Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса, постановка цели и задач исследований 14
1.1 Анализ условий работы деталей сельскохозяйственной техники 14
1.2 Применение диффузионных покрытий для восстановления и упрочнения деталей машин 21
1.2.1 Общие сведения 21
1.2.2 Технологии восстановления и упрочнения деталей машин диффузионными покрытиями 25
1.2.3 Способы увеличения толщины диффузионных покрытий 32
1.2.4 Общий анализ методов восстановления и упрочнения деталей диффузионными покрытиями 45
1.3 Комбинированная технология восстановления и упрочнения деталей машин железоборидными покрытиями
1.3.1 Проектирование комбинированной технологии 63
1.3.2 Способы упрочнения электролитических железных покрытий 59
1.3.3 Борирование как способ упрочнения электролитических железных покрытий 65
1.4 Номенклатура деталей для восстановления и упрочнения железоборидными покрытиями 75
1.5 Выводы, цель и задачи исследований 78
ГЛАВА 2 Научные основы восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники железоборидными покрытиями 83
2.1. Анализ возможностей диффузионной металлизации по увеличению толщины покрытий 83
2.2 Методика определения оптимального уровня твердости упрочняющего покрытия одной из деталей соединения "вал-втулка" 91
2.3 Определение необходимого изменения размеров деталей и толщины диффузионного слоя 97
2.4 Разработка теоретических основ диффузионного борирования электролитических железных покрытий 103
2.4.1 Механизм образования диффузионных боридных слоев на железоуглеродистых сплавах 103
2.4.2 Теоретические предпосылки получения боридных слоев на электролитических железных покрытиях 111
2.4.3 Механизм образования диффузионных боридных слоев на электролитических железных покрытиях 114
2.4.4 Кинетика роста однофазных боридных слоев 117
2.4.5 Сублимация бора на насыщаемой поверхности при борировании в окислительной атмосфере и вакууме 125
2.5 Выводы 128
ГЛАВА3 Программа и методика исследований 130
3.1 Программа исследования 130
3.2 Объект и предмет исследования 130
3.3 Оборудование, материалы и технология электролитического железнения 130
3.4 Оборудование и материалы для диффузионного борирования 134
3.5 Методика выбора оптимального состава смеси и режимов борирования 138
3.6 Исследование физико-механических свойств покрытий 145
3.6.1 Металлографические исследования 145
3.6.2 Рентгеноструктурный и спектральный анализы покрытий 145
3.6.3 Измерение твердости и микротвердости покрытий и основы 146
3.6.4 Определение прочности сцепления покрытия с основой 146
3.6.5 Определение несущей способности покрытий 148
3.6.6 Определение трещиностойкости железоборидных покрытий 148
3.6.7 Определение шероховатости поверхности покрытий 149
3.6.8 Измерение размеров и формы деталей 149
3.7 Исследование износостойкости покрытий 150
3.8 Исследование коррозионной стойкости покрытий 152
3.9 Методика проведения ускоренных стендовых испытаний восстановленных деталей на надежность 153
ЗЛО Методика проведения эксплуатационных испытаний 154
3.10 Методика обработки экспериментальных данных 155
ГЛАВА 4 Результаты исследований и их анализ 156
4.1 Влияние режимов и состава смеси на результаты диффузионного борирования в окислительной атмосфере 156
4.2 Оптимизация состава порошковой смеси и режимов борирования 162
4.3 Изменение линейных размеров деталей при борировании 167
4.4 Применение вакуума при диффузионном борировании 170
4.5 Коробление деталей после диффузионного борирования 176
4.6 Физико-механические свойства железоборидных покрытий 178
4.6.1 Металлографические исследования 178
4.6.2 Рентгеноструктурный и спектральный анализы покрытий 187
4.6.3 Исследование микротвердости диффузионных покрытий 191
4.6.4 Прочность сцепления железоборидных покрытий с основой 195
4.6.5 Несущая способность железоборидных покрытий 198
4.6.6. Исследование хрупкости покрытий 201
4.7 Исследование износостойкости железоборидных покрытий 203
4.8 Исследование коррозионной стойкости покрытий 206
4.9 Результаты ускоренных стендовых испытаний 210
4.11 Эксплуатационные испытания 215
4.12 Выводы 217
ГЛАВА 5 Технология восстановления и упрочнения деталей машин железоборидными покрытиями. экономическая эффективность внедрения результатов исследований 220
5.1 Структурная схема технологии восстановления и упрочнения деталей машин железоборидными покрытиями 220
5.2 Разработка технологического процесса восстановления и упрочнения плунжерных пар топливных насосов УТН-М 222
5.3 Разработка технологического процесса восстановления и упрочнения золотников гидрораспределителя Р-75 226
5.4 Разработка технологического процесса восстановления и упрочнения гильз гидрораспределителя коробки передач трактора Т-150К 228
5.5 Экономическая эффективность внедрения технологических процессов восстановления деталей в соединениях "вал - втулка" 231
Общие выводы 241
Список литературы
- Анализ условий работы деталей сельскохозяйственной техники
- Анализ возможностей диффузионной металлизации по увеличению толщины покрытий
- Оборудование, материалы и технология электролитического железнения
- Влияние режимов и состава смеси на результаты диффузионного борирования в окислительной атмосфере
Введение к работе
Вопросам повышения качества сельскохозяйственной техники и оборудования, методам восстановления деталей и повышения долговечности соединений посвящены работы Аниловича В.Я., Ачкасова К.А., Батищева А.Н., Бугаева В.Н., Бурумкулова Ф.Х., Воловика Е.Л., Ерохина М.Н., Кряжкова В.М., Козырева В.В., Курчаткина В.В., Лезина П.П., Лялякина В.П., Михлина В.М., Некрасова С.С., Петрова Г.К., Потапова Г.К., Поляченко А.В., Пучина Е.А., Северного А.Э., Селиванова А.И., Стрельцова В.В., Тельнова Н.Ф., Ульмана И.Е., Черновола М.И., Черноиванова В.И., Шадричева В.А., Юдина В.М. и других ученых. Их труды позволили решить ряд задач, стоящих перед ремонтно-обслуживающей базой АПК, значительно развить отечественную науку.
Вместе с тем проблемы повышения надежности сельскохозяйственной техники решаются медленно в сравнении с темпами, достигнутыми в других областях техники. Основной причиной отказов машин и оборудования в сельском хозяйстве (до 80...90 %) является изнашивание деталей [1].
Абразивное изнашивание является результатом воздействия частиц, содержащихся в пыли и попадающих в пары трения вместе с воздухом, топливом, рабочими жидкостями или смазкой. Применяемые на заводах-изготовителях сельскохозяйственной техники материалы и методы упрочнения (закалка, цементация, нитроцементация и азотирование) не обеспечивают необходимый уровень износостойкости и коррозионной стойкости стальных деталей. Во всех случаях поверхностная твердость деталей не превышает твердость кварцевого абразива (11 000 МПа). Величины износов деталей находятся в пределах от 0,01 до 10 мм. Из них 74 % деталей имеют величину износа до 0,3 мм. Из поверхностей деталей различных групп цилиндрические составляют около 52 % (из них 40 % - внешние цилиндрические поверхности, а 60 % - внутренние) [ 1 -3].
Значительное число деталей при ремонте техники выбраковывается с величиной износа, не превышающей десятых долей миллиметра. В то же время имеется большая номенклатура деталей машин, себестоимость восстановления которых составляет 30...50 % от цены новых. Цена капитального ремонта
7 дизельных двигателей для тракторов и комбайнов с 1990 по 1999 годы снизилась по отношению к цене новых с 40...60 % до 22...30%. Одной из причин указанной тенденции, относящейся к тракторам и другим сельскохозяйственным машинам, является рост цен на продукцию заводов-изготовителей наряду со снижением стоимости ее ремонта за счет уменьшения выбраковки деталей с недоиспользованным ресурсом.
Стратегия машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции России на период до 2010 года одним из важных направлений развития технического сервиса предусматривает создание ресурсосберегающих, экологически безопасных технологий повышения надежности основных систем и агрегатов машин, включая двигатели, топливную аппаратуру, гидросистемы и агрегаты трансмиссий.
Ресурс деталей, восстановленных с помощью имеющихся в настоящее время технологий, составляет в среднем 60...80 % от ресурса новых. Поэтому разработка новых технологий, обеспечивающих восстановление деталей и получение поверхностей с твердостью, превышающей твердость новых деталей, является одним из приоритетных направлений технологического порядка, направленных на развитие ремонтно-обслуживающей базы в АПК [4].
Среди способов получения на стальных деталях износостойких покрытий большого внимания заслуживает диффузионная металлизация. Диффузионное насыщение поверхности стальных деталей хромом, титаном и никелем позволяет получать покрытия с высокими физико-механическими свойствами: износостойкостью, коррозионной стойкостью, прочностью сцепления с металлом основы. Поверхностная твердость таких покрытий находится в пределах 16 000...32 000 МПа [5]. После диффузионной металлизации в большей степени, чем после других видов химико-термической обработки (ХТО), наблюдается изменение линейных размеров стальных деталей (от 0,01 до 0,1 мм). Эта особенность была использована при разработке технологий восстановления и упрочнения прецизионных деталей дизельной топливной
8 аппаратуры [6-14]. Однако широкое внедрение разработанных способов сдерживается рядом причин:
Недостаточная толщина диффузионных покрытий, не позволяет расширить область их применения в ремонтном производстве.
Необходимость использования дорогостоящих диффузантов - Cr, Ті, Ni, что особенно актуально в настоящее время. По данным [15] доля материалов в структуре затрат на восстановление изношенных деталей с 50...65 % в 1985 г. возросла до 90 % в 2002 г. (Витебский мотороремонтный завод).
Зависимость разработанных технологий восстановления и упрочнения деталей от химического состава стали.
Применение экологически вредных веществ (NH4F, NH4CI).
Из-за малых припусков и высокой твердости остается нерешенной проблема механической обработки диффузионных покрытий.
Интенсификация диффузионных процессов такими способами, как многокомпонентное насыщение, термоциклирование или электромеханическая обработка усложняет технологию восстановления изношенных деталей, но не устраняет указанные недостатки, так как максимальный прирост размеров и толщины диффузионных покрытий составляет не более 25 %.
Наиболее перспективной, сохраняющей преимущества диффузионной металлизации и устраняющей ее недостатки, является комбинированная технология получения износостойких диффузионных покрытий на основе бори-дов железа. Основа покрытия, необходимая для изменения диаметра изношенных цилиндрических поверхностей деталей, может создаваться из доступных материалов (порошок железа, Св-08, Fe(CO)s, СтЗ) с помощью процессов напыления, контактной приварки ленты, наплавки, газофазной металлизации через карбонилы или электролитического железнения. Так как 60 % от общего числа цилиндрических поверхностей деталей составляют внутренние, т. е. труднодоступные поверхности, выбор был остановлен на технологии получения электролитических железных покрытий (ЭЖП).
9 Электролитическое железнение позволяет с высокой производительностью
получать покрытия от нескольких сотых долей до нескольких миллиметров на доступном оборудовании, обеспечивает минимальный припуск на последующую механическую обработку или исключает ее. Технология совершенствуется в направлении улучшения качества ЭЖП, повышения производительности, уменьшения потребления чистой воды, упрощения подготовительных и заключительных операций [16-18].
Однако наряду с указанными достоинствами электролитический способ имеет существенные недостатки, прежде всего нестабильную сцепляемость покрытий с деталями и недостаточную поверхностную твердость. Для повышения физико-механических свойств такие покрытия подвергают упрочнению различными способами ХТО, которые не решают указанную проблему. Получаемая поверхностная твердость покрытий недостаточна, так как не превышает твердость кварцевого абразива.
Большое число исследований в этом направлении подтверждает экономическую целесообразность применения комбинированных технологий.
Диффузионная металлизация ЭЖП, например хромом или титаном, из-за отсутствия карбидообразующего элемента (углерода), приводит к образованию слоя на основе раствора хрома в железе (а -фаза). Поверхностная твердость диффузионного слоя невелика и находится в пределах 4500...5000 МПа.
В данной работе для упрочнения ЭЖП предлагается использовать метод диффузионного борирования. Известно, что преимуществом бора, имеющего в сравнении с хромом и титаном меньший атомный радиус, является более высокий коэффициент диффузии в железоуглеродистых сплавах. Поэтому бори-рование позволяет получать на малоуглеродистых сталях в 5.,10 раз большую толщину упрочняющего покрытия в сравнении с известными способами диффузионной металлизации при меньшей температуре и времени выдержки [19].
Комбинированная технология получения железоборидных покрытий предложена и исследовалась впервые. На электролитическом железе получены однофазные (Fe2B) боридные слои глубиной до 0,3 мм. Такие покрытия имеют
10 меньшую хрупкость в сравнении с двухфазными, полученными на основе Fe2B
и FeB. Поверхностная твердость боридного слоя на электролитическом железе
составляет 14 500.. 14 800 МПа, что является оптимальной величиной по двум
основным требованиям - износостойкости и обрабатываемости полученного
покрытия.
Для большинства деталей не требуется увеличение износостойкости в десятки и сотни раз. В ряде случаев оптимальным является упрочнение одной, наиболее доступной для восстановления детали соединения "вал - втулка". При этом обеспечиваются его минимальные изменения, сохраняются исходные условия работы в пределах срока службы сельскохозяйственной техники.
Исходя из изложенного, разработка теории получения диффузионных бо-ридных слоев на электролитическом железе, создание на ее основе новой технологии восстановления и упрочнения деталей в соединениях "вал - втулка" железоборидными покрытиями и ее реализация в ремонтном производстве является актуальной задачей, решение которой внесет значительный вклад в ресурсосбережение и конкурентоспособность российской техники.
Тема исследования по указанной проблеме включалась в планы НИР МГАУ им. В.П. Горячкина и соответствует стратегии машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции России на период до 2010 года.
Цель работы: На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать способ и технологии восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники железоборидными покрытиями.
Научная новизна. Разработаны алгоритмы применения железоборирова-ния как метода восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники. Предложена методика определения оптимального уровня твердости упрочняющего покрытия при восстановлении соединений типа "вал - втулка" за счет одной детали. Получены уравнения для определения необходимого изменения диаметра деталей и толщины диффузионного слоя. Рассмотрен
механизм образования диффузионного слоя при борировании электролитических железных покрытий (ЭЖП).
Установлено, что "мягкие" ЭЖП наиболее пригодны для упрочнения. Теоретически обоснована возможность получения однофазных (Fe2B) боридных слоев и рассчитаны диффузионные константы для ЭЖП и стали 45. Обоснована возможность диффузионного борирования в порошках без активаторов в окислительной среде и вакууме.
Практическая ценность и реализация результатов исследования.
Разработана новая комбинированная технология восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники, позволяющая в 3...10 раз увеличить изменение их размеров и толщину упрочненного слоя в сравнении с известными способами диффузионной металлизации и тем самым расширить область их применения в ремонтном производстве. На основе экспериментальных исследований установлены оптимальные режимы и составы смесей для борирования в окислительной атмосфере и вакууме, позволяющие получать желе-зоборидные покрытия с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Применение железоборидных покрытий приводит к увеличению износостойкости пар трения в 2,2...7 раз. Ресурс топливных насосов УТН-М с восстановленными плунжерными парами и упрочненным сопряжением "пятка плунжера - болт толкателя" в 1,7 раза выше ресурса серийных.
Технологические процессы восстановления и упрочнения деталей поршневых топливоподкачивающих насосов низкого давления, деталей гидротрансмиссии, установок для измельчения сыпучих материалов, валов внедрены в промышленной компании "Ветран", а также приняты к внедрению путем передачи технической документации и производственной проверки технологических процессов восстановления деталей плунжерных пар топливных насосов УТН и НД, гильз гидрораспределителя коробки передач трактора Т-150-К, золотников гидрораспределителей Р-75 и других деталей в научно-технический совет Минсельхозпрода РФ, ОАО "Ногинский завод топливной аппаратуры",
12 ОАО ПО "Молния", АООТ "Бабынинская сельхозтехника" Калужской области, ЗАО "ТЭКО-ИНВЕСТ".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на:
- научных конференциях профессорско-преподавательского состава
ФГОУ ВПО МГАУ имени В.П. Горячкина в 1985-2005 г.г.;
Всесоюзной научно-практической конференции по восстановлению деталей машин (Рига, 2-5 декабря 1987 г.);
научно-технической конференции "Повышение долговечности и надежности деталей машин методами упрочняющей обработки" (Саранск, 1988 г.);
научно-практической конференции стран-членов СЭВ "Современное оборудование и технологические процессы для восстановления и упрочнения деталей машин", "Ремдеталь-1988" (Пятигорск, 1988 г.);
2-ом съезде металловедов России (Пенза, 22-24 сентября 1994 г.);
выездном заседании бюро отделения механизации, электрификации и автоматизации Россельхозакадемии в ФГОУ ВПО МГАУ "Перспективы развития и интеграции вузовской и академической агроинженерной науки" (Москва, 24 апреля 2001 г.);
международной научно-практической конференции "Современные проблемы технического сервиса в агропромышленном комплексе" (Москва, 16-18 декабря 2002 г.);
третьей международной промышленной конференции "Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях" (Киев-Карпаты, 24-28 февраля 2003 г.);
международной научно-практической конференции памяти академика Аниловича В.Я. "Проблемы технического сервиса сельскохозяйственной техники" (Харьков, 26-27 марта 2003 г.);
международной научно-практической конференции "Опыт, проблемы и перспективы развития технического сервиса сельскохозяйственной техники" (Минск, 6-8 апреля 2004 г.);
- заседании Научно-технического совета Федерального агентства по
сельскому хозяйству (5 сентября 2005 г.);
- заседании кафедры "Ремонт и надежность машин" ФГОУ ВПО МГАУ
(Москва, 2006 г.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 30 печатных работах общим объемом 33,4 п.л., в том числе 8 статей в центральных изданиях. Новизна исследований подтверждена 5 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.
На защиту выносятся:
механизм образования боридного слоя на электролитическом железе;
методы управления структурой и свойствами боридного слоя с целью получения оптимального уровня твердости и хрупкости;
методика определения оптимального уровня твердости упрочняющего покрытия при восстановлении соединений "вал - втулка" за счет одной детали;
- результаты экспериментальных исследований физико-механических
и эксплуатационных свойств деталей, восстановленных железоборидными по
крытиями;
новый способ восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники, защищенный патентами Российской Федерации;
рекомендации по применению предлагаемых разработок в ремонтном производстве и их технико-экономическая оценка.
Анализ условий работы деталей сельскохозяйственной техники
Эксплуатация машин в сельском хозяйстве производится в тяжелых условиях и связана с перемещением по большим земельным площадям, при котором машинно-тракторные агрегаты часто работают в пылевом облаке, содержащем твердые абразивные частицы. Применяемые в настоящее время различного рода уплотнения несовершенны. Потеря герметичности приводит к проникновению пыли в подвижные соединения деталей машин. Кроме того, пыль проникает в зазоры между деталями вместе с топливом, воздухом и маслами. В эксплуатации часто не соблюдаются требования по своевременной очистке и замене фильтров и отработанных масел, по их хранению, транспортировке и заправке.
Топливо загрязняется на всех этапах - от нефтеперерабатывающего завода до топливного бака трактора или комбайна, В работах [20, 21] показано, что содержание механических примесей на этом пути увеличивается в 30., .50 раз. По данным ГОСНИТИ с 0,0005 до 0,063 %, т. е. в 126 раз [22].
Причиной не менее 60 % отказов гидропривода тракторов и сельхозмашин является загрязнение рабочих жидкостей [23]. По данным [24] загрязнение отечественных тракторных гидросистем в 4 раза выше зарубежных. В работе [25] установлено, что через сапун в бак гидросистемы трактора поступает до 0,3 м воздуха в час. При пахоте степень насыщения воздуха пылью составляет 0,05...1,2, при севе - 0,8...2,5 и на транспортных работах до 2,1 г/м3 [25]. По данным [27], содержание твердых абразивных частиц в гидравлической жидкости привода трактора может достигать 0,04 % по отношению к массе уже через 300... 1000 мото-ч.
Минералогический состав пыли, взятой в различных районах, приведен в таблице 1.1, Анализ состава пыли Б Московской области показывает, что содержание кварца составляет 80 %, оксида алюминия 11 % и полевых шпатов 8 % [28].
Микротвердость кварца находится в пределах 10500...11 300 МПа, оксида алюминия - 21 000 МПа, что значительно превышает поверхностную твердость большинства деталей в соединениях типа "вал - втулка" (7000.. .8000 МПа).
Пыль, попадающая в подвижные соединения деталей машин, является причиной абразивного изнашивания рабочих поверхностей. Механическое разрушение поверхностей деталей происходит в результате микрорезания и царапания абразивными частицами. Вследствие высокой степени концентрации контактных напряжений на локальных участках рабочих поверхностей деталей, абразивное изнашивание является наиболее распространенным и быстро протекающим видом изнашивания деталей сельскохозяйственной техники.
Механизм изнашивания деталей машин в соединениях "вал - втулка" имеет много общего. Находящиеся в топливе, смазке или рабочей жидкости абразивные частицы переносятся потоком в зазор между деталями. Частицы, размер которых меньше зазора, вызывают гидроабразивное изнашивание всей рабочей поверхности деталей плунжерной (золотниковой) пары. Частицы, близкие по размерам к величине зазора вызывают повышенный абразивный износ локального характера, так как по мере движения деталей относительно друг друга происходит их разрушение. По мере изнашивания в зазор попадают более крупные частицы абразива. С увеличением зазора возрастает скорость перетекания топлива (рабочей жидкости) и соответственно увеличивается доля гидроабразивного вида изнашивания [6].
Коррозионное изнашивание деталей ТА дизелей вызывается главным образом наличием в топливе серы и воды. В соответствии с ГОСТ 305-82 наличие воды в топливе не должно превышать 0,03% по массе, т. е. 300 г/т [21]. Основные причины попадания воды в топливную систему дизеля - нарушение условий транспортировки, хранения, заправки, конденсация влаги из воздуха на стенках топливных баков. Водная эмульсия в сочетании с растворенными в топливе органическими соединениями и газами резко увеличивает скорость коррозии металлов. Коррозионные процессы протекают по химическому, электрохимическому и биохимическому механизмам.
По результатам обследования фильтров тонкой очистки (ФТО) топлива тракторов в работе [29] установлено, что более 35 % из них теряют работоспособность в условиях эксплуатации на обводненном топливе. В рядовой эксплуатации 10... 18 % элементов ФТО набухают и деформируются. Фильтры быстрее забиваются механическими примесями, что приводит к увеличению размера пор и пропуску большего числа частиц загрязнений.
Проблему повышения ресурса трибопар в ТА дизелей, гидроприводах, коробках передач, других агрегатах машин можно решать различными путями. На рисунке 1.1 представлена схема комплексного подхода обеспечения оптимального уровня надежности сельскохозяйственной техники, предложенного академиком Ерохиным М.Н. на примере картофелеуборочных комбайнов [30].
Наиболее эффективным путем решения указанной проблемы в рамках комплексного подхода является совершенствование методов упрочнения деталей на стадии их изготовления и разработка упрочняющих технологий восстановления изношенных деталей. Упрочнение рабочих поверхностей деталей позволяет компенсировать несовершенство имеющихся в настоящее время уплотнений соединений и систем фильтрации.
Проблеме изнашивания трущихся поверхностей деталей при наличии в зоне контакта абразивных частиц посвящены работы известных ученых М.А. Бабичева, М.М. Хрущева, М.М. Тененбаума, И.В. Крагельского, Б.И. Костецкого, Д. Мооре, И. Ланкастера и др.
Анализ возможностей диффузионной металлизации по увеличению толщины покрытий
Все рассмотренные выше методы восстановления основаны на эффекте изменения линейных размеров изношенных деталей в процессе диффузии насыщающих элементов вглубь и встречной диффузии элементов из основы.
Для ответа на вопрос: "Можно ли усилить указанный эффект с целью увеличения номенклатуры восстанавливаемых деталей каким либо другим способом интенсификации?", необходимо рассмотреть механизм образования диффузионного слоя. Это позволит оценить объемные изменения в слое, обусловленные различными факторами, связанными с протеканием процесса диффузии в данных условиях.
Формирование диффузионного слоя при насыщении армко-железа хромом из паровой фазы в вакууме исследовал Б.А. Филоненко [39]. Автором был применен метод многослойных образцов с инертными метками. Установлено, что наиболее интенсивный сдвиг меток соответствует максимальной концентрации хрома на поверхности изделия.
Известно, что концентрация хрома на поверхности изделия зависит от скорости поступления атомов из хромсодержащей смеси на насыщаемую поверхность (Va) и скорости проникновения атомов в глубину (Уд). Процесс протекает нормально, если Уд равна или несколько меньше Va. В противном случае (Va Уд), концентрация хрома на поверхности металла оказывается недостаточной для образования требуемых фаз [191].
В работе Бородаевой Э.Н. [192], проводившей исследования по хромированию аустенитных сталей порошковым газовым методом, также рассматривалось формирование диффузионного слоя. Было установлено, что увеличение размеров образцов после хромирования обусловлено превышением скорости подачи хрома к поверхности над скоростью его диффузии вглубь образца.
Следует отметить, что в данном случае хром использовался как элемент, образующий с железом твердый раствор замещения. В работе впервые применен термин "диффузионный наращиваемый слой". Установлено, что данный слой обогащается встречной диффузией атомов железа и никеля.
По мнению авторов [39, 192] осаждение атомов хрома на поверхности и последующая их диффузия вглубь изделия являются этапами, лимитирующими рост диффузионного слоя. Необходимо отметить, что хромированию подвергались образцы из армко-железа и малоуглеродистых сталей.
Механизмы образования диффузионного слоя и условия, при которых можно получить максимально возможное изменение линейных размеров образцов, впервые были рассмотрены Бугаевым В.Н. [6] при хромировании (тита-нировании) углеродистой стали и в нашей работе при хромировании азотированной стали [11].
Известно, что хромируемость стали существенно зависит от содержания в ней углерода или азота. Уже небольшая концентрация углерода в стали (0,2 %) резко снижает скорость диффузии хрома. Из рисунка 1.4 видно, что толщина карбидного слоя на стали с содержанием углерода 0,8 % в 5...6 раз больше, чем на стали с содержанием углерода 0,2 % [42]. В то же время, если общая толщина хромированного слоя уменьшается с повышением содержания углерода, то толщина карбидного слоя увеличивается.
Также известно, что предварительное насыщение сталей азотом позволяет увеличить общую глубину диффузионного слоя при хромировании в 2...3 раза [193]. Вопрос о том, как происходит сдвиг внешней границы диффузионного слоя и, следовательно, изменение линейных размеров деталей авторы указанных работ не рассматривали.
В общем виде механизм образования диффузионного слоя на углеродистых или предварительно подвергнутых цементации (азотированию) сталях можно представить следующим образом.
Диффузионное насыщение стали хромом, титаном или другими элементами обычно ведут в интервале температур 1000... 1200 С, что выше линии Асз по диаграмме "железо - углерод". Поэтому диффузия происходит в у-фазе.
Атомы насыщающего элемента из паровой фазы (вакуумный способ) или освободившиеся по реакциям обмена и восстановления (газофазный способ) попадают в силовое поле решетки насыщаемого металла и осаждаются на его поверхности. Движущей силой дальнейшего осаждения насыщаемого элемента на поверхности изделия в отсутствие перепада температур является положительное значение разности концентраций элемента в насыщающей среде и на осаждаемой поверхности.
Осажденные на поверхности атомы насыщающего элемента диффундируют вглубь изделия. Движущей силой диффузии, согласно первому закону Фика, является градиент концентрации насыщающего элемента на поверхности изделия и в его основе.
Диффузия хрома и титана в железо происходит, в основном, по вакансион-ному механизму. Входящий в упрощенную систему Fe-Cr(Ti)-C(N) углерод (азот) расширяет у-область и замедляет диффузию вглубь изделия. По данным Дубинина Г.Н. [42], скорость диффузии хрома в а-железе при 1100 С в пятьдесят раз больше, чем в у-железе. Поэтому диффузия хрома в изделие идет медленно и только при достижении определенной концентрации хрома происходит переход у-фазы в а-фазу с образованием слоя р на основе раствора хрома (титана) в железе (рис. 2.1.).
Дальнейшее повышение концентрации насыщающего элемента в изделии приводит к образованию упрочняющей карбидной (нитридной) фазы в слое незначительной толщины X. В результате образования слоя X происходит движение внешней нулевой границы изделия на величину д\. Образование наращенного слоя 6i обусловлено разностью удельных объемов карбидного (нитридно-го) слоя X и основы изделия. Молекулярный объем нитрида C N в 1,24 раза больше атомного объема эквивалентного количества хрома [194].
Оборудование, материалы и технология электролитического железнения
Программой исследований предусматривалось изучить процесс последовательного железоборирования как метод восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственной техники в соединениях "вал - втулка"; установить закономерности направленного формирования железоборидных покрытий и прогнозировать их свойства.
Объектом исследования являются технологии восстановления изношенных деталей сельскохозяйственной техники железоборидными покрытиями. В частности, восстанавливаемые детали в соединениях типа "вал - втулка", изготовленные из различных марок сталей, на примере плунжеров топливных насосов УТН, НД, золотников гидрораспределителей Р-75, гильз гидрораспределителей коробки передач тракторов Т-150К и др.
Предметом исследования являются числовые значения толщины и сцеп-ляемости железоборидных покрытий, количественные показатели физико-механических и эксплуатационных свойств восстанавливаемых деталей из железоуглеродистых сплавов.
Для электролитического железнения использовали стационарную ванну с катодными и анодными штангами, подсоединенными к источнику питания. Схема электролиза периодическим током с независимым регулированием амплитуд прямого и обратного импульсов показана на рисунке 3.2.
Электролитическое железнение проводилось в холодных электролитах, состоящих из водных растворов хлористого железа FeCb х 4Н20 (ЧДА, ГОСТ 4149-65) и соляной кислоты НС1 (Ч, ГОСТ 3118-67).
Электролит готовили следующим образом: хлорное железо РеС1зх6Н20 (соль трехвалентного железа) растворяли в дистиллированной воде с таким расчетом, чтобы получать требуемое содержание хлористого железа FeCl2x4H20. Количество FeCl3x6H20, необходимое для приготовления электролита №2, в единицах г/л, взяли по рекомендациям [106]. После растворения хлорного железа в воде раствор приобретает светло-коричневый цвет. В него добавляли соляную кислоту в количестве 10...15 г/л. Проводилась проработка электролита током при плотности тока DK= 10,..15 А/дм2, при этом электролит приобретал светло-зеленый цвет. Концентрация железа в электролите определялась химическим анализом.
Перед железнением образцы подвергались обезжириванию с помощью венской извести. Венская известь (смесь окиси кальция и магния) - наиболее доступный и нетоксичный материал, обеспечивающий высокое качество очистки. Известь разводилась до кашицеобразного состояния, после чего в нее добавляли 3 % соды. Полученный раствор наносился волосяной щеткой на поверхность металла, которая затем тщательно протиралась. После протирки известь смывалась водой. Промывочная вода достаточно легко очищается от извести для повторного использования. Операция повторялась 3...4 раза.
Сокращение подготовительно-заключительных операций существенно упрощает технологический процесс, снижает его трудоемкость и значительно уменьшает расход чистой воды и соответственно образование загрязненных стоков. Операцию анодного травления образцов с одновременной очисткой их поверхностей от травильного шлама непосредственно в хлористом электролите железнения проводили по рекомендациям, разработанным в РГАЗУ профессором Батищевым А.Н. [236,237]. Состав электролита железнения: РеСЬх4Н20 - 580...600 г/л; рН = 0,5..Д7; температура 30...35 С.
В начале образцы травили при анодной плотности тока Da = 40...50 А/дм . Общее время травления составляет 45...75 с. После травления детали водой не промывались. С целью улучшения очистки поверхности от шлама и повышения сцепляемости покрытия электролиз начинали на асимметричном переменном токе, а затем переходили на постоянный в следующей последовательности. При значениях катодной плотности тока DK = 20...30 А/Дм2 и катодно-анодного показателя (3=1,1...1,2 выдерживали в течение 2 мин, после чего плавно, за 3...5 мин, катодно-анодный показатель увеличивали до 6...10 и переключали на постоянный ток. Электролиз проводили на двух режимах, изменяя катодную плотность: DK, = 10 А/дм2, DK2 = 30 А/дм2. Низкая плотность тока в начале электролиза и постепенное ее повышение приводит к осаждению мягкого подслоя железа с небольшими внутренними напряжениями, что способствует получению высокой прочности сцепления покрытия с поверхностью образца. Электролиз вели до получения покрытия необходимой толщины.
Аноды изготавливали из стали СтЗ ГОСТ 380-71 и помещали в чехлы из стеклоткани. Соотношение между поверхностями анода и катода Sa:Sk = 2:1. Расстояние между анодной и катодной штангами составляло примерно 100 мм. При железнении внутренних поверхностей деталей диаметр анода составлял 1/3 диаметра отверстия. Толщина осажденного на катоде покрытия определялась по формуле: /?= АС7Л; (3.1) 1000/ где h - толщина покрытия, мм; - катодная плотность тока, А/дм2; С электрохимический эквивалент, г/А ч; 77, - катодный выход металла по току, %; t0 - продолжительность электролиза, ч; у - плотность осажденного металла, г/см .
После железнения образцы промывались горячей водой. Оставшиеся после промывки на поверхности металла ионы хлора вызывают во влажной атмосфере интенсивную коррозию, поэтому необходимо провести нейтрализацию. Образцы нейтрализовали в 10 %-ном растворе щелочи (кальцинированная сода 20...30 г/л) при температуре 60...80 С в течение 5 мин. Затем следует промывка и сушка в сушильном шкафу при температуре 60...80 С в течение 5 мин.
Влияние режимов и состава смеси на результаты диффузионного борирования в окислительной атмосфере
Для определения оптимальных режимов борирования в порошках была проведена серия предварительных экспериментов. Согласно выводов главы 2 соблюдались условия получения однофазных Fe2B боридных слоев, Борирова-нию подвергались образцы из стали 45, 20Х (цементация), ХВГ и стали 45 с ЭЖП. "Мягкие" железные покрытия, полученные при катодной плотности то-ка Дк= 10 А/дм , в сравнении с "твердыми" при равных условиях позволяют сократить время борирования на 0,5...1,0 ч, что подтверждает теоретические выводы. Порошковая смесь состояла из карбида бора и оксида алюминия. Химические активаторы для процесса борирования не применялись.
Было установлено, что основными факторами, влияющими на результаты диффузионного борирования являются: рабочая температура насыщения, время выдержки и состав порошковой смеси. Наиболее существенное влияние на толщину и качество боридных слоев оказывают два первых фактора.
На рисунке 4.1 показано влияние процентного содержания карбида бора в смеси на толщину боридного слоя на ЭЖП. Из рисунка видно, что боридные слои образуются во всем интервале варьирования содержания карбида бора (50...80 %). Снижение содержания В4С менее 50 % приводит к уменьшению глубины боридного слоя, что объясняется снижением насыщающей способности смеси. В свою очередь при уменьшении содержания оксида алюминия в смеси менее 30 % происходит пресыщение реакционного пространства и, как следствие, вскоре за фазой Fe2B начинается интенсивное формирование нежелательной высокобористой фазы FeB. Этим объясняется снижение скорости диффузии бора вглубь ЭЖП и незначительное уменьшение общей толщины боридного слоя. Состояние поверхности покрытий ухудшается, появляются сколы на кромках поверхностей и видимая сетка трещин.
Наиболее оптимальным можно считать введение в смесь от 30 до 40 % оксида алюминия. В этом интервале, при прочих равных условиях, формируются боридные слои максимальной толщины и хорошего качества.
Известно, что боридные слои максимальной толщины при насыщении из порошковой среды формируются в области температур 1050...1100 С. Однако, как отмечалось выше, высокая температура борирования способствует зарождению и росту в диффузионном слое нежелательной высокобористой фазы FeB. Кроме того, ухудшаются механические свойства сердцевины изделия и уменьшается ресурс электропечи и контейнеров. Поэтому нами было принято условие формирования однофазных Fe2B боридных слоев в температурном диапазоне 900...1050 С.
На рисунке 4.2 представлена зависимость толщины боридного слоя от температуры насыщения, которая подчиняется экспоненциальному закону. Как видно из рисунка, наименьшая глубина боридного слоя во всем диапазоне температур наблюдается на стали ХВГ. Это объясняется высоким содержанием углерода, а также легирующих элементов, препятствующих диффузии бора. Глубина проникновения боридов на стали 45 выше, чем у стали 20Х цементованной (сказывается разница в содержании углерода). Наиболее глубокие слои получаются при борировании электролитического железа, что подтверждает теоретические предположения, высказанные во второй главе. При температуре 1050 С и времени выдержки 6 ч обеспечивается формирование на ЭЖП зоны боридов толщиной 380 мкм.
С повышением температуры борирования, на сталях 45, 20Х цементованной и ХВГ отмечается повышенная склонность покрытий к трещинообразова-нию, а на кромках образцов появляются сколы.
Зависимость толщины боридного слоя от времени насыщения подчиняется параболическому закону (рис. 4.3). Как и в случае с варьированием температурным фактором, максимальные по глубине боридные слои формировались на электролитическом железном покрытии. При температуре насыщения 1000 С и времени выдержки 8 ч толщина боридного слоя на ЭЖП составляет 350 мкм. Это в 1,3...2,1 раза больше толщины слоев, полученных на сталях 45, 20Х (цементованной) и ХВГ.
С увеличением времени выдержки интенсивность роста боридов на всех образцах снижается. Наиболее интенсивный рост происходит в лишь первые часы насыщения. Так, на стали 45 при увеличении времени насыщения с 2 до 4 ч боридный слой увеличился на 70 мкм. Уменьшение прироста толщины слоя с увеличением времени носит прогрессирующий характер: от 4 до 6 ч прирост составил 45 мкм, а от 6 до 8 ч всего 25 мкм.
Аналогичное снижение скорости роста боридов наблюдается на образцах из стали 45, 20Х цементованной и покрытых электролитическим железом. Поэтому увеличение времени выдержки при борировании до 6 ч можно считать экономически целесообразным.
Для подтверждения теории кинетики роста боридов на электролитическом железном покрытии был проведен ряд экспериментов. Исследовался процесс формирования боридов в пределах электролитического железа и с выходом за его пределы. С этой целью борировались образцы, покрытые ЭЖП толщиной 200 и 300 мкм. Порошковая смесь состояла из 60 % (по массе) карбида бора, остальное - оксид алюминия. При определении зависимости толщины боридного слоя от температуры процесса время насыщения составляло 4 ч (рис. 4.4.). Для определения временной зависимости температура выдержки была также постоянной и составляла 950 С (рис, 4.5).
Из рисунка 4.4 видно, что при одинаковых значениях температуры наиболее интенсивный рост боридного слоя наблюдается на ЭЖП толщиной 300 мкм. За пределами ЭЖП в интервале температур 1000. ..1050 С рост боридов замедляется. Особенно заметно снижение скорости роста боридов с повышением температуры на ЭЖП толщиной 200 мкм. Если в пределах ЭЖП росту боридов ничто не препятствует, то при подходе к границе раздела "основа-покрытие" углерод начинает концентрироваться в этой зоне, тормозя их дальнейший рост. Разница в толщине боридного слоя в одинаковых условиях диффузионного насыщения для стали 45 при толщине 300 и 200 мкм достигает 90 мкм. Установленная закономерность еще больше усиливается вследствие негативного влияния легирующих элементов на рост боридного слоя для стали ХВГ при толщине ЭЖП 200 мкм.
