Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы наплавки и поверхностного упрочнения стальных изделий 5
1.1. Способы получения наплавленных покрытий на стальных деталях 5
1.2. Перспективы использования химико-термической обработки для упрочнения наплавленных деталей 11
1.3. Термическая обработка и свойства нитроцементованных слоев 27
1.4. Выводы. Направление исследования 33
Глава 2. Методика экспериментального исследования 35
2.1. Технология изготовления и химико-термической обработки образцов 35
2.2. Методика исследования структуры и физико-механических свойств нитроцементованных наплавок 39
2.3 Определение износостойкости нитроцементованных наплавок 41
2.4 Математическое планирование экспериментов и обработка экспериментальных данных 43
Глава 3. Исследование нитроцементации наплавленного металла, легированного марганцем и хромом 50
3.1. Особенности формирования структуры диффузионных слоев при насыщении углеродом и азотом сталей, содержащих марганец 50
3.2. Насыщающая среда для упрочнения покрытий, наплавленных в среде углекислого газа 63
3.3 Оптимизация режимов нитроцементации наплавленных покрытий в азотисто-углеродной пасте 73
Глава 4. Структура и свойства нитроцементованных наплавленных слоев 85
4.1 Структура и фазовый состав нитроцементованных наплавок 85
4.2. Твердость и внутренние напряжения в нитроцементованных слоях направленного металла 92
4.3 Износостойкость нитроцементованных наплавок 98
4.4. Технологические аспекты упрочнения восстановленных деталей 107
Основные результаты и выводы 114
Библиографический список 116
- Перспективы использования химико-термической обработки для упрочнения наплавленных деталей
- Особенности формирования структуры диффузионных слоев при насыщении углеродом и азотом сталей, содержащих марганец
- Структура и фазовый состав нитроцементованных наплавок
- Технологические аспекты упрочнения восстановленных деталей
Введение к работе
Актуальность темы. Сложившаяся в настоящее время ситуация во многих отраслях народного хозяйства, характеризуемая сверхнормативной изношенностью оборудования, и требование модернизации этих отраслей приводит к необходимости разработки мероприятий по продлению ресурса машин и оборудования и их реновации до уровня новых изделий.
В этих условиях особую актуальность приобретает совершенствование ремонта машин и агрегатов, при этом одним из наиболее приоритетных направлений развития ремонтного производства является восстановление изношенных деталей. Развитие этого направления дает возможность поддерживать работоспособность сложных и дорогостоящих современных машин с наименьшими капитальными затратами.
Наиболее распространенным методом восстановления изношенных деталей в отечественном ремонтном производстве является наплавка их поверхностей электродным металлом для компенсации их износа. При этом наплавка в среде защитных газов является наиболее дешевым, универсальным и удобным для ремонтного производства методом. Использование эффективных методов упрочнения наплавленного металла, в частности нитроцементации, может полностью восстановить ресурс детали до уровня новой, или даже превысить его.
Исследования, которые проводятся в этом направлении и которым посвящена настоящая работа, являются весьма актуальными в свете повышения надежности современной техники.
Цель работы – научное обоснование и разработка технологии поверхностного упрочнения металлических покрытий, наплавленных низкоуглеродистыми низколегированными проволоками в среде углекислого газа, нитроцементацией в активных средах для улучшения структуры и повышения механических и эксплуатационных свойств.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
– исследовать структуру металла, наплавленного в среде углекислого газа и, на основе результатов этого исследования выбрать наиболее рациональный и эффективный метод химико-термической обработки для упрочнения;
– разработать и исследовать насыщенную среду, обеспечивающую устранение дефектов структуры при обработке наплавок и повышение их твёрдости и износостойкости за счёт образования избыточной фазы в структуре диффузионных слоёв;
– исследовать влияние режимов насыщения наплавленного металла азотом и углеродом на структуру и фазовый состав диффузионных слоёв на марганцовистых и хромомарганцовистых наплавках;
– исследовать влияние структурных характеристик нитроцементованных наплавок на их механические и эсплуатационные свойства;
– разработать технологические рекомендации по упрочнению деталей, восстановленных наплавкой, применительно к условиям ремонтного производства.
Объектом исследования являются металлические покрытия, наплавленные низколегированной проволокой в среде углекислого газа на стальные изделия, подвергнутые нитроцементации.
Методы исследования. Для решения задач, поставленных в работе использовался комплекс современных методов: микроструктурный, рентгеноструктурный, химический и дюраметрический анализы, определение внутренних напряжений и износные испытания. При проведении экспериментов использовалось математическое планирование.
Научная новизна
-
Приведено теоретическое обоснование возможности исправления дефектной структуры и эффективного упрочнения наплавленных сталей, содержащих в своём составе марганец, науглероживанием, с использованием положений теории стефановского потока вещества.
2. Получены результаты исследования влияния количественного содержания компонентов пасты на основе сажи с добавлением железосинеродистого калия, углекислого калия и нитроцеллюлозы, а также режимов нитроцементации на глубину нитроцементации легированных наплавок.
3. Определена закономерность формирования структуры и фазового состава диффузионных слоёв на поверхностях, наплавленных марганцовистой и хромомарганцовистыми проволоками в среде углекислого газа, при их обработке в азотисто-углеродистой пасте при температуре 800…950С.
4. Выявлены закономерности влияния нитроцементации и последующей термообработки на твёрдость, напряжённость и износостойкость наплавленных покрытий и взаимосвязь этих свойств с характеристиками структуры.
На защиту выносятся наиболее значимые положения диссертационного исследования, составляющие научную новизну работы:
– новые представления о формировании структуры и фазового состава наплавленного металла, содержащего марганец и хром, при его нитроцементации в активных средах при пониженных температурах:
– закономерности влияния состава насыщающей среды и режимов нитроцементации на глубину диффузионных слоёв на легированных наплавках и на содержание в них карбонитридов;
– закономерности влияния состава нитроцементованных наплавок и характеристик структуры на их твёрдость и сопротивляемость изнашиванию при различных видах трения;
– технологические приёмы, позволяющие исправить дефектную структуру наплавленного металла и повышать механические и эксплуатационные свойства восстановленных деталей.
Практическая ценность работы. Теоретические и экспериментальные данные, полученные при проведении исследований, существенно расширяют инженерные возможности использования метода наплавки стальных изделий в среде углекислого газа. Положительный пастообразный карбюризатор и технология нитроцементации наплавленных деталей, удобная для ремонтного производства, может быть использована при восстановлении самых различных деталей отечественных и зарубежных машин с высоким экономическим эффектом за счёт повышения их долговечности.
Долговечность результатов исследований, основных положений и выводов подтверждается корректностью постановки задач, систематическим характером экспериментальных исследований с использованием методик и оборудования, а также согласованностью полученных результатов с общепринятыми представлениями в данной области науки и отсутствием противоречий с работами других исследователей.
Апробация работы. Основные положения диссертации и её отдельные результаты были доложены и получили положительные оценки на ХIV, XV и XVI российских научно – технических конференциях с международным участием « Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 2007, 2008 и 2009 годы), I Международной научно-технической конференци «САМИТ 2009» Курск 2009
Публикации. По материалам публикаций опубликовано 7 печатных работ, одна из которых в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объём работы, Диссертация состоит из введения, четырёх глав, вводов, библиографического списка, включающего 127 источников, и приложения. Работа изложена на 118 страницах машинописного текста, включает 22 рисунка и 7 таблиц.
Перспективы использования химико-термической обработки для упрочнения наплавленных деталей
Химико-термическая обработка деталей состоит из нагрева их до определенной температуры, выдержки при этом температуре в активных газовых, твердых или жидких средах и последующего охлаждения. При химико-термической обработке происходит изменение химического состава, структуры и свойств поверхности упрочняемых изделий [14, 15]. После некоторых видов химико-термической обработки (цементация, нитроцементация и др.) для достижения резкого изменения свойств поверхностных слоев изделий дополнительно проводят термическую обработку — закалку с отпуском.
К числу операций химико-термической обработки, которые в большей или меньшей степени используются для упрочнения стальных изделий, относятся цементация (науглероживание), азотирование и нитроцементация (совместное насыщение стали азотом и углеродом). Применимость того или иного метода химико-термической обработки для упрочнения деталей, восстановленных наплавкой, необходимо рассматривать как с точки зрения улучшения свойств, так и с точки зрения удобства технологии для ремонтного производства.
В литературе [3,8,9,] для упрочнения деталей, восстановленных наплавкой в среде защитных газов, особенно деталей сложной формы, таких как шлицевые валы, детали с различными пазами и выточками, зубчатые колеса и т.п. рекомендуется подвергать цементации с последующее термообработкой.
Традиционная цементация стали — это насыщение углеродом поверхности деталей из низкоуглеродистых сталей (0,1...0,3% С) с целью получения после закалки и низкого отпуска высокой твердости и износостойкости поверхности детали при достаточно вязкой сердцевине. Кроме того, цементация значительно повышает усталостную прочность деталей, работающих при знакопеременных нагрузках[14,15].
Состав стали цементуемых изделий оказывает большое влияние на результаты цементации. При насыщении углеродом простых нелегированных сталей предельное содержание углерода в наружной зоне диффузионных слоев может достигать 1,4%, хотя рекомендуется не допускать насыщения стали выше эвтектоидной концентрации [16].
Карбидообразующие элементы, входящие в состав цементуемой стали (хром, вольфрам, ванадий, молибден и др.) способствуют повышенному усвоению углерода поверхностью стали (до 2,5% и выше) с образованием большого количества карбидов. Цементуемые стали должны обладать стойкостью к перегреву, т.е. иметь зерно аустенита (6...8 баллов) и мало деформироваться при закалке, кроме того, цементованный слой после закалки не должен содержать большого количества остаточного аустенита.
Остаточный аустенит имеет меньший удельный объем, чем перлит, поэтому способствует возникновению в цементованной и закаленной поверхности стальных деталей остаточных напряжений растяжения, понижающих их предел выносливости. Кроме того, наличие остаточного аустенита снижает твердость и износостойкости поверхностных слоев. Образование же на поверхности цементованной стали чисто мартенситной структуры, с минимальным количеством остаточного аустенита, не только сильно повышает твердость, но и вследствие большого удельного объема мартенсита создает высокие остаточные напряжения сжатия, увеличивающие предел выносливости деталей.
Наиболее производительным и совершенным методом науглероживания стальных деталей является- газовая цементация. Она осуществляется путем нагрева стали при 930...950С в газовых атмосферах, содержащих активный углерод. Основной составляющей этих атмосфер является метан СН4 и окись углерода СО.
Химизм процесса газовой цементации сводится к двум реакциям: СН4— С+2Н2 и 2СО— С+С02. Активный атомарный углерод проникает в решетку у - железа и затем диффундирует в глубину изделия. При этом следует отметить, что для обеспечения цементации стали достаточно всего нескольких процентов СН4. Повышенное содержание метана в цементующих газовых смесях приводит к выделению сажи на поверхности деталей и к прекращению науглероживания [14].
При газовой цементации содержание углерода на поверхности деталей получается равным 0,8... 1,0%, толщина науглероженного слоя 1 мм за 8 часов обработки. Газовая цементация, кроме высокой производительности, отличается и другими существенными преимуществами, такими как удобство контроля и регулирования содержания углерода в диффузионных слоях; возможность закалки деталей из наследственно мелкозернистых сталей непосредственно после цементационного нагрева (обычно с подстуживанием); возможность механизации и автоматизации процесса.
Для газовой цементации используется специализированное высокопроизводительное оборудование - печи непрерывного действия с устройствами для приготовления цементующей атмосферы. В условиях массового производства такое оборудование используется с высоким эффектом, однако в условиях единичного мелкосерийного производства использование таких высокопроизводительных, крупногабаритных (длина печи несколько десятков метров) и дорогостоящих агрегатов не рационально, а зачастую и невозможно.
В последнее время на отечественных заводах применялись шахтные ретортные электропечи с вентиляторами (типа «Ц»), которые удобно использовать как при массовом, так и при мелкосерийном производстве. Цементующий газ в таких печах получается из бензола, пиробензола или из других углеводородных жидкостей, которые подаются по каплям в раскаленную реторту. Наличие вентилятора обеспечивает интенсивную циркуляцию газообразных продуктов термической диссоциации в пространстве печи и, тем самым, обеспечивает равномерность науглероживания деталей. Такие печи, с герметизированной ретортой, допускают обработку деталей в газовых атмосферах, приготовленных в автономных газогенераторах из природного газа.
Твердая цементация является наиболее старым методом цементации, который, тем не менее, широко используется и в настоящее время. Источником углерода при твердой цементации является обычно древесный уголь (иногда кокс или другие твердые углеродные материалы) с активизирующими добавками - углекислыми солями щелочных или щелочноземельных металлов (чаще всего ВаСОз). При нагреве древесного угля в герметизированном цементационном ящике при недостатке кислорода идет реакция образования окиси углерода 2С+Ог— 2СО. Последняя в присутствии железа на поверхности цементуемых деталей, упакованных в цементационный ящик вместе с древесным углем, разлагается с выделение активного углерода 2СО— С+СС 2, который проникает в решетку у - железа и диффундирует в глубину изделия.
Регулируя температуру и продолжительность процесса, а также состав карбюризатора можно добиться различной толщины цементованного слоя и различного содержания углерода на поверхности.
Технология твердой цементации чрезвычайно проста и может быть реализована в любых условиях, так как не требует использования специального оборудования. По этом причине она находит весьма- широкой применение на самых различных предприятиях, несмотря на то, что имеет высокую трудоемкость и низкую производительность.
При индивидуальном производстве иногда применяют цементацию в пастах, позволяющую значительно сократить продолжительность процесса обработки [16]. Детали покрывают слоем цементующей пасты (толщиной 2...3 мм) и загружают в цементационные ящики (контейнеры), которые тщательно герметизируют так же, как и при твердой цементации.
В состав большинства паст входит газовая сажа, углекислые соли, иногда железосинеродистый калий. Компоненты паст- разводятся минеральным маслом, жидки стеклом или другими веществами. Из-за высокой реакционной способности сажи пастообразные карбюризаторы обладают очень высокой активностью, скорость науглероживания стали в них в 2.. .3 раза выше, чем в твердых карбюризаторах [19].
Представляет интерес использование пастообразных карбюризаторов для скоростной цементации стальных изделий с нагревом токами высокой частоты. Этот метод несложен, позволяет быстро получать цементованные слои большой глубины и производить местную цементацию. Недостатком цементации с нагревом ТВЧ является сильное пересыщение цементованного слоя углеродом, однако, при соответствующем подборе состава карбюризатора (с пониженной активностью) этот метод может быть с успехом применен в мелкосерийном и единичном производстве [12].
Особенности формирования структуры диффузионных слоев при насыщении углеродом и азотом сталей, содержащих марганец
Наплавка в среде углекислого газа предполагает использование присадочных материалов, легированных в повышенных количествах марганцем. Кроме того, в состав наплавочных проволок часто вводится хром и некоторое количество кремния. Наличие этих элементов, главным образом марганца, в наплавленном металле обусловливает специфические особенности структуры диффузионных слоев, получаемых при насыщении их углеродом и азотом.
Марганец - один из самых распространенных легирующих элементов, который входит в состав практически всех сталей. Марганец при любом содержании его в стали полностью растворяется в железе, а также входит в состав цементита, замещая в нем атомы железа. При повышении содержания марганца в стали наблюдается сильное обогащение карбида железа марганцем (рис. 3.1), причем сохраняется постоянное отношение 4 : 1 между марганцем в карбиде и общим содержанием марганца в стали [44]. Однако содержание марганца в карбиде зависит от содержания в стали углерода - в низкоуглеродистых сталях это содержание значительно выше, чем в высокоуглеродистых.
Даже незначительные добавки марганца в сталь существенно повышают ее прокаливаемость. Если углеродистая сталь с содержанием марганца 0,4% имеет глубину закалки чуть более 6 мм, то сталь с 0,8% Мп прокаливается уже на глубину более 13 мм. В этом и заключается главное положительное действие марганца, как легирующего элемента.
Общие представления о структурообразовании в марганцовистых сталях сводятся к следующему. С повышением количества марганца в стали увеличивается степень дисперсности перлита и уменьшается количество выделяющихся включений доэвтектоидного феррита, или, в высокоуглеродистых сталях, заэвтектоидных карбидов.
Марганец принадлежит к элементам, расширяющим у — область, сталей (рис. 3.2). Есть сведения, что в гетерогенной области (при одновременном существовании а — и у - твердых растворов) при очень медленном нагреве происходит расслоение твердых растворов по содержанию марганца. В результате чего кристаллы а - раствора содержат меньше марганца, чем у -раствор, из которого а - кристаллы выделились. На рис. 3.2 показано положение начала а - у превращения в зависимости от содержания марганца.
В сплавах, содержащих более 5% Мп, у— а превращение происходит бездиффузионным путем, подобно мартенситному превращению в железоуглеродистых сплавах.
Превращение а— у при нагреве начинается при относительно высоких температурах (см. рис. 3.2) при которых происходит диффузионное выравнивание состава стали, тем более, что диффузия марганца в а - железе происходит легче, чем в у - железе. В процессе охлаждения у— а - переход происходит при температурах заметно ниже, чем а—»у - переход при нагреве.
Это приводит к тому, что в случае высокого содержания марганца создается температурный интервал, в котором превращение вообще не идет ни в том, ни в другом направлении. Например (см. рис. 3.2) такой интервал для стали с 4% Мп составляет от 600 до 800С. В этом температурном интервале можно получать сплавы в двух различных состояниях, в зависимости от того, какой была последняя операция - нагрев или охлаждение. Мартенситные структуры образуются в железомарганцевых сплавах до содержания в них марганца до 12%, при содержании марганца более названного значения в сплавах протекает другое превращение (также сдвиговое), при котором у - решетка превращается не в а-, а в є — фазу. Эта фаза неферромагнитна, она образуется из у - раствора с уменьшением объема (а - фаза образуется с увеличением объема).
В настоящее время є - фазу в Fe - Мп сплавах рассматривают как скопление растянутых дислокаций, имеющих в у - решетке гексагональную укладку. При этом высказывается мнение, что образование мартенсита деформации, которое имеет место в высокомарганцевых аустенитных сталях (типа 110 Г13), происходит через промежуточную є - фазу, представляющую собой гексагональные дефекты укладки на границах кристаллов.
При нагреве є — фаза переходит в у - фазу по сдвиговому механизму с небольшим гистерезисом, примерно в 50С.
Необходимо отметить, что железомарганцевые сплавы склонны к образованию ликвационных скоплений марганца, возникающие при затвердевании сплавов. Значительная ликвация марганца объясняется, вероятно, большим различием в содержании его в 8 — и у — фазах, что имеет место при высоких температурах. Ликвация марганца весьма устойчива, даже диффузионный отжиг при высокой температуре не приводит к полному выравниванию состава.
Влияние марганца на цементацию сталей до сих пор изучено слабо, а влияние его на нитроцементацию практически не изучено. В литературе имеются лишь отдельные разрозненные сведения по этому вопросу, в основном экспериментального характера.
Считается, что при низких температурах цементации и небольших выдержках, изменения, вызываемые марганцем как по содержанию углерода в диффузионных слоях, так и по их глубине, практически не отличаются от нелегированных сталей. При высоких температурах цементации и больших выдержках влияние марганца, в количестве около 3%, выражается в некотором уменьшении глубины цементации. Содержание углерода в поверхностных слоях цементованных марганцевых сталей практически не отличается от содержания его в нелегированной стали [125].
Незначительная добавка марганца к цементуемой стали (примерно 0,5%) полностью устраняет склонность к образованию аномальной структуры при цементации [31].
При закалке цементованных марганцевых сталей сохраняется определенная чувствительность к перегреву (росту аустенитного зерна), особенно для высокоуглеродистого цементованного слоя. Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе температуры закалки.
При закалке с температуры 850...860С, которая является оптимальной для сердцевины, в высокоуглеродистом цементованном слое может произойти интенсивный рост зерна, что недоспустимо из-за высокой хрупкости и низкой прочности крупнозернистого мартенсита. Понижение температуры нагрева под закалку, например до 820С, в сталях с небольшим содержанием марганца, хотя и не вызывает сильного роста зерна в цементованном слое, не обеспечивает требуемой прочности сердцевины.
Марганец, входящий в состав цементуемых сталей, как считается [16,17], не влияет на коэффициент диффузии углерода в аустените, в то время как хром, который также содержится практически во всех легированных цементуемых сталях, его сильно уменьшает (рис. 3.3).
Марганец в цементуемой стали однозначно способствует снижению концентрации углерода в диффузионных слоях, в отличие от хрома, который при небольшом содержании (до 3%) повышает концентрацию углерода в цементованных слоях, а при более высоком содержании - интенсивно снижает (интенсивнее марганца).
Из карбидообразующих элементов только хром и марганец способствуют получению в цементованных слоях высокого содержания углерода, ограниченного содержанием его в карбидах. Легирование стали хромом обеспечивает формирование в диффузионном слое сфероидизированного цементита, легирование же марганцем приводит к образованию на поверхности стали цементитной корочки, переходящей в сетку по границам зерен.
Цементит практически не имеет области гомогенности, что препятствует диффузии углерода через его сплошной слой и, тем саамы, препятствует росту цементитного слоя (корки) при науглероживании нелегированной стали. На стали, легированной марганцем, при интенсивном науглероживании образуются сплошные карбидные слои довольно большой толщины (10 мкм и более). Это свидетельствует о том, что состав карбидной фазы, образующейся при науглероживании марганцовистых сталей, не является строго определенными, а меняется в некоторых пределах.
Структура и фазовый состав нитроцементованных наплавок
Нитроцементация наплавленного металла изменяет элементный и фазовый состав его поверхностных слоев и, тем самым, изменяет свойства деталей с наплавленными покрытиями. Высокое содержание углерода и азота в нитроцементованных слоях, обусловленное высокой активностью нитроцементующей среды (см. гл.З), способствует образованию в диффузиозных слоях большого количества мелкодисперсных карбонитридных включений. Эти включения, обладающие высокой твердостью, обеспечивают высокий упрочняющий эффект.
Как было показано выше, особенность разработанного метода нитроце-ментации состоит в том, что в зависимости от температуры процесса она обеспечивает упрочнение по принципиально различным типам. Нитроцементованные слои, полученные при относительно " низких температурах (700...750С), состоят из тонкой твердой поверхностной корки и довольно глубокого слоя однофазного твердого раствора с переменным содержанием азота и углерода (рис. 4.1). При повышенных температурах нитроцементации (800...920С) тот же карбюризатор обеспечивает образование на наплавленных покрытиях глубоких слоев, представленных в основном азотисто-углеродистым твердым раствором с большим или меньшим количеством карбонитридов в виде отдельных изолированных включений или в виде сетки по границам зерен (рис. 4.2).
Было проведено рентгенографическое исследование поверхности и нижележащих зон диффузии основных слоев нитроцементованных наплавленных покрытий 08Г2С и 08ХГ2С. Образцы для исследования подвергали нитроцементации при трех различных температурах - 700, 750 и 800 С. Фазы в нитроцементованных слоях определялись съемкой с металлографических шлифов, приготовленных на поверхности образцов, на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 в хромовом излучении. Съёмку производили в диапазоне углов 25...40, т.к. в этом интервале наиболее чётко определяются у и е карбонитриды, а также линии а и железа и карбонитрида, изоморфного с цементитом. Относительное содержание той или иной фазы определяли, сравнивая интенсивность (высоту максимума) дифракции соответствующей фазы с эталоном - интенсивностью а - фазы дифрактограммы армко-железо, снятой при тех же условиях.
Результаты рентгеноструктурного анализа карбонитридных зон нитроцементованных наплавленных сталей 08Г2С и 08ХГ2С представлены в таблице 4.1.
Как видно из представленной таблицы, температура нитроцементации значительно влияет как на толщину карбонитридной зоны диффузного слоя, так и на фазовый состав этой зоны. При относительно низкой температуре процесса 700С на рентгенограммах образцов обеих сталей чётко просматриваются дифракционные линии, соответствующие є - фазе и фазе, изоморфной с цементитом, причем на хромомарганцовистой наплавке содержание є - фазы несколько выше, чем на чисто марганцовистой наплавке. Наряду с є - фазой в нитроцементованных слоях обнаруживается достаточно большое количество ( 20%) фазы цементитного типа
Повышение температуры нитроцементации на 50С (до 750С) приводит к тому, что толщина слоев карбонитридов на поверхности обеих наплавок несколько увеличивается, а фазовый состав остается таким же, как и в предыдущем случае. Однако количество карбонитридов, изоморфных с цементитом, и количество гексагональных карбонитридов типа є уменьшается. Карбонитрид є обладает наибольшей твёрдостью по сравнению с другими фазами поэтому общая твердость нитроцементованных слоев, полученных при температуре 750С уменьшается, хотя толщина этих слоев увеличивается.
Наконец, повышение температуры нитроцементации ещё на 100С (до 850С) приводит к исчезновению из карбонитридного слоя є - фазы и полной замене её карбонитридом цементитного типа. При этом карбонитридные включения образуют сплошной толстый слой на поверхности, а также распределяются на большую глубину в виде мелкодисперсных изолированных включений.
Полученные результаты находятся в соответствии с наблюдениями Б.Прженосила [30], который связывал строение карбонитридных зон в нитроцементованных сталях с активностью азота и углерода, зависящих от температуры процесса и от способности атмосферы насыщать поверхность металла.
Наиболее распространенным соединением в тройной системе является гексагональный карбонитрид є, который может быть обозначен по приблизительному составу как Fe2-3(NC). Упомянутый карбонитрид изоморфен с гексагональным нитридом є. Замена азота углеродом в решётке карбонитрида сопровождается небольшим изменением (уменьшением) его параметров «а» и «с».
Карбонитрид є существует в пределах 26,9 33,3 am. % C,N (суммарное содержание углерода и азота) однако есть мнение [...], что при поступлении углерода в решётку - нитрида из активной насыщающей среды повышается верхняя граница состава с 33 am. % азота у нитрида до 39 am. % азота и углерода в карбонитриде. Установлено также, что атомное процентное отношение С KN В карбонитриде достигает 1,25.
Растворимость азота в решетке цементита весьма мала и не превышает 0,66% (2,1 am. % N). При этом количество азота, усвоенного карбонитридом, изоморфным с цементитом, зависит от содержания азота и углерода в стали (табл. 4.2.), т.е. в конечном счете, от активности нитроцементующей атмосферы по азоту и углероду
Результаты микроанализа показывают, что в равновесии с аустенитом, содержащим 0,86% С и 0,6% N, находится цементит, в котором сумма атомарных долей углерода и азота и даже атомарная доля одного углерода в нем больше (27,5 ат.%С), чем у чистого цементита (25 ат.%С).
В атмосферах с высокой наугероживающей способностью, каковой является применяемый нами карбюризатор на основе сажи и IQFe (СЫ)б, создаются условия для образования карбонитридов, обогащенных углеродом, " т.е. карбонитридов цементитного типа. Только при низких температурах процесса, когда активность углерода мала, а активность азота достаточно высока, в равновесии с карбонитирдом цементитного типа может существовать є - карбонитрид. При этом карбонитрид, изоморфный с цементитом, образуется только на поверхности, где активность углерода максимальная.
Глубже под поверхностью, в зонах с более низкой активностью углерода, образуется прослойка є- карбонитрида, которая благодаря благоприятным условиям для диффузии углерода и азота (широкая область гомогенности є-фазы) в несколько раз толще цементитной зоны.
При повышении температуры нитроцементации относительная активность азота значительно уменьшается и є- карбонитрид, обогащенный азотом, не может находиться в равновесии с карбонитридом цементитного типа, содержащим большое количество углерода, поэтому на поверхности стали при температурах нитроцементации выше 700С возникают тонкие слои карбонитрида, изоморфного с цементитом. Дальнейшее повышение температуры приводит к уменьшению количества є — фазы в диффузионных слоях и увеличению количества азотистого цементита, При температуре 800С карбонитрид є полностью исчезает из структуры нитроцементованных слоев и заменяется карбонитридом, изоморфным с цементитом.
Технологические аспекты упрочнения восстановленных деталей
Детали машин, работающие в тяжелых условиях эксплуатации (различного рода валы, оси, ролики, штоки и т.п.) в процессе работы изнашиваются и приобретают различные дефекты. Овальность, конусность и другие изменения формы, уменьшение размеров, а также повреждения поверхностей (задиры, глубокие риски, вмятины, следы коррозии и др.). Изношенные детали шлифуют под ремонтные размеры, а при большом износе - восстанавливают наплавкой с последующей термической и механической обработкой.
Для восстановления ответственных стальных деталей применяют, главным образом, наплавку проволокой Нп-ЗОХГСА под слоем флюса АН -348Ф. Иногда применяют другие марки наплавочной проволоки и керамический флюс АНК-18 и некоторые другие способы наплавки.
Восстановление изношенных деталей машин наплавкой под слоем флюса весьма сложный и трудоёмкий процесс, требующий специального оборудования и высокой квалификации исполнителей. Главной особенностью этого процесса является достаточно широкое использование термообработки восстанавливаемых деталей. На ремонтных предприятиях детали, после наплавки на них слоя металла, высокому отпуску, отжигу или нормализации. Отпуск применяют для снятия внутренних напряжений, а отжиг и нормализацию - в тех случаях, когда требуется не только снять внутренние напряжения, но и подготовить структуру поверхности слоев к механической обработке.
Высокий отпуск проводят обычно в электропечах при температуре 600...650С, отжиг и нормализацию - при температуре 860С. При отжиге и нормализации твердость наплавленных слоев значительно снижается и они хорошо обрабатываются на металлорежущих станках. Так, например, твердость деталей, наплавленных под слоем флюса проволокой Нп-ЗОХГСА, после нормализации составляет НВ 177.. .225 (против НВ 350 после отпуска).
После обработки на металлорежущих станках для придания необходимой формы и размеров наплавленные детали, по большей части, подвергают упрочняющей обработке - закалке и низкому отпуску. Закалку на ремонтных предприятиях проводят обычно на высокочастотных установках с использованием специальных приспособлений или закалочных станков. Для деталей имеющих небольшие размеры, используют объемную закалку с нагревом в печах. Твердость наплавленного металла после термообработки обычно составляет HRC 52.. .60, глубина закалки (при использовании ТВЧ) -3.. .5мм.
После упрочняющей термообработки восстановленные детали могут подвергаться чистовой отделке шлифованием и полированием. При шлифовании требуется охлаждение детали эмульсом или другими смазочно-охлаждающими жидкостями для предотвращения поверхностного отпуска восстановленных слоев.
При использовании для восстановления изношенных деталей наплавки в среде углекислого газа типовая технология изменяется в сторону упрощения и удешевления. Во-первых, сам процесс наплавки значительно упрощается, так как не требуется устройств для подачи флюса в зону горения сварочной дуги. Кроме того, углекислый газ значительно дешевле флюса. Во-вторых после наплавки не требуется смягчающий отжиг, поскольку наплавка в среде углекислого газа производится низкоуглеродистой проволокой, дающей наплавленный материал невысокой твердости (НВ 180...200). Механическая обработка производится непосредственно после наплавки.
По предлагаемой технологии детали после механической обработки подвергаются нитроцементации. Упрочняемые поверхности покрываются нитроцементующей пастой и высушиваются, после чего детали упаковываются в контейнеры и помещаются в печь для нитроцементующего отжига. В условиях ремонтных предприятий термическая обработка деталей производится обычно в универсальных камерных печах, поэтому нитроцементацию также можно проводить в этих печах в нитроцементационных контейнерах. При этом возникает вопрос о влиянии типа наполнителя, которым пересыпаются детали при упаковке их в контейнеры, на результаты нитроцементации.
Был проведен эксперимент по нитроцементации наплавленной стали 18ХГС в контейнерах с различными наполнителями; чугунной стружкой и смесью кварцевого песка (80%) и сажи (20%), Результаты эксперимента приведены в таблице 4.5.
Как показали результаты эксперимента, наполнители обоих типов обеспечивают примерно одинаковую глубину нитроцементации как при низкой, так и при высокой температуре, однако чугунная стружка при высокой температуре сильно спекается и дает сильную усадку - детали после нитроцементации приходится выбивать из контейнера. Наполнитель на основе кварцевого песка остается сыпучим при всех температурах нитроцементации, что значительно облегчает распаковку контейнера: содержимое контейнера высыпается на решетку сепаратора, через которую пересыпается наполнитель, а детали остаются на решетке.
После нитроцементации необходимо проводить закалку и отпуск восстанавливаемых деталей. Детали нитроцементованные при относительно низких температурах (700...820С) можно закаливать непосредственно из нитроцементующей печи. При закалке деталей, нитроцементованных в контейнерах, целесообразно использовать специальное закалочное приспособление, оборудованное наклонной сепарационной решеткой и масляным баком. После извлечения из печи с горячего нитроцементационного контейнера снимается крышка и содержимое высыпается на решетку сепаратора. Карбюризатор и наполнитель просыпаются в специальную емкость, а детали по наклонной поверхности скатываются в закалочный бак.
После высокотемпературной нитроцементации (850...900С) целесообразно проводить закалку с повторным нагревом. В этом случае контейнер с нитроцементованными деталями после извлечения из печи необходимо по возможности быстро охладить до нормальной температуры. Затем контейнер распаковывают, детали очищают от остатков обмазки и закаливают обычным способом с температуры 800...820С в масле. повторный нагрев применяемый для закалки хотя и немного повышает стоимость "обработки, значительно измельчает зерно (особенно в марганцовистых покрытиях), что благоприятно действует на прочность и ударную вязкость восстановленных деталей.
Отпуск после всех видов закалки проводится при температурах 100...120С.
Производственная проверка эффективности разработанного метода восстановления изношенных деталей произведенная на деталях коробки переключения передач трактора Т-25 показала, что вторичный вал этой коробки восстановленный, в том числе и по шлицам, наплавкой проволокой Св-18ХГС в среде углекислого газа с последующей нитроцементацией при 820С с непосредственной закалкой имел долговечность примерно в 1,5 раза большую чем новая деталь.
