автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Упрочнение высокохромистых сталей и покрытий химико-термической обработкой для повышения стойкости в условиях коррозионно-механического изнашивания

На правах рукописи

Никулин Анатолий Александрович

УПРОЧНЕНИЕ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ И ПОКРЫТИЙ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ В УСЛОВИЯХ КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКОГО

ИЗНАШИВАНИЯ

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат

диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

1 ^ ¡¡ЮН 2009

Курск 2009

003473639

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Курская сельскохозяйственная академия им. проф. И.И. Иванова»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Колмыков Валерий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Афанасьев Александр Александрович

кандидат технических наук, доцент

Павлов Игорь Васильевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет»

Защита состоится « 1 » июля 2009 г. в 15.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.105.01 при Курском государственном техническом университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94, конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Курского государственного технического университета

Автореферат разослан мая 2009 г.

Ученый секретарь

совета по защите докторских и

кандидатских диссертаций

О.Г. Локтионова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Хромистые нержавеющие стали мартенситного класса находят широкое применение для изготовления различных деталей и инструментов благодаря хорошему сочетанию комплекса свойств, главным из которых являются устойчивость к коррозии. Нержавеющие стали типа Х13 относительно дешевы и выпускаются металлургической промышленностью с различным содержанием углерода в больших количествах.

В настоящее время разработаны методы нанесения на поверхности углеродистых и низколегированных сталей гальванических высокохромистых (11... 14% Сг) покрытий, которые значительно повышают их коррозионную стойкость.

Однако, во многих случаях, детали из нержавеющих сталей и тем более детали с высокохромистыми покрытиями, работающие в коррозионно-активных средах содержащих абразивные частицы, имеют низкую износостойкость, что значительно сужает диапазон их использования.

Радикальным образом повысить износостойкость высокохромистых сталей и покрытий можно химико-термической обработкой, которая изменяет физико-химические и механические свойства поверхностных слоев, где зарождаются и развиваются процессы разрушения материала при трении. Используя для упрочнения хромистых нержавеющих сталей такие методы обработки как цементация и нитроцементация, можно получить на их поверхностях диффузионные слои с большим содержанием карбидов и карбонитридов, которые будут хорошо сопротивляться изнашиванию при высокой стойкости к коррозии.

Однако, цементация и нитроцементация высокохромистых нержавеющих сталей до настоящего времени не нашла широкого применения, что связано с недостаточной изученностью процесса и непригодностью для насыщения этих сталей известных карбюризаторов. Поэтому настоящая диссертационная работа, посвященная исследованию поверхностного упрочнения высокохромистых сталей и гальванических покрытий цементацией и нитроцементацией, является актуальной.

Цель работы - разработка технологии поверхностного упрочнения высокохромистых сталей типа Х13 и гальванических железохромистых покрытий, обеспечивающей получение в диффузионных слоях большого количества карбидной и карбонитридной фазы и, как следствие, резкое повышение износостойкости и других эксплуатационных свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. На основе анализа процессов происходящих в насыщающих средах и дуффузионных слоях высокохромистых сталей и покрытий разработать карбюризаторы для их эффективного упрочнения при высоких и низких температурах.

2. Исследовать особенности насыщения высокохромистых сталей азотом и углеродом при различных температурах ншроцементации и

выявить зависимости глубины насыщения от температуры и длительности процесса.

3. Изучить влияние режимов нитроцементации на формирование структуры и фазового состава диффузионных слоев на высокохромистых сталях и высокохромистых гальванических покрытиях.

4. Изучить особенности термической обработки нитроцементованных высокохромистых сталей и покрытий и выявить оптимальные для обеспечения высокой твердости и ударной вязкости режимы закалки и отпуска.

5. Исследовать эксплуатационные свойства нитроцементованных высокохромистых сталей и установить зависимости износостойкости и ударной вязкости диффузионных слоев от их структуры и фазового состава, а также от режимов нитроцементации.

6. На основе проведенных исследований разработать технологические рекомендации по упрочнению изделий из высокохромистых сталей и деталей, восстановленных высокохромистыми гальваническими покрытиями.

Научная новизна:

научно обоснован выбор эффективного метода упрочняющей обработки высокохромистых сталей и гальванических железохромистых осадков, позволяющий значительно повысить их износостойкость за счет образования большого количества карбонитридов на поверхности нитроцементованных слоев; - получены новые закономерности формирования структуры и фазового состава диффузионных слоев на сталях с высоким содержанием хрома в процессе их насыщения азотом и углеродом при различных температурах;

выявлены зависимости влияния структуры и фазового состава нитроцементованных слоев на высокохромистых сталях и покрытиях на физико-механические и эксплуатационные свойства, а также принципы управления структурными характеристиками для получения заданных свойств изделий;

получены аналитические зависимости влияния технологических факторов насыщения высокохромистых нержавеющих сталей на их структуру и эксплуатационные свойства, удобные при проектировании технологических процессов упрочнения различных деталей.

Методы исследования. Исследование микроструктуры и физико-механических свойств проводились с использованием металлографического (МИМ-8), дюраметрического (ИТ-7Р «Виккерс», ТК-2М «Роквелл», ПМТ-3) и ренгеноструктурного (ДРОН-3) анализов. Элементный состав диффузионных слоев определялся с помощью спектрального и атомно-эмиссионного анализов. Износостойкость определялась на машине трения СМЦ-2, ударная вязкость - на образцах малого сечения на маятниковом копре с пониженной энергией (метод Изо да).

Достоверность результатов, основных положений и выводов по работе подтверждается применением в работе классических методов исследований, обоснованностью и корректностью постановки задач исследования и отсутствием противоречий с результатами других исследователей, работающих в данной области.

Практическая ценность работы состоит в разработке, на основании теоретических и экспериментальных исследований, и апробации технологии поверхностного упрочнения хромистых нержавеющих сталей и высокохромистых гальванических покрытий нитроцементацией в пастообразных высокоактивных карбюризаторах, позволяющая повысить их износостойкость. Ножи измельчителей из стали 40X13 упрочненные высокотемпературной нитроцементацией оказались в 2,5...5 раз более стойкими, чем ножи из более дорогой инструментальной стали XI2Ф, кроме того, нитроцементация обеспечила эффект самозатачивания этих ножей. Детали автомобилей, восстановленные железохромистыми покрытиями и подвергнутые нитроцементации, прослужили в несколько раз дольше новых деталей из конструкционных сталей 40Х, 18ХГТ и др.

Разработанная технология может быть использована для упрочнения многих других деталей, работающих в условиях интенсивного изнашивания в коррозионных средах.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на XV Российской научно - технической конференции с международным участием (г. Курск 2008, КурскГТУ), I Международной научно-практической конференции (г. Невинномысск 2008, НИЭУП), Всероссийской научной конференции - (г. Курск, 2006, КГСХА) и международной научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии» (г. Курск, 2007, КурскГТУ)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, из которых 2 в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основной части, общих выводов, библиографического списка и приложений. Общий объем работы составляет 136 страниц машинописного текста, включающего 13 таблиц и 43 рисунка. Библиографический список насчитывает 118 литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и сформулирована цель работы.

В первой главе диссертации предоставлен аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы, в котором рассмотрены вопросы упрочнения хромистых сталей методами химико-термической обработки.

Рассмотрены особенности формирования диффузионных слоев при насыщении высокохромистых сталей азотом и углеродом. Хром, входящий в состав нитроцементуемой стали, благодаря своей активности способствует повышенному усвоению азота и углерода, способствуя образованию в диффузионных слоях большого количества карбонитридов. Эти карбонитриды располагаются в поверхностных зонах нитроцементованных слоев, имеют высокую твердость и защищают нижележащие зоны от воздействия абразивных частиц, коррозийной среды и других вредных воздействий.

Хром в процессе нитроцементации хромистых сталей активно реагирует не только с азотом и углеродом, но и с кислородом, находящемся в насыщающей среде, поэтому высокохромистые стали в процессе их химико-термической обработке склонны к внутреннему окислению. Предотвратить или существенно уменьшить это окисление можно подбором соответствующих насыщающих сред.

Традиционные методы наиболее прогрессивной газовой нитроцементации не могут обеспечить насыщение стали азотом и углеродом достаточное для образования глубоких диффузионных и формирования большого количества карбонитридных включений. Для эффективной нитроцементации высокохромистых сталей необходимо разрабатывать специальный высокоактивный карбюризатор.

Во второй главе предоставлена технология изготовления и упрочнения образцов, используемых для проведения исследований, и описания методик экспериментального исследования процессов химико-термической обработки высокохромистых сталей и определения их физико-химических и эксплуатационных свойств.

Для исследования были использованы инструментальные стали -углеродистые и легированные, а для наиболее детального исследования - сталь 40X13 и гальванические железохромистые покрытия с различным содержанием хрома. Химико-термическую обработку образцов проводили с использованием пастообразного азотисто-углеродного карбюризатора, который наносился на поверхности образцов слоем ~ 1,5 мм и высушивался. Образцы с сухим нитроцементующим покрытием упаковывались в герметичный контейнер и засыпались нейтральным наполнителем (чугунной стружкой). Контейнер с образцами загружался в печь, разогретую до необходимой температуры, и выдерживался необходимое время. Указанная технология, идентичная технологии традиционной цементации в твердом карбюризаторе, принята из соображений удобства для мелкосерийного и ремонтного производства, что позволит внедрить ее непосредственно на перерабатывающих предприятиях.

Электроосаждение железохромистых покрытий проводилось из электролита следующего состава (кг/м3): сернокислое железо FeSC>4-250, нитрат хрома Cr (N03)-5...25; сульфат натрия Na2S04-20. Осаждение железохромистого гальванического покрытия проводили на ассиметричном переменном токе с коэффициентом асимметрии р=6, что позволило использовать повышенную плотность тока DK= 40...50 А/дм2.

Содержание хрома в гальваническом покрытии регулировалось изменением концентрации нитрата хрома в электролите. Скорость осаждения железохромистого покрытия составляла0,4...0,5 мм/ч.

Химический состав образцов определяли спектральным экспресс-анализом на приборе ARC- МЕТ 900. Распределение элементов по сечению диффузионных слоев - на атомно-эмиссионном спектрометре «LECO» SA -2000 съемной с косых шлифов на нитроцементных образцах.

Твердость определяли по методу Виккерса на твердомере ИТ-7Р и по методу Роквелла на твердомере ТК-2М по шкалам «А» и «С», микротвердость

на приборе ПМТ-3 при различных нагрузках. Микроструктуру исследовали при помощи металлографического микроскопа МИМ-8 при различных увеличениях. Фазовый состав нитроцементированных образцов определяли на рентгеновском дифрактометре общего назначения ДРОН-3 в кобальтовом излучении.

Испытание нитроцементованных образцов на износостойкость проводили на машине трения СМЦ-2 при трении скольжения. Образцом служил ролик из исследуемой стали с нитроцементованным слоем на периферии, контртелом -колодка из закаленной стали 45. Испытания проводили с подачей в зону трения солевого раствора (10% NaCl в воде) а мелкого абразива (маршаллита). Кроме того, поверхность ролика в процессе испытания смазывалась животным жиром.

Ударную вязкость нитроцементованных образцов определяли на образцах малого сечения (2x2 мм или с1=3мм) с односторонним креплением по методу Изода на копре с пониженной энергией удара.

Остаточные напряжения в нитроцементованных слоях высокохромистых сталей и покрытий определяли по методу разрезных колец (метод H.H. Давиденкова), деформацию колец до и после разрезания производили при помощи специального индикаторного приспособления.

Кроме того, нитроцементованные детали испытывались в производственных условиях.

В третьей главе представлены результаты исследования высокотемпературной обработки хромистых сталей, предназначенных для изготовления ножей измельчителей, в высокоактивных пастообразных карбюризаторах.

Хром, как химический элемент, гораздо активнее железа и в первую очередь реагирует с диффундирующими в хромистую сталь элементами (кислородом, углеродом и др.) Поэтому условия цементации высокохромистых нержавеющих сталей значительно отличаются от условий обычной цементации малоуглеродистых конструкционных сталей. Главная особенность цементации таких сталей - образование плотной окисной пленки на поверхности, препятствующей науглероживанию, а также склонность к образованию большого количества карбидной фазы, чему способствует хром, входящий в состав таких сталей. Поэтому, требования к карбюризатору, который может обеспечить образование глубоких карбидосодержащих слоев - высокая активность, достаточная для образования карбидов и для диффузии углерода в глубину изделия, и низкая окислительная способность.

Был проведен эксперимент по исследованию науглероживающего и окисляющего действия пастообразных карбюризаторов на основе газовой сажи ДГ-100 с активизирующими добавками, имеющими различное содержание кислорода в своем составе, - углекислым барием ВаСОз, углекислым натрием Na2C03, бикарбонатом натрия NaHC03 и ацетатом натрия CH3COONa. Сажа была выбрана в качестве основы карбюризатора, поскольку она из всех форм углерода обладает наибольшей реакционной активностью, объясняющейся ее высокой дисперсностью и рыхлостью сажистых частиц, а также присутствием в этих частицах большого количества аморфного углерода.

В качестве жидкой составляющей в карбюризаторе для цементации высокохромистых сталей предлагается использовать водный раствор карбометилцеллюлозы с добавлением 10% этанола (спирта) для лучшей смачиваемости покрываемой пастой поверхности и 5% мочевины -азотосодержащего вещества (М-ЦгСО для расширения под влиянием азота у-области высокохромистых сталей в начальный период цементации и ускорения, тем самым, процесса на углероживания.

Сухие компоненты карбюризатора отвешивались, тщательно перемешивались и разводились водой со спиртом и мочевиной до консистенции густой пасты, которая наносилась на образцы из стали 40X13. Образцы высушивались и цементовались в контейнере с древесным углем.

Результаты эксперимента представлены в таблице 1 и на рис. 1.

Таблица 1

Влияние состава пастообразного карбюризатора на характеристики

____________________„„____„»„». ЛАТ^П и —МП о__„-1

№ карбюризатора Наименование компонентов карбюризатора Содержание компонентов % масс Глубина диффузионного слоя, мм Содержание углерода на поверхности (0... 0,1мм) 1 и -у Примечание

1. Сажа ВаСОз кмц 70 15 15 0,03-0,1 0,18 Слабое неравномерное науглероживание. Окисление отсутствует

2. Сажа Ыа2 С03 КМЦ 70 15 15 0,8 1,2 Значительное поверхностное окисление 0,05-0,07мм. Под окисламиглубокий диффузионный слой

3 Сажа Ыа2 НСОз кмц 70 15 15 0,5 4,3 Поверхностное окисление 0,02..0,03мм Под окислами плотный слой карбидов

4 Сажа СН3 С'ООЫа КМЦ 70 15 15 0,55 4,8 Окисление отсутствует На поверхности слой дисперсных карбидов

Рис. 1. Микроструктуры диффузионных слоев стали 40X13 цементованной (920 °С, 6 ч) в пастообразном сажевом карбюризаторе с различными активирующими добавками: а - 15% ВаС03; 6-15% Ыа2 С03; в -15% СН3 СОСЖа (х200)

Очевидно, что карбюризатор с ацетатом натрия наиболее подходит для цементации высокохромистой стали, так как не окисляет поверхность.

Эксперимент, проведенный для оптимизации состава карбюризатора, позволил получить следующий оптимальный (по глубине диффузионного слоя) состав пастообразного карбюризатора (% масс): сажа газовая ДГ-100-25...25; ацетат натрия - 3...4; карбометил целлюлозы - 4,5...5; этанол - 2...3; мочевина -1,5...2,5; вода-до 100.

Влияние режимов цементации на общую глубину диффузионного слоя (Ьх) и глубину карбидной зоны (Ьс) описывается двумя адекватными уравнениями:

1^=0,88 + 0,15 1 +0.02 т-0,05 Г*-0,03т2; (1) Ь°= 0,29 + 0,091 + 0.01 х-0,03 0,01 т2, (2) где I и т - соответственно температура и длительность цементации (в кодированных единицах). Графическая интерпретация этих уравнений представлена на рис. 2.

ТЕМперстра °С " Длительностыч

а б

Рис. 2. Зависимость общей глубины диффузионного слоя (кривая 1) и глубины карбидной зоны (кривая 2) стали 40X13 в сажево-ацетатном карбюризаторе от: а - температуры и б - длительности цементации

Упрочняющий эффект при цементации высокохромистых сталей связан с образованием на поверхности зоны сплошных карбидов, которые обладая высокой твердостью хорошо сопротивляются изнашиванию, в том числе и в абразивных средах. Карбидная зона в цементованных хромистых сталях неоднородна по своему составу, о чем свидетельствуют результаты рентгеноструктурного анализа (табл. 2).

Таблица 2

Состав карбидов в диффузионном слое цементованной (940 °С,6 ч) стали 40X13

Расстояние от поверхности, мм Состав карбидов Примечания

0 - поверхность (Сг,Ре)7С3; (Ре,Сг)3С Преобладает карбид (Ре,Сг)зС

0,3 - внутренняя граница диффузионной зоны (Сг,Ре)7Сз; (Сг, Ре)2зС6 Резко преобладает карбид (Сг,Ре)7С,

0,5-0,7 - зона под карбидной коркой (Ст,¥е'^Сг; (Сг, Рс)23С6 Преобладает карбид (Сг, Ре)23С6

В доэвтектоидных хромистых сталях (40X13) исходная структура не содержит избыточных карбидов, которые могли бы служить центрами роста карбидных включений, поэтому их зарождение при науглероживании происходит в гомогенном аустените. При ,этом повышенная концентрация хрома в аустените этих сталей приводит к тому, что еще до насыщения его углеродом, соответствующего концентрационному равновесию с карбидом цементитного типа, из которого преимущественно состоит карбидный слой на поверхности стали, из аустенита выделяются специальные карбиды, обогащенные хромом. Эти карбиды и являются центрами роста частиц карбидной фазы, способствуя, при постоянном притоке углерода из внешней среды, росту карбидных частиц относительно равноосной (округлой) формы.

Из приведенной выше таблицы видно, что по мере удаления от цементуемой поверхности, т.е. по мере уменьшения содержания углерода в слое тип карбидной формы изменяется от карбида с решеткой цементита (РеСг)3С (на поверхности) до специального карбида хрома (СгРе)7С3 с меньшим содержанием углерода на внутренней границе карбидной зоны. В зоне твердого раствора за фронтом диффузии углерода образуются карбиды типа (СгРе)23С6 с еще меньшим содержанием углерода, но с большим содержанием хрома, которые, по-видимому, и служат центрами роста частиц карбидной фазы.

Твердость цементованных высокохромистых сталей определяется двумя факторами - толщиной карбидного слоя на поверхности, которая зависит от режимов цементации, и твердостью структур лежащих под карбидной зоной и состоящих в основном из твердого раствора углерода и хрома в железе, которая зависит от режимов закалки.

Известно, что высокохромистые стали закаливаются с высоких температур (выше 1000°С), что создает определенные трудности при из термообработке, однако, при науглероживании таких сталей создаются условия для закалки с более низких температур. Во-первых, при повышении содержания углерода снижается температура существования у-области (при 0,4% эта граница составляет 900°С, а при 2% - около 800°С). Во-вторых, в цементованном твердом растворе концентрация углерода находится на пределе растворимости, что способствует закалке с низких температур и обеспечению высокой твердости закаленной структуры. Наконец, легирующий элемент (Сг) в процессе карбидообразования переходит по большей части в карбиды, а твердый раствор обедняется хромом и его закалка' может проводиться с температурой, применяемой для низколегированных сталей. С другой стороны, закалка цементованных высокохромистых сталей потребует более резкого охлаждения, чем нецементованных (высокохромистые стали закаливаются при охлаждении на воздухе).

На рис. 3. представлены результаты исследования закаливаемости цементованной стали 40X13, охлаждение при закалке проводили в масле.

Цементованная сталь 40X13 после закалки получает очень высокую твердость НЯС 64...68, причем уровень твердости во многом определяется режимами цементации. Повышение температуры цементации приводит к снижению оптимальной температуры нагрева под закалку и в то же время к повышению твердости.

^ 60

¡| 50

I

30

800 900 1000 то 1200 Температура нагрейа под закалкц °С

Рис. 3. Влияние температуры нагрева под закалку на твердость стали 40X13: 1 - без цементации; 2 - цементация при 920°С, 3 ч.

Очевидно, что это связано с увеличением глубины цементованных слоев на поверхности стали, в том числе и глубины зоны сплошных карбидов, обладающих высокой твердостью без закалки.

Эксперименты показывают, что повышение температуры отпуска цементованной и закаленной стали 40X13 до 350...400°С незначительно (на 2...3 единицы НЛС) снижает твердость. Поэтому при упрочнении изделий из названных сталей можно использовать повышенные температуры отпуска, что должно благоприятно сказаться на их ударной вязкости.

Распределение микротвердости по сечению цементованных слоев сталей 40X13 показывает, что максимальное значение микротвердости у поверхности достигает Нц= 7000...8000 МПа, что обусловливается наличием здесь зоны сплошных карбидов. Твердость диффузионных слоев нержавеющей хромистой стали 40X13 под зоной карбидов после закалки однозначно определяется наличием в них углерода, полученного в процессе цементации.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованию низко- и среднетемпературных процессов насыщения высокохромистых материалов азотом и углеродом.

Для осуществления процесса нитроцементации при пониженных температурах нами предлагается в состав пастообразного карбюризатора ввести железосинеродистый калий в количестве 30% вместо ацетата натрия. Железосинеродистый калий К4Ре(СМ), разлагаясь при температурах 550....600 °С служит поставщиком активного азота и углерода в сталь, обеспечивая ее нитроцементацию.

Эксперимент по изучению влияния температуры и длительности насыщения на глубину диффузионных слоев стали 40X13 показал, что низкотемпературная обработка позволяет получать диффузионные слои гораздо меньшей глубины, чем высокотемпературная. Однако микротвердость этих слоев выше (таблица 3).

Таблица 3

Влияние режимов нитроцементации на глубину диффузионных слоев

стали 40X13

Температура, °С Длительность, ч Глубина диффузионного слоя Глубина карбонитридной зоны, мм Микротвердость, МПа

550 1 0,031 0,014 11600

550 3 0,038 0,022 11800

600 1 0.053 0,027 10300

600 3 0,083 0,043 10800

650 1 0,079 0,042 9700

650 3 0,132 0,068 10100

^ШгЩ

Рис. 4. Микроструктуры (х200) диффузионных слоев полученных при низкотемпературной нитроцементации: а - 550°С; б - 650°С

Рентгеноструктурный анализ показал, что на поверхности нитроцементованных (550...600°С) ст&аей образовались карбонитридные слои, представленные в основном карбонитридом Ре2.3(СЫ) - фазой £, которая обладает очень высокой твердостью. При температуре нитроцементации 650°С, на поверхности образуется больше карбонитридов Ре3(СЫ) - изоморфными с цементитом, твердость которых ниже.

Низкотемпературная нитроцементация может быть с успехом использована для упрочнения деталей, восстановленных гальваническими покрытиями, так как толщина этих покрытий невелика (0,15....0,3 мм) и глубина насыщения при низкотемпературной обработке будет достаточной для их эффективного упрочнения. Кроме того, низкая температура обработки не изменяет структуры сердцевины восстанавливаемых деталей и не снижает их прочности.

Низкотемпературная нитроцементация, создавая в тонких поверхностных слоях остаточные напряжения сжатия, значительно повышают предел выносливости восстановленных деталей. Наши исследования показывают, что предел выносливости образцов с гальваническими покрытиями (0,15 мм) после нитроцементации повышается в 2,5 раза (от ~ 180 МПа до 450.. ,470Мпа).

Пятая глава диссертации посвящена исследованию эксплуатационных свойств высокохромистых материалов с поверхностным упрочнением.

Преобладающим видом изнашивания большого количества деталей машин работает в условиях коррозийно-механического изнашивания. Типичным примером таких деталей являются ножи измельчителей пищевых продуктов, широко используемые в пищевой и мясоперерабатывающей промышленности.

Высокохромистые стали типа 40X13 при цементации образуют в диффузионных слоях большое количество карбидов (в поверхностной карбидной корке содержание карбидной фазы достигает более 90%), которые обладают высокой твердостью, что создает предпосылки к минимизации абразивного воздействия на цементованные поверхности.

Поскольку толщина карбидной корки определяется режимами цементация, был проведен эксперимент по изучению влияния этих режимов на износостойкость цементованной стали 40X13. В результате обработки экспериментальных данных было получено адекватное уравнение регрессии, устанавливающее закономерную связь между износостойкостью (Ус) цементованных слоев и температурой и длительностью цементации

Ус= 3,08+1,46 Х!+0,51 Х2+0,40 Х,Х2+0,80 X,2 (3)

где X, и Х2 - соответственно температура и длительность цементации.

На основе этого уравнения разработана диаграмма для выбора режимов цементации для получения диффузионных слоев с заданным уравнением износостойкости (рис.5). Эта диаграмма весьма удобна при проектировании технологических процессов упрочнения изделий из высокохромистых сталей для конкретных производственных условий.

12

а

I

си |

1

10

2

880 920 960 1000

Температура -цементации, Т

Рис. 5. Диаграмма для выбора режимов цементации сталей 40X13 для получения требуемой износостойкости. Числа у кривых - относительная износостойкость (эталон - закаленная сталь 40X13 без цементации)

Ударная вязкость цементованной нержавеющей стали зависит, в основном, от структуры и свойств сердцевины изделия, которая составляет его основной объем. Эксперименты показывают, что уровень ударной вязкости цементованных образцов соответствует значению этой характеристики для закаленной стали без цементации (КС ~ 14 кДж/м2). В случае использования полученной температуры отпуска 300°С) после закалки цементованной стали 40X13 ее ударная вязкость заметно возрастает, достигая значения КС = 20 кДж/м2 и выше.

Далее в главе проводятся результаты сравнительных испытаний износостойкости цементованной стали 40X13 и сталей, традиционно используемых для изготовления режущих органов измельчителей различных конструкций.

В отечественных измельчительных установках режущие органы (ножи и решетки) изготавливаются обычно из углеродистых и легированных инструментальных сталей, причем выбор этих сталей производится без какого-либо обоснования. Режущие органы из инструментальных сталей подвергаются объемной или поверхностной закалке по соответствующим режимам и имеют весьма высокую твердость (НЯС > 60). Было проведено экспериментальное исследование износостойкости некоторых наиболее широко используемых сталей и цементованной стали 40X13 в одинаковых условиях изнашивания (табл. 4).

Таблица 4

Износостойкость сталей, используемых для ножей и противорежущих решеток

измельчителей пищевых продуктов

Марка стали Твердость после термообработки, ИКС Содержание карбидной фазы в структуре, % Тип карбидов Относительная износостойкость

Х12М 60 16-17 М7С3 1,0 (эталон)

У10А 64 10 [_ МзС 0,7

ХВГ 62 11-12 МзС 0,6

Х12Ф1 60 14 М7С3 0,9

Х12Ф4М 61 23-25 М7 С3;МС 1,3

Х6Ф4М 62 16-18 М7 С3; МС 2,4

40X13 64-66 80-90 М3С ;М7 С3 5,5

Различие в износостойкости исследованных сталей объясняется, главным образом, различием их фазового состава - чем больше в структуре стали карбидов, тем более износостойкой она является. В этом плане цементованная сталь 40X13 значительно превосходит все другие исследованные стали, что и обусловливает ее повышенную износостойкость.

Таким образом, можно заключить, что для ножей и противорежущих решеток машин для измельчения мяса, а также для измельчения других продуктов можно с успехом использовать нержавеющую сталь массового производства 40X13, упрочненную цементацией, которая на 30...40% дешевле специальных инструментальных хромомолибденовых и хромованадиевых сталей, используемых для этих целей в настоящее время.

Кроме того при односторонней цементации ножей, что легко достигается при использовании цементующей пасты, проявляется эффект самозатачивания ножей в процессе работы. Это имеет большое значение для улучшения качества измельчения, снижения энергоемкости процесса и снижения затрат на обслуживание измельчителей (замену и переточку ножей).

Далее в главе рассмотрено использование низкотемпературной нитроцементации для упрочнения деталей автомобилей, восстановленных гальваническими железохромистыми покрытиями.

Процесс осаждения железохромистых покрытий на поверхности изношенных деталей отличается высокой производительностью, экономичностью и технологической простотой и позволяет компенсировать износы деталей до 1,0 мм, однако чаще всего гальваническими осадками компенсируют обычно небольшие износы (до 0,3 мм). Покрытия с высоким содержанием хрома (11... 14%) обеспечат повышенную коррозионную стойкость восстановленных деталей, однако износостойкость таких покрытий в исходном состоянии весьма невелика, а в присутствии абразива покрытия вообще неработоспособны.

Обеспечить надлежащую абразивную износостойкость гальваническим высокохромистым покрытиям можно нитроцементацией, которую необходимо проводить по режимам, обеспечивающим сквозное насыщения покрытия и образования на его поверхности глубоких карбонитридных слоев.

Прочность сцепления в результате нитроцементации увеличивается с 200...230 МПа в исходном состоянии до 320...350 МПа после нитроцементации, апредел выносливости достигает 400...500 МПа

Износостойкость нитроцементованных железохромистых покрытий определяется толщиной карбонитридных слоев на поверхности. После износа этих слоев интенсивность изнашивания покрытий резко возрастает.

Разработанная технология восстановления и упрочнения деталей была опробована при восстановлении стержней клапанов и наконечников рулевых тяг автомобилей КАМАЗ. Нитроцементация в высокоактивном пастообразном карбюризаторе при температуре 570°С названных деталей с гальваническими железохромистыми покрытиями (12,5..13%Сг) обеспечила значительное повышение их износостойкости. Ресурс восстановленных таким методом клапанов увеличился в 2,5 раза, а ресурс наконечников рулевых тяг - в 3,5 раза по сравнению с новыми деталями без нитроцементации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны на основе экспериментальных исследований карбюризаторы для насыщения высокохромистых сталей азотом и углеродом при низких (550...650°С) и высоких (850...950°С) температурах, обеспечивающие получение в диффузионных слоях большого количества карбонитридных и карбидных фаз.

2. Расширены представления об окислительно-восстановительных процессах, происходящих на поверхности высокохромистых сталей при насыщения их

из различных сред и установлен механизм влияния этих процессов на формирование структуры диффузионных слоев.

3. Получены новые результаты о влиянии режимов цементации и нитроцементации хромистых нержавеющих сталей и железохромнстых гальванических покрытий на структуру и фазовый состав диффузионных слоев и найдены количественные зависимости влияния температуры и длительности обработки на характеристики диффузионных слоев сталей с 13% хрома.

4. Изучены особенности послецементационной обработки хромистых нержавеющих сталей и установлены оптимальные температуры закалки (880°С) и отпуска (300°С), обеспечивающие высокую твердость, износостойкость и ударную вязкость диффузионных карбидосодержащих слоев.

5. Доказана высокая эффективность нитроцементации железохромистых гальванических покрытий, используемых при восстановлении деталей машин. Нитроцементация обеспечивает резкое увеличение износостойкости покрытий в 2...5 раз за счет образования на их поверхности высокотвердых карбонитридных фаз и создания сильных напряжений сжатия.

6. Исследовано влияние химико-термической обработки на эксплуатационные свойства хромистых нержавеющих сталей и гальванических покрытий и на этой основе разработаны технологические рекомендации по упрочнению различных деталей, работающих в условиях коррозионно-механического изнашивания.

7. Проведена производственная проверка эффективности цементации ножей мясоизмельчителей из стали 40X13 и нитроцементации деталей автомобилей, восстановленных железными покрытиями с 13% хрома, и показано значительное увеличение долговечности упрочненных деталей.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации

1. Никулин, A.A. Эффективное восстановление автомобильных деталей гальваническими железными покрытиями с низкотемпературной нитроцементацией [Текст] / В.И. Колмыков, А.А Никулин, Д.В. Колмыков [и др.] // Бюллетень транспортной информации, 2009. - № 5. - С. 24-27.

2. Ткаченко, Ю.С. Повышение долговечности деталей работающих в условиях изнашивания в коррозионных средах, методом низкотемпературной нитроцементации [Текст] / Ю.С. Ткаченко, М.В. Мищенко, A.A. Никулин, [и др.] // Вестник Воронежского государственного технического университета. Том. 3. - 2007. - № 11. - С. 133-135.

статьи и материалы конференций

3. Колмыков, В.И. Роль кислорода в ускорении науглероживания сталей при использовании углеродно-карбонатных цементующих покрытий [Текст] I В.И. Колмыков, А.А Никулин, А.Н. Гончаров [и др.]// Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса Вып. 10. -Воронеж: ВГТУ, 2007. - С. 89-95.

4. Колмыков, В.И Каталитическая роль железа в процессе цементации хромистых сталей / В.И. Колмыков, А.А Никулин, Т.Н. Зиборова, [и др.] // Инновационные технологии и оборудование машиностроительного комплекса. Вып. 10. - Воронеж: ВГТУ, 2007. - С. 141-146.

5. Колмыков, В.И. Разработка и исследование высокоактивной насыщенной среды для нитроцементации сталей при низких и высоких температурах [Текст] / В.И. Колмыков, Н.Д. Тутов, А.А Никулин [и др.] // Материалы и упрочняющие технологии - 2008: сб. матер. XV Российской научн.-техн. конф. с межд. участием. - Курск: КГТУ, 2008. - С. 139-144.

6. Никулин, A.A. Упрочнение режущих органов машин для переработки мясопродуктов [Текст] / A.A. Никулин. // Молодежь и наука: Реальность и будущее: сб. мат. I Межд. науч.-практ. конф. - Невинномысск, 2008. - С. 321323.

7. Колмыков, В.И. Долговечность и самозатачиваемость лезвий рабочих органов перерабатывающего оборудования [Текст] / В.И. Колмыков, А.А Никулин, Н.Д. Тутов // Совершенствование технологии восстановления деталей и ремонта машин в АПК: Мат. Всероссийской научи, конф. - Курск: КГСХА, 2006.-С. 98-112.

8. Никулин, А.А Усталостные свойства трубной стали 15Х2НЗМДФТЧА для энергетического оборудования / Никулин A.A., Губин И.И., Шаповалова Ю.Д., Тезисы и материалы докладов межд. науч.-техн. конф. «Материалы и упрочняющие технологии - 07». - Курск: КГТУ, 2007. - С.170-175.

9. Никулин, A.A. Упрочнение режущих органов перерабатывающих машин нитроцементацией [Текст] / Никулин A.A. «Сварка и родственные технологии в машиностроении и электронике» Вып. 6. - Воронеж: ВГТУ, 2007. -С. 216-223.

10. Никулин, A.A. Перспективы использования нержавеющей стали 40X13 для ножей мясоизмельчающего оборудования / A.A. Никулин II «Материалы и упрочняющие технологии - 09». - Курск: КГТУ, 2009. - С. 54-59.

Подписано в печать 27.05.2009 г. Формат 60x84 1/16. Печатных листов 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 52.

Курский государственный технический университет

Издательско-полиграфичесКий центр Курского государственного технического университета 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94

Введение

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СЛОЕВ ПРИ НАСЫЩЕНИИ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ АЗОТОМ И УГЛЕРОДОМ 1 '

1.1 .Образование твердых фаз при химико-термической обработке высокохромистых сталей

1.2. Влияние кислорода на формирование диффузионных слоев при поверхностном упрочнении высокохромистых сталей 1 .ЗНасыщающие среды для поверхностного упрочнения хромистых нержавеющих сталей

1.4 Выводы. Направление исследования 9д

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ОБРАЗЦОВ. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

2.1. Выбор материалов для исследования

2.2. Химико-термическая обработка электролитических железохромистых покрытий

2.3. Методы определения состава, структуры и физико-механических свойств

2.4. Определение износостойкости и ударной вязкости высокохромистых сталей и гальванических покрыти

2.5. Математическое планирование эксперимента и обработка экспериментальных данных

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКИ ХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ

3.1. Разработка карбюризатора для цементации хромистых нержавеющих сталей

3.2 Влияние режимов науглероживания на глубину и фазовый состав диффузионных слоев на высокохромистых сталях

3.3 Влияние режимов цементации и послецементационной термообработки на твердость диффузионных слоев сталей с высоким содержанием хрома

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ НИЗКО - И СРЕДНЕТЕМПЕРА-ТУРНЫХ ПРОЦЕССОВ НАСЫЩЕНИЯ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ

МАТЕРИАЛОВ АЗОТОМ И УГЛЕРОДОМ

4.1 Обоснование выбора насыщающей среды для низкотемпературной нитроцементации деталей

4.2 Оптимизация состава нитроцементующей пасты

4.3 Влияние режимов нитроцементации на структуру и глубину диффузионных слоев

4.4. Исследование нитроцементации высокохромистых коррозионностойких гальванических покрытий

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОВЕРХНОСТНЫМ УПРОЧНЕНИЕМ

5.1 Износостойкость цементованной стали 40 Х

5.2. Повышение износостойкости режущих органов измельчителей

5.3. Низкотемпературная нитроцементация автомобильных деталей, востановленных электролитическими железохромистыми покрытиями 122 Выводы 129 Литература 130 Приложение

Хромистые нержавеющие стали мартенситного класса находят широкое применение для изготовления различных деталей и инструментов благодаря хорошему сочетанию комплекса свойств, главным из которых являются устойчивость к коррозии. Нержавеющие стали типа Х13 относительно дешевы и выпускаются металлургической промышленностью с различным содержанием углерода в больших количествах .

В настоящее время разработаны методы нанесения на поверхности углеродистых и низколегированных сталей гальванических высокохромистых (11.14% Сг) покрытий, которые значительно повышают их коррозионную стойкость .

Однако, во многих случаях, детали из нержавеющих сталей и тем более детали с высокохромистыми покрытиями, работающие в коррозионно-активных средах содержащих абразивные частицы, имеют низкую износостойкость, что значительно сужает диапазон их использования.

Радикальным образом повысить износостойкость высокохромистых сталей и покрытий можно химико-термической обработкой, которая изменяет физико-химические и механические свойства поверхностных слоев, где зарождаются и развиваются процессы разрушения материала при трении. Используя для упрочнения хромистых нержавеющих сталей такие методы обработки как цементация и нитроцементация можно получить на их поверхностях диффузионные слои с большим содержанием карбидов и карбонитридов, которые будут хорошо сопротивляться изнашиванию при высокой стойкости к коррозии.

Однако, цементация и нитроцементация высокохромистых нержавеющих сталей до настоящего времени не нашла широкого применения, что связано с недостаточной изученностью процесса и непригодностью для насыщения этих сталей известных карбюризаторов. Поэтому настоящая диссертационная работа, посвященная исследованию поверхностного упрочнения высокохромистых сталей и гальванических покрытий цементацией и нитроцементацией является актуальной.

выводы

1. Разработаны на основе экспериментальных исследований карбюризаторы для насыщения высокохромистых сталей азотом и углеродом при низких(550.650°С) и высоких(850.950 °С) температурах, обеспечивающие получение в диффузионных слоях большого количества карбонитридных и карбидных фаз.

2. Расширены представления об окислительно-восстановительных процессах, происходящих на поверхности высокохромистых сталей при насыщения их из различных сред и установлен механизм влияния этих процессов на формирование структуры диффузионных слоев.

3. Получены новые результаты о влиянии режимов цементации и нитроцементации хромистых нержавеющих сталей и железохромистых гальванических покрытий на структуру и фазовый состав диффузионных слоев и найдены количественные зависимости влияния температуры и длительности обработки на характеристики диффузионных слоев сталей с 13% хрома.

4. Изучены особенности послецементационной обработки хромистых нержавеющих сталей и установлены оптимальные температуры закалки (880 °С) и отпуска (300 °С), обеспечивающие высокую твердость, износостойкость и ударную вязкость диффузионных карбидосодержащих слоев.

5. Доказана высокая эффективность нитроцементации железохромистых гальванических покрытий, используемых при восстановлении деталей машин. Нитроцементация обеспечивает резкое увеличение износостойкости покрытий в 2.5 раз за счет образования на их поверхности высокотвердых карбонитридных фаз и создания сильных напряжений сжатия.

6. Исследовано влияние химико-термической обработки на эксплуатационные свойства хромистых нержавеющих сталей и гальванических покрытий и на этой основе разработаны технологические рекомендации по упрочнению различных деталей, работающих в условиях коррозионно-механического изнашивания.

7. Проведена производственная проверка эффективности цементации ножей мясоизмельчителей из стали 40X13 и нитроцементации деталей автомобилей, восстановленных железными покрытиями с 13% хрома и показано значительное увеличение долговечности упрочненных деталей.

1. Металловедение и термическая обработка стали: В Зт. Справочник: 4-е изд. т.2. Основы термической обработки // Под ред. M.J1. Берн штейна, А.Г. Рахштадта. М.: Металлургия, 1991. 368с.

2. Металловедение и термическая обработка стали: В 3 т. Справочник: 4-е изд. т.З. Термическая обработка металлопродукции// Под ред. М.Л. Бернштейна, А.Г. Рахштадта. М.: Металлургия, 1991. 216с.

3. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.И. Химико-термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1985. 256с.

4. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1986.480с.

5. Переверзев В.М. Диффузионная карбидизация стали. Воронеж: Изд. Воронежского университета, 1977. 92с.

6. Рыжков Ф.Н., Иванова 0;В., Колмыков В.И. Поверхностное упрочнение стали карбидами, при цементации // Известия Курского государственного технического университета, Курск, 1998. №2. С, 31-35.

7. Рыжков Ф.Н., Колмыков В.И., Иванова О.В, Карбидообразование на поверхности марганцевых сталей при цементации// Известия Курского государственного технического университета. Курск, 1997. №1. С. 36-40.

8. Меськин B.C. Основы легирования стали. М.: Металлургия, 1964. 684с.

9. И.Гудремон Э. Специальные стали. Т.1. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1966. 736с.12,13