2,3) повышает усталостную

прочность в 1,5 раза и выше.

Таблица 3.

Микротвердость и предел выносливости образцов из стали (24...25) ХГТ

Состояние образцов по порядку Микротвердость HV10 кгс/мм2 Предел выносливост и 6.] МПа

Центр образца Край образца

1. Исходное состояние (закалка с 850°С+отпуск при 660°С 1 час) (253...254) (241... 242) (293...294)

2. Закалка с 880°С в масле + нитроцементация при 660°С (3 часа) (252...253) (254...256) (456...457)

3. Закалка с 880°С в масле + нитроцементация при 700°С (2 часа) (252... 254) (255... 257) (454...456)

В заключительной части главы представлены исследования структуры и свойств конструкционных сталей 45; 40Х и 25 ХГТ после борирования и бороалюмосилицирования. Получены сравнительные диаграммы макротвердости борированных слоев вышеуказанных сталей для ряда фаз: FeB; Fe2B; и а фазы.

Установлено, что повышенное содержание легирующих элементов, а также углерода ограничивает рост общей толщины слоя и снижает его зазубренность. Уменьшение общей толщины слоя (глубины проникновения боридных игл) происходит быстрее, чем уменьшение толщины сплошного слоя борцдов, поэтому с ростом содержания углерода в стали компактность слоя растет, а его игольчатость уменьшается.

Результаты исследования показывают, что в результате борирования толщина слоя больше, чем в случае боросилицирования и бороалюмосилицирования, однако иглы боридных фаз острее.

Получая отличающиеся по структуре диффузионные слои с различным соотношением фаз FeB, Fe2B, Fe3Si могут в значительной степени влиять на сопротивление хрупкому разрушению поверхностных слоев деталей, эксплуатирующихся в реальных условиях в парах трения при периодических или постоянных ударных воздействиях.

Сравнительные испытания сталей, в частности стали 25ХГТ, подвергнутой борированию (I), бороалюмосилицированию (II) и нитроцементации (III) показали:

• сталь, упрочненная по технологии I и II, по сравнению с III более износостойка (на 15... 20)%, что связано с более высокими прочностными характеристиками;

• сталь, обработанная по технологии III, по сравнению с I и II имеет на 30% выше усталостную прочность.

Поверхностные нитроцементованные слои стали 25 ХГТ имеют более стабильную дислокационную структуру по сравнению с I и II.

В борированной (I), бороалюмосилицированной (II), нитроцементованной (III) сталях tga, определенный методом амплитудно зависимого внутреннего трения на (18...22...29)% соответственно меньше, что свидетельствует о более сильном закреплении дислокационной структуры в нитроцементованной стали и более высокой её стабильности, по сравнению с СТО, (I) и (II) технологиями.

Таким образом, по данным АЗВТ нитроцементация стали 25 ХГТ предпочтительнее борирования и бороалюмосилицирования и стандартной термической обработки.

Основные результаты и выводы

1. На основании выполненных исследований решены задачи, поставленные в работе по повышению эксплуатационных свойств конструкционных сталей химико -термической обработкой с использованием пастообразных углеродно-азотистых карбюризаторов.

2. Разработаны технологические схемы повышения эксплуатационных и физико-

механических свойств конструкционных сталей, научно обоснованные выбором составов пастообразного карбюризатора; определением оптимальных режимов ХТО.

3. Для повышения износо- и коррозионной стойкости стали 40X13 предложена взамен стандартной термообработки (закалка 1050°С в масле, отпуск (200...280)°С новая технология: нитроцементация в пастообразном углородно - азотистом карбюризаторе плюс закалка 850°С в масле, отпуск (180...200)°С. Исследована структура и фазовый состав диффузионного слоя толщиной (-0,05 мм) с содержанием (80...90)% карбидной фазы (Ре, Сг)3С.

4. Экспериментально установлена оптимальная цементирующая пастообразная среда (карбюризатор) для стали 20X13, состоящая из газовой сажи с добавлением углекислого натрия и мочевины со связующим водным раствором карбометилцеллюлозы (клей -КМЦ). Наносимое заранее на цементуемую поверхность с просушкой. Получено уравнение регрессии (для глубины карбидосодержащего слоя) с графической интерпретацией. Оптимальное содержание клея КМЦ-(4,5...5)%.

5. Экспериментальными исследованиями установлено, что цементация и стандартная ТО сталей 20ХН и 20ХГСНТ обеспечивает для этих сталей высокую поверхностную твердость и оптимальную микроструктуру: микроигольчатый мартенсит плюс небольшое количество дисперсного остаточного аустенита с мелкими карбидами.

Нитроцементация сталей 20ХН и 20ХГСНТ в газовой среде с последующей закалкой^ и отпуском придает сталями высокую твердость НЯС 53-59 соответственно. Проведена оценка структуры сталей: содержание остаточного аустенита (Аост) в стали 20ХН больше, чем в стали 20 ХГСНТ ~в2 раза, причем Аост в стали 20ХН находится в виде достаточно крупных обособленных участков. Исследовано влияние отпуска цементованной и нитроцементованной стали 20 ХТ и 20 ХГСНТ на их твердость. Установлено, что кремний, несколько повышает устойчивость сталей против отпуска, поскольку он способствует сохранению мартенсита (отпущенного) при более высоких температурах (~200°С).

6. Изучено влияние добавок метана (СЫ4) и аммиака (N113) на кинетику взаимодействия эндотермической атмосферы с образцами из армко-железа. Получена зависимость Константы скорости (Кн) насыщения азотом аустенита. Показано, что при достаточно высоком углеродно-азотном потенциале атмосферы науглероживание аустенита происходит интенсивнее, чем азотирование. Определены дополнительные факторы, влияющие на скорость реакции. Это наличие пассивных окисных пленок или слоев на насыщаемой поверхности; торможение реакции и Сг, дающих плотные оксидные пленки. Показаны пути повышения скоростей реакций при науглероживании и азотировании сталей.

7. Достигнуто повышение микротвердости и предела выносливости стали (24...25) ХГТ, дополнительной химико-термической обработки, включающей замену отпуска стандартной обработке после закалки на нитроцементацию в пастообразном карбюризаторе на основе газовой сажи, желтой кровяной соли и мочевины с добавкой этанола. Проведены комплексные металлофизические исследования. Упрочненная поверхность стали имеет четко выраженную - характерно тонкую (8...22) мкм нетравлющуюся полосу - «белый» слой, представляющую карбонитридный слой, обладающий высокой износостойкостью. Замена отпуска на нитроцементацию повышает усталостную прочность стали в 1,5 раза и выше.

8. Приведены сравнительные исследования структуры и физико-механических свойств ряда конструкционных сталей после борирования, бороалюмосилицирования и нитроцементации. Так, сталь 25ХГТ подвергнутая борированию и бороалюмосилицированию на (15...20)% более износостойка, чем нитроцементованная, в то же время нитроцементация повышает усталостную прочность на 30% по сравнению с борированием и бороалюмосилицированием. Методом амплитудно-зависимого внутреннего трения проведена сравнительная оценка эффективности закрепления дислокационной структуры сталей после различных технологий ХТО.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в рецензируемых научных журналах.

1. Сальников, В.Г. Влияние хрома на морфологию карбидных частиц в цементованных сталях и в железохромистых электролитических покрытиях [Текст! ! В-Г. Сальников, В.Н. Гадалов, А.Г. Романенко [и др.] // Известия Самарского НЦ РАН

2010.-Т. 12 (33).-№4(3).-С. 691-693.

2. Гадалов, В.Н. Перспективы применения цианирования для улучшения структуры и свойств конструкционных сталей [Текст] /В.Н. Гадалов, В.Г. Сальников, А. Г. Романенко [и др.] // Ремонт, восстановление, модернизация, 2012. - № 3. - С. 8-10.

3. Гончаров, А.Н. Скоростное цианирование стальных изделий в высокоактивных обмазках с нагревом в соляных ваннах. [Текст] / А.Н. Гончаров, А.Г. Романенко, В.Н. Гадалов [и др.] // Конструкции из композиционных материалов, 2011. - №3. - С. 39-41.

4. Гадалов, В.Н. Перспективы использования коррозионно-стойкой стали 40X13 [Текст] / В.Н. Гадалов, Д.Н. Романенко, А.Г. Романенко [и др.] //Упрочняющие технологии и покрытия, 2012. - №7. - С. 37-40.

5. Сальников, В.Г. Оптимизация состава науглероживающей среды для цементации нержавеющей хромистой стали Х13 [Текст] / В.Г. Сальников, С.В Сафонов, А Г. Романенко [и др.] // Известия ЮЗГУ, 2013. - №3(48). - С. 123-127.

6. Гадалов, В.Н. Дополнительная химико-термическая обработка конструкционных сталей с использованием азотисто-углеродистых карбюризаторов [Текст] / В.Н. Гадалов, C.B. Сафонов, А.Г. Романенко и [и др.] // Вестник ВГТУ, 2014.-№2.-С. 56-61.

Статьи и материалы конференции:

7. Колмыков, В.И. Повышение твердости и износостойкости деталей из улучшаемых сталей нитроцементацией в активных пастах [Текст] / В.И. Колмыков, E.À. Рязанцев, А.Г. Митусова [и др.] // Современные автомобильные материалы и технологии (САМИТ-2009): Сб. статей I -ой межд. НТК (ноябрь 2009 г.) Курск: КГТУ, 2009. - С.138-143

8. Гадалов, В.Н. Анализ абразивной износостойкости металлических материалов с цементитосодержащими структурами [Текст] / В.Н. Гадалов, A.A. Лотырев, А.Г. Романенко [и др.] // Материалы и упрочняющие технологии, 2010. - 4.1. - С. 102-113.

9. Колмыков, В.И. Влияние дополнительного легирования хромоникелевых сталей комплексом элементов Mn+Si+Ti на формирование микроструктуры и свойств цементованных слоев [Текст] / В.И. Колмыков, С.П. Агарков, А.Г. Романенко [и др.] // Материалы и упрочняющие технологии, 2010. - 4.2. - С.158-164.

10. Сальников, В.Г. Структурно-фазовые изменения в материалах деталей машин для животноводства под действием силовых нагрузок и химически активных сред [Текст] / В.Г. Сальников, В.И. Колмыков, А.Г. Романенко [и др.] // Материалы и упрочняющие технологии, 2010. - 4.1. - С.211-220.

11. Гадалов, В.Н. Нанесение износостойкого слоя плазменным напылением [Текст] / В.Н. Гадалов, Д.Н. Романенко, А.Г. Романенко [и др.] // Проектирование механизмов и машин: Труды V Всероссийской научн.- практич. конф. Воронеж: ВГТУ,

2011.-С. 65-83.

12. Коротов, E.H. Влияние добавок метана и аммиака на кинетику взаимодействия эндотермической атмосферы со сталями [Текст] / E.H. Коротов, А.Н. Бабков, А.Г. Романенко [и др.] // Материалы и упрочняющие технологии - 2011: Сб. Матер. XVIII Росс. НТК с межд. участием. Курск: ЮЗГУ, 2011. - С. 120-123.

13. Гадалов, В.Н. Изучение структуры и свойств конструкционной стали 30ХГТ после цианирования в пастообразном карбюризаторе [Текст] / В.Н. Гадалов, Д.В. Колмыков, А.Г. Романенко [и др.] // Материалы и упрочняющие технологии - 2012: Сб. Матер. XIX Росс. НТК с межд. участием. Курск: ЮЗГУ, 2012. - С. 118-123.

14. Гадалов, В.Н. Применение гальванических покрытий в промышленности

[Текст] / В.Н. Гадалов, А.Г. Романенко, A.B. Гольев // Материалы и упрочняющие технологии - 2014: Сб. Матер. XX Росс. НТК с межд. участием. Курск: ЮЗГУ, 2014. -С. 211-216.

15. Романенко, А.Г. Структура и свойства конструкционных сталей после двухкомпонентного диффузионного упрочнения на основе бора [Текст] / А.Г. Романенко // Материалы и упрочняющие технологии - 2014: Сб. Матер. XX Росс. НТК с межд. участием. Курск: ЮЗГУ, 2014. - С. 217-220.

16. Гадалов, В.Н. Исследование свойств цементованных малолегированных сталей с карбидосодержащими диффузионными слоями [Текст] / В.Н. Гадалов, А.Г. Романенко, O.A. Тураева // Современные инновации в науке и технике: Сб. матер. 4-ой межд. научно-практической конференции. Курск: ЮЗГУ, 2014. - С. 56-64.

Подписано в печать 25.04.2014. Формат 60x84 1/20. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 130 экз. Заказ № 80. Юго-западный государственный университет. 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94. Отпечатано в ЮЗГУ.

ЮГО- ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201459980 Романенко Анна Геннадьевна

Повышение эксплуатационных свойств конструкционных сталей химико-

термической обработкой с использованием пастообразных карбюризаторов

>

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Сальников В.Г.

Курск - 2014

Введение.............................................................................................4

Глава 1. Химико-термическая обработка сталей.........................................10

1.1. Общие сведения..........................................................................10

1.2. Цементация сталей........................................................................17

1.3. Азотирование сталей.......................................................................26

1.4. Нитроцементация сталей. Цианирование..............................................31

1.5. Поверхностное диффузионное легирование сталей и сплавов.....................37

1.6. Оценка влияния структуры и фазового состава сталей до и после ХТО на их

изнашиваемость..................................................................................39

Глава 2. Материалы, технологии, установки и методы исследования.................49

2.1. Сведения о материалах, служащих объектами изучения в диссертационной работе...................................................................................................49

2.2. Оборудование и технологии.............................................................49

2.3. Определение химического состава исследуемых сплавов и покрытий проводились на оптико-эмиссионном спектрометре «Роип<1гуМа1е» серийный

№3746А производства фирмы «ВА1БШ» (США) и др. приборами....................52

2.3.1. Спектрометр «Боипс1гуМа1е»..........................................................52

2.4. Методы исследования и оборудование................................................53

2.5. Рентгеноструктурный и микрорентгеноспектральный анализы..................54

2.6. Оптическая, электронная и растровая микроскопия................................54

2.7. Измерение геометрических параметров поверхности...............................56

2.8. Другие методы исследования............................................................56

2.9. Метод внутреннего трения...............................................................56

2.10. Математическое планирование эксперимента и обработка

экспериментальных данных...................................................................57

Глава 3. Результаты исследований по повышению эффективности ХТО

конструкционных материалов (сплавов на основе железа).............................60

3.1. Исследования по улучшению эксплуатационных свойств стали 40X13 нитроцементацией карбюризатором на основе сажи (аморфного углерода с азотосодержащими добавками)...............................................................60

3.2. Исследование цементации и оптимизация состава науглероживающей среды стали Х13..........................................................................................66

3.3. Исследование дополнительного легирования хромоникелевых сталей комплексом элементов МгН^+И на формирование микроструктуры и свойств цементованных слоев...........................................................................72

3.4. Изучение влияния добавок метана и аммиака на кинетику взаимодействия

эндотермической атмосферы с образцами из армко-железа...........................77

Глава 4. Цианирование в условиях выживания. Модернизация ХТО обработки..82

4.1. Дополнительная химико-термическая обработка стали (24...25)ХГТ с использованием углеродо-азотистых карбюризаторов..................................82

4.2. Структура и свойства конструкционных сталей после двухкомпонентного

диффузионного упрочнения на основе бора.................................................90

Выводы.............................................................................................96

Библиографический список.....................................................................99

Приложения (копии актов внедрения)......................................................127

Введение.

Развитие современного машиностроения требует обеспечения повышенного срока службы узлов трения и инструмента на уровне новых рабочих параметров машин, аппаратов, приборов и режущих инструментов, работающих в более широком диапазоне температур, в особых условиях окружающей среды, с более высокими скоростями и давлениями и при постоянно действующих требованиях снижения трудоемкости изделий.

Эффективным средством повышения эксплуатационных свойств конструкционных сталей является нанесение диффузионных покрытий на рабочие части деталей машин и инструмента усовершенствованными технологиями химико-термической обработки (ХТО). Однако различие в структуре, фазовом составе и физико-механических свойствах между материалом диффузионного покрытия и сталью приводят к преждевременному удалению покрытия за счет абразивного изнашивания, что приводит к снижению работоспособности рабочих поверхностей упрочненного материала.

Разработка новых и усовершенствование уже существующих процессов, обеспечивающих получение на поверхностях трения покрытий с прогнозируемыми свойствами, позволит существенно увеличить применение таких методов создания многофункциональных (износо- и коррозионно-стойких, антифрикционных и др.) покрытий, как электрофизические и химико-термические (газофазные и твердофазные с замкнутым рабочим циклом без выброса вредных газов в атмосферу). Возможно значительное повышение эксплуатационных свойств деталей, инструментов и узлов трения машин и механизмов в различных отраслях машиностроения за счет применения новых материалов, многофункциональных покрытий и технологий, а также комбинированных методов обработки сопряженных поверхностей.

В этой связи представляется важным повышение работоспособности

деталей, узлов и инструмента, новыми и усовершенствованными технологиями

ХТО, в частности, нитроцементации, цианирования и др. Объем применения

диффузионных покрытий в машиностроении пока остается все еще ограниченным.

Однако расширение сферы выше указанных покрытий ограничивается из-за

4

недостаточной изученности процессов их формирования, а также их влияния на свойства материала основы (детали или их инструмента). Это затрудняет разработку технологий получения покрытий, обеспечивающих повышение работоспособности деталей и инструмента. На стадии проектирования не удается прогнозировать износ, усталость во всех проявлениях, сопровождающих эксплуатацию изделий с покрытиями.

Влияние окружающей среды, а также недостаточная изученность сложных закономерностей изменения прочностных и деформационных свойств многофункциональных покрытий и всей системы «основа-покрытие» (СОП) в процессе их работы, нестабильность технологических параметров нанесения осложняют получение достоверных результатов. Это также обусловлено малым количеством теоретических и экспериментальных работ, изучающих закономерности формирования структуры покрытий и их связь с основными эксплуатационными свойствами конструкционных материалов, а именно с прочностными и ' усталостными характеристиками. Специфичность (СОП) обусловлена тем, что начальные условия формирования покрытия, физико-химические процессы, протекающие на поверхности основы в период формирования покрытия, существенно влияют на поведение конструкционных материалов (сталей) при эксплуатации.

Поэтому озвученная в названии тема диссертационной работы на наш взгляд актуальна. Актуальность темы диссертационного исследования подтверждается выполнением его части в рамках межвузовских, региональных и федеральных научно-технических программ и мероприятий по направлениям: координационным планом НИР «Реализация региональных научно-технических программ центрально-черноземного региона 2005-2015 годов»; «Повышение эксплуатационных характеристик и экологической безопасности изделий из инструментальных и конструкционных сталей электроискровой и химико-термической обработками» (Номер контракта № П653 от 19.05.2010 г.) в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».

Цель настоящей работы заключается в повышении механических и

эксплуатационных свойств конструкционных сталей (20X13, 40X13, 20ХН,

20ХГСНТ, (24...25)ХГТ) за счет формирования рационального структурного и

фазового состава материалов при диффузионном поверхностном упрочнении с

использованием пастообразных карбюризаторов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

^ проанализировать, систематизировать и обобщить литературные

данные по применению ХТО, в частности цементации, нитроцементации,

цианирования и др., применяющихся в современном машиностроении для

повышения работоспособности деталей, узлов и инструментов;

^ исследовать влияние предлагаемого пастообразного карбюризатора

(состава, температуры и др.) на структуру и фазовый состав диффузионных слоев;

^ изучить процесс формирования диффузионных слоев на сталях при их

насыщении в азотисто-углеродистой среде в разных температурных условиях и

проанализировать особенности диффузионных процессов;

^ выявить закономерности влияния структуры, фазового состава

диффузионных слоев изучаемых материалов на их эксплуатационные свойства;

провести сравнительные испытания исследуемых материалов,

упрочненных ХТО и другими методами поверхностного упрочнения;

^ разработка практических рекомендаций по применению в

промышленности и учебном процессе.

Объекты исследования: упрочненные поверхностные слои

конструкционных сталей термической и химико-термической обработками с

применением углеродно-азотистых пастообразных карбюризаторов.

Методы исследования. В работе использованы следующие методы

исследования структуры и свойств изучаемых материалов: оптической и

электронной металлографии, рентгеноструктурного анализа для оценки

структурного — фазового состава упрочненного поверхностного слоя; стандартные

методы измерения твердости и микротвердости и определения механических

свойств подвергнутых ХТО. Испытания на изнашивание и усталостную прочность

проводились в соответствии с действующими ГОСТами. Для достижения

6

поставленных задач в работе использовались методы математического планирования эксперимента и статистической обработки экспериментальных данных.

Научная новизна результатов работы и основные положения выносимые на защиту.

1. Для повышения эксплуатационных свойств стали 40X13 разработана новая технология нитроцементации на основе сажи (аморфного углерода) с азотосодержащими добавками (сажа - 60; желтая кровяная соль К4Ре(С1Ч)6-20; карбамид (ЫНУг СО - мочевина - 10; углекислый натрий - Ыа2С03 - сода - 10 (%

масс). В результате обработки на поверхности стали 40X13 образовался

(

диффузионный слой толщиной ~ 0,05 мм с содержанием (80...90)% карбидной фазы. Тем самым были повышены твердость и коррозионная стойкость стали 40X13. Износостойкость нитроцементируемой стали в (4...5) раз превышает износостойкость стали Х12М, наиболее часто используемой в настоящее время для изготовления мясоизмельчительных ножей.

2. Экспериментально оптимизирован состав пастообразного карбюризатора для цементации хромистых нержавеющих сталей (20...30)Х13. По результатам эксперимента сделан вывод, что на толщину слоя карбюризатора основное влияние оказывает содержание в нем клея КМЦ. Оптимальным содержанием КМЦ считается (4,5...5)%.

3. Впервые исследованы цементованные слои хромоникелевых сталей, дополнительно легированные (0,9... 1,1) % Мп, (0,9...0,1) % 81, (0,3...0,9) % Ть Установлены закономерности формирования их структуры, определяющие их высокие механические свойства (твердость, предел прочности) и износостойкость. Установлено, что дополнительное легирование хромоникелевой стали комплексом элементов, в состав которого входит кремний, повышает устойчивость стали против отпуска, поскольку он способствует сохранению мартенсита (отпущенного) при более высоких температурах (~200°С).

4. Впервые изучено влияние добавок метана и аммиака на кинетику взаимодействия эндотермической атмосферы с образцами из армко-железа.

Получена зависимость константы скорости (Кн) насыщения азотом аустенита.

7

Показано, что при достаточно высоком углеродно-азотном потенциале атмосферы науглероживание аустенита происходит интенсивнее, чем азотирование.

5. Разработан новый технологический процесс ХТО стали (24...25)ХГТ с использованием пастообразных углеродо-азотистых карбюризаторов. Проведено комплексное исследование образцов из этой стали как в исходном состоянии (закалка с 840°С в масле с последующим отпуске при 660°С (1...3) час), так и после нитроцементации. Установлено, что поверхность образцов после нитроцементации имеет четко выраженную - характерно тонкую (8...22) мкм нетравлющуюся полосу - «белый» слой, представляющую собой карбонитридный слой Ре2-з(СЫ), Ре3(С1чГ). Твердые карбонитриды, образующиеся на поверхности обрабатываемых в этой пасте изделий, способствуют повышению их износостойкости. Карбонитридная корка на поверхности исследуемой стали, образовавшаяся после нитроцементации обладает значительно повышенной выносливоемостью в (1,4... 1,5) раза. Карбонитридная кромка на поверхности стали (24...25) ХГТ значительно повышает усталостную прочность материала и работоспособность деталей и узлов

6. Исследованы структура и свойства конструкционных сталей после двухкомпонентного диффузионного упрочнения на основе бора. Проведены сравнительные испытания сталей, в частности стали 2 5 ХГТ, подвергнутой борированию, бороалюмосилицированию и нитроцементации. Установлено, что сталь 25ХГТ подвергнутая борированию и бороалюмосилицированию на (15...20)% более износостойка, чем нитроцементованная, в то же время нитроцементация повышает усталостную прочность на 30% по сравнению с борированием и бороалюмосилицированием.

Достоверность полученных результатов и выводов по работе подтверждаются применением современных металлофизических методов исследования, проверенных приборов и оборудования, стандартных методик исследования структуры, фазового состава и свойств материалов, сопоставлением своих результатов с результатами других исследователей. Полученные результаты не противоречат современным научным представлениям в области ХТО металлов и сплавов.

Практическая значимость работы состоит в следующем: на основе результатов экспериментальных исследований разработаны технологические рекомендации поверхностного упрочнения ряда конструкционных сталей ХТО с применением углеродно-азотистых пастообразных карбюризаторов, обеспечивающих повышение их эксплуатационных свойств. Результаты и выводы по работе подтверждаются полупромышленными испытаниями на предприятии ЗАО «Курский электроаппаратный завод». Научные результаты работы используются в учебном процессе кафедры «Материаловедения и сварочного производства» ЮЗГУ. Акты внедрения представлены в приложениях диссертации.

Личный вклад автора состоит в определении научного направления исследований, постановке задач, выполнения основного объема исследований, интерпретации и обобщения полученных результатов, формулирования научных положений и выводов, внедрения практических результатов в производство и учебную работу ВУЗа.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены: на XVII Российской НТК с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии - 2010»; V Всероссийской НПК «Проектирование механизмов и машин»; XVIII, XIX и XX Юбилейной Российской НТК с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии - 2011, 2012 и 2014 г.г.»; на заседании кафедры «Материаловедение и сварочное производство» март 2014 г.

Публикации по материалам диссертации. Опубликовано в 16 печатных работах, из них шесть в рецензируемых научных изданиях и журналах.

Глава 1. Химико-термическая обработка сталей.

1.1. Общие сведения.

Химико-термической обработкой (ХТО) называют процесс, сочетающий поверхностное насыщение стали тем или иным элементом при высокой температуре и термическое воздействие, в результате которых происходит изменение химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.

Химико-термическая обработка включает в себя цементацию, азотирование, цианирование, алитирование, силицирование и т.д.

Насыщение поверхностного слоя происходит при нагреве детали до определенной температуры в среде, легко выделяющей насыщающий элемент в активном состоянии, и выдержке при этой температуре. Среды, выделяющие насыщающий элемент, могут быть газообразными, жидкими и твердыми.

В отличие от поверхностной закалки при химико-термической обработке разница в свойствах достигается не только изменением структуры металла, но и его химического состава. ХТО не зависит от формы деталей. Она обеспечивает получение упрочненного слоя одинаковой толщины по всей поверхности. ХТО дает более существенное различие в свойствах поверхности и сердцевины деталей. ХТО изменяет химический состав и структуру поверхностного слоя, а поверхностная закалка - только структуру.