Geum.ru

Перспективы применения низкотемпературных термодиффузионных технологий для решения триботехнических задач в автомобилестроении власов В. М., Фролов Н. Н., Иванькин И. С., Васин М. И., Коченихин А. С

Вид материалаДокументы

Содержание


Антифрикционная перспектива
Коррозионная перспектива.
Подобный материал:
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕРМОДИФФУЗИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ В АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ


Власов В. М., Фролов Н. Н., Иванькин И. С., Васин М. И., Коченихин А. С. (Тульский государственный университет, г. Тула, Р.Ф.)


Different perspectives of low temperature thermal diffusion techniques using for tribonics tasks in automobile building deciding are analyzed in the paper.


В транспортных машинах содержится большое число трущихся деталей, ресурс работы которых значительно ограничивает долговечность изделия в целом. Низкотемпературное насыщение в газовых средах на основе аммиака и эндогаза (низкотемпературная химико-термическая обработка (НХТО) – никотрирование) позволяет значительно улучшить параметры качества и признаки долговечности поверхностных слоев. Кроме того процесс имеет также ряд технологических (малые внутренние напряжения в поверхностных слоях и коробление деталей); экономических (невысокая энергоемкость процесса и низкая стоимость оборудования) и экологических («чистота» способа в экологических системах «Вода» и «Воздух») преимуществ.

Возможно рекомендовать следующие перспективные направления в триботехнической модификации способов НХТО.

1. «Износостойкая» перспектива. Связана в первую очередь с изменением фазового состава слоя химических соединений на поверхности сталей за счет регулирования азотного и углеродного потенциала насыщающей атмосферы. В частности, для условий работы деталей при трении с ударными нагрузками необходимо применять пониженные потенциалы газовой среды (до 0,2…0,3 по азоту) за счет введения в ее состав азотно-водородных смесей, аргона и т. д. В этом случае толщина карбонитридной (+)-зоны уменьшается, но зона внутреннего азотирования существенно возрастает. Наоборот, получение развитой (+)-зоны необходимо для деталей, подвергающихся трению скольжения при высоких и средних давлениях, а также улучшению прирабатываемости трущихся поверхностей и понижению коэффициента трения. В этом случае процесс насыщения необходимо осуществлять при высоких (до 0,5…0,8 по азоту) потенциалах. Для снижения хрупкости карбонитридного слоя и, соответственно, снижения концентрации азота в -фазе никотрирование проводят в пульсирующем потоке газов с подачей больших количеств аммиака и эндогаза на начальных стадиях обработки. Последнее параллельно сокращает до 2-х раз продолжительность обработки. Отработаны режимы износостойкого никотрирования НХТО-процессом, осуществляемые в две следующие стадии. Первый этап насыщения необходим для создания глубоких (до 500…800 мкм) диффузионных зон без формирования экранирующего диффузию карбонитридного слоя. С этой целью процесс проводят в -азотистой области «Fe-N» диаграммы (температура 630-700С) в безуглеродсодержащей атмосфере аммиака с малым азотным потенциалом. Последнее достигается разбавлением аммиака нейтральным аргоном в количествах от 70 до 90% в зависимости от марки стали. Вторая стадия насыщения преследует цель создания функционального карбонитридного покрытия толщиной от 30 до 70 мкм. Изменением соотношения аммиака и эндогаза в насыщающей смеси возможно получение требуемых триботехнических свойств в направлении повышения антифрикционности (соответственно состав 50/50) или износостойкости (состав 70/30). Положительно показали себя также режимы никотрирования из -области со ступенчатыми циклами по подаче насыщающих атмосфер, а также способы охлаждения непосредственно в псевдоожиженном слое печей с кипящим слоем.

2. Антифрикционная перспектива. Связана с тремя следующими направлениями применения НХТО-технологии: применение высокотемпературных режимов насыщения, введение в насыщающие атмосферы «антифрикционных» газовых добавок, а также «антифрикционной» паротермической пропиткой карбонитридного слоя. Никотрирование при 690-700С можно применять для деталей, работающих в условиях износа при «полусухом» и «сухом» трении. Высокие антифрикционные свойства сталей связаны с морфологическими особенностями поверхности карбонитридной зоны, образующейся при 700С. Для предотвращения смятия трущейся поверхности желательно иметь подслойную зону с повышенной твердостью, для чего требуется закалка поверхностного слоя. Необходимые свойства и толщина отдельных зон азотированного слоя могут быть изменены уменьшением азотирующей активности газовой среды. Этого можно достичь торможением реакции диссоциации аммиака за счет повышения парциального давления компонентов (N+H2), например при разбавлении аммиачной атмосферы азотом и водородом. Для сталей повышенной легированности типа 38ХМЮА лучшие результаты достигались азотированием в смеси 70% N2 и 30% NH3. После насыщения в оптимальной газовой смеси толщина зоны -фазы на сталях 20Х, 40Х примерно в 2 раза больше (по сравнению с толщиной -фазы, полученных в чистом аммиаке) и составляет около 0,1 мм при глубине -фазы ~40 мкм. Для целей антифрикционной пропитки никотрированных покрытий были использованы две аммонистые соли: молибдена NH4Mo2O7 и роданистое соединение NH4CNS. С позиций получения благоприятных антифрикционных свойств, для приготовления основы жидкого реагента наилучшими являются аммонистые соли, в частности соль молибденовокислого аммония. Использование данной соли позволяет получить атмосферу реакции, в которой содержатся следующие функциональные компоненты: аммиак, молибденовый ангидрид и водный пар. Солевая добавка роданида аммония в молибденат при температуре около 400С термически диссоциирует с образованием в том числе комплексного сернистого соединения S4, заполняющего макропустоты поверхностного слоя. Разработан рациональный состав водного раствора солей молибдената и роданида аммония в следующей пропорции: 20 г/л и 10 г/л соответственно. Анализ степени заполняемости микропор в карбонитридном слое сернистым S4-антифрикционным наполнителем показал, что процесс паротермической обработки следует проводить при температуре 580С, времени до 20…30 мин и расходе жидкого реагента 20…30 г/мин. Апробирован также комбинированный НХТО-способ – оксикарбоазотирование, когда в аммиачно-водородную атмосферу с эндогазом добавляют 1-2% О2 или 5-10% воздуха. Добавление кислорода в газовую среду ускоряет диффузию азота. Хорошие результаты получены при проведении двухстадийного процесса газового карбонитрирования при 560-580С и последующего оксидирования при 550С в атмосфере водяного пара. При этом на поверхности образуется слой оксидов железа (Fe3O4, Fe2O3), под которым располагается -фаза, обладающая более высокой сопротивляемостью коррозии, чем -фаза. Для улучшения приработки, повышения износостойкости и противозадирных свойств, особенно при «сухом» и «полусухом» трении, применяют сульфоазотирование, т. е. одновременное насыщение поверхности изделий азотом, углеродом и серой. Сульфоазотированный слой имеет строение аналогичное азотированному слою, но на поверхности образуется тонкая оксисульфидная пленка. Процесс осуществляется при 560-620С в атмосфере аммиака и эндогаза с добавками серосодержащих веществ H2S, CS2 и SO2.

3. Коррозионная перспектива. Установлено, что высокую коррозионную стойкость может обеспечивать как -, так и -фаза, а также их смесь. Понижение коррозионной стойкости наблюдалось при появлении в карбонитридном слое некоторой доли -фазы (твердого раствора азота в железе). В настоящее время принято считать, что максимальную коррозионную стойкость обеспечивает монофазный слой из -карбонитрида. Следовательно, стабильно обеспечит высокие антикоррозионные свойства обрабатываемых деталей только тот НХТО-технологический процесс, при котором возможно надежное управление фазовым составом поверхностного слоя стали. Основой для создания такого процесса стала разработка процессов азотирования в каталитически приготовленных аммиачных печных атмосферах, открывающая новые возможности для низкотемпературной ХТО. Такой метод газового азотирования позволяет регулировать не только фазовый состав поверхностного карбонитридного слоя азотируемого металла, но и концентрацию азота в карбонитриде. Анализ результатов испытаний на коррозионную стойкость в водном растворе 3% NaCl и 0,1% H2O2 показал, что оптимальная концентрация азота в поверхностной карбонитридной зоне равна 6%. Отпуск никотрированных слоев во многих случаях обеспечивает повышение эксплуатационных характеристик деталей. В связи с этим было выдвинуто предположение, что дальнейшее повышение коррозионной стойкости карбонитридного слоя, содержащего 6% N, может быть получено стабилизацией его микроструктуры при отпуске. Наиболее высокую коррозионную стойкость достигали после отпуска при 300-400С. Определено, что механизм влияния отпуска на коррозионную стойкость азотированных образцов заключается в следующем: низкий отпуск снижает коррозионную стойкость за счет выделения в карбонитридном слое -фазы; отпуск при температурах выше 400С снижает коррозионную стойкость за счет пересыщения -фазы азотом и выделения свободного азота с появлением пор, что ускоряет процесс образования каналов во время контакта с агрессивной внешней средой; отпуск при 300-400С обеспечивает получение достаточно стабильной смеси - и -фаз, способной длительное время обеспечивать защиту основного металла от коррозии.