Введение к работе
Актуальность работы. Развитие многих отраслей современной техники, повышение надежности машин и механизмов, увеличение производительности оборудования и труда в значительной мере зависят от разработки и практического применения различных типов защитных покрытий
Защитные покрытия, формируемые на сером чугуне, в ряде случаев позволяют вытеснить детали из дорогих легированных чугунов, так как по свойствам практически не уступают последним
Серый чугун хорошо зарекомендовал себя для изготовления деталей, работающих в условиях сухого трения скольжения и трения со смазкой Однако, долговечность таких деталей низка при высоких удельных нагрузках и особенно в случае попадания в зону трения абразивных частиц Так, критерий предельного состояния телескопического гидроцилиндра согласно ГОСТ 16514-96 наступает через 50 000 циклов нагружения (двойных ходов) При этом наблюдается полный износ чугунных направляющих
Такой ресурс работы направляющих телескопических гидроцилиндров, традиционно изготовляемых из серого чугуна СЧ 20, является недостаточным для специальной техники, постоянно занятой выполнением технологических операций
Кроме того, для тяжело загруженной спецтехники, оснащенной одноступенчатыми гидроцилиндрами в условиях неравномерности распределения сил, действующих на шток гидроцилиндра при подъеме или опускании груза, сильных ветровых нагрузках может наблюдаться значительный износ таких деталей, как поршень и сквозная крышка также изготовляемых из серого чугуна СЧ 20
Учитывая, что до утилизации выше приведенных деталей гидроцилиндров изнашивается поверхностный слой не значительной толщины, то становится технологически целесообразным создание износостойких и коррози-онностойких покрытий
Элементами, позволяющими создать такое покрытие, являются алюминий и ванадий Ванадий является сильным карбидообразующим элементом и ориентирован на повышение износостойкости, алюминий способствует защите покрытия от коррозии в ряде агрессивных технологических сред
Создание алюмованадированного слоя на трущихся чугунных деталях гидроцилиндров позволит продлить срок эксплуатации всего гидроцилиндра в целом, снизит потребность в запасных частях и повысит уровень надежности оборудования, оснащенного такими гидроцилиндрами Это является важным моментом для создания положительной репутации предприятия на отечественном рынке Кроме того, замена дорогих деталей из легированных чугунов деталями из серого чугуна, содержащими алюмованадированное покрытие в конечном итоге способствует удешевлению агрегата в целом
Поэтому повышение стойкости трущихся чугунных деталей гидроцилиндров термодиффузионным алюмованадированием является актуальной задачей современного развития народного хозяйства, так как работы во всех
его отраслях ведутся с помощью машин и механизмов, в комплектацию которых входят различные типы гидроцилиндров
Цель и задачи исследований Целью диссертационной работы является увеличение срока службы деталей из серого чугуна для телескопических и поршневых гидроцилиндров
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи исследований
-
Разработка технологии термодиффузионного насыщения изделий из серого чугуна алюминием и ванадием из порошковой среды контактным способом
-
Исследование кинетики процесса упрочнения и определение рациональных параметров насыщения
3 Анализ строения состава и свойств полученных диффузионных
алюмованадированных слоев
4 Оценка свойств полученного покрытия при испытаниях на износ и
коррозию в жидких средах
Научная новизна работы.
-
Установлено, что в порошковой насыщающей среде, содержащей алюминий и феррованадий, в зависимости от соотношения насыщающих компонентов образуются два основных типа структур диффузионных покрытий, отличающихся морфологией и микротвердостью Первый тип покрытия состоит из карбидов ванадия V2C и VC толщиной 10-55 мкм с микротвердостью 25 000 - 28 000 МПа появляется при содержании алюминия до 2 - 3 %, свыше этого содержания образуются двухслойные толщиной до 70 - 120 мкм алюми-нидные покрытия FeAl, Fe3AI, Fe1AlC с внешним слоем, характеризующимся микротвердостью 4300 - 5500 МПа и внутренним слоем с микротвердостью 3000 - 4000 МПа
-
Определен коэффициент диффузии ванадия при термодиффузионном ванадировании серого чугуна в шихтовом составе, содержащем 60 % по массе феррованадия (в отсутствии алюминия) и проведено сравнение его величины с величиной коэффициента диффузии алюминия в серый чугун Выявлено, что при температуре 840С коэффициент диффузии ванадия в два раза выше, чем алюминия, их величина составляет 7,35 10"'см2/с и 3,913 10"' см2/с соответственно При температуре 900С коэффициент диффузии ванадия составит 8,0 10 |0 см2/с, а алюминия - 10,2 10 ІОсм2/с, а при температуре 1020С коэффициент диффузии алюминия в 6 - 7 раз превышает коэффициент диффузии ванадия (Dv= 14,8 10"' см2/с, DAI = 9,33 10~9 см2/с)
-
Установлено взаимное влияние на диффузионную подвижность алюминия и ванадия при алюмованадировании серого чугуна в температурном интервале 840 - 1020С и концентрациях алюминия 2 % и феррованадия 60 %, величина коэффициента диффузии ванадия под влиянием алюминия (Dv ді) при температуре 840С составляет 3,768 10 10см2/с, при температуре 1020 С -225,1 10 10 см2/с, значение коэффициента диффузии алюминия под влиянием ванадия (DA) v) практически не изменяется в исследованном интервале температур и составляет в среднем 9,8 10""см2/сек Построены математические модели, позволяющие рассчитать величины DVjai и Da[ v при известных коэффи-
5 циентах диффузии алюминия и ванадия в серый чугун и температуре процесса упрочнения
4 Определено, что карбидные слои образованы карбидами ванадия V2C и VC С увеличением содержания алюминия до 2 - 5 % доля карбида V2C уменьшается пропорционально концентрации алюминия в насыщающей среде, а в слое появляется и растет количество фазы Fe3AlC
Алюминидные покрытия, состоящие из алюминидов железа FeAl, Fe3Ai, Fe3AlC, во внутреннем светлом слое могут содержать небольшое количество ванадия до 0,2 - 0,3 %, который диффундировал в процессе разогрева печи, когда коэффициент диффузии алюминия был низок и не блокировал диффузионный поток ванадия
Практическая значимость результатов исследований.
Проведенные исследования структуры и свойств чугунов с покрытием позволили достичь следующих практических результатов
1 Разработана технология термодиффузионного алюмованадирования
деталей гидроцилиндров из серого чугуна в порошковой смеси контактным
способом
2 Разработана и изготовлена установка для термодиффузионного
алюмованадирования чугунных деталей гидроцилиндров
-
Испытаниями определена высокая износостойкость упрочненного серого чугуна СЧ 20 в условиях сухого трения скольжения, которая при удельной нагрузке на образцы 2 кг/см2 в 10 раз выше износостойкости исходного серого чугуна
-
Получена высокая износостойкость алюмованадированного покрытия на сером чугуне СЧ 20 при испытаниях в условиях трения скольжения со смазкой, загрязненной абразивными частицами (А1203) в количестве 5 % по объему, которая при удельной нагрузке 2 кг/см2 в 4 раза, при удельной нагрузке 3 кг/см' в 8 раз выше износостойкости исходного чугуна СЧ 20
-
В условиях сухого абразивного истирания, проводимого по ГОСТ 23 208-79, было установлено, что коэффициент относительной износостойкости алюмованадированного чугуна составляет Ки = 5 (по отношению к отожженной стали 45), а в сравнении с исходным (не упрочненным) чугуном СЧ20-КИ=24
7 Испытаниями на коррозионную стойкость, проводимыми согласно ГОСТ 9 908-85, установлено, что коррозионная стойкость алюмованадирован-ных слоев на серых чугунах значительно превышает коррозионную стойкость чисто ванадированных слоев на этих же чугунах во всех испытанных модельных растворах агрессивных сред, кроме 1 %-ного раствора соляной кислоты, 25 % раствора NaCl и морской воды
Производственные испытания и внедрение.
Результаты диссертационной работы были опробованы в производственных условиях на таких предприятиях как ЗАО «Орский завод компрессоров» и ООО «АПЕКС» (г Орск) Разработаны рекомендации по термодиффузионному алюмованадированию поршневых колец для поршневых компрессоров для ЗАО «Орский завод компрессоров» и направляющих телескопических гидроцилиндров для ООО «АПЕКС»
Внедрено производство телескопических гидроцилиндров модели 55102-8603010А с алюмованадированными направляющими на ОАО ПО «САРМАТ» (г Орск)
Апробация работы. Основные положения диссертации были изложены и обсуждены на 11-й Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» (г Пенза, 2006 г), 65-й научно-технической конференции ГОУ ВПО «МГТУ» (г Магнитогорск, 2007г.), Х1-ой научно-технической конференции молодых специалистов ЗАО «МРК» (г Магнитогорск, 2007г), ХІ-ой Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (г Пенза, 2007г), VI-й Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (г Пенза, 2008г)
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 11 публикациях, из них 2 статьи входит в рецензируемые издания, рекомендованные ВАК
Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения Она содержит 143 страниц машинописного текста, 43 рисунка и 32 таблицы Библиографический список включает 109 наименований
