автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка и исследование технологии газовой низкотемпературной нитроцементации с закалкой диффузионного слоя



МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

11а правах рукописи

С0Л01УБ0ВА НАТАЛЬЯ ШШЮВЯА

УДК 621.785.533.062.2(043.3)

РАЗРАБОТКА. И ИССЛЕДОВАШЕ ТЕХНОЛОГИИ ГАЗОВОЙ НИЗКОтаПЕРАТУРНОЙ Ш1ТР01ЩЕНТАЩИ С ЗАКАЖ0И ДИФФУЗИОННОГО слоя

Специальность 05.02,01 - Материаловедение в машиностроении (промышленность, транспорт)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени ч кандидата технических наук

МОСКВА - 1989

Работа выполнена в НПО "Волгоградский научно-исследовательский институт технологии машиностроения"

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники

РСФСР, доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР Ю.М. Яахтин ■

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

H.A. Минкавич,

кандидат технических наук , доцент H.A. Мралетян

Ведущее предприятие - ПО "Ростсельмаш"

(г. Ростов-на-Дону)

Защита диссертации состоится на заседании специализированного совета Д G53.o0.03 в Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожном институте по адресу: 125829, ГСП-47, Москва, Ленинградский проспект, дом 64, Московский автомобииъно-цорожннй институт, оуд. //

С диссертацией кожно ознакомиться в библиотеке Московского автомобкльно-дороаного института.

Автореферат разослан / ¿rt'A /19Э0г.

Телефон для справок: 155-01-59, 155-03-28.

Учёный секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

доцент U.A. Потапов

- ; I. ОЩАЯ ХАРАКТЕРНОЪПСА РАБОТЫ

/. , Актуальность проблемы. Тема диссертации посвящена вопросу разработки и исследования технологии химико-термической обработки, направленной на повышение долговечности деталей машин, работаюадах в условиях интенсивного изнашивания. Учитывая, что большинство деталей машин выходят из строя по причина повышенного износа, постановка настоящей работы своевременна.

. Существующие способы упрочнения не всегда обеспечивают необходимый комплекс эксплуатационных свойств, особенно ция деталей, работающих в условиях трения скольяения при отсутствии смазки, а такхе при граничных процессах в узле трения. В этом аспекте» согласно.отдельным исследованиям по грибологкческим свойствам нитроцементованных слоев, перспективным методом хкмико- термического упрочнения деталей шлптн является низкотемпературная нитроцементация при тешературах порядка 700°С с закалкой диффузионного слоя. Однако этот метод недостаточно полно изучен по сравнению с традиционными процессами низкотемпературной нитроце-мэнтации, осуществляемыми при тешературах ниже эвтектоадной хешературы системы £ё -Ы (591°С).

Промышленное применение процесса низкотемпературной нитро-цешнтации при тешературах порядка 700°С с закалкой диффузионного слоя тормозится отсутствием научно обоснованной технологии с использованием газовых насыщающих атмосфер. Так, отсутствуют систематизированные данные по термодинамике и кинетике насыщения в газовых атмосферах, по морфологии диффузионного слоя и его влиянию на физико-глэханяческие свойства упрочнённых деталей.

Комплекс поставленных в ,диссертации вопросов направлен на дальнейшее "решение проблемы повышения долговечности быстроизнашивающихся изделий, что отвечает намеченным ПУП съездом КПСС задачам дачьнейшего развития машиностроения, повышения быстроходности, коэффициента полезного действия и моторесурса

мэшшн.

Цель а з'а дачи исследования

Цель работы. Разработка и исследование технологии газовой низкотемпературной нитроцементации с закалкой диффузионного слоя, обеспечивающей повышение долговечности дзталаи машин, эксплуатирующиеся в жёстких условиях трения.

Исходя из цели настоящей работы и современного состояния

технологии низкотемпературной нитроцементавди, основными ,зада-> чами исследования являются:

- исследование насыщающей способности нитроцементующих атмосфер при различном содераашш исходных газов;

- термодинамический анализ газовых атмосфер;

- изучение кинетических закономерностей роста штроцешнто-ванных слоев на конструкционных сталях в газовых атмосферах при различных технологических факторах;

- исследование влияния фазового состава диффузионных слоёв на физико-механические и эксплуатационные свойства нитроцеыенто-ваиных изделий.

Научная новизна работы. Устаноатавы рациональные составы штроцементущих атмосфер, оостощзх из аиг-яака о добавкаш углероцосодораащлх газов (эндогаза, природного гага), а также атмосфер на основе техкичэского азота с добавка',ai ауиз«-ака, природного газа, кислорода и двуокиси углерода.

Определены основное химические реакции в газовой фаза и их направление, а такие азотный и-углерэдннй потенциалы ашю$о; в зовксгоюетя от количественного соотыоаокия неовдащзх гасов.

Выявлены кинетическьз законог:эраостл роста деф^злошш: сло-ов и составляшщх их зон на сталях в различных штроцемзнжуЕцаж атмосферах.

Установлено влияние фазового состава диффузионных слоса на коррозионную стойкость, износостойкость в различных условиях трения, усталостную прочность.

Практическая з н а ч л и о с т ь. Разработала технология газовой нптроцеьзятацш! люи 700°С с вакалкой д;;хфуз.ц-онпого слоя, которая i,:ozes быть использована для повашнш долговечности деталей шш, райотавдих в условиях трешя скодъ^з-ш при наличии и отсутствии смазки, а такг-се при гранзгашх дро-цоссах в узле трения. .

Определён уровень усталосгннх нагрузок, при которых шгут работать улрочнёюшз девши иредлояока кэгодака оцрзделелдя критической толщина китроцсмзнговашюго слоя, обеошчлгащеи иовшкзние контактной усталостной прочности шшшоду'дшя шестерён.

Технология рзкоглэздуется также для обработки изделий, зксл-¿гуапгрующисся в коррозионной среде.

Практическим вкладом в технологи» ухшхо-тершноской обработки является разработка экологически более чистых ахьос£ер ка осло-ic! гохинчиского азота прклзните.что к икарсщбашгацла нрп .

Реализация работы в дромышленно-о "т и. Разработанная технология внедрена на ПО "Завод Краснодар-сельмаш" для упрочнения инструментов из сталей 40Х, 45 - шиберов, фиксаторов. Внедрение новой технологии; позволило повысить стойкость инструментов в 2-3 раза и получать годовой экономический аффект в производстве 2500 руб.

Проведено промышленное опробование разработанной технологии на промежуточных шестернях и пальцах промежуточных шестерён механизма газораспределения двигателей Д144/Д21А на ПО "Владимирский тракторный завод", а также .для упрочнения втулки копнителя комбайна "Дон" на ПО "Ростсельмаи1'. Технология обеспечивает по-вщение износостойкости деталей и принята к внедрению. Ожидаемый экономический эффект от внедрения технологии на ПО "Владимирский тракторный завод" составляет 236,2 тнс.руб; на ПО "Ростсельмаш" - 30 тыс.руб. за счёт повышения долговечности детали.

Апробация работы. Основные результаты .диссертации доложены на следующих конференциях и семинарах:

I.Научно-техническом семинаре "Новые материалы и прогрессивные технологические процессы .для упрочнения деталей промышленных тракторов и сельскохозяйственных машш". - Чебоксары. Июль. 1386с.

2.45-й научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ.-Москва. Январь-февраль. 1987г.

3.Научно-методическом семинаре "Повышение долговечности деталей машин прогрессивными методами обработки".-Волгоград. Сентябрь. 1987г.

4.Всесоюзной научно-технической конференции "Новые материалы, ресурсосберегающие технологии термической и химико-терыичес-кой обработки - основа повышения надёжности и долговечности деталей машш и инструмента".-Телави. Октябрь. 1987г.

5.Всесоюзном научно-техническом семинаре "Технология и оборудование .для новых прогрессивных методов химико-термической обработки деталей тракторов и сельскохозяйственных машин" .-Волгоград. Март. 1988г.

6.Региональной научно-технической конференции "Снижение материалоёмкости и повышение долговечности деталей машин за счёт применения прогрессивных'мегодов терш-.химако-термической и механической обработки".-Волгоград. Ишь. 1989г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, cetra глав, выводов, списка литературы и приложения. Материал дис-

оертациа изложен на 116 I* границах машинописного текста, содержит 64 рисунка, 21 таблицу. Список литературы вклэчает 124 источника.

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Исследования проводились применительно к техническому железу и конструкционным сталям 20, '45, 401, прошедшим нормализацию.

Процесс насыщения проводили в шахтной печи СШАЗ,2.4,8/7, а также в муфельной лечи, изготовленной на базе печи типа СН0.Ч. Использовались исходные газовые смеси: аммиак а зндоГаз, аммиак и природный газ, азот с добавками ашиака, природного rasa и кислорода, ли<3о ашиака и двуокиси углерода. Исследовались различные соотношения исходных газов с целью выявления рациональной насыщающей атмосферы, обеспечивающей получение качественных диффузионных слоев. Температура процесса составляла 700°С, длительность насы-щения-1 ... tí ч, закалка после стадии насыщения проводилась в масле КС-20. Для сравнения результатов экспериментов низкотемпературная нитроцементация проводилась при 600°С, а закалка - в горячем теле МШ-120 (П0°С), полимерной жидкости УБСН-I. С целью оиределения влияния скорости охлаздения на деформацию образцов охлавдешш после стадии насыщения осуществлялось на воздухе ила в потоке ашшака до 300°С, а затем на воздухе. Дополнительно к нитроцементации и непосредственной закалке проводились технологические операции: отпуск, обработка холодом, закалка ТВЧ.

Состав печной атмосферы по компонентам исследовался методом газовой хроматографии на хроматографе "Газохрсм-3101". Остаточный аммиак определялся химическим методом - титрованием. Для определения азотного и углеродного потенциалов газовых атмосфер использовался метод "фольговых проб", применялась фольги из стали О&ш толщиной 15 та.

Для исследования фазового состава и структуры китроцементо-ванных слоев привлекались металлографический, рентгеноструктурный, электронно-микроскопический анализы. Фазовый состав по толщине диффузионного слоя определялся съемкой поверхности образцов на рентгеновском аппарате ДРОН-3 в Со - излучении после снятия слоев методом шлифования. Одновременно проводилась съемка со шлифа в камере РВД на рентгеновском аппарате УРС-55 в хромовом излучении. 0 количественном фазовом составе судили по интенсивности характерных для каждой фазы рефлексов на дифрактограммах.

Строение диффузионных слоев изучали на микроскопе "NeoptlOt-2.

а также с помощью электронно-микрсскопичоокого анализа микрошш-Фов и их изломов на растровом электронной микроскопе "£>Ьегеовкапе -150" при увеличениях 1000 ... 7500.

Определение содержания азота и кислорода по толщине диффузионного слоя осуществлялось методом рентгеновского электронно-зоидового анализа на приборе "Спектрозонд". Содержание углерода определялось послойным шкроспектральным анализом поверхности образца на установке МСЛ-1. Исследование изменения в содержании кислорода и водорода в образцах посла химико-термической обработка определялось методом восстановительного плавления в токе аргона: содерзание кислорода-па экспресс-анализатора АК-7516, водорода - на экспресс-анализаторе Ш-1.

Деформация исследовалась на образцах "френча", роликах, образцах форш параллелепипеда, опытных деталях.

Определение коррозионной стойкости нитроцементованных образцов осуществлялось в 3%-иои растворе А/аСб на прибора -коррозиметре Р 5035.

Величина макронапряжений по толщине упрочненного слоя определялась рентгеновским способом при послойном стравливании слоев.

Микропластичность карбонитрвдных слоев исследовалась на приборе У]Ш-1 с помощью диаграмм нагружения.

Испытание усталостной прочности образцов проводилось на машине ИУИ-6000 при чистом изгибе вращающегося образца. Частота нагружения составляла 100 Гц, база испытаний - 10 млн. циклов.

Испытания на износостойкость осуществлялись на непитательной машине СЩ-2 по схеме "ролик - плоский образец" со смазкой, а также на машине СМТ-1 по схеме "ролик-колодка" без смазки.

При этом контртело было подготовлено из закаленной стали ШХ15 о твердостью ЩСЭ 61 ... 63. Плоский образец и колодка являлись испытуемыми нитроцементованными образцами и изготавливались из сталй 45, Испытания; по схеме "ролик- плоский образец" проводили при средних удельных давлениях от 10 до 30 Ша и скорости скольявния 1,2 и/о. Испытания по схеме "ролик-колодка" была проведены при постоянном удельном давлении I Ща и скорости скольиения 1,57 и/а, *

_ Изучение предела выносливости при контактном нагруаении проводилось с помощьа. роликовой аналогии в условиях трения качения о десятипроцентным принудительным проскальзыванием на испытательно!' машине конструкции ШКТВД. Осуществлялось ступенчатое повышение нагрузки от 300 до 1020 Ша. Количество циклов нагруяюния на кад-

£

дои ступени составляло10 . Испытания проводились до появлвг-ния прогрессирующего питтинга на одном из. роликов.

3. ТЕРМОдаИАМИЧЕОККЙ АНАЛИЗ ШТР01ШШТЛШЩ АТМОСФЕР

Термодинамический анализ позволил оценить возможность протекания в печной атмосфере химических реакций, обеспечивающих образование нитроцементованных слоев на сталях. Учитывалось, что термодинамическим условием протекания реакций в -заданном направлении является отрицательное значение изменения изобарно-изотермического потенциала (кО'р):

„ б-р = - итепк°р + йт&1!ррг\с'

где и, - газовал постоянная, Т - температура, Лр- константа равновесия яри стандартных условиях, Р[ - парциальное давление газообразных веществ реакции, ^ - сгехиометрическии коэффициент, (¡¡Р^ - неравновесная константа ( Кн.р).

При проведении исследований состава печных атмосфер такне учитывалось, что, изменяя соотношение исходных газов, можно влиять на вероятность протекания и направление реакций в насыщающей атмосфера. Расчётным путём были определены основные реакции в газовой фазе, способствующие насыщению стали азотом и углеродом. Поставщиком азота во всех атмосферах является аммиак. Анализ показал, что по мере разбавления аммиака углеродосодер-жащим газом термодинамическая вероятность реакции .диссоциации аммиака, обеспечивающей насыщение стали азотом,уменьшается.

В атмосфере, содержащей аммиак и эндогаз, науглероживание возможно по реакциям: 2С0 = О + СО2; С0£ + Ш2, - ^ + 2^0. Причём при увеличении подачи эн.догаза термодинамическая вероятность протекания реакций увеличивается.

Анализ показал, что в атмосфере аммиака ц природного газа реакция .диссоциации метана с выделением свободного углерода СН4 = С + 2Н2 маловероятна. Науглероживание термодинамически возможно при совместном и последовательном протекании реакций: 2СН4 + 02 = 2С0 + 4Н2; СН4 4 С02 = 2С0 + 2Н2; С02 + Н2 = СО + Н20; СО +■ Н2 = С + Н20;, СН4 + 202 - С02 + 21^0; СН4 + 2Н?0 = С02 + 4Н2; С02 н- 2Н2 = С + щр.

Шага, содержащаяся в атмосфере, взаимодействует с метаном по реакции СН4+ 2Н20 = С02 + <Ш2, о.дкако при добавлении к аммиаку 90% природного газа реакция термодинамически маловероятна.

Поэтому, в этой атмосфере возможно окисление стали влагой.

При исследовании атмосфер на основе технического азота бшш получено, что по море разбавления атмосферы, соде^шщоп ам.шак п природный газ, азотом,реакции, ведущие к насыщению стили азотом и углеродом, затормаживаются.

Добавление 0,4 ... 1,0 % кислорода удушает условия для азотирования в атмосферах, содержащих азот, ашнак и природный газ. Однако при содерзаши кислорода г» 3% реакция диссоциации шлдна-ка термодинамически невозможна.

Установлено, что в атмосфере диссоциированного здшздш юзиок-но' науглероживание двуокись» углерода посредством иротеишшя роак-цш! СОо + 2Ед « С + 211,0, а такие при совместном и последовательно,-) протекании реакций С02 + Н2 = СО + Н^О; СО + Н2 = С + Н^О.

Учитывая, что водород как продукт диссоциации ашнака - вал-шй реагент реакций, для поддержания реакции науглероживания, двуокнсю углерода в азотоаммиачной атмосфере содержание ашиака в экспериментах поддерживалось в пределах 50 %.

4. ИССВДОВАШЩ СТРУКТУРЫ, КИНЕТИКИ ОБРАЗОВАНИЯ, ФАЗОВОГО И Ж.П'НЕСКОГО СОСТАВА ДШ1>УБЦ0НШХ СЛОЕВ

Исследование структуры диффузионных слоев показало, что при потенциалах изученных газовых атмосфер: азотного 4,0 ... 4,7^, углеродного 0,5 ... 0/6% на поверхности сталей формируется гомогенная карбонитридная зона, состоящая из £-фази Гв3(МС)с ротвердостью НУ 400 во внешней пористой части а Н\/ 550 ... С1>0 - в плотной. При относительно высоком углеродном потенциале газовой атмосферы 1,2 ... 2,5 %, что соответствует, например, содержанию эндогаза в смеси с аммиаком 70 ... 90 %, ■ в структуре кар-бонптридной зоны присутствует цементит. После обработка в атмосферах с кислородосодериащими компонентами к внешней части карбо-Нйтридов прилегает зона оксидов. Под карбонитридноп зоной образуется зона азотистого аустенита, которая в результате непосредственной закалкв после стадии насыщения приобретает аустенитно-мартекситное строение'. Подслои, прилегающий к карбонитриду, состоит из стабилизированного аустенита с микротвердостью НУ 400 ...•500, который в. более глубоких слоях сменяется мартенситом с шкротвердостьи НУ 750 ... 850. Примените после ятроцейентащш отпуска при 250 ... 300°С 2 ч или обработки холодом в аидком азоте (-183°С) 15...30 глин способствует превращению стабилизиро-

шшного аустенита в мартйнспт и получению равномерной твердости* в подслое HV 850 ... 950. При азотных потенциалах исследованных газовых атмосфер 1,0 ... 2,8$ непосредственно с поверхности формируется аустениткая зона, под которой располагается зона внутреннего азотирования.

Исследована кинетика образования даффузиошшх слоев в различных штгроцеыецтующих атмосферах. Наибольшей толщшш 40 ... 60 нш (после трехчасовой выдержи) исарбонитрвдная зона достигает при соотношении 50 % аммиака и 50^ углеродосодерхшцего газа, (зн~ догаза, природного газа). Этим атмосферам соответствуют азотный потенциал 4,1 ... 4,3>, углероднии - 0,6 ... 0,8 %. Образование цементита в структуре карбонитрвдной зоны при добавлении более эндэгаза вызывает торможение её роста. После обработки в'апюе-фере, содержащей SO% и более эпдогаза, па поверхности сталей образуется сплоипая цементитная корка. Несколько иная картина' наблюдается в атмосфере ашнака и природного газа. При добавлении к аммиаку бол о о 7$ природного газа царбокитрндная зона но образуется из-за уыеашення азотного лотегщпала атмосферы до При этом обязуется аустештно-мартенситная зона повышенной тоадиан-00 ... 80 ппл. Одновременно проявляются окислительные свойства с'и'моеферы, что выявлено также при термодинамическом анализе, на поверхности формируется зона оксидов толщиной до 20 мкМ. Сб1цая ■толщина диффузионного слоя, составляющая 0,30 ... 0,55' ш, монотонно уменьшается по Nieps добавления к тшаку углеродосодерза-щих газов.

Исследование шеша образования: диффузионшсс слоев в атмосферах на основе технического азота показало,, что увслигашатаце-еся содержание азота от 10 до 9<$ вызывает умеренное уменьшение азотного и углеродного потенциалов и соответствуйте монотонное уменьшение толщины карбоиитриднои зоны от 30 ... 40 до 5 ... 10 икм. По мере уменьшения толщшш кгрй&щлрздной зоны толщина аустешлно-шртенситного подслоя и зоны внутреннего азотирования увеличивается, достигая максимума при содержании азота-70$.

Установлено, что при добавлении в атмосферы на основе азота (71$), содераащих ашиак С15/«) и природный газ <15/?), кислорода 0,4 ... 1,0% азотный потенциал увеличивается с 3,0 дп 3,1%, соответственно повышается толщина карбенитриднок зош в 1,5 ре за. Однако аревтшше указанных концентрации кислорода приводит к. шп еясивиоку образовании поверхностной зоны оксидов и торгодеш» роста кар0о;штр"дпон зоны.

Аналогично, при добавлении в атмосферу, содержащую в рашшх количествах азот и аммиак, двуокиси углерода в количестве до 1,Ъ,( повышается азоишй потенциал атмосфера о 3,0 до 3,65». Одновременно в насшцшшцой. атмосфере создастся углеродны! потенциал, который достигает 1,652 при 1,55? двуоклси углерода. Дальнейшее повшошш содеряшюя двуокиси углерода приводит к интенсификации процессов оксидации при одновременном уменьшении азотных и углеродных потен циалов нитрсценентукшщх атмосфер. Как показали исследования, добавление более двуокиси углерода нецелесообразно.

При изучении кинетики насыщения сталей в атмосферах различного состава применялись методы математической статистики, в частности,регрессионный и факторный анализ.

Проведенные исследования позволили рекомендовать следующие составы технологических атмосфер: а) ЬО/а аммиака + 50$ эндогаза (природного газа), б) (70 ... 9С$ азота + 5 ... 15/5 аммиака + 5 ... 15/5 природного газа) + 0,4 ... 1,0$ кислорода, в) 50$ аммиака + 47 ... 48,5^ азота + 1,5 ... 3% двуокиси углерода.

■ Устаноатено, что на техническом железа происходит наиболее интенсивное образование диффузионного слоя и составляющих его зо Углерод и хром оказывают тормозящее влияние на диффузионные процессы.

В!швлено, что для получения качественных карбонитридних ело ёв на исследованных конструкционных сталях целесообразная длительность насыщения составляет 3 ... 6ч.

Выполненный в работе послойный фазовый анализ позволил выявить количественное распределение фаз по толщине диффузионного слоя. Рентгеновским анализом устаноатено, что параметры решетка 6-фазы зависят как от состава насыщающей атмосферы, так д от глубины залегания (оазы в пределах карбонитрвдной зоны. Показано, чте азотистоуглербцистый аустенит, прилегающий к карбонитрвдной зоне, более насыщен азотом, нежели аустенит в нияелекащшс слоях, что взыщет на его устойчивость.

С помощью эдектроннозондового и иикросиектрального анализа получено распределение Я, С, 0 по тддщщШ'даф^узкошшх слоев. Методом вакуушздазлешй усталовяено, что в результате нитроцеиеи-тшдаи происходит наводорашшанпс стали в пределах 20 ... 44%.

. Изучение "структуры слоев на растровом электронном микроско-пс выявило столбчатое строение карбояитридных зон. Излом нптроце-мэнтованпого слоя характеризуется наличием кристаллов нар-бокитркдов цилиндрической формы, ориентаровашшх перлевдшеудярш

поверхности. lío межкриеталлитвым границам располагаются микрока-^ налы (поры). Сканирование микрозондом не выявило существенного изменения в содержании железа, легирующих и примесных элементов (О, f,!n, St} в микролоре, но сравнению с плотными участками кристаллов. Это отрицает предположение о наличии в микропоро фаз иного состава» недели в плотных участках стали. Отмечено, что увеличение пористости связано с повышением азотного потенциала печной атмосферы.

с. ¡шише 1й;трод;.Ш[ВДМ ил ашжо-жйШйЕШШ свойства

ШШТР/ЩЮШШХ CTAJEEÍ1

Испытания на коррозионную стойкость выявили высокие антикоррозионные свойства нитроцементовагошх покрытий в слабонасшден-ннх солевых растворах. Коррозионная стойкость нитроцементовайшых образцов превысила коррозионную стойкость образцов без хишко-тер-мрчижого нокрнтш в среднем в 10 раз. Лучше антикоррозионные ог.о ;птва показали слои, тлеющие более толстую малопористую зону f.-vacui, полученную в атмосфере аммиака и эндогаза. Установлено '.'лиголриятноо влияние на коррозионную стойкость поверхностной зо~ •ш окоадов, у;орг,шрую'до1;ся в атмосферах на основе азота с добавгд-[.'п кислородосодергвдих компонентов. Исследование влияния разового состава деф^ововного слоя на сопротивление коррозв» путем нос-ложного измерения поляризационного сопротивления показало, что июокш.;;; значеишши коррозионного сопротивления обладают гоиоген-¡ihcí зоны 6-фазы 11 азотистого аустенпта. Цошшеиие содержания азо-va а (Тазах приводит соответственно к дошиешю их сопротивления коррозии.

Учитывая, что дМИкро1У1астнчнооть упрочненных слоев оказывает нолояитслшое шпешш на ixr, поведение при трении, исследовалась :-'та характеристика, Наибольшую иакроигасточность (85 ... Ш%) мошзалл слои, в основном состояло из п.аза FejMCj, Причек, чем ■j'jjiíüí) атогюв углерода растворено в решоию £-у.аэы, тем внпе её ¡/чфсшюскгчностъ, Присутствие в карбонитрвднок зоне цементита упенвиаот сё ьшкролластач.ескпе -свойсгва.

Шагоиршшгая морфология дк^узиоктсс слоев, полученных в а'клос^ерах опишизировшйюго состава, сочетающих относительно ччлрдую и дластичнуо 6~<1.азу трбоинтрцкной природы с прочным аус-

•ыиммо-аортшеьтш под ело оп, позволила получить высокие харак-

теристики износостойкости. Об этом свидетельствует достаточно низкий коэффициент трения иитроцементовапннх поверхностей образцов из стали 45, полученный при испытаниях без смазки - 0,20 ... 0,25. Наилучшую износостойкость при трении без смазки показали образцы, обработанные в атмосфере аммиака и оидогаза, для которых характерна' плотная максимально развитая зона <§ -фазы.

При испытаниях по схеме "ролик-плоский образец", для которой были характерны более высокие удельные давления, наилучшую износостойкость показала образцы, имеющие более развитые аустенцтно-мартенситную зону и зону внутреннего азотирования, подпирающие карбонитрицную зону и предотвращающие её процавливание. Такие слои получены в атмосферах па основе технического азота.

Учитывая, что важным условием успешной работы многих деталей машин, в'частности, зубчатых передач, является высокая изгибиая и контактная усталостная прочность, били проведены соответствующие испытания, которые показали, что прочность при чистом изгибе стали 40Х поело нитроцементацит и послацущзй закалки нов!шаотся в среднем на 40 ... 60$ по сравнению с улучшенными и нормалпзован-ныш! образца«!. Этому способствует благоприятное распределение макронапрякэний по толвдпе упрочнённого слоя, величина которых составила пдя $ -фазы (-150 Ш1а), для -фазы (-190 МПа).

Прове кёшшз ленитаиш па контактную прочность нптроцепонто-згппш: роушкшх пэр из стали 40Х позволяли сымитировать работу зубьев при зацеплении тддлкошпулитх губ<доих колес, Лсгштачпячл установлено, что низкотемпературная нзтроцогеигздддо при 7С0°0 обеспечивает цовкзшке коихшстяоП усталоспюл прочности с 2 разл по сравнена» с улучшением, а по сравпшяэ с нл5ко?огшга?ур::0-3 нитроце:.:снтацг.ей при 6С0°С - па 20 ... благодари баяоч глубинному упрочнения. Усгаксрлево пойгпх'оприятиоз влияние нрослоГп::: стаб:1л;:;.!!:Рова!?;юго ауотош^а з струт.турз ипгроцсм?:геояшшо1,1) скол на хонгсгяиуп устапооч-нуя прочность. Поово г<?шш кололигг-Ш-пото отпуска при ЗС0°С аш'. обработал zo.noдом позволило повысить прз-дел коятактноЗ вккославостл роликов о со 1С<.0 кн* за сч'зт получения равномерно высокой твердости б по долез, Голео ^Т^ктатш цал повжения яолтштгоЗ выносливости прозадонне дополнительно к нптроцемонташи закалка ТВЧ, козволккщой создать под карбона-хрлд-ной зоной ПРОЧНЫЙ подслой значительно!! толщй'Ш. у'пгшг.пл, что фект упрочнения будет использован в полной море только а случае, когда первоначальная трещина усталости возаикаот в продолах упрочненного слоя, з работе предложена методика определения кригичсс-

коДтолцаныупрочнённого слоя, при которой первоначальная *р®щша усталости возникает в пределах этого слоя, обеспечивая тем оашм более высокий уровень характеристик контактной усталости шестерён.

Исследованиями установлено, что в результате нитроцемзнта-циа и закажи наблюдается деформация изделий. Как показал микрометраж размеров образцов и деталей-представителей до и посла нйт-роцементации и последующей закат«!, уровень деформации с учётом изделий различной формы составляет 0,025 ... 0,050 мм, что додано учитываться при конструировании и изготовлении деталей.

о. IIPOMtilUlEHHOE ШИОЛЬЗОВАШШ ПРОЦЕССА ГАЗОВОЙ ШТРОЩШНТАЦИИ ЛШ 7С0°0

Копж-г.а эксплуатационных характеристик, получаемых издалн-як.1 в результате нитроцоглэнтадаи при 700°С, позволяет рекошндо-гать штод упрочнения .для деталей машин и двигателей, работакрх в неблагоприятных условиях износа, в том числе при отсутствии стэкм, воздействии умеренных устаяосгаих нагрузок и .в коррози-ошюй среде.

Исходя из выявленной работоспособности нитроцементованных слоев, можно рекомендовать идя деталей, работамрх в коррозионной средо и на износ при малых контактных нагрузках, нитроцемен-тацкю в атмосфере аммиака и углероцосодареэдис газов (преимущест-взнно эидогаза), обеспечивающих максимальное развитие зоны £ -Фазы, ответственной за износостойкость трущейся поверхности и сопротивление коррозии.

В условиях износа при повышенных удельных нагрузках более приемлема нитроцементация в атмосферах на основе технического азота или атмосферах аммиака и углеродосоцержагщх газов с обязательным проведением дополнительного отпуока при 250 .., 300°С или обработки холодом. При контактных нагрузках, превишавдях 1000 !,LTIa, рекомендуется в сочетании с шгтроце.мантацией проведение закалки ТВЧ и низкого отпуска.

.Рта деталей, акспдуатарукщкхся в условиях воздействия изгибающих усталостных нагрузок, рекомендуется нитроцементация в атмосферах на основе технического азота, ¡.тхтюлыю шгтененфдщи-рувкдах рост общей толщины диффузионного слоя.

Нромщиенное опробование процесса проводилось на промежуточных шестернях и пальцах прошауяочжее шестерен механизма газорас-

нредоления двигателей Д144/Д21А на ПО "ВладашрокпЛ тракторный заБод", а тав.;о из втулке копнителя комбайна."Дон" на ПО "Рост-сольмаи".

По серийной технологии промах точная иесхерня из стали 40Х изготавливается с впрессованной в сопрягаемое отверстие с паттег. бронзовой втулкой.' Зубья постернп п палец закаливаются ТБЧ. По ип-ííoíí технологии шеторня, изготовленная по tí е:з стул очной конструкции, и палец додворганпоь шп'роцемептацт!. Загадка 1ЭД зубьев и пальца но проводилась.

Испытания показали, что иитроцеиентовашшй слой по своим антифригаиюнтш свойствам но уступает бронзе ОДС G-5-5. На зубьях шестерен и пальцах листинга не было обнаружено, Технология нрпня-та к внедрешт.

Внедрена, разработанной технологш: па ПО "Завод Краснодар-с алкаш" внятно ее ннсокуи эфСектзнгасть пржлмтелг-во к инструментам из стелой 40л л -55, СтоГ'ксегь штродшентовангаос инструментов подасюксь в 2 ... 3 раза ио сравнении с изготовляемым:,! серийно.

выводи

1. Разработали и изучены процессы нитроцементациа при тегтпе-иатуро 700°С о послодуатеп закалкой дпффузпоачого слоя t атмосферах ашааш п угявхюдосодврзадЕС газов, атмосферах ¡ta остова часта с добавками ашаака, углородо- и гаюлородосодврзазцпс газов.

Предложении процессы могут бить иопользозхиш для упрочнения деталей ыащпк, работающих в условиях интенсивного изнашивания ¡tp'i отсутствии сшзкя или при граничных процессах в узле тргакш.

2. На основе экснорамонтальшсс данных и термодинамического анализа определены реашии з х'Язоеой фаза, обеспечивающие форипро-взлео нитроцементоганшя 'слоев, ж их направление в зависимости от количественного соотнолекпя аммиака а углеродосодерлацего rata

а от степени разбавления атмосфер техническим азотом.

Показано влияние кислорода и двуокиси углерода па термодинамическую вероятность реакций. азотирования л науглероживания.

Установлена более высокая науглероживающая способность атмосферы ешкака. г. эндогаза по сраваевию с атмосферой ш&тека и природного газа.

-3. Исследована ккюгяка форшрова;шя диффузионного слоя п сос-•гаагсшцрх «го зон на т^тдпчрском хелгзе и стчдчх 20, 45, 40Х

Í3

и различных нцтроцементуюздис атмосферах«

Установлено, что соотношение аммиака и угяеродосодериащего газа (эндогаза, природного газа), равное 50/5$, позволяет интен-икЗдщнговать образование на поверхности сталей гохдогенной зоны гексагонального б-карбошхтрида Ра^б), обладающего высокой пластичностью. Образование цементита в структуре карбонитридной зоны при разбавлении аммиака эцдогазом приводит к замедлению

роста карбонитридной зоны и её охрупчивашш.

Разбавление атмосферы аммиака и углеродосодеркащего газа азотом в количестве 70 ... приводит к уменьшению толщины кар-бонш'рэдной 805Ш при увеличении общей толщины диффузионного слоя в 1,2 ... 1,5 раза за счет более интенсивного развития аустенитно-мартенситной зоны и зоны внутреннего азотирования.

Добавление в атмосферы на основе азота кислорода в количестве 0,4 ... 1,0$ пли двуокиси углерода 1,0 ... 3,0 % способствует до -налыктеяънсму насыщению сталей азотом и кислородом. Црешвеиасг указанных пределов концентраций вызывает процессы оксидации, на поверхности сталей происходит преимущественное образование оксидов, замедляется скорость роста диффузионного слоя.

4. Установлено влияние состава ндтроцеыентуюцой атмосферы на количественное соотношение фаз и распределение N. С, 0 по толщине диффузионного слоя. Шксшлальное содержание азота соответствует плотным слоям £-файы, в пределах аустонитно-шртенситной зоны поваленное содержание азота у границы с карбонитридной зоной вызывает стабилизация аустешта, что сопровождается провалом микро-твардости в подслое после закалка.

Добавление к ашиаку углеродосодоркащпх газов приводит к уыоньшешш в £-фазе концентрации азота при одновременном увеличе-шш концентрации углерода. При разбавлении атмосфер, азотом содержание азота в £-$азе соответствует ншшям пределам концентраций в области её гомогенности по диаграмме состояния Ге-М-С, Добавление в азотирующув атмосферу двуокиси углерода способствует науглероживании ¿-фазы.

Результаты послойного химического анализа сталей свидетельствует о диффузии углерода преимущественно в карбонитрвдную зону. В аустештно-мартенситной зоне и зоне внутреннего азотирования повышения концентрации углерода не обнаружено. Анализ содержания кислорода по толщине' диффузионного слоя показал, что повншешое содераание кислорода наблвдается в поверхностных слоях в пределах зоны оксидов и пористой, части карбоштрздной зоны.

5. Установлено, что обработка холодом в жидком азоте шш отпуск широцементовашшх закаленных сталей при температурах

250 300°С обеспечивает получение равномерно высокой твердости в подслое за счет превращения стабилизированного аустенита в мартенсит при обработке холодом или в отпущенный мартенсит (по бейнитной кинетике) при отпуске.

6. Исследованиями установлено, что &-фаза, полученная в атмосфере аммиака и углеродосодерягащзго газа (50/50$) а атмосферах на основе азота, обладает достаточно высокой мккропластич-яосгьп 85 ... 87$, что монно обьяснвть пониженным содержанием в 6-фазе азота и ее карбонитридкой природой.

7. Выявлено, что коррозионная стойкость нитроцементованяых сталей в слабонасыщенных солевых растворах повышается в среднем в 10 раз 1 по сравнению со сталями без хшлко-терглического покрытия. Послойное исследование коррозионной стойкости по диффузионному слою показало, что наибольшей стойкостью к коррозии обладает малопористая насыщенная азотом £-фаза и азотистый аустёяиг. •

8. Установлено, что нитроцементованнне покрытия обладают износостойкостью при отсутствии сказка и при граничных процессах в узле трения. Показано, что поверхностная карбонктрадная £-фава характеризуется высокими антпфршашонннми свойствами - коэффициент трения составляет 0,20 ...0,25. При пониженных удельных нагрузках (I Ша) и отсутствии сглаз га высоки износостойкость доказали диффузионные слои, содержащие на поверхности развитую зону £-карбонитрвда, полученные после насыщения в атмосфере ам-шака и эндогаза (природного газа). В условиях воздействия удельных контактных нагрузок (30 Ша) при трешш со смазкой наилучшую износостойкость'шелл слоя, подученные в атмосферах на основе азота, характеризующиеся развитыми зонами аустенитпо-мартексит-кой и внутреннего азотирования, подпвракцдаи карбоштрццную зопу и предотвращающих,и ее продавлавание.

% 9. Установлено повшгаяпе усталостной прочности при изгибо образцов из стали 4.0Х после нптроцеыеитации г» последующей зашлет на 40 ... 60% по'сравнению с образцам поело улучшения и нормализации. Этому способствует благоприятное распределение макроналряяешШ по толщине упрочненного слоя при наличии с.-экаю-еедх напряжений в зоне £~шазн (-150 Ша) и в ¿-фазе - (-190 Ша),

10. Установлено двукратное повышение контактной усталостной зрочности нитроцеменговашой стали 40Х по сравнении с улучшенной. Выявлено отрицательное влияние прослойки стпбилкзирорлнного аус-

'гиниха в структуре цитрацеиенгованшэго сдоя на контактную усталостную прочность. Применение после дагроцшеатадш отпуска при 300°С обеспечило повышение предела контактной усталостной прочности с 836 до 1020 Ша.

Показано определяющее влияние толщанн упрочненного слоя ш характеристика контактной усталостной прочности, На основании ана- • лиза процессов, протекающих в контактной зоне, разработана методика определения критической тошщшы ннтроцементоващюго слоя для обеспечения контактной усталостной прочности медкошдульнш: шеоте-рен.

11, Внедрение разработанной технологии на инструментах из сталей 40Х, 45 - шиберах, фиксаторах на ПО "Завод Краснодаре ель-мат" и промышленное опробование процесса ва промежуточной шестерне и пальце промежуточной шестерни механизмов газораспределения двигателей Д144/Д21А (ПО "Владимирский тракторный завод"), а таюхе на втулке копнителя комбайна "Дон" (ПО "Ростсельмаш") выявило ш-сокув эффективность процесса,

12. Технология низкотемпературной нитроцемевтацщ врд 700 С с выдержкой 3 ... 6 ч о последующей. закалкой диффузионного слоя рекомендуется для упрочнения мало- и средаеуглеродистнх сталей, работающих в аостках условиях транш скольжения при знакопеременных нагрузках ц в коррозионной среде Рекомендуемые составы технологических атмосфер: а) 30$ аммиака + 50$ эвдогаза (природного газа), б) (70 ... 90$ азота + 5 ... 15$ аммиака + 5 ... 15$ природного газа) + 0,4 1,0 % кислорода, в) 50$ аммиака + 47 ... 48,5$ азота ■+ 1,5 ... 3,0£ двуокиси углерода.

Технология ыодет быть использована для упрочнения ыелкомо-дулышх шестерен (модуль 3 ... 5), валов, осей, втулок, толкателе! и др. деталей^

ОСНОВНОЕ СОДЕЕШИЕ ДИОСЕРТЩМ 0ЛУЫШК0ВДН0 В РАБОТА!:

1. Дахтнн ¡D.M., Неустроев Г.Н., Сологубова Н.И. Исследование технологии низкотемпературной нитроцементацш» в различных газовых средах// Новые материалы и прогрессивные технологические процессы для упрочнения деталей промышленных тракторов и сельскохозяйственных машин: Тез, докл. науч.-техн. сешнахза. 2-4 июле 1985.-Чебоксары, I38Ö.-C.55-56.

2. Штроцементация при 700°С с доследующей закалкой поверхностного слоя/ Лахгин Ю.М., Неус-гроев Г.Н., Сологубова Н.'Л.,

Фролова Л.П.// Металловедение и термическая обработка металлов.-1987.-й 5.-€.32-36.

3. Сологубова Pl.И., Кузнецов Г.Г., Орлова B.ÏI. Газовая нит-роцементация о закалкой поверхностного слоя// Повышение долговечности деталей машин прогрессивными методами обработки: Таз. докл. семинара. 10-13 окт. 1987.-Волгоград, I987.-C.37-38.

4. Неустроев Т.Н., Сологубова Н.И. Исследование физико-механических свойств упрочненных слоев после газовой нигроцементации при 700°С// Новые материалы и ресурсосберегающие технологии .термической и химико-термической обработки - основа повышения надёк-ноотй и долговечности деталей машин я инструмента: Тез. докл. Все-союз. науч. конф. 27-29 окт. 1987.Твлйви-1\1., 1987.-С.72.

5. Сологубова Н.И., Драган Ю.Е., Карпов В.Е. Яяияние низкотемпературной нигроцементации на контактную прочность стали 40Х// Снижение материалоёмкости и повышение долговечности деталей машин за счёт применения прогрессивных методов термо-, химико-термической и механической обработки: Тез. докл. регион, кауч.-техн. конф. 5-6 июня 1989.-Волгоград, 1989.-С.7-9.