Влияние активации процесса химико-термической обработки на триботехнические свойства теплостойкой стали

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Целью данной работы является повышение эксплуатационных свойств теплостойкой стали ВКС-7 (16Х2Н3МФБАЮ-Ш по ТУ 14-1-4483-88) путем совмещения интенсивной пластической деформации (ИПД) и новой комбинированной химико-термической обработкой (КХТО), включающей ионно-плазменное азотирование (ИА) и вакуумную цементацию (ВЦ).

Исследуемые обработки.

Для активизации процесса диффузионного насыщения и создания мелкодисперсного состояния поверхностного слоя образцы стали ВКС-7 подвергали предварительной ИПД - осадке при температуре 700 и степени деформации 80%. ИА проводили в среде азотно-водородной газовой смеси состава 95%N2 + 5% Н2 при температуре 500 в течение 20 ч. ВЦ осуществляли при температуре 940о, рабочая среда - ацетилен, общее время цементации - 6 ч с соблюдением соотношений времени насыщения и времени диффузии [1, 2].

Операция ИА предназначена для того, чтобы перед науглероживанием насытить приповерхностную зону азотом до высоких от 8 до 11% (масс.) концентраций, характерных для слоя нитридов. В условиях цементационного нагрева нитриды, диссоциируя, служат источником активного насыщения поверхности азотом, углерод оттесняет азот в глубь диффузионного слоя, увеличивая глубину его проникновения.

Методики проведения испытаний.

Структуру и распределение микротвердости по толщине обработанного слоя оценивали на поперечном шлифе. Измерение микротвердости проводили на микротвердомере Durascan-70 при нагрузке 1Н.

Испытания на износостойкость проводили на восьмипозиционном стенде с возвратно-поступательным движением плоских сопрягаемых образцов при скорости скольжения 0,19 м/с, давлении 10 МПа, времени испытаний 15 ч, смазке Литолом - 24.

Испытания на контактную усталость проводили по ГОСТ 25.501-79 на двухпозиционном стенде Ш-17, моделирующем качение с проскальзыванием.

Результаты испытаний.

Проведенные металлографические исследования после ИПД указывают на многократное (до 16 раз) измельчение исходной крупнозернистой структуры сорбита. Кристаллы феррита, сохранявшие кристаллографическую ориентировку бывших реек мартенсита, дробятся на мелкие фрагменты, приобретая форму новых достаточно равноосных зерен размером до 0,8 мкм. При ИА на поверхности образцов формируется слой нитридов железа с размером кристаллов от 20 до 50 нм. При ВЦ ускоряется процесс диффузии углерода, образуются высокодисперсные частицы карбидов. При КХТО параллельно с процессами диффузии углерода происходит формирование наноструктурного состояния нитридного слоя.

Металлографические исследования после ИПД и КХТО показывают, что приповерхностная часть диффузионного слоя состоит из ультрамелкодисперсного мартенсита и расположенных в нем частиц карбонитридной фазы. Карбонитридная зона характеризуется высокой насыщенностью частицами карбонитридов, определяя высокую твердость поверхности и большие величины толщин диффузионной зоны. Карбонитридная сетка отсутствует, частицы карбонитридов расположены дискретно и имеют равноосную форму, близкую к глобулярной.

Значения толщины упрочненного слоя (h), поверхностной микротвердости (HV), износостойкости (1/I1) и контактной выносливости () стали ВКС-7, прошедшей различные виды вакуумных ХТО приведены в таблице. Все процессы активизированы предварительной ИПД.

При сравнении величин износостойкости (1/I1), представленных в таблице, можно видеть, что наименьшая износостойкость стали ВКС-7 при трении скольжения наблюдается после ее вакуумной цементации. В результате упрочнения, связанного с насыщением поверхностей азотом (ИА, ВНЦ), износостойкость этой стали выше, чем после вакуумной цементации, а после КХТО, проведенной по схеме: ИПД, ИА, ВЦ - достигается ее практическая безызносность.

Таблица 1

ИА, ВЦ и ВНЦ по сравнению с традиционным газовым азотированием, с цементацией в твердом карбюризаторе и с газовой нитроцементацией [3] обеспечивают повышение износостойкости до 10 раз и повышение контактной выносливости до 1,4 раза. Наибольшее повышение износостойкости обеспечивает КХТО.

Для развития и совершенствования технологий ХТО актуален трибологический подход к оценке качества упрочненного слоя и разработке структурных критериев износостойкости поверхностных слоев.

Результаты экспериментальных исследований и установленные эмпирические зависимости, анализ которых приведен в целом ряде монографий [4-6 и др.], дают основания полагать, что фундаментальные параметры кристаллической решетки металлов и сплавов, среди которых в(hkl) - физическое уширение рентгеновских линий и б - период кристаллической решетки могут рассматриваться в качестве физических критериев износостойкости металлических материалов при разнообразных условиях трения. Эти параметры в сочетании с макроскопическими характеристиками - величинами износа и коэффициента трения представляют собой разноуровневую и обоснованную систему критериев качества узла трения [7]. Совокупность характеристик структуры материала как в состоянии до трения, так и их изменения в процессе трения, зафиксированные после испытаний, является аппаратом для оценки взаимодействия конструкционных материалов.

Разработан обобщенный структурный параметр поверхностного слоя материала, локализующего процесс контактного взаимодействия, который может быть применен для любого вида ХТО.

Перечисленные параметры соотношения являются взаимосвязанными величинами, характеризующими состояние материала в процессе предварительной обработки, в условиях деформации и разрушения при трении. Особая роль в этом соотношении принадлежит величине (впр - во), указывающей на запас пластичности материала поверхностного слоя, и которая может выступать в качестве регулятора достижения требуемых свойств сплавов.

В результате применения новой комбинированной технологии достигается существенное повышение твердости, износостойкости и контактной выносливости ответственных деталей машин из теплостойкой стали ВКС-7.

Список литературы

1. Герасимов С.А., Куксенова Л.И., Лаптева В.Г., Фахуртдинов Р.С., Алексеева М.С., Данилов В.Д., Смирнов А.Е., Громов В.И. Повышение характеристик механических свойств теплостойких сталей методом активизации процесса азотирования // Проблемы машиностроения и надежности машин, 2014, № 2, с.90-96.

2. Герасимов С.А., Куксенова Л.И., Лаптева В.Г., Фахуртдинов Р.С., Данилов В.Д., Щербаков Ю.И., Алексеева М.С., Смирнов А.Е., Громов В.И. Механические свойства теплостойких сталей после активизации процесса цементации // Проблемы машиностроение и надежности машин, 2014, № 4, с.113-119.

3. Герасимов С.А., Куксенова Л.И., Лаптева В.Г. Структура и износостойкость азотированных конструкционных сталей и сплавов. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2-13, 518с.

4. Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И. Структура и износостойкость металла. М.: Машиностроение, 1982, 212с.

5. Любарский И.М., Палатник Л.С. Металлофизика трения. М.: Металлургия, 1976, 176с.

6. Поверхностная прочность металлов при трении / Под ред. Б.И. Костецкого. Киев: Техника, 1976, 292с.

7. Савенко В.И., Щукин Е.Д. О соотношениях между феноменологическими и структурными критериями работы узлов трения // Трение и износ, 1982, № 4, с.581-589.