Введение к работе
з
Актуальность темы. 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 стали 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 гра-фитизирующем 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 дру-
гих 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:
-
Проанализировать условия образования графитосодержащих диффузионных слоев, при цементации низколегированных сталей.
-
Разработать карбюризатор для цементации кремнистых сталей типа 55С2-70СЗ, обеспечивающий равномерное науглероживание их диффузионных слоев до составов чугунов со скоростью, приемлемой для массового производства.
-
Исследовать влияние температуры и длительности цементации на структуру и состав графитосодержащих диффузионных слоев кремнистых сталей.
-
Исследовать свойства графитизированных цементованных кремнистых сталей и определить оптимальные режимы их термической обработки.
-
Разработать технологию грфитизации деталей, работающих в условиях интенсивного изнашивания и наметить пути использования разработанного метода химико-термической обработки стали.
Методы исследований. Химический состав цементованных сталей определяли экспресс - спектральным методом на спектрографе ИСП-22, дюраметрические исследования проводили с использованием твердомера ТК-2 «Роивелл» и микротвердомера ПМТ-3. Исследования структуры проводили методами оптической микроскопии на металлографическом микроскопе МИМ-8 и методами рентгеноструктурного анализа на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3. Износостойкость графитизированных слоев кремнистых сталей исследовали на машинах трения Х4-Б и СМЦ-2 в различных условиях изнашивания, ударную вязкость определяли на маятниковом копре МК-30 и специальном копре с пониженной энергией удара.
Научные положения, выносимые на защиту:
состав карбонатно-сажевого карбюризатора, позволяющий науглероживать кремнистые стали до составов чугунов и получать структуру диффузионных слоев, содержащую включения графита в металлической матрице;
механизм графитообразования в кремнистых сталях, заключающийся в том, что при температуре цементации диффузия кремния в
і ***<»»».*** *
S «» ** *
неравномерном у-твердом растворе за счет эффекта Киркендалла вызывает образование пор, которые заполняются углеродом, поступающим из высокоактивного карбюризатора;
способ ускорения графитоообразования в сталях, прошедших предварительную закалку, является следствием того, что закалка приводит к образованию в поверхностных слоях микротрещин и других дефектов, являющихся зародышами графитных включений и облегчающих рост этих включений при науглероживании стали;
результаты экспериментального исследования свойств графи-тизированных кремнистых сталей, устанавливающие зависимости твер-
> дости, ударной вязкости, износостойкость в различных условиях трения
и др. от особенностей структуры и состава диффузионных слоев.
Достоверность научных положений. Достоверность результа-
| тов исследований и научных положений, представленных в диссерта-
ции, обеспечена применением современных, теоретически обоснованных и апробированных методик исследований, использованием поверенных приборов и оборудования, многократной повторностью опытов, их статистической обработкой методами теории вероятностей, проведением опытно-производственных испытаний разработанной технологии графитизации и эксплуатационными испытаниями графитизированных деталей. Модельные представления, разработанные в диссертации, не противоречат результатам работ и выводам других авторов. Научная новизна.
-
Исследованы режимы процесса графитизации стали, обеспечивающие получение в структуре диффузионных слоев.
-
Раскрыты механизмы зарождения и роста графитных включений в аустените кремнистых сталей.
-
Исследовано влияние предварительной закалки на ускорение графитообразования при цементации за счет образования дефектов на поверхности стали, заполняемых графитом в процессе науглероживания.
-
Получены новые экспериментальные данные по износостойкости графитосодержащих слоев цементованных сталей в различных условиях изнашивания, определены области применения графитизированных деталей.
Практическая значимость работы.
На основе обобщения теоретических и экспериментальных исследований разработана и опробована в производственных условиях технология поверхностной графитизации конструкционных низколегированных сталей, обеспечивающая их повышенную стойкость против изнашивания и схватывания. Цементация с предварительной закалкой деталей тормозной системы автомобиля (разжимных кулаков, валов
разжимных кулаков, осей тормозных колодок, осей педалей), выполненная по разработанной технологии, обеспечила работоспособность и высокую долговечность этих деталей при работе в условиях недостаточной смазки.
Результаты работы можно рекомендовать для использования на предприятиях автотракторного и сельскохозяйственного машиностроения, а также в ремонтном производстве.
Личный вклад автора. Проведен анализ условий графитиза-ции стали при различных видах обработки, рассмотрены свойства и области применения графитизированных сталей. Разработан и исследован высокоактивный карбюризатор, обеспечивающий образование в структуре диффузионных слоев включений графита в процессе науглероживания. Исследовано влияние режимов цементации и послецементацион-ной обработки на структуру и свойства графитосодержащих слоев кремнистых сталей. Установлено влияние предварительной закалки кремнистой стали на интенсификацию графитообразования при цементации и раскрыт механизм этого влияния. Проведена апробация разработанного способа поверхностной графитизации стали в производственных условиях.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов Курской государственной сельскохозяйственной академии 18-21 марта 2003 года, на X Российской научно-технической конференции с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии - 2003», посвященной 40-летию Курского государственного технического университета 23 -25 ноября 2003 г.; на научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов Курской государственной сельскохозяйственной академии 24 - 27 февраля 2004 года
Публикации. По материалам диссертации опубликовано семь печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, включает рисунков, таблиц. Библиографический список содержит 121 наименование источников.
