Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Летова Оксана Владимировна
ПОВЕРХНОСТНАЯ ГРАФИТИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ
05.16.01- Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учной степени кандидата технических наук
Курск 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Курская государственная сельскохозяйственная академия им. проф. И.И. Иванова на кафедре Технология металлов и ремонт машин
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Колмыков Валерий Иванович
Официальные оппоненты: Афанасьев Александр Александрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Стандартизация и управление качеством Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова Квашнин Борис Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры Управление качеством и машиностроительные технологии Воронежского государственного университета инженерных технологий
Ведущая организация: ООО Технологические системы защитных покрытий, г. Щербинка Московской обл.
Защита состоится 30 марта 2012 г. в 1400 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.105.01 при ЮгоЗападном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета
Автореферат разослан л 28 февраля 2012 года.
Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.105.01 Б.В. Лушников
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Актуальной задачей, стоящей перед современным машиностроением, является повышение наджности 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 тврдой 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 слов на поверхности стальных деталей путм их цементации с образованием графита в диффузионных слоях. Однако известные способы поверхностной графитизации, состоящие в длительном науглероживании с последующим ещ более длительным графитизирующим отжигом, также не получили широкого практического применения.
Поэтому до настоящего времени остатся 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 энергомкости соответствовал бы распространенным и освоенным промышленностью методам химикотермической 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 слов при нитроцементации с использованием эффекта тмной составляющей.
2. 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.
3. Исследовать особенности двухступенчатой нитроцементации углеродистых и низколегированных конструкционных сталей и установить наиболее рациональные режимы, обеспечивающие максимальное насыщение поверхностных слов сталей графитом.
4. Исследовать влияние термической обработки графитизированных сталей на структуру и механические свойства поверхностных графитосодержащих слов и материала сердцевины.
5. Исследовать износостойкость и стойкость против схватывания графитизированных слов и определить наиболее рациональные режимы обработки для изделий, работающих в различных условиях эксплуатации.
6. 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 химикотермической обработки стали.
Научная новизна:
1. Раскрыт механизм образования графитных включений при нитроцементации стали, заключающийся в том, что нитроцементация должна на первом этапе проводиться при температурах в области т. А1 для системы Fe-N с целью максимально возможного насыщения стали азотом. На втором этапе нитроцементация должна проходить при температурах выше т. Асистемы 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.
2. 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.
3. 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 2Е10 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 тврдости, 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.
ичный 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 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 научнопрактической 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 1наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации.
В первой главе диссертации представлен аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы по современному состоянию вопроса использования и получения графитизированных сталей.
Графитизированные стали могут быть с высоким эффектом использованы для деталей машин и оборудования, которые работают в условиях недостаточной смазки при высоких нагрузках. Это обусловлено весьма благоприятным сочетанием в них свойств стали (высокая прочность) и серого чугуна (хорошие антифрикционные свойства). Содержащийся в структуре таких сталей графит выполняет функцию твердой смазки и, кроме того, обеспечивает пористость, способствующую удержанию смазки на поверхности трения в процессе эксплуатации графитизированных деталей.
Область использования графитизированных сталей граничит с областью применения ковкого чугуна и чугуна с шаровидным графитом.
Однако чугунное литье, даже после упрочняющей обработки, приобретает свойства лишь приближенные к свойствам графитизированных сталей, но по прочности и вязкости чугунные детали никогда не достигнут уровня стальных. Несмотря на высокие эксплуатационные характеристики и явное превосходство над чугунами, графитизированные стали не получили широкого практического применения, что обусловлено их высокой стоимостью, очень большой длительностью графитизирующего отжига, режимы которого близки к режимам отжига чугуна, и трудностью механической обработки из-за высокого содержания углерода.
Поверхностная графитизация стали может быть достигнута е интенсивным науглероживанием с последующим графитизирующим отжигом. При этом для цементации применяется специальный твердый карбюризатор с повышенным углеродным потенциалом. Есть сведения, что графитосодержащие слои можно получить на кремнистых сталях (55С2) в результате цементации без графитизирующего отжига, однако графитизация этой стали происходит только после предварительной закалки (с 850С в воде). Данный эффект обусловлен тем, что во время закалки на мартенсит в структуре кремнистой стали образуются многочисленные микротрещины и микропоры (волосные и щелевидные), размещенные поперек пластин мартенсита и в местах их стыка. Такую же форму приобретают и включения графита, образующиеся в этих трещинах при науглероживании предварительно закаленной стали.
Поскольку главным условием образования графита в стали является наличие в е структуре дефектов, можно предположить, что графитизацию сталей, причем сталей нелегированных, можно осуществлять таким методом, при котором в е структуре будет получено большое количество микропор.
Таким методом может быть нитроцементация, которая обеспечит образование в структуре диффузионного слоя специфического дефекта - темной составляющей.
Темная составляющая представляет собой поры в поверхностных слоях стали, в которых при интенсивном науглероживании будет выделяться углерод в свободном виде (в форме графита), т.е. будет происходить графитизация поверхностного слоя. При наличии достаточно активной среды, включающей азотосодержащие и углеродосодержащие компоненты, и использовании оптимальных режимов насыщения стали вначале азотом, а затем углеродом можно ожидать прохождения процесса графитизации на обычных конструкционных сталях, без специального легирования их кремнием и без последующего графитизирующего отжига. Исследованию этих процессов и посвящена настоящая работа.
Во второй главе изложена методика экспериментальных исследований, проводимых в работе. Для исследования была выбрана углеродистая качественная улучшаемая сталь 40, которая широко используется для изготовления самых различных деталей и выпускается отечественной промышленностью в массовых количествах. Кроме того для отдельных экспериментов использовалась сталь 50С2 и специальная графитизированная сталь ЭИ293 (1,6% C; 0,9% Si; 0,35% Mn; 0,15% Ni;
0,07% Cr).
Нитроцементацию образцов проводили в пастообразном углеродноазотистом карбюризаторе на основе мелкодисперсной газовой сажи ДГ-100 и желтой кровяной соли (железосинеродистого калия) K4Fe(CN)6, пастообразователь - водный раствор ПВА (или КМЦ). Образцы покрывали пастой, высушивались и упаковывали в герметичный контейнер с наполнителем в виде отработанного древесно-угольного карбюризатора.
Нитроцементацию проводили в шахтной лабораторной печи СШОЛ-12-М3Ц4 с автоматическим поддержанием и регулированием температуры.
Закалку образцов после нитроцементации проводили либо непосредственно из нитроцементационной печи, высыпая содержимое контейнера в масло или воду, либо с повторным нагревом в камерной печи ТП-2, в ней также производили отпуск закаленных образцов.
Химический анализ исследуемых сталей до и после нитроцементации проводили на спектрометре Quanto Port F с компьютерной обработкой результатов (точность 0,001%). Распределение азота и углерода по сечению диффузионных слоев нитроцементационных сталей изучали с использованием атомно-эмиссионного спектрометра SA-2000 фирмы LEKO.
Микроструктурный анализ проводили при помощи металлографических микроскопов МИМ-8 и ММР при различных увеличениях, для количественного микроструктурного анализа использовали окулярмикрометр, содержание графита в структуре подсчитывали точечным методом Глаголева.
Рентгеноструктурный анализ проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 непосредственной съмкой с металлографических шлифов в кобальтовом или хромовом излучении.
Твердость образцов и нитроцементированных изделий определили на твердомере ТК-2 (Роквелл), микротвердость - на микротвердометре ПМТ-при нагрузках на индентор 1,0 Н.
Для оценки износостойкости графитизированных сталей в различных условиях трения проводили испытания на машине трения СМЦ-2. Износостойкость определяли при настройке машины по схеме ролик-ролик и по схеме ролик-колодка с подачей в зону трения чистой смазки и смазки, загрязненной абразивными частицами, проводили испытание при трении без смазки, а также определяли стойкость графитизированных образцов против схватывания и задира. Таким образом, воспроизводились практически все возможные варианты изнашивания реальных деталей.
Износы образцов определяли весовым методом на аналитических лабораторных весах с точностью 0,0001 г. Схватывание при трении определяли визуально по полосам задира на полированной поверхности образца (ролика), а также по специфическому вибрирующему звуку, который появлялся при возникновении схватывания.
Испытания графитизированных сталей на ударную вязкость проводили по методике Шарпи на маятниковом копре МК-30 с использованием стандартных образцов 101055 мм без надреза, а также по методике Пружанского на малых образцах диаметром 2 мм с использованием копра с пониженной энергией удара (1Е2 Дж).
Для уменьшения количества опытов при экспериментальных исследованиях использовали математическое планирование эксперимента, расчеты по статистической обработке опытных данных производили на ПЭВМ.
Третья глава диссертации посвящена разработке универсальной нитроцементующей среды, обеспечивающей насыщение стали азотом и углеродом в широком диапазоне температур и исследованию влияния режимов нитроцементации на образование графитосодержащих слоев.
Графитизация стали может произойти, если нитроцементирующая среда будет обладать повышенной активностью по азоту и углероду. В качестве такой среды была предложена паста на основе аморфного (сажистого) углерода, имеющего чрезвычайно развитую реакционную поверхность, и желтой кровяной соли (железосинеродистого калия) К4Fe(CN)6, содержащей около 30% азота, с некоторыми добавками для улучшения технологических свойств.
При температурах 550Е650С предлагаемая среда генерирует большое количество активного азота, а при температурах выше 800С - большое количество углерода. Изменяя температуру процесса, в одной и той же пасте можно проводить насыщение поверхности стали азотом, а затем углеродом, что необходимо для графитизации. Оптимизация состава нитроцементующей пасты по глубине диффузионного слоя, проведенная при температуре 650С, позволяет рекомендовать следующее содержание компонентов, % мас.: желтая кровяная соль К4Fe(CN)6 30Е40, углекислый натрий Na2CO3 8Е10, углекислый кальций CaCO3 4Е6, газовая сажа ДГ100 остальное. В качестве пастообразователя была использована поливинилацетатная эмульсия (ПВА) с добавлением этанола в качестве поверхностно-активного вещества.
Исследование влияния температуры на насыщение стали азотом в названной выше пасте (табл. 1) показало, что при температуре 650С общее количество азота, усвоенного сталью, оказывается максимальным (достаточно большое содержание азота на поверхности и максимальная глубина зоны карбонитрида ), поэтому температура первой ступени нитроцементации, проводимой с целью графитизации стали, была принята равной 650С.
Таблица Влияние температуры нитроцементации на содержание азота на поверхности и глубину карбонитридных зон в диффузионных слоях стали 40 (длительность 1,5 ч) Температура нитроцементации, С 570 600 650 700 7Содержание азота N на 7,21 6,68 5,62 1,95 1,поверхности, % Глубина зоны карбонитрида 0,03 0,04 0,07 ___ ___ Fe2-3NС (-фазы), мм Глубина зоны карбонитрида, ___ ___ 0,01 0,14* 0,15* изоморфного с цементитом, мм * Карбонитридные включения присутствуют в структуре в виде отдельных изолированных включений.
Вторая ступень нитроцементации должна обеспечить деазотирование диффузионного слоя с образованием дефектов (лтемной составляющей) и заполнение этих дефектов углеродом. Температура этой ступени, как показали наши исследования, должна быть выше 820С.
При двухступенчатой нитроцементации глубина графитизированных слоев, которая соответствует глубине зоны карбонитридов на поверхности стали, определяется длительностью низкотемпературной (~ 650С) ступени обработки. Количество графита, форма и величина графитных включений определяются температурой и длительностью второй, высокотемпературной ступени процесса (рис. 1).
а) б) Рис. 1. Микроструктуры графитизированных слоев на стали 40, полученные при различных режимах двухступенчатой нитроцементации:
а - 650С, 3ч +850С, 3ч; б - 650С, 3ч + 950С, 5ч (300) Скорость роста карбонитридной корки при 650С составляет 0,05Е0,06 мм/ч, скорость насыщения графитом предварительно азотированного слоя зависит от температуры: чем она выше, тем интенсивнее идет насыщение. Однако содержание графита при всех температурах второй ступени нитроцементации не превышает ~ 5% площади шлифа, что при температуре 950С достигается примерно за 3 часа.
Дальнейшее увеличение длительности высокотемпературной обработки не приводит к увеличению содержания графита на поверхности стали.
В заключение надо отметить, что общее время обработки стали в нитроцементующей обмазке не должно превышать ~ 8 часов, после чего интенсивность насыщения стали резко снижается, по-видимому, из-за истощения насыщающей среды. За это время на углеродистой стали можно получить графитизированный слой толщиной 0,2Е0,3 мм с содержанием графита от 2 до 5%.
Четвертая глава диссертации посвящена исследованию свойств сталей с графитизированными поверхностными слоями.
Графит, выходящий на поверхность трения, создает на них тонкую пленку твердой смазки, облегчая взаимное перемещение трущихся поверхностей (снижается коэффициент трения) и резко уменьшая износ.
Несущая способность такой пленки увеличивается с увеличением протяженности контакта (снижением шероховатости поверхностей) и повышением твердости трущихся поверхностей. Толщина графитной пленки, т.е. содержание графита в поверхностных слоях графитизированных сталей, на несущую способность графитной пленки влияет весьма незначительно.
Теоретический анализ и экспериментальные данные, полученные при исследовании изнашивания графитизированных слоев, позволили вывести формулу для оценки предельной нагрузки, выдерживаемой графитной пленкой на поверхности графитизированных слоев Рр КН3 N, (1) где Рр - расчетная предельная нагрузка, К - размерный коэффициент;
Н - твердость поверхности;
N - доля графитных включений в поверхностной зоне графитизированного слоя.
Расчеты показывают, что при содержании графита в графитизированных слоях ~ 2% критическая нагрузка на графитную пленку на поверхности закаленной стали составляет 1500Е2000 Н/см2.
Графитная пленка имеет весьма высокую прочность на поверхностях, обладающих высокой твердостью, и надежно защищает основной металл от трения, вызываемого непосредственным контактом с контртелом. При недостаточной твердости поверхности трения (графитизированного слоя) возникает локальное пластическое течение материала в пятнах контакта и графитная пленка быстро разрушается, не оказывая на материал защитного действия.
При закалке непосредственно с температуры нитроцементации (850С) твердость графитизированных слоев зависит от содержания в структуре графита. При содержании графита до 2% графитизированная сталь 40 имеет твердость более HRC 50, что достаточно для обеспечения высокой износостойкости. При большем содержании графита твердость заметно снижается и составляет при 5% графита в структуре только HRC 35.
Аналогичная твердость получается и при закалке графитизированной стали и с повторного нагрева. В последнем случае имеется опасность обезуглероживания поверхности стали при достаточно длительной выдержке в печной (воздушной) атмосфере для аустенизации.
Поскольку графитизированный слой на поверхности стали имеет небольшую глубину, его обезуглероживание весьма опасно из-за резкого снижения износостойкости и усталостной прочности. Поэтому при использовании для графитизации стали двухступенчатой нитроцементации целесообразно проводить закалку непосредственно с температуры второй (высокотемпературной) ступени. В сердцевине графитизированной стали при этом не наблюдается чрезмерного роста зерна.
Наши исследования показали, что графитные включения при температурах отпуска (100Е500С) практически не оказывают влияния на процессы, происходящие в металлической матрице, поэтому режимы отпуска графитизированных сталей могут быть такими же, как и неграфитизированных.
Испытания на изнашивание графитизированных слоев на стали 40 в условиях трения без смазки показали, что их износостойкость в несколько раз (более чем в 3 раза) выше, чем износостойкость стали 45, закаленной на максимальную твердость. Высокая износостойкость графитизированной стали наблюдается вплоть до нагрузок 1000 Н/см2, в то время как у неграфитизированной стали уже при ~ 200 Н/см2 происходит схватывание поверхностей трения.
В условиях полусухого трения (с периодической подачей смазки в зону трения) износостойкость графитизированной стали превосходит износостойкость традиционных антифрикционных материалов: серого чугуна СЧ-21 - в 3,3 раза; латуни ЛС-59-1 - в 3,8 раза; бронзы Бр ОЦС 5-5-- в 1,4 раза. Это обусловлено чрезвычайно низким коэффициентом трения (в два раза меньшим, чем у серого чугуна), высокой твердостью поверхности, а также способностью графитизированного слоя удерживать смазку в порах на своей поверхности.
Нитроцементация несколько повышает износостойкость стали при трении в присутствии абразива (на 20Е50%), однако такого повышения недостаточно, чтобы рекомендовать графитизацию как средство борьбы с абразивным износом. Ударная вязкость стальных изделий с графитизированными слоями на поверхности определяется в основном структурой и свойствами сердцевины, а также глубиной графитизированного слоя. Графитосодержащий слой по своему влиянию на ударную вязкость может быть приравнен к надрезу на поверхности образца, поскольку он пронизан многочисленными трещинами и порами (заполненными углеродом), что способствует легкому образованию магистральных разрушающих трещин.
По мере увеличения содержания графита в диффузионных слоях нитроцементованных сталей их ударная вязкость понижается одновременно со снижением твердости, хотя у большинства известных металлических материалов снижение твердости приводит к увеличению ударной вязкости.
Эту особенность графитизированных сталей следует учитывать при изготовлении конкретных изделий.
Использование для графитизации путем двухступенчатой нитроцементации легированных сталей, в частности кремнистой стали 50С2, как показали наши исследования, никаких преимуществ перед простыми углеродистыми сталями не дает.
Графитизированная сталь 40 (как и другие углеродистые улучшаемые стали) на практике может быть с успехом использована в качестве антифрикционного материала для замены бронзы, латуни и чугунов (серого, ковкого и высокопрочного). При этом графитизированная сталь будет выгодно отличаться от названных материалов, так как сердцевина деталей, обладающая высокой прочностью, будет хорошо сопротивляться высоким силовым нагрузкам.
Предлагаемая технология двухступенчатой нитроцементации, выполняемой для графитизации поверхностных слоев, может быть использована для повышения долговечности многих деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных и других машин, работающих без смазки или при недостаточной смазке. Кроме того, сталь с графитизированными поверхностными слоями может быть использована для изготовления вкладышей, втулок и других антифрикционных деталей в различных узлах трения.
Производственные испытания деталей поворотного устройства трактора Т-150К (шкворня и втулок) и открытых шарниров комбайна Дон-1500Б, изготовленных из стали 40 и подвергнутых двухступенчатой нитроцементации, показали хорошую работоспособность без смазки и высокую долговечность.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Установлено, что графитизация углеродистых сталей возможна при их нитроцементации, проводимой по двухступенчатому режиму - при низкой и высокой температурах. Во время низкотемпературной ступени обработки (в районе температур т. А1 системы Fe-N) поверхность стали насыщается азотом с образованием высокоазотистых карбонитридных фаз. Во время второй ступени, температура которой выше т. А3 для системы Fe-C, происходит деазотирование поверхностного слоя с образованием дефектов (трещин и пор) на месте азотистых фаз и заполнение этих дефектов углеродом в виде графита.
2. Предложена нитроцементующая паста для обеспечения графитизации поверхностных слоев углеродистых сталей (улучшаемая сталь 40), состоящая из желтой кровяной соли (30Е40%), углекислого натрия (8Е10%), углекислого кальция (4Е6%) и сажи ДГ-100 (остальное). В качестве пастообразователя использовалась поливинилацетатная эмульсия (ПВА) с добавлением этанола. При температурах 550Е650С эта паста обеспечивает интенсивное насыщение поверхности стали азотом, а при температурах 820Е950С - насыщение стали углеродом.
3. Экспериентально установлено влияние температуры и длительность первой ступени нитроцементации на глубину графитосодержащих слоев, а температура и длительность второй ступени определяют количество и форму графитных включений в диффузионных слоях. Проведение нитроцементации стали 40 по следующему режиму: первая ступень - 650С, 3ч, вторая ступень - 850С, 3ч, позволяет получить на поверхности этой стали графитосодержащий слой толщиной ~ 0,25 мм с содержанием графита ~ 3%.
4. В результате исследований стало ясно, что графитные включения на поверхности трения стальных изделий играют роль твердой смазки, образуя тонкую пленку, препятствующую непосредственному контакту материалов трущихся деталей. Критическая нагрузка, при которой разрушается пленка, зависит в основном от твердости поверхности, на которой она образовалась.
При недостаточной твердости этой поверхности возникает локальная пластическая деформация (течение металла) и графитная пленка разрушается. При этом резко возрастает интенсивность изнашивания стали.
5. Подтверждено, что твердость графитизированных слоев на стали при непосредственной закалке с нитроцементационного нагрева (850С) зависит от содержания в их структуре графита: при содержании до 2% твердого слоя достаточно высокая для обеспечения износостойкости (более HRC 50), при повышении содержания графита твердость графитизированного слоя интенсивно снижается (при 5% графита - HRC 35).
Анологичная твердость получается и при закалке графитизированной стали с повторного нагрева.
6. Установлен факт - графитизированные слои на углеродистой стали способствуют значительному повышению их износоустойчивости при изнашивании в условиях трения без смазки (более чем в 3 раза) и в условиях граничного трения, а также имеют высокую стойкость против схватывания:
нагрузка, вызывающая схватывание графитизированной стали 1000 Н/см2, против 200 Н/см2 у неграфитизированной стали.
7. Поверхностную графитизацию углеродистых сталей можно рекомендовать для повышения эксплуатационных свойств большой номенклатуры деталей. Поверхностные слои с содержанием до 2% графитных включений обладают высокой твердостью (HRC 50Е60), износостойкостью и удовлетворительной ударной вязкостью, могут значительно повысить долговечность самых различных, в том числе, тяжелонагруженных деталей. Сталь с большим содержанием графита может быть использована для замены антифрикционных материалов.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ Публикации в рецензируемых научных журналах 1. Колмыков, В.И. Особенности формирования графитсодержащих диффузионных слоев при двухступенчатой нитроцементации конструкционных сталей [Текст]/ В.И. Колмыков, И.Н. Росляков, О.В. Летова // Технология металлов. - 2008. - № 11. - С. 22Ц24.
2. Летова, О.В. Закалка и отпуск графитизированных сталей [Текст] /О.В. Летова, С.С. Летов, Н.А. Пивовар // Перспективы науки.
Ц 2011. - №3(18). - С. 79Ц82.
3. Летова, О.В. Повышение надежности деталей тормозных устройств автомобилей поверхностной графитизацией [Текст] / О.В. Летова, С.С. Летов, В.И. Колмыков // Глобальный научный потенциал. - 2011. - №8.
Ц С. 92-94.
4. Летова, О.В. Азотисто-углеродная паста для нитроцементации стали при низких и высоких температурах [Текст] / О.В. Летова // Технология металлов. - 2011. - №9. - С. 25Ц28.
Статьи и материалы конференций 5. Колмыков, В.И. Анализ стойкости графитизированных сталей против изнашивания и схватывания [Текст] / В.И. Колмыков, В.Я. Красников, О.В. Летова // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: материалы Междунар. науч.-техн. конф.: в 2 ч. - Курск, 2005. - Ч.1. - С. 276Ц279.
6. К вопросу об образовании графита в диффузионных слоях при цементации сталей [Текст] / В.И. Колмыков, С.С. Летов, О.В. Летова [и др.]// Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: материалы III Междунар. науч.-технич. конф.: в 2 ч. - Курск, 2005. - Ч.1. - С. 279Ц283.
7. Поверхностная графитизация стали 40 при двухступенчатой нитроцементации [Текст] / В.М. Переверзев, В.И. Колмыков, О.В. Летова [и др.] // Совершенствование технологии восстановления деталей и ремонта машин в АПК: материалы Юбил. науч. конф. - Курск, 2006. - С. 86Ц91.
8. Повышение триботехнических свойств конструкционных сталей поверхностной графитизацией при насыщении азотом и углеродом [Текст] / В.М. Переверзев, В.И. Колмыков, О.В. Летова [и др.] // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации:
материалы 4-й Междунар. науч.-техн. конф.: в 2 ч. - Курск, 2006. - Ч.2. - С. 59Ц64.
9. Летова, О.В. Условия образования графита в сталях [Текст] / О.В. Летова, В.Я. Красников, А.Г. Уварова // Инновации, качество и сервис в технике и технологиях: материалы 1-й Междунар. науч.- практ. конф.: в 2 ч. - Курск, 2009. - Ч.2. - С. 150Ц153.
10. Летова, О.В. Влияние кремния и других легирующих элементов и примесей на графитизацию сталей [Текст] / О.В. Летова, В.Я. Красников, А.Г. Уварова // Инновации, качество и сервис в технике и технологиях:
материалы 1-й Междунар. науч.-практ. конф.: в 2 ч. - Курск, 2009. - Ч.2. - С.153Ц156.
11. Летова, О.В. Свойства и области применения графитизированных сталей [Текст] / О.В. Летова, В.Я. Красников, А.Г. Уварова // Инновации, качество и сервис в технике и технологиях: материалы 1-й Междунар. науч.практ. конф.: в 2 ч. - Курск, 2009. - Ч.2. - С. 156Ц160.
12. Летова, О.В. Влияние содержания графита в поверхностно слое на основные механические свойства стали 40 [Текст] / О.В. Летова, С.С. Летов, Н.А. Пивовар // Новые технологии и инновационные разработки: материалы IV Межвузовской науч. - практ. конф.: - Тамбов, 2011. - С. 103Ц106.
____________________________________________________ Подписано в печать __________2011. Формат 6084 1/16.
Печ. л. 1,0. Тираж 150 экз. Заказ.
Юго-Западный государственный университет.
305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям