автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние легирования цементуемых сталей на карбидообразование при цементации и свойства карбидосодержащих слоев

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Томкович Владислав Витальевич

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ ЦЕМЕНТУЕМЫХ СТАЛЕЙ НА КАРБИДООБРАЗОВАНИе ПРИ ЦЕМЕНТАЦИИ И СВОЙСТВА КАРБИДОСОДЕРЖАЩИХ СЛОЕВ

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка

металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Курском государственном техническом университете на кафедре "Автомобили и автомобильное хозяйство"

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Переверзев В.М.

Официальные оппоненты -

Ведущее предприятие

доктор технических наук, профессор Гадалов В.Н. к.т.н., доцент Борсяков A.C. НПО "ВНИИнефтемаш" ПО "Геомаш"

.ао

_часов

Защита состоится ". на заседании диссертационного совета Курского государственного технического университета (305040, Курск, 50 лет Октября, 94).

С диссертацией мохно ознакомиться в библиотеке КГТУ. Автореферат разослан " " ччО^^р^ 1995 года

Ученый секретарь

д.т.н., профессор -—-g-Ф.Яцун

Адрес университета и подразделения оперативной полиграфии: 305040, г.Курск, ул.50лет Октября, 94 Тираж 100 экземпляров. к52.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

Весьма перспективным методом повышения абразивной износос-ойкости стальных изделий является их цементация с образованием в иффузионных слоях большого количества цементита . Имеются ведения об эффективном упрочнении таким методом буровых долот, гуторезальных нояей для производства искусственных волокон, пре-изионных деталей дизельных топливных насосов, которые при отно-ительно невысоких технологических затратах показали в несколько аз более высокую износостойкость, чем серийные.

Твердость цементита достаточна, чтобы противостоять абра-нвному действию кварца - основы всех природных абразивных- масс, ля получения карбидосодержащих слоев достаточной глубины цементит олжен присутствовать в структуре в зернистом виде.

Условиями получения диффузионных слоев, насыщенных большим оличеством цементита, являются: использование при цементации вы-окоактивного карбюризатора и легирование цементуемой стали хро-ом и другими карбидообразующими элементами. Сталь должна быть ле-ирована весьма экономно и не содержать дорогих и дефицитных леги-ующих элементов.

Таким образом, исследование влияния легирующих элементов на бразование карбидов в диффузионных слоях при цементации и на войства этих слоев, которому посвящена настоящая работа, являет-я весьма актуальным.

Цель работы: установление минимального уровня комплексного егирования стали хромом и марганцем, обеспечивающего возможность ементации сталей массового применения с науглероживанием их до онцентраций в эвтектических и заэвтектических чугунах.

В работе были установлены следующие задачи . .

1. Изучить механизм формирования и кинетику роста карбидных ключений при цементации стали, легированной хромом и марганцем.

2. На основе этого исследования разработать рекомендации по рогнозированию и реализации оптимальных Фазовых составов и груктуры цементованных слоев.

3. Исследовать влияние легирования цементуемой стали на со-ержание карбидной Фазы, образующейся в диффузионных слоях при

-к-

цементации, а также на абразивную износостойкость и ударную вязкость.

4. Сформулировать и обосновать требования к легированию сталей, упрочняемых карбидосодержащими цементованными слоями.

Научная новизна. В работе теоретически обоснованы новые принципы легирования сталей, упрочняемых карбидами при цементации.

Сформулированы новые представления о механизме влияния хрома и марганца на карбидообраэование в диффузионных слоях, на абразивную износостойкость и ударную вязкость этих слоев. Предложен комплексный критерий для оптимизации состава цементуемой стали.

Практическая ценность. Разработаны рекомендации по упрочнению диффузионных слоев карбидами при цементации и прогнозированию их свойств в зависимости от системы и степени легирования цементуемых сталей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работь докладывались и обсуждались

1. Собрание металловедов России

22___24 сентября 1993 г., г.Пенза.

2. Российская научно-техническая конференция 15___17 ноября 1994 г., г.Курск.

Публикация. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 167 страниц машинописного текста, из них основная часть содержит 147 страниц,34 рисунка, 7 таблиц. Список литературы включает 131 наименование.

Основное содержание работы

В первой главе диссертации приведен обзор литературных данных и поставлена задача исследований.

Обобщены сведения о влиянии легирования цементируемых сталей на структуру и свойства диффузионных слоев, а также сведения о влиянии легирующих элементов в стали на карбидообраэование при цементации.

?

Показано, что в условиях абразивного изнашивания одним из наиболее эффективных методов повышения износостойкости стальных изделий может быть их цементация, при которой в диффузионных поверхностных слоях образуется большое количество карбидов. При этом поверхность приобретает очень высокую твердость и не поддается абразивному воздействию песка и других природных абразивов. Добиться такого эффекта можно при наличии в диффузионном слое не менее 60...80% карбидной Фазы. При этом карбидная Фаза может быть представлена только цементитом, т.к. на его образование расходуется основа стали - железо. Количество других карбидов ограничивается содержанием в стали легирующих элементов.

Показано также, что образование большого количества цементита при науглероживании возможно только в легированных сталях. Основным легирующим элементов, обеспечивающим усвоение достаточно большого количества углерода, большую глубину цементованного слоя с содержанием значительного количества цементита, может быть только хром. Кроме хрома заметное влияние на карбидообразование при цементации оказывает марганец. Другие карбидообразующие элементы влияют на образование цементита в стали при цементации весьма слабо.

В литературе недостаточно данных, как экспериментальных так и теоретических, которые позволили бы выяснить механизм влияния марганца и хрома на образование цементитных включений при цементации стали, нет также исследований влияния системы и степени легирования сталей на износостойкость и ударную вязкость цементованных слоев.

В работе была поставлена задача проанализировать механизм влияния хрома и марганца на образование и рост цементитных включений в диффузионных.слоях сталей при науглероживании, на этой основе наметить рациональную систему легирования цементуемой стали. Кроме того была поставлена задача экспериментально проверить выводы теоретического анализа, исследовать влияние содержания легирующих элементов в стали на износостойкость и ударную вязкость цементованных слоев и с учетом этих двух основных свойств оптимизировать состав цементуемой стали, пригодной для изделий, работающих в природных абразивных массах (рабочих органов почвообрабатывающих, противоэрозионных и землеройных машин, буровых долот и т.п.).

Глава вторая. Анализ влияния хрома и марганца на формирована диффузионных слоев при цементации.

Форма выделяющихся из твердого раствора карбидных частиц при цементации стали решающим образом влияет на результаты цементации. Если карбиды выделяются в виде карбидной корки на поверхнос-• ти и сетки по границам зерен, они перекрывают пути диффузии углерода и скорость цементации резко снижается. Если карбиды имеют округлую форму и рассредоточены в матрице равномерно, углерод относительно легко, по участкам твердого раствора между карбидами, может проникать на достаточную глубину, обеспечивая хорошие результаты цементации.

Форму растущей частицы цементита при науглероживании стал1 определяет соотношение между упругой энергией, связанной с искажением кристаллической решетки аустенита, вблизи границы растущего карбидного включения упр) , и энергии поверхностного натяжения границы карбидной частицы (Л Спои). При

ДСг.

ов < ¿А вупр цементитное иключение будет расти в виде тонкой пластины, при А Бпов >ДС5ул1> форма растущего в аустените цементитного включения будет равноосной.

Поскольку упругая деформация сосредоточена в аустените, ка! в менее жесткой Фазе, а влияние хрома на упругость последнего П1 температуре цементации весьма незначительно,очевидно предположит! что степень легирования стали хромом на величину упругой энерг» не будет оказывать заметного влияния. Оценочный расчет показывг ет,что максимальная величина упругой энергии для аустенитной мач рицы составляет

Дс упр = 0,059 Дж/м3 Поверхностную энергию растущего цементитного включения можш оценить, учитывая связь между коэффициентом поверхностного натяжения и радиусом кривизны (размером) частицы цементита, с одно! стороны, и экспериментальные данные о влиянии легирования стал! хромом на размер цементитных включений, с другой стороны. Тако! подход дает выражение, связывающее поверхностную энергию цементита с количеством хрома в стали, в виде

Ас пов = £ 421Х — ,

ссг

коэффициент соответствия; коэффициент поверхностного натяжения; концентрация хрома в стали.

В свою очередь

с1 =3' '(100-1*2), (2)

п'

где Л - постоянная величина, определяемая температурой и длительностью цементации; И - радиус кривизны поверхности растущего зерна цементита. Расчет поверхностной энергии цементита в зависимости от степени легирования стали хромом, произведенный с использованием выражений (1) и (2) представлен в табл. 1.

Таблица 1

Влияние хрома на размер цементитного включения коэффициент поверхностного натяжения и повехностнуго

энергию Стов при науглеровании сплава Ие-Сг-С

Г Содержание 1 хрома в | сплаве ,%ат | 1 1 1 1,5 | 1 1 1 1 2 | 1 1 1 1 3 | 1 1 1 4 |

1 Радиус цемен- | титного вклю- 1 чения И, мкм 1 1 1 1 8,0 | 1 1 1 1 5,25 | 1 1 1 1 3,5 | 1 1 2,62 |

1 Коэффициент 1 поверхностного | натяжения,с1, | Дж/мг | 1 1 1 0,019 | 1 1 1 1 1 0,026 | 1 1 1 1 1 0,050 | 1 1 1 0,071 |

1 Поверхностная 1 энергия в | единице объема 1 ДСпо6, Дж/м3 | 1 1 1 0,0567 | 1 1 1 1 0,0582| 1 1 1 1 1 0,074 | 1 1 1 0,079 | •

где £

Ы.

С

СГ

- а -

Сравнивая рассчитанные значения ДСупр иДСпов можно определить критическое содержание хрома в сплаве. Это содержание равнс < Р

Сс(г 2,1 % ат. В сплавах, концентрация хрома в которых меньше критической, цементитные включения образуются только в пластинчато! форме, независимо от условий цементации, в сплавах с большей концентрацией цементитные включения образуются равноосными.

При анализе влияния хрома на рост карбидных включений при цементации принимали, что если в стали, легированной достаточным количеством хрома, движущая сила превращения по мере насыщения углеродом медленно растет от нуля, то вначале наибольший вклад в зарождение карбидной фазы будут давать границы зерен и субзерен, затем дислокации внутри субзерен и, наконец, флуктуации состава.

Скорость роста только что образовавшейся частицы контролируется вначале процессами на межфазной границе, после того как зародыш приобретет устойчивый размер, скорость его роста определяется диффузией:

сШ Бг<= С/"- С Гр0&Й'

— = - - , (3)

<1Ь й Сц<2 М- С ]равН.

С V-

где Б у - коэффициент диффузии углерода в фазе;

И - радиус цементитной частицы;

концентрация углерода в матрице в начале роста цементитного включения;

состав аустенита у поверхности раздела Фаз; Сцем - концентрация углерода в цементите. Хром, содержащийся в аустените, влияет на величину коэффициента диффузии углерода в нем, это влияние предлагается учитывать с помощью выражения

= А (1 + - 0,038 % Сг)), (4)

где А - постоянная величина, учитывающая температуру цементации и подвижность атомов;

Ра-С

- коэффициент активности углерода в нелегированном железоуглеродистом сплаве.

Коэффициент диффузии углерода зависит также от радиуса це-ментитных частиц

R(t) = 2$ t , (5)

Асгйач-сг9аай

где В =./---------------------

J V 2 Cl

.цем. - Cf равй

Результаты расчетов скорости роста цементитных частиц, в зависимости от содержания хрома в цементуемой стали, выполненных с использованием ЭВМ, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Влияние хрома на коэффициент диффузии углерода в аустените г

), на размер карбидной частицы (Ю и на скорость роста карбида ((Щ/с1Ъ) при науглероживании сплава Ре-Сг при 920° С.

С, ат % i 1,5 | 1 2 1 3 | 1 1 5 | 1 7 | 1 1 10 |

Сцсм, ат % 1 25,4 | 1 25,48 1 25,71 | 1 1 25,78 | 1 1 26,06 | 1 26,13|

Сг«>вН ат % 1 4,04 | 1 3,62 I 3,10 | 1 1 2,37 | 1 1 1,85 | 1 1,43|

СfHai , ат % 1 4,048| 1 3,627 1 3,106| 1 1 2,375| 1 1 1,855| 1 1,434|

С 7 гМ2 Dj. 10 t—- 1 1 6,01 | 5,53 1 4,98 | 1 4,37 | 1 1 2,92 | 0,89|

с 1 1 1 1 1 1 1 1

R, мкм 1 7 | 1 5,25 1 3,5 | 1 1 2,1 | 1 1 1,5 | 1 1,05|

dR см — 10 — 1 1 3,21 | 3,34 1 1 3,78 | 1 1 4,8 | 1 1 3,9 | 1,51|

dt с 1 1 i 1 1 i 1 i

Как следует из данных расчета, скорость роста цементитных включений с повышением содержания хрома в стали от 1,5 до "5% возрастает, при дальнейшем повышении концентрации хрома - скорость роста карбидов при науглероживании резко уменьшается.

Такой ход зависимости скорости роста карбидов от содержания хрома в стали при ее науглероживании можно объяснить тем, что в зоне восходящей ветви зависимости хром активизирует процессы перестройки решетки - карбид), ускоряя рост карбида, в зоне нис ходящей ветви (после 5% хрома) — превалируют процессы, контролируемые диффузией, и скорость роста карбидов снижается пропорционально уменьшению коэффициента диффузий.

Марганец, содержащийся в цементуемой стали,также как и хром, заметно влияет на карбидообразования при цементации, причем это влияние наиболее сильно проявляется в хромомарганцевых сталях.

Добавка в сталь хрома способствует зарождению цементитных включений, добавка марганца ускоряет рост и коагуляцию цементитных включений.

Марганец имеет больший период кристаллической решетки, чем - железо, поэтому входя в состав аустенита он повышает степен) когерентности решеток аустенита и цементита, период решетки которого тоже больше. Этим самым марганец способствует более легко! перестройке решеток (аустенит - карбид) и снижает компоненту упру гой энергии при росте новой фазы (т.е. способствует искривлент межфазной границы).

Для расчетов влияния марганца на карбидообразование при цементации использовались следующие выражения:

а = 2,653 С,ме + 3,649 , (6

где а - период кристаллической решетки легированного твердого раствора;

9мс- концентрация твердого раствора (атомная доля второго компонента);

а_, - а

£= - . (7

а

где £ - степень несоответствия кристаллических решеток

- П -

легированного аустенита и выделяющегося при науглероживании цементита; ац - период кристаллической решетки цементита.

Значение упругой энергии, возникающей при росте цементитного включения

бС^2-

Еупр = - , (8)

4

1 + -

за*

где в - модуль упругости;

¡У - объем, в котором заключена частица новой Фазы; ЗС - коэффициент сжимаемости.

Приняв, чтоI/"не зависят от легирования, можно заключить, что относительная упругая энергия легированного аустенита будет равна

й' £г +Мп о ТН о

УПГ = -ГТ' (9)

где в* и в - соответственно модули упругости легированного и нелегированного аустенита; +Мп - несоответствие решеток - Ре и цементита

в легированной стали;

- несоответствие названных решеток в нелегированной стали.

Модуль упругости легированного твердого раствора определяется по правилу аддитивности, исходя из этих характеристик для аустенита и марганца.

Кроме влияния на упругую энергию, сопровождающую рост новой Фазы при цементации, легирование марганцем оказывает влияние и на скорость'перестройки кристаллической решетки ¡р - Ге в решетку цементита. Это влияние можно учесть с помощью следующего выражения:

сШ в

_ = (С*™ СЛ0В ) , (10)

Ег

с1Ъ

где § - постоянная, определяемая конкретными характеристиками атомного механизма перехода от одной решетки к другой.

Результаты расчетов, проведенных с использованием выражений (4)...(10) приведены в табл.З

£г £г

Таблица 3

Зависимости периода кристаллической решетки аустенита (а), степени несоответствия решеток аустенита и цементита ( £ ), модуля упругости (С), относительной упругой энергии (ЕуЛр ) и скорости роста цементитной частицы (сШ/с1Ъ) от содержания в стали марганца

Содержание в стали марганца, ат % 1 1 2 3 4 1 5 1 6 |

Период кристаллической решетки аустенита, а, А 3,675 3,702 3,728 3,755 3,782 3,808 |

Степень несоответствия кристаллических решеток аустенита и цементита, £ 0,23 0,22 0,21 0,205 0,196 0,188 |

Модуль упругости аустенитной матрицы, С 104, МПа 21,61 21,63 21,64 21,66 21,675 21,69 |

Относительная упругая энергия легированного аустенита, р отн 0,92 0,84 0,77 0,74 0,68 0,62 |

Скорость роста сферической частицы цементита, с!Н/с1 Ь, см/с 4,34 1 4,75 5,21 5,48 5,99 6,51 | 1

При увеличении содержания марганца в стали упругая энергия, связанная с ростом цементитных частиц при науглероживании, интенсивно уменьшается, а скорость роста этих частиц почти прямолинейно увеличивается. Здесь следует однако отметить, что такое положительное действие марганца проявляется только в стали, содержа-

щей кроме марганца и хром.

Сталь, чтобы быть способной к упрочнению карбидной фазой при цементации, должна быть легирована минимально необходимым для образования сферических цементитных центров количеством хрома (2...3%), и марганцем, который обеспечит достаточно эффективный рост этих центров.

Глава третья. Методика исследования.

Изложена технология изготовления образцов для исследования, технология их цементации и термообработки.

Для определения состава, структуры и свойств цементованных слоев использовали следующие виды анализов: химический, микроструктурный, фазовый рентгеноструктурный, измерение твердости и микротвердости, механические испытания.

Для микроструктурного анализа использовали металлографический микроскоп МИМ-8. Содержание структурных составляющих в цементованных слоях определяли точечным методом Глаголева с помощью окуляр-микрометра.

Для определения типа карбидной фазы цементованные слои подвергали анодному травлению, анализ анодного осадка проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-1 в хромовом излучении.

Фазовый состав матрицы в цементованных слоях определяли съемкой непосредственно с металлографических шлифов на том же аппарате.

Ударную вязкость и износостойкость цементованных слоев определяли по оригинальным методикам на специально изготовленных для этих испытаний установках.

Испытания на износостойкость производились путем трения тонких образцов (пластин толщиной 2 мм, подвергнутых сквозной цементации) о полузакрепленный абразив (кварцевый песок). Эта схема изнашивания в наибольшей степени соответствия условиям изнашивания рабочих органов почвообрабатывающих и других машин, работающих в природных абразивных массах.

Для определения ударной вязкости использовались малые образцы квадратного сечения 2x2 мм, вырезанные из образцов для иэнос-ных испытаний. Для испытаний был изготовлен маятниковый копер

оригинальной конструкции с односторонним креплением образца.

Для получения достоверных результатов и сокращения количества опытов в экспериментах в работе использовали приемы математического планирования эксперимента (рототабельное планирование второго порядка). Результаты экспериментов обрабатывали с использованием ЭВМ.

Глава четвертая. Экспериментальное исследование свойств це ментованных малолегированных сталей с карбидосодерхащими диффузионными слоями.

Влияние легирования на структуру цементованных слоев. Содержание углерода в поверхностных слоях промышленных сталей после цементации в высокоактивном пастообразном карбюризаторе и количество карбидной фазы представлены в табл.4. В табл.5 представлена результаты рентгеноструктурного анализа карбидной Фазы в этих сталях.

Таблица 4

Содержание углерода и количество карбидной Фазы в диффузионных слоях промышленных легированных сталей

I Марка стали I 1 1 и ш 1 1 01 ' и 1 о 1 М 1 1 X 1 0 1 1 1 ^ 1 X 1 О X) 25ХГМ ; ^ 1 ^ 1 X 1 ^ 1 ™ 1 ' ХО ! * 1 0 1 1 Ю 1 V 3 хвг

1 Содержание 1

углерода на 1 1,3 | 1,38 | 1,9 | 3,8 3,9 | 4,8 | 5,3 3,8 3,5|

поверхности,% 1 1

1 Количество 1

карбидной фазы | 3,8 | 3,9 | 7,2 | 15,1 17,2 | 85,5 | 91 14,7 13,5|

на глубине 0,2мм|

% поля шлифа 1 1 1 1 1 1 1 1

Таблица 5

Карбидная фаза в цементованных слоях легированных хромом

сталей

Марка стали■ Содержание хрома, % Содержание карбидной фазы, % 1 1 1 Тип карбидов! 1 1 1 1 | | 1 Примечание!

ЗОХ 0,92 7,2 | Ме5С | 1 |

ЗОХГТ 1,16 15,1 1 1 | Ме $ С | 1 1

25Х5М 5,03 85,5 1 1 |Ме$ С + Ме^С3| 1 1 1 | Преобладает! Ме5 С |

30X13 12,9 91,0 1 1 |Ме^ С + Ме?С3| 1 1 | 1 Преобладает] Ме 7 С з | 1

Как видно из приведенных данных, наибольшей способностью усваивать углерод, образуя большое количество карбидной фазы в поверхностных слоях, обладают высокохромистые стали 25Х5М и 30X13. С другой стороны, в диффузном слое стали.30X13 карбидная фаза образовалась в виде тонкой полосы на самой поверхности образца, под этой зоной количество карбидов весьма невелико. Стали, легированные хромом и марганцем (ЗОХГТ, ХВГ), содержат в диффузионных слоях меньше карбидов, но заэвтектоидная зона имеет значительную глубину, а размеры карбидов в этой зоне значительно больше, чем у высокохромистых сталей. Структура диффузионных слоев сталей, не содержащих хрома, имеет карбидную фазу в виду корки или сетки по границам зерен (65Г, 30Г2). Таким образом, результаты проведенного эксперимента полностью подтверждают теоретические выводы, сделанные во 2 главе.

При повышении содержания хрома в стали до ~5% содержание карбидов в цементованных слоях интенсивно возрастает, достигая 80. . .90% по объему. Карбидная фаза при этом представлена, в основном, карбидами цементитного типа. При дальнейшем повышении содержания хрома в стали, в цементованных слоях количество карбидов практически не увеличивается, происходит только замена карбидов цементитного типа на карбиды смешанного типа. При содержании в

стали хрома свьпце 10% преобладающим типом карбида в диффузионных слоях является карбид (Сг, Ре)^ С^.

С целью изучения влияния комплексного легирования стали хромом и марганцем на основные характеристики карбидосодерхащей зоны цементованного слоя был поставлен специальный эксперимент с использованием математического планирования. В качестве факторов в этом эксперименте было принято содержание в стали хрома, марганца и титана. Титан добавляли в сталь с целью предотвращения роста зерна во время цементационного отжига, и, кроме того, - для изучения его влияния на карбидообразование.

В качестве критериев оптимизации были приняты: содержание карбидов в цементованных слоях и их относительная износостойкость в кварцевом абразиве. Учитывая сложный характер влияния хрома на карбидообразование, были поставлены две серии опытов: для малого содержания хрома (0...2 %) и для большого содержания хрома (2...6%). В результате обработки экспериментальных данных были получены адекватные уравнения регрессии для принятых критериев. Для содержания карбидной фазы:

1, = 55,1 + 15,2 ССг+ 12,8 Смп+ 2,0 С^С^- 7,2

~ 4,9 Смг- 1,1 Сл-2;

= 63,0 + 10,1 С^ + 6,8 с^- 1,6 СС1г Смп+ 5,5 Ссг

(11)

(12)

'М/г

где п, и - содержание карбидной Фазы в цементованном слое при

малом и большом лагировании стали хромом, % поля шлифа;

С. , Су,п , С-]-(- - содержание в стеши хрома, марганца и титана соответственно, X вес. Из полученных уравнений следует, что титан весьма слабо влияет на карбидообразование при цементации, причем его влияние заметно лишь при малом содержании в стали хрома. Хром оказывает на Формирование карбидной Фазы в диффузионных слоях исследованных сплавов весьма сложное влияние. При увеличении его содержания в стали от 0 до "1,5 % количество карбидов интенсивно возрастает,

затем, при увеличении содержания хрома в интервале 1,5-3,5 % количество карбидной фазы практически не увеличивается, и, наконец, при дальнейшем повышении содержания хрома возрастает и содержание карбидной Фазы, стремясь к 100 %.

Марганец, присутствующий в стали совместно с хромом, заметно усиливает его влияние, особенно при малых содержаниях хрома; при относительно большом содержании хрома в стали ("6 %), влияние марганца на карбидообразование при цементации сводится к минимуму.

При фиксированных количествах хрома в стали повышение степени легирования ее марганцем приводит к монотонному увеличению количества карбидов в диффузионном слое при цементации, причем, как было уже сказано выше, это влияние марганца весьма интенсивно при малых содержаниях в стали хрома (до 2 %), при больших содержаниях - менее заметно.

Результаты проведенного эксперимента позволяют разрабатывать систему легирования стали для управления структурой диффузионного слоя, получаемого при цементации. Например, получить 70 % карбидов в слое можно, используя сталь, легированную 1,5 % хрома и 3 % марганца, либо сталь, в состав которой входит 5 % хрома и 1 % марганца. При этом, в первом случае карбиды будут иметь относительно большие размеры, а эаэвтектоидная зона - большую глубину. Во втором случае карбидные включения будут небольших размеров и сосредоточены, в основном, на поверхности. Таким образом, появляется возможность, в зависимости от требуемого характера карбидной структуры выбирать легированную сталь для цементации.

Характер влияния легированных элементов на абразивную износостойкость описывается двумя уравнениями регрессии для малого и большого содержания хрома (от 0 до 2 % и от 2 до 6 %):

I, = 10,8 + 7,4 Сс& + 8,9 СМ1г+ 1,2 Ст, + 6,9 Ссй + 1,2 Ссй С7-; +

(13)

+ 1,0 СМПСГ(+ 1,0 ССьг + 2,6 0,9 СТ1

Тг = 24,6 + 24,5 11,5 С + 1,9 Ссг См„ + 13,2 Ссъ +

+ 1,6 Смл ;

где I) и 12, - соответственно относительные износостойкости кар-бидосодерхащих слоев цементированных сталей, легированных О___2 % хрома и 2...6 % хрома.

По виду полученных уравнений можно заключить, что при малых концентрациях хрома в стали заметное влияние на износостойкость (на одном уровне с хромом) оказывают марганец и титан. В высокохромистых сталях титан вообще не влияет на уровень износостойкости цементованных слоев, а влияние марганца значительно ослаблено.

Повышение содержания хрома в стали от О до 2 % ведет к интенсивному увеличению износостойкости цементованных слоев, однако лишь при одновременном увеличении содержания в ней марганца. При отсутствии же в стали марганца хром в указанном диапазоне концентраций влияет на износостойкость слабо (износостойкость практически остается на постоянном низком уровне, ~5 ед.).

Если в стали не содержится хром, то и марганец, независимо от его концентрации, на цементацию и износостойкость цементованных слоев не влияет. С увеличением содержания в стали хрома увеличивается, как уже отмечалось, и влияние марганца на износостойкость. При этом марганец с увеличением его содержания в хромистой стали увеличивает абразивную износостойкость интенсивнее, чем хром.

При малых содержаниях хрома и марганца (по'0,5% в виде примесей), титан, добавляемый в цементуемую сталь, снижает и без того малую износостойкость цементованного слоя (1...2 ед.). При содержании в стали по 1% хрома и марганца (легирование типа ХГТ) титан, при его введении в сталь до 0,5%, повышает износостойкость, а при дальнейшем повышении концентрации - не оказывает влияния на эту характеристику. Аналогичная картина наблюдается и в сталях, имеющих более высокие содержания хрома и марганца.

Несколько иной характер влияния легирующих элементов в цементируемых сталях на износостойкость их диффузионных слоев наблюдается при повышенных содержаниях хрома. При увеличении концентрации легирующего хрома с 2 до 3% при всех содержаниях марганца наблюдается некоторое снижение абразивной износостойкости, при дальнейшем увеличении количества хрома в стали износостойкость цементованных слоев резко повышается. Цементованные слои сталей, легированных хромом в количествах 6% и более, имеют исключительно высокую износостойкость (1...2 порядка) уже независимо

от содержания в стали марганца.

Марганец в цементуемых хромистых сталях также оказывает заметное влияние на повышение износостойкости цементованных слоев при абразивном изнашивании. В высокохромистых сталях износостойкость возрастает прямо пропорционально возрастанию содержания марганца (при постоянной концентрации хрома).

Анализ экспериментальных данных по влиянию легирования-на количество карбидной фазы в цементованных слоях и их абразивную износостойкость приводит к выводу о взаимосвязи этих характеристик. При относительно небольшом количестве карбидной фазы в слое, соответствующем небольшому содержанию в стали хрома, абразивная износостойкость этого слоя относительно невелика: при увеличении содержания карбидной фазы от 0 до 40%, износостояйкость увеличивается примерно на порядок. При содержании карбидной фазы 40...60% износостойкость цементованного слоя резко возрастает (на 2 порядка) и при дальнейшем увеличения содержания карбидной фазы стремится к очень высоким значениям (при 80% карбидов - более 1000 ед.), что свидетельствует о прекращении абразивного воздействия на карбидосодержащий слой.

Высокая износостойкость цементованных сталей достигается путем создания в диффузионных слоях большой концентрации цементита, при этом, ввиду большой хрупкости карбидной фазы снижается ударная вязкость цементованных слоев. Влияние легирования стали на ударную вязкость цементованных слоев описывается следующим выражением, полученным в результате обработки экспериментальных данных.

ан = 247 - 87ССг- 28СМ(Г 12Сс^ + 1ЛСипг (15)

где ан - работа разрушения образца, кДж/М2.

Как видно из полученного уравнения, титан не влияет на ударную вязкость цементованных сталей, только хром и марганец определяют уровень этой характеристики.

При увеличении содержания в стали хрома, ударная вязкость цементованного слоя снижается с возрастающей интенсивностью, приближаясь к нулевому значению при содержании хрома 6...7%. Чем больше в хромистой стали марганца, тем при меньшем содержании хрома наступает хрупкое разрушение.

При фиксированном содержании в стали хрома, увеличение концентрации марганца от 0 до 2,5...3% ведет к постепенному уменьшению ударной вязкости цементованных слоев. При дальнейшем увеличении содержания марганца - ударная вязкость остается на одном уровне. Наличие хрома в марганцовистой стали понижает уровень ударной вязкости после цементации одинаково при всех содержаниях марганца.

Между ударной вязкостью цементованных слоев и содержанием в них карбидной фазы существует закономерная связь, как и в случае абразивной износостойкости. При увеличении количества цементита в структуре от 0 до 50% ударная вязкость образцов уменьшается от 400 до 360 кДж/м2 почти прямолинейно, при увеличении количества карбидов выше 50% ударная вязкость резко падает и при 70% карбидов стремится к стабилизации на очень низком уровне. Такой характер зависимости ударной вязкости цементованного слоя от наличия в нем карбидов свидетельствует, по-видимому о следующем: при малом количестве карбидной фазы ударная вязкость определяется металлической матрицей, участки которой занимают достаточно большой объем, при большом количестве карбидов пластичность матрицы не проявляется и ударная вязкость резко падает.

Высокий уровень износостойкости цементитсодержащих слоев сочетается с весьма невысокой ударной вязкостью, поэтому для оптимизации составов сталей, работающих в природных абразивных массах (почвы, грунта и т.п.), предложен комплексный критерий работоспособности упрочненного слоя, учитывающий одновременно износостойкость и ударную вязкость. Этот критерий численно равен произведению износостойкости на ударную вязкость для данных условий легирования, т.е.

-2

= 10 I ан (16)

При малом содержании хрома в сталях, в состав которых не входит марганец, комплексный критерий остается на постоянном низком уровне, что связано с недостаточным количеством карбидной фазы в структуре и, следовательно, с низкой износостойкостью. При увеличении содержания хрома больше 4% комплексный критерий увеличивается, достигая максимума при 6%. Затем величина этой характе-

ристики резко падает, т.к. в цементованном слое количество карбидов увеличивается настолько, что ударная вязкость падает почти до нуля.

Для сталей, в состав которых кроме хрома входит еще и марганец, зависимость комплексного критерия от степени легирования хромом имеет очень сложный характер. Эти зависимости имеют два локальных экстремума, соответствующие приблизительно 2 и 5% хрома. Первый экстремум связан, по-видимому, с высоким уровнем ударной вязкости цементованного слоя, когда в его структуре, наряду с карбидами, присутствует достаточно много участков вязкой металлической матрицы. Второй экстремум определяется высоким уровнем износостойкости, когда количество карбидной фазы в цементованном слое превышает 60%. Марганец, добавляемый в хромистую сталь увеличивает первый экстремум и практически не влияет на второй.

Наиболее интенсивно марганец влияет на комплексный критерий при ~2% хрома, причем это влияние возрастает до содержания марганца тоже "2%, затем значительно снижается. При повышении содержания хрома в стали, марганец в меньшей степени влияет на комплексный критерий работоспособности цементованных слоев.

Таким образом, если изделие, поверхность которого предполагается упрочнять цементацией с образованием карбидосодержащих слоев, будет работать в условиях, где наряду с абразивным изнашиванием будут возможны и ударные нагрузки, то для него следует выбрать сталь, легированную 1,5...2% хрома и 1...2% марганца, что обеспечит удовлетворительное сочетание износостойкости и ударной вязкости. Если же при работе упрочняемого изделия ударных нагрузок не будет, для него целесообразно выбрать сталь, легированную 4,5...5% хрома и "1% марганца, что обеспечит при цементации почти 100% содержание карбидов в диффузионном слое и исключительно высокую износостойкость (на три порядка выше обычной стали), т.к. абразивное воздействие на упрочненную поверхность прекратится.

Практическая реализация результатов исследований.

Для апробирования исследованного способа упрочнения стальных изделий были изготовлены плужные лемеха составной конструкции, режущая часть которых (носок) была выполнена съемной из стали ЗОХГТ и подвергнута цементации. Для оптимизации режимов этой упрочняющей обработки, было исследовано влияние температуры и длительности цементации на структуру диффузионного слоя и на основа-

нии этих исследований выбраны оптимальные режимы.

Режущие части опытных лемехов, представляющие собой пластинки толщиной 5 мм из стали ЗОХГТ (лезвия) , цементовали в камерной цеховой электропечи Н60 в древесноугольном карбюризаторе (25% свежего бондюжского и 75% отработанного) в закрытых цементационных ящиках. Передние поверхности лезвий перед загрузкой в печь

покрывали пастой (% вес): сажа газовая - 12, углекислый барий -

о

8, триэтаноламин - 80. Температура цементации - 920 С, длительность - 12 часов.

В результате цементации на лезвиях образовались глубокие диффузные слои (~2 мм) с развитой зоной зернистых карбидов. Закалку цементованных лезвий производили с индукционным нагревом на

о

установке ЛПЗ-67. Температура нагрева 880...900 С, охлаждение в

о

масле. Отпуск при 180 С в течение 2 часов.

Эксплуатационные испытания опытных лемехов проводили в производственных условиях в arpoкомбинате "Клюква" Курского района. Опытные лемехи били установлены на восьмикорпусном плуге (к трактору К701) через один с серийными лемехами. Испытания проводились в течение двух сезонов на вспашке зяби на почвах различного состава. Износ лемехов с лезвиями из цементованной стали ЗОХГТ оказался в среднем в 3,12 раза меньше, чем износ серийных лемехов из стали 65Г, подвергнутых объемной закалке. При этом у опытных лемехов проявился эффект самозатачивания - режущая кромка этих ле-мехов-весь период работы оставалась острой.

ВЫВОДЫ •

1. Исследован механизм влияния хрома на формообразование и рост карбидных включений в легированной стали при цементации. Хром, в процессе образования в диффузионном слое цементитной частицы, определяет величину поверхностной энергии, которая сопровождает образование поверхности раздела Фаз (цементит - аусте-нит). При содержании в стали хрома более 2,1 ат% поверхностная энергии будет больше упругой энергии, которая связана с деформацией кристаллической решетки аустенита растущим цементитным включением, форма цоментитного включения будет равноосной. В противном случае это включение будет расти в виде тонкой пластинки.

Скорость роста цементитных включений при науглероживании

стали с увеличением содержания в ней хрома до "5% возрастает, при дальнейшем увеличении его содержания - снижается. Это объясняется тем, что хром, при его относительно малых содержаниях активизирует процессы перестройки аустенита в цементитную, при больших -замедляет диффузию углерода в аустените.

2.Проведено аналитической исследование влияния марганца на карбидообразование при цементации. При увеличении содержания марганца в стали упругая энергия, связанная с ростом цементитных частий при науглероживании, интенсивно уменьшается, что способствует их коагуляции, а скорость роста этих частиц возрастает. Однако, такое влияние марганца проявляется только при наличии в стали хрома, который способствует зарождению цементитных включений.

3. Показано, что при цементации малолегированных промышленных сталей диффузионные слои с большим содержанием карбидов образовались только в сталях, содержащих хром, что подтверждает выводы теоретического анализа. При содержании в стали до 5 % хрома -карбидная Фаза в ее цементованных слоях представлена цементитом, при большем содержании хрома - в структуре диффузионных слоев появляются карбиды смешанного типа.

4. Исследовано с использованием математического планирования эксперимента влияние комплексного легирования цементуемой стали хромом, марганцем и титаном на структуру и свойства их диффузионных слоев. Результаты проведенного эксперимента позволяют разработать методику управления структурой цементованного слоя, изменяя количество хрома и марганца в цементуемой стали.

Выявлены закономерности влияния на износостойкость и ударную вязкость. Эмпирические уравнения, полученные обработкой экспериментальных данных позволяют прогнозировать свойства диффузионных слоев в зависимости от содержания в стали хрома, марганца и титана. Комплексный критерий работоспособности, учитывающий износостойкость и ударную вязкость структуры, позволяет оптимизировать состав цементуемой стали для каждого конкретного случая ее применения .

5. Проведено практическое опробывание упрочнения малолегированной стали, упрочненной цементацией с образованием карбидосо-держащих диффузионных слоев. Из стали ЗОХГТ были изготовлены ле-мехи плуга и упрочнены цементацией, режимы которой были опредсле-

ны экспериментально. После работы по вспашке эяби в течение двух сезонов опытные лемехи показали в ~3 раза меньший износ, чем серийные, что подтверждает высокую эффективность упрочнения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах .:

1. Переверзев В.М., Колмыков В.И., Томкович В.В. Влияние зернистого цементита на закаливаемость цементованных слоев//Тези-сы докладов I Собрания металловедов России. Часть IX. (Пенза, 22-24 сентября 1993 г.)-Пенза, 1993.-С.27-28.

2. Переверзев В.М., Колмыков В.И., Томкович В.В. Окислительно-восстановительные процессы в легированных сталях при цемента-ции//Тезисы и материалы докладов Российской научно-технической конференции.(Курск, 15-17 ноября 1994 г.)- Курск, 1994,- С.16-17.

3. Переверзев В.М., Колмыков В.И., Томкович В.В. Оптимизация легирования цементируемой стали, стойкой против износа в кварцевом абразиве//Теэисы и материалы докладов Российской научно-технической конференции.(КУрск, 15-17 ноября 1994 г.)- Курск, 1994.-С.38-40.

4. Колмыков В.И., Томкович В.В., Переверзев В.М. Ускорение испытаний цементированных сталей на износ в кварцевом абраэи-ве//Тезисы и материалы докладов Российской научно-технической конференции.(15-17 ноября 1994г.)- КУрск, 1994.- С.81-83.

5. Переверзев В.М., Колмыков В.И., Томкович В.В. Карбидооб-разование на поверхности марганцовистых сталей при цемента-