Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Графитизация стали. Свойства и области применения графитизированных сталей 7
1.1. Условия образования графита в сталях 7
1.2. Влияние кремния и других легирующих элементов и примесей на графитизацию сталей 11
1.3. Свойства и области применения графитизированных сталей 16
1.4. Выводы 21
ГЛАВА 2. Объекты исследования. Методика экспериментальных исследований 23
2.1. Выбор сталей для исследования. Технология изготовления и цементации образцов 23
2.2. Методика определения состава, структуры и свойств цементованных слоев 27
2.3. Математическое планирование эксперимента и обработка экспериментальных данных 31
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование графитизации кремнистых сталей при науглероживании 36
3.1. Карбюризатор для насыщения сталей до высоких содержаний углерода 36
3.2. Влияние режимов цементации на эффективность графитизации кремнистых сталей 46
3.3. Влияние предварительной закалки на графитообразование при науглероживании кремнистых сталей 52
ГЛАВА 4. Свойства кремнистых сталей с графитизированными поверхностными слоями 65
4.1. Влияние режимов графитизации на твердость и ударную вязкость кремнистых сталей 65
4.2. Исследование стойкости графитизированных слоев против износа и схватывания 77
4.3. Повышение надежности деталей тормозных устройств автомобилей поверхностной графитизацией 91
4.4. Выводы 100
Общие выводы 102
Литература 104
Приложения 116
- Влияние кремния и других легирующих элементов и примесей на графитизацию сталей
- Математическое планирование эксперимента и обработка экспериментальных данных
- Влияние режимов цементации на эффективность графитизации кремнистых сталей
- Повышение надежности деталей тормозных устройств автомобилей поверхностной графитизацией
Введение к работе
Важная проблема современного машиностроения и ремонтного производства - обеспечение надежной работы узлов трения (подшипников, подпятников, шарниров, направляющих, кулачковых механизмов, тормозных устройств и т.п.). Неблагоприятное соотношение свойств твердых тел, контактирующих при трении, приводит к схватыванию с образованием наростов и задиров, заеданию и к ускорению их изнашивания.
Наиболее доступным, эффективным и широко используемым средством борьбы со схватыванием и уменьшением трения в сопряжениях является применение смазочных материалов (жидких, пластичных и твердых), которые подаются в узлы трения и обеспечивают их работоспособность. Однако в современных машинах существует много узлов трения, в которые затруднительно подать смазку в необходимых количествах. Для таких сопряжений используют детали, изготовленные из антифрикционных материалов (серых, ковких и высокопрочных чугунов и т.п.), имеющих низкий коэффициент трения и низкую склонность к схватыванию.
Хорошие триботехнические свойства чугуна обеспечиваются тем, что содержащийся в нем графит играет роль молекулярной смазки на поверхностях трения и, кроме того, обусловливает повышенную пористость материала, благодаря чему поверхностные слои деталей в какой-то мере пропитываются маслом, облегчающим трение деталей и уменьшающим износ.
Детали, изготовляемые из обычных конструкционных сталей ковкой, штамповкой и механической обработкой имеют более высокие прочностные показатели, чем чугунные отливки, однако их антифрикционные свойства гораздо ниже, чем у деталей, отливаемых из чугуна. Необходимость сочетания свойств стали и чугуна привела к созданию высокоуглеродистой графитизированной стали, часть углерода в которой содержится в виде мелкодисперсных графитных включений. Однако графитизированные ста ли не нашли широкого применения из-за дороговизны и длительности технологического процесса графитизации.
Одним из возможных способов получения графитосодержащих слоев на трущихся поверхностях стальных деталей является цементация с образованием графита в диффузионных слоях. Однако известные способы графитизации, состоящие в науглероживании и последующем графитизи-рующем отжиге, так же широкого практического применения не получили по тем же причинам.
Поэтому до настоящего времени остается весьма актуальной задача улучшения антифрикционных свойств стальных изделий, используемых в автомобильной, тракторной, сельскохозяйственной и других отраслях машиностроения, таким методом, который по длительности, стоимости и технологичности не уступал бы обычной цементации.
Цель работы - создание технологического процесса цементации, который позволял бы науглероживать низколегированные стали до составов чугунов и получать при этом структуру диффузионных слоев, состоящую из избыточных включений графита, изолированных друг от друга в стальной матрице.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Проанализировать условия образования графитосодержащих диффузионных слоев, при цементации низколегированных сталей.
2. Разработать карбюризатор для цементации кремнистых сталей типа 55G2-70C3, обеспечивающий равномерное науглероживание их диффузионных слоев до составов чугунов со скоростью, приемлемой для массового производства.
3. Исследовать влияние температуры и длительности цементации на структуру и состав графитосодержащих диффузионных слоев кремнистых сталей.
4. Исследовать свойства графитизированных цементованных кремнистых сталей и определить оптимальные режимы их термической обработки.
5. Разработать технологию грфитизации деталей, работающих в условиях интенсивного изнашивания, и наметить пути использования разработанного метода химико-термической обработки стали.
Влияние кремния и других легирующих элементов и примесей на графитизацию сталей
Известно, что кремний, вводимый в состав чугуна в повышенных количествах, способствует его графитизации в процессе кристаллизации и охлаждения отливок. Кремний в различных количествах присутствует и во всех сталях, куда он попадает при переделе из чугуна и из сплавов, применяемых для раскисления сталей. В небольших количествах (менее 1 %) кремний всегда присутствует в стали и считается ее постоянной примесью.
Даже в малых количествах кремний, присутствующий в стали, согласно [3, 9], оказывает значительное влияние на характер и состав неметаллических включений, а также существенно влияет на прокаливаемость, склонность к трещинообразованию при закалке и др. Кремний широко используется для легирования сталей, т.е. добавляется в их состав специально в относительно больших количествах (несколько процентов), так как он заметно повышает прокаливаемость и, кроме того, является самым дешевым легирующим элементом.
Как следует из диаграммы состояния железо-кремний (рис. 1.5), кремний относится к элементам, замыкающим у-область. В сплавах, содержащих менее 0,002 % углерода, у-область имеет наибольшую протяженность при 1150 С и 1,75 % Si. В системе железо-кремний-углерод имеются сплавы, полностью претерпевающие фазовые превращения, т.е. имеются, как и в системе железо-углерод, перлитные, чисто ферритные и полуферритные сплавы.
Кремний снижает растворимость углерода в у-железе. Точка эвтек-тоидного превращения, при наличии в стали кремния, сдвигается к меньшим концентрациям углерода [23]. Температура эвтектоидного превращения повышается и при 4 % Si и 0,45 % С, согласно [23], достигает 850 С. На рис. 1.6 [2] показано, что в сплавах железо-кремний-углерод даже при 8 % Si сохраняется узкая область гомогенного у-раствора.
Кремний способствует выделению углерода в соответствии со стабильной системой железо-графит. Графитизирующее влияние кремния хорошо известно для чугуна. Это влияние наблюдается также и в сталях [14], особенно в сталях с повышенным содержанием кремния и углерода (рис. 1.7).
Большая часть исследований тройной диаграммы состояния Fe-Si-C, представленных в литературе, относится к стабильной системе железо-кремний-графит [29...37], что можно объяснить как раз сильной склонностью к графитизации кремнистых сталей. Критические точки А! и А3 при нагреве и при охлаждении с увеличением содержания кремния смещаются, согласно этим работам, в область более высоких температур.
Введение кремния в цементуемую сталь вызывает значительное уменьшение глубины цементации. Согласно [21, 22], при содержании 2,2% Si глубина слоя уменьшается на 25...30 %, а при 2,7 % Si на 35...40% по сравнению с обычными цементуемыми сталями. Согласно данным [5, 6] введение кремния в цементуемую сталь вызывает столь значительное уменьшение глубины цементации, что уже при 5 % Si науглероживания не наблюдается даже при цементации в древесном угле с углекислым барием.
При высоком содержании кремния стали приобретают склонность к графитизации в процессе науглероживания. Согласно [22], в стали с 3,45 % Si значительная часть углерода выделяется в свободном состоянии уже в процессе цементации, и графитизирующий отжиг диффузионного слоя для такой стали не требуется. Значительное снижение содержания углерода в твердом растворе и уменьшение глубины цементации указывают на то, что кремний замедляет диффузию углерода в у-растворе.
Известно, что не только кремний, но и алюминий существенно повышает склонность стали к графитизации [1,2]. Такая склонность проявляется уже при достаточном раскислении ее алюминием. Возможно, действие алюминия на графитизацию объясняется тем, что продукты раскисления действуют как зародыши графитных зерен.
Отмечается [1...4, 9], что с помощью присадок в сталь хрома в количестве 0,5 % и более, можно практически при любой обработке (ковке, цементации, отжиге) избежать графитизации. Аналогично действуют, согласно [1], и другие сильные карбидообразующие элементы, такие как титан, ванадий и ниобий. В противоположность этому присадки молибдена или вольфрама не ослабляют графитизацию, а никель и кобальт способствуют ей [1]. Согласно тем же источникам, стали, содержащие названные выше элементы, вследствие графитизации, прошедшей при науглероживании, не могут быть отполированы до блеска.
Следует отметить, что остается открытым вопрос, в какой мере особенности металлургического производства влияют на процесс графитизации стали. Неясно, является ли графитизации следствием изменения устойчивости карбидов, вызываемого легирующими элементами и примесями, либо графитизация является следствием изменений в содержании неметаллических включений, их природы и распределения. Достоверно известно лишь то, что согласно вышеприведенным литературным данным, графитизация стали вызывается критическим нагревом, в особенности при его сочетании с ковкой в области критических температур. Известно также, что такие легирующие присадки, как кремний, молибден, вольфрам и кобальт, способствуют графитизации (образованию черного излома), а присадки хрома, ванадия и титана препятствуют образованию графита в структуре стали. Следует также отметить, что согласно [1], получению черного излома (графитизации) способствует алюминий, если он присутствует в стали в количестве большем, чем требуется для раскисления. Наконец, сильно способствует графитизации углерод.
Математическое планирование эксперимента и обработка экспериментальных данных
Для исследования состава, структуры и свойств цементованных слоев использовали следующие методы: химический, микроскопический, количественный микроструктурный, фазовый рентгеноструктурный и дюра-метрический.
Химический анализ проводили для определения состава исследуемых сплавов и состава цементованных слоев. Анализ проводили в ЦЗЛ Курского ОАО «Прибор».
Микроструктурный анализ проводили для изучения структуры исследуемых образцов, для качественной и количественной оценки результатов цементации и термообработки. Микрошлифы протравливали в 4 %-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте и рассматривали или фотографировали с помощью микроскопа МИМ-8 при различных увеличениях.
Количественный микроструктурный анализ проводили на микроскопе МИМ-8 с использованием окуляр-микрометра. Содержание структурных составляющих в цементованных слоях подсчитывали точечным методом Глаголева [104]. Рентгеновский анализ применяли для определения фазового состава цементованных слоев. Анализ проводили съемкой непосредственно с металлографических шлифов на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 в хромовом излучении. Обработку дифрактограмм проводили по методике [106,107].
Твердость образцов и изделий определяли на приборах ТК-2 (твердомер Роквелла) с использованием шкал «В» и «С». Микротвердость измеряли с помощью микротвердомера ПМТ-3 при нагрузках
Абразивную износостойкость графитизированных слоев определяли трением по закрепленному кварцевому абразиву по методике М.М. Хрущева [95]. Цилиндрический образец диаметром 2 мм торцом прижимается к плоскости вращающегося диска с натянутой шкуркой и получает радиальное перемещение, которое за один оборот диска составляет 1 мм. Путь трения образца по диску представляет собой спираль Архимеда. Трение образца происходит практически по свежему абразиву при малой поверхности трения, малой скорости скольжения и интенсивном изнашивании. В опытах в тех же условиях испытывали эталонный материал (сталь 45). Износ определяли по разнице весов до и после испытаний. Взвешивание проводили на весах ВЛА-200М с точностью до 0,0001 г.
Для оценки износостойкости графитизированных сталей в условиях трения в сопряжениях (между двумя контактирующими деталями) проводили испытания на машине трения СМЦ-2, которая позволяет воспроизвести различные условия работы деталей и регистрирует значения коэффициента трения. Испытания проводили с подачей в зону трения смазки без абразива и смазки, загрязненной абразивными частицами; проводили испытания при сухом трении, а также определяли стойкость графитизированных образцов против схватывания и задира. Для проведения испытаний использовались две схемы настройки машины: «ролик-колодка» и «ролик-ролик» (рис. 2.2). Первая схема позволяет реализовать механизм трения скольжения, вторая - механизм трения качения с проскальзыванием и, таким образом, воспроизвести практически все возможные варианты изнашивания реальных деталей.
Частота вращения ролика (образца), установленного на основном шпинделе машины составляла 1000 мин"1. При испытании по схеме «ролик-ролик» частота вращения второго ролика (контртела), установленного на дополнительном шпинделе, составляла 900 мин"1, что обеспечило проскальзывание в пределах 10 %.
Износ образца при испытаниях как на машине СМЦ-2, так и на машине Х4-Б, определяли весовым методом, взвешивая образец до и после испытаний на лабораторных аналитических весах ВЛА-200 с точностью 0,0001 г.
Заедание при трении определяли визуально по полосам задира, возникающим на шлифованной поверхности образца, а также по специфическому вибрирующему звуку, который появлялся при возникновении задиров.
Испытания на ударную вязкость проводили для изучения влияния цементации до высоких содержаний углерода и последующей термообработки на динамическую прочность деталей из кремнистых сталей. Эти испытания проводили по методике Шарпи на образцах квадратного сечения, свободно положенных на две опоры, сечение образцов 10 х 10 мм, длина 55 мм. Для опытов использовали образцы без надреза, так как предполагали, что пронизанный графитными включениями поверхностный слой цементованных образцов выполняет роль надреза. Для разрушения образцов применяли маятниковый копёр МК-30.
Кроме того на ударную вязкость испытывали образцы диаметром 2 мм, цементованные насквозь, для определения влияния на динамическую прочность характеристик структуры диффузионных слоев.
Влияние режимов цементации на эффективность графитизации кремнистых сталей
Наличие в составе карбюризатора углекислого натрия обеспечило несколько большую глубину диффузионного слоя и несколько большее содержание в нем графитных включений, чем добавки углекислого бария (табл. 3.1, рис. 3.2). Эта разница может быть объяснена, как показано в работе [114], тем, что при температуре цементации окись натрия, которая образуется при термической диссоциации карбоната натрия, находится в жидком состоянии. Являясь поверхностно активным веществом по отношению к железу она хорошо смачивает поверхность цементуемой стали и оказывает более активное каталитическое действие, чем окись бария, которая при температуре цементации находится в твердом состоянии.
Что касается карбюризатора с триэтаноламином, то, несмотря на то, что он показал весьма хорошие результаты цементации, особенно по глубине диффузионного слоя, его применение нельзя рекомендовать по экологическим соображениям.
Триэтаноламин, имеющий, как уже отмечалось, химическую формулу N(C2H40H), при нагреве в цементационном контейнере цианистый углерод (HCN). Последний является черезвычайно ядовитым соединением и, несмотря на то, что он выделяется из цементующей пасты в относительно малых количествах, он может при использовании в массовом поизводстве попадать в атмосферу цеха и делать это производство экологически опасным. Рекомендовать его применение можно лишь в том случае, если цементационный участок будет оборудован эффективной местной и общей вентиляцией и устройством для нейтрализации отходящих газов. Дополнительные затраты на устройство вентиляции и другие экологические мероприятия, связанные с использованием триэтаноламина, лишает его тех минимальных преимуществ, которые он имеет по сравнению с другими жидкими компонентами.
Поэтому, по результатам проведенных экспериментов, для графити-зации кремнистых сталей наиболее подходящим можно считать пастообразный карбюризатор, состоящий из 85 % масс, мелкодисперной газовой сажи, 15 % углекислого натрия (соды). Порошкообразные компоненты должны быть тщательно смешаны в сухом виде, после чего доведены до состояния густой пасты путем разведения в водном растворе поливинил-ацетатной эмульсии (клея ПВА). Количество жидкого клея должно составлять 30 % от массы сухих компонентов.
Поверхности, предназначенные для графитизации, покрываются пастой с помощью жесткой кисти или погружением в сосуд с пастой. После нанесения паста может быть высушена (в течение 1 ч при комнатной температуре), - сухое покрытие не пачкает оборудование и рабочих. Деталь с нанесенным покрытием до упаковки ее в контейнер для цементации может храниться долгое время, при этом покрытие не теряет цементирующих свойств.
Детали, с нанесенным на поверхности карбонатно-сажевым покрытием, могут цементоваться в контейнерах, как при твердой цементации, а также в цементационных печах (типа «Ц» или других) в любой науглероживающей атмосфере.
Для исследования влияния режимов цементации на образование гра-фитосодержащих слоев на кремнистых сталях был проведен специальный эксперимент по цементации стали 55С2 в пастообразном карбюризаторе, содержащем сажу, углекислый натрий и ПВА при различных температурах и с различными выдержками. Названная сталь и состав карбюризатора выбраны для дальнейшего исследования, так как они обеспечили лучшие результаты цементации в предварительном исследовании (см. раздел 3.1).
Цементация образцов стали 55С2 проводилась в цементационных контейнерах, в которые помещали цилиндрические образцы с высушенным сажево-карбонатным покрытием на поверхности. В качестве наполнителя в контейнере использовали отработанный древесноугольный бон-дюжский карбюризатор. Нагрев и выдержку контейнеров с образцами проводили в лабораторной вертикальной электропечи с электронным регулированием температуры. Вся партия образцов перед цементацией была одновременно закалена с температуры 850 С в воде.
Для сокращения количества опытов и получения математической модели цементации исследования проводили с использованием математического планирования эксперимента (см. гл. 2). В качестве факторов, независимо влияющих на результаты цементации, принимали температуру цементации в интервале от 880 до 960 С и длительность цементации в интервале 6...12 ч. В качестве критериев оптимизации названных факторов принимали характеристики цементованных слоев кремнистой стали: 1) глубину графитосодержащей зоны на поверхности стали и 2) максимальное содержание графита в структуре (на расстоянии 0,05 мм от цементованной поверхности).
Повышение надежности деталей тормозных устройств автомобилей поверхностной графитизацией
Снижение интенсивности графитообразования при науглероживании стали 55С2, закаленной с высоких температур (900 С и выше) может быть объяснено тем, что из-за наличия в закаленном слое большого количества остаточного аустенита в нем не возникает больших закалоченных напряжений и микротрещины образуются в меньших количествах, чем при температуре закалки 850 С. На рис. 3.11 показан вид графитных включений, образованных в диффузионном слое кремнистой стали 55С2, которая перед цементацией была закалена с температуры 900 С. Как видно, количество графитных включений в диффузионном слое меньше, чем у стали предварительно закаленной с 850 С (рис. 3.10), при одних и тех же режимах науглероживания. Кроме того, графитные включения у сталей, прошедших предварительную закалку при различных температурах, различаются по форме. Закалка с 850 С обеспечивает образование включений удлиненной формы, закалка с 900 С - образование относительно равноосных включений меньших размеров.
Таким образом, можно считать установленным, что цементация кремнистой стали, закаленной перед науглероживанием, позволяет получить в диффузионных слоях большое количество графитных включений (на уровне или даже выше, чем у традиционных графитизированных сталей), за относительно короткое время. Высокая скорость графитизации является следствием большого количества пор и микротрещин в закаленных слоях, которые заполняются углеродом, поступающим из высокоактивной среды при науглероживании дефектной структуры.
Однако предварительная закалка необязательное условие образования графита в кремнистой стали при ее цементации в высокоактивном са-жево-карбонатном карбюризаторе. Поскольку можно с достоверностью утверждать, что графитообразование в диффузионных слоях катализируют микропоры, то можно предположить, что такие дефекты в кремнистых сталях могут быть получены не только при закалке, но и непосредственно в процессе цементационного отжига. Известно, что микропоры и другие дефекты кристаллической решетки могут возникать в металлических системах с различной диффузионной подвижностью элементов (эффект Киркендалла). Такой системой как раз и является система железо-углерод-кремний.
В исходном состоянии структура кремнистой стали представлена двумя фазами - ферритом и цементитом (входящим в состав перлита), причем весь кремний растворен в феррите, а в цементите его практически нет [2]. При аустенизации этой стали кремний, как весьма подвижный элемент, начинает уходить из областей с большей концентрацией (бывших ферритных) в области с меньшей концентрацией (в области растворившегося цементита). Диффундирующий кремний способствует образованию большого количества дефектов в структуре стали (скоплений вакансий, дислокаций, микропор). Поры образуются, как правило, в местах контакта цементита с твердым раствором, где в начале растворения цементита создается значительный перепад концентрации кремния.
В процессе цементации стали образующиеся в диффузионном слое микропоры могут быть заполнены углеродом, интенсивно поступающим из карбюризатора. Этот углерод на внутренней поверхности пор в присутствии кремния кристаллизируется в решетку графита.
Было проведено экспериментальное исследование цементации кремнистой стали без предварительной закалки с целью определения условий, при которых в диффузионных слоях будут одновременно образовываться микропоры и графитные включения в них.
Цементацию образцов из стали 55С2 проводили при температуре 920 и 1000 С в пастообразном карбюризаторе состоящем из газовой сажи, углекислого бария и клея ПВА (карбюризатор № 1 в табл. З.1.): на поверхность образца наносили цементующую пасту слоем 2-3 мм, просушивали покрытие при температуре 60...80 С и упаковывали в контейнер, используя в качестве наполнителя отработанный древесноугольный карбюризатор. Длительность цементации была различной, - от 6 до 30 часов. Результаты эксперимента представлены на рисунках 3.12...3.15. Как видно из полученных результатов, графитизация стали 55С2 без предварительной закалки проходит гораздо медленнее, чем графитизация закаленной стали. Если у предварительно закаленной стали цементация при 920 С в течение 10 часов обеспечивают глубину графитосодержащего слоя равную 1,4... 1,5 мм, то такую же глубину без предварительной закалки может обеспечить цементация при 1000 С в течение 20 часов. При температуре 920 С цементация стали 55С2 не обеспечила получение глубины графитосодержащего слоя в 1,5 мм даже при длительности 30 часов.
Вообще, как видно из рис. 3.12, длительность цементационного отжига влияет на глубину графитосодержащих слоев как предварительно закаленной стали 55С2, так и той же стали без предварительной закалки практически линейно, однако при больших выдержках (выше 20...25 ч) наблюдается некоторое снижение интенсивности графитообразования при всех температурах, что, по-видимому связано со снижением активности карбюризатора из-за истощения запаса активных компонентов. Форма графитных включений, образовавшихся в диффузионных слоях кремнистой стали 55С2, полученных цементацией без предварительной закалки, отличается от включений, полученных в предварительно закаленной стали (рис. 3.10, 3.13). В стали с предварительной закалкой включения графита имеют удлиненную форму, в то время как у стали не прошедшей такую закалку, включения графита образовывались в виде относительно равноосных зерен.
