Введение к работе
Актуальность темы. Актуальной задачей, стоящей перед современным машиностроением, является повышение надёжности деталей машин и оборудования, работающих в условиях недостаточной смазки или вовсе без таковой. Высокие нагрузки на рабочие поверхности таких деталей и неблагоприятное сочетание свойств контактирующих материалов создают большую вероятность схватывания трущихся поверхностей, ускорения изнашивания деталей или даже заедания сопряжений.
Эта задача решается путем использования в таких сопряжениях деталей, изготовленных из антифрикционных материалов, имеющих низкий коэффициент трения и малую склонность к схватыванию, главным образом из серых, ковких и высокопрочных чугунов. Антифрикционные свойства чугунов обеспечиваются наличием в их структуре графита, который выполняет роль твёрдой смазки на поверхностях трения. Однако чугунные детали имеют меньшую прочность, чем детали, изготовляемые из конструкционных сталей, поэтому представляется целесообразным использование для таких деталей материалов, сочетающих хорошие антифрикционные свойства чугуна и высокую прочность стали.
В качестве таких материалов традиционно использовались высокоуглеродистые графитизированные стали, часть углерода в которых представлена в виде мелкодисперсных включений графита. Однако процесс графитизации этих сталей (получение «черного излома») отличается очень большой длительностью и дороговизной, поэтому графитизированные стали не нашли широкого применения.
Предпринимались попытки получения графитосодержащих слоев на поверхности стальных деталей путём их цементации с образованием графита в диффузионных слоях. Однако известные способы поверхностной графитизации, состоящие в длительном науглероживании с последующим ещё более длительным графитизирующим отжигом, также не получили широкого практического применения.
Поэтому до настоящего времени остаётся весьма актуальной задача улучшения антифрикционных свойств стальных изделий методами, приемлемыми по технологическим и экономическим показателям для современного машиностроительного производства. Одним из таких методов может быть нитроцементация , проведенная по специальным режимам.
Цель работы - разработка технологического процесса поверхностной графитизации изделий из конструкционных сталей массового производства, который по технологичности, длительности и энергоёмкости соответствовал бы распространенным и освоенным промышленностью методам химико-термической обработки стали.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать условия образования графита при эксплуатации и обработке стальных изделий и оценить возможность получения
графитосодержащих диффузионных слоев при нитроцементации с использованием эффекта «тёмной составляющей».
Разработать нитроцементирующую среду для интенсивного насыщения стали при низких и высоких температурах и исследовать влияние режимов нитроцементации на содержание азота и углерода в диффузионных слоях.
Исследовать особенности двухступенчатой нитроцементации углеродистых и низколегированных конструкционных сталей и установить наиболее рациональные режимы, обеспечивающие максимальное насыщение поверхностных слоев сталей графитом.
Исследовать влияние термической обработки графитизированных сталей на структуру и механические свойства поверхностных графитосодержащих слоев и материала сердцевины.
Исследовать износостойкость и стойкость против схватывания графитизированных слоев и определить наиболее рациональные режимы обработки для изделий, работающих в различных условиях эксплуатации.
Разработать технологические рекомендации по поверхностной графитизации деталей для внедрения разработанного метода в производство, как массовое, так и единичное.
Объект исследования: графитизированные слои на стали 40, полученные двухступенчатой нитроцементацией в азотисто-углеродной пасте.
Методы исследований. Для определения состава, структуры и свойств нитроцементированных сталей с графитизированными слоями в работе были использованы следующие методы исследования: спектрометрический, микроскопический, фазовый рентгеноструктурный и дюраметрический.
В работе исследовали износостойкость графитизированных образцов в различных условиях изнашивания (в условиях трения без смазки и со смазкой и трения по абразивной поверхности), а также определяли ударную вязкость на образцах малого сечения и на стандартных образцах.
При проведении исследований применяли математическое
планирование эксперимента с использованием компьютерной техники.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Диссертационное исследование соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов: п. 6 «Разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов объемной и поверхностной термической, химико-термической, термомеханической и других видов обработок, связанных с термическим воздействием, а также специализированного оборудования»; п. 3 «Теоретические и экспериментальные исследования влияния структуры (типа, количества и характера распределения дефектов кристаллического строения) на физические, химические, механические и эксплуатационные свойства металлов и сплавов».
Достоверность полученных результатов положений и выводов обеспечена применением стандартных методик металлографических и металлофизических исследований и приборов, а также многократной повторяемостью опытов и статистической обработкой их результатов. Научные положения и выводы по работе имеют теоретическое обоснование и не противоречат современным научным представлениям в области химико-термической обработки стали.
Научная новизна:
Раскрыт механизм образования графитных включений при нитроцементации стали, заключающийся в том, что нитроцементация должна на первом этапе проводиться при температурах в области т. Аі для системы Fe-N с целью максимально возможного насыщения стали азотом. На втором этапе нитроцементация должна проходить при температурах выше т. А3 системы Fe-C, при которых происходит деазотирование диффузионного слоя с образованием дефектов структуры и заполнение этих дефектов углеродом. Таким образом, при двухступенчатой обработке происходит графитизация поверхности стали.
Установлены зависимости образования графита в диффузионных слоях нелегированной стали 40 при ее нитроцементации в высокоактивной пасте на основе желтой кровяной соли и аморфного углерода от концентрации компонентов и от температурно-временных режимов обработки. При увеличении длительности первой (низкотемпературной) ступени нитроцементации увеличивается глубина графитосодержащего слоя, а при увеличении длительности и температуры второй ступени (высокотемпературной) увеличивается содержание графита в диффузионных слоях.
Получены зависимости прочности графитной пленки на поверхности графитизированной стали, обеспечивающей этой стали высокую износостойкость, от характеристик структуры и механических свойств графитосодержащих слоев. Максимальную прочность пленка твердой смазки (графита) проявляет при высокой твердости трущихся поверхностей, при недостаточной твердости возникают локальные области пластического течения в поверхностном слое металла, где графитная пленка разрушается. При этом резко снижается износостойкость стали. Содержание графита на поверхности стали влияет на прочность пленки твердой смазки незначительно.
Практическая значимость работы
На основе обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана технология поверхностной графитизации конструкционных сталей (углеродистых и низколегированных), обеспечивающая их повышенную стойкость против изнашивания при недостатке смазки и против схватывания. Графитизация стальных изделий путем двухступенчатой нитроцементации выгодно отличается от других методов графитизации (цементация с последующим графитизирующим
отжигом, цементация кремнистых сталей с предварительной закалкой) гораздо меньшей длительностью процесса (в 2...10 раз) и меньшей энергоемкостью за счет пониженной температуры процесса, а также возможностью получения графитосодержащих слоев на простых углеродистых сталях.
Результаты работы могут быть использованы на предприятиях автотракторного и сельскохозяйственного машиностроения, а также на многих других машиностроительных предприятиях и в ремонтном производстве.
На защиту выносятся:
- теоретическое обоснование использования эффекта «темной
составляющей» при нитроцементации стали для получения
графитосодержащих структур в диффузионных слоях;
способ ускоренной поверхностной графитизации стали, заключающийся в двухступенчатой нитроцементации, когда на первой низкотемпературной ступени происходит возможно большее насыщение стали азотом, а на второй высокотемпературной ступени - распад азотистых фаз и насыщение углеродом с образованием графитных включений на дефектах структуры;
результаты экспериментального исследования свойств графитизированных сталей и установленные зависимости твёрдости, ударной вязкости и износостойкости в различных условиях изнашивания от характеристик структуры диффузионных слоев и от режимов нитроцементации;
- особенности технологии поверхностной графитизации различных
деталей с использованием двухступенчатой нитроцементации в
высокоактивной азотисто-углеродной пасте и эффективность разработанного
метода поверхностной обработки деталей.
Личный вклад автора. Лично автором проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов нитроцементации углеродистых и легированных сталей при различных режимах (температурах и длительности) с целью получения графитных включений в диффузионных слоях. Проведены исследования влияния количества графитных включений в структуре нитроцементированных сталей, а также фазового состава металлической матрицы на их механические и эксплуатационные свойства. Произведен анализ полученных результатов и сформулированы выводы по работе. Проведена апробация разработанного способа поверхностной графитизации стальных изделий в производственных условиях.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на III Международной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2005 г.); Юбилейной научной конференции, посвященной 55-летию Курской государственной сельскохозяйственной академии им. проф.
И.И.Иванова (Курск, 2006 г.); IV Международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2006 г.); I Международной научно-практической конференции «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (Курск, 2009 г.); IV Межвузовской научно-практической ежегодной конференции «Новые технологии и инновационные разработки» (Тамбов, 2011 г.); заседании научно-технического совета ОАО «Силовые машины» (Санкт-Петербург, 2011 г.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 4 - в рецензируемых научных журналах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основной части, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 143 страницах машинописного текста, включает 37 рисунков и 14 таблиц. Библиографический список содержит 125 наименований.
