Износостойкость и структура нитроцементованных наплавленных покрытий, используемых при восстановлении изношенных деталей машин

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ И СТРУКТУРА НИТРОЦЕМЕНТОВАННЫХ НАПЛАВЛЕННЫХ ПОКРЫТИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ИЗНОШЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

В.В. Бедин, Л.Х. Балдаев, Д.В. Колмыков, А.Ю. Молодкин

Аннотация. Показана зависимость интенсивности изнашивания диффузионных слоев нтроцементованных наплавок от фазового состава и расстояния от поверхности.

Ключевые слова: износостойкость, интенсивность изнашивания наплавки, детали машин.

В ремонтном производстве одним из наиболее распространенных методов восстановления изношенных деталей машин является их наплавка, в частности наплавка малоуглеродистой проволокой в среде углекислого газа [1]. Однако, несмотря на многие положительные стороны этого метода, износостойкость наплавленного металла во многих случаях оказывается недостаточной для обеспечения приемлемого послере-монтного ресурса восстановленных деталей, особенно тяжелонагруженных деталей современных мощных и высокопроизводительных машин.

Радикальным средством улучшения эксплуатационных свойств деталей, восстановленных наплавкой, может быть их химико-термическая обработка, с помощью которой можно изменять структуру, элементный и фазовый состав поверхностных слоев наплавленного металла и, таким образом, получать требуемые свойства [2]. Для условий ремонтного производства наиболее подходящим методом химико-термической обработки следует признать нитроцементацию (одновременное насыщение наплавленного металла азотом и углеродом) с использованием высокоактивных пастообразных карбюризаторов. Такая нитроцементация обеспечивает высокую скорость насыщения, не требует использования специализированного термического оборудования и может быть легко внедрена в производство практически на любом ремонтном предприятии.

Важной характеристикой восстановленных деталей является их износостойкость, которая определяет в конечном итоге послеремонтный ресурс машины. Поэтому был проведен эксперимент по изучению влияния нитроцементации на износостойкость наплавленных покрытий. При испытании нитроцементованных образцов на изнашивание была принята методика, которая воспроизводит условия работы большого количества деталей тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин. Эти условия состоят в недостатке смазки в зоне трения и наличия в этой зоне абразивных частиц.

Испытания нитроцементованных наплавок проводили на машине трения СМЦ-2 по схеме «ролик - ко-

лодка» по двум вариантам: с подачей в зону трения чистой жидкой смазки и с подачей той же смазки, загрязненной мелкими абразивными частицами. В качестве образцов использовали стандартные ролики для названой машины трения (диаметр 50 мм, высота 10 мм), на поверхности которых были наплавлены покрытия проволокой СВ-08ГС в среде углекислого газа. Толщина покрытий после механической обработки составляла ~ 1 мм. Ролики с наплавленными покрытиями подвергали нитроцементации в азотисто-углеродной пасте следующего состава (% масс.): железосинеродистый калий К4Ге(СК)6 - 20 %, аморфный углерод (газовая сажа ДГ -10) - 60 %, раствор нитроцеллюлозы в ацетоне (нитролак НЦ-222) - 20 % [4]. Нитроцементацию проводили при температуре 700 °С, при которой создаются наиболее благоприятные условия для одновременной диффузии азота и углерода в металл. Длительность нитроцементации составляла 2 часа, что позволило получить на поверхности образцов диффузионные слои глубиной 0,20...0,25 мм.

Для нитроцементации образцы покрывали пастой (толщина обмазки - 1,5.2 мм), высушивали и упаковывали в контейнер с чугунной стружкой (наполнителем). Контейнер закрывали крышкой, герметизировали песочным затвором и устанавливали в шахтную лабораторную печь, разогретую до заданной температуры. После нитроцементации образцы охлаждали в воде, для чего содержимое контейнера после извлечения его из печи высыпали в емкость с холодной водой.

Поскольку в результате нитроцементации получаются диффузионные слои с неоднородной структурой [3], испытания на изнашивание нитроцементованных образцов проводили послойно - на поверхности, на глубине 0,05; 0,10; 0,15 и 0,20 мм. Для этого после каждого цикла изнашивания, который продолжался 2 часа, рабочую поверхность ролика шлифовали на круглошлифовальном станке до соответствующего размера.

Перед началом испытаний и после каждой шлифовки образец подвергали приработке с контртелом - колодкой из закаленной стали 45. Для приработки использовали алмазную пасту АСМ 5/3 Н ГОСТ 16877, обеспечивающую высокую скорость приработки (15.20 мин.). После приработки ролик и колодку тщательно промывали в бензине и ацетоне, взвешивали и устанавливали на машину трения для испытания. Нагрузка на трущиеся поверхности была установлена достаточно высокая - максимально для машины трения

СМЦ-2 (10 МПа или 100 кгс/м), чтобы получить заметный износ образца за выбранное время испытания. При испытании в зону трения подавалось индустриальное масло И-14А («веретенное №1») через капельницу с периодичностью 12 кап/мин. В другом варианте подавалось то же масло с добавлением мелко размолотого кварцевого песка (маршаллита). При этом масло с песком периодически перемешивалось в расходной емкости для получения по-возможности однородной взвеси.

После каждого цикла изнашивания (2 часа) образец снимали со шпинделя машины, тщательно промывали, высушивали и взвешивали на аналитических весах (с точностью до 0,01 мг) для определения износа. Каждый опыт повторяли троекратно. Результаты испытания нитроцементованных наплавок представлены в таблице.

Таблица 1 - Износ нитроцементованных наплавленных покрытий в различных условиях трения_______

Условия изнашивания Интенсивность изнашивания наплавок в исходном состоянии, мг/ч Интенсивность изнашивания нитроцементованных слоев (мг/ч) на расстоянии от поверхности, мм

0 0,05 0,10 0,15 0,20

Г раничное трение без абразива 0,27 0,12 0,08 0,15 0,19 0,20

Граничное трение с абразивом 4,02 1,88 1,37 2,14 2,78 3,87

Приведенные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что износ нитроцементованных слоев, как при изнашивании в присутствии абразива, так и без абразива, весьма заметно зависит от расстояния от поверхности наплавки. При этом интенсивность изнашивания в первом случае почти в 15 раз выше. Очевидно, что разница в интенсивности изнашивания по глубине нитроцементованных слоев определяется особенностями их структуры.

На рисунке 1 представлена микроструктура нитро-цементованного слоя наплавленного покрытия с диаграммой интенсивности изнашивания различных зон с шагом 0,05 мм от поверхности.

Как видно на микрофотографии (рис 1-а), структура нитроцементованного слоя имеет несколько четко различимых составляющих: на самой поверхности находится тонкий светлый бордюр, который представляет собой карбонитрид цементитного типа; ниже расположена относительно глубокая белая зона, соответствующая гексагональному карбонитриду в; под этой зоной расположен темный твердый раствор азота и углерода в а-железе с дисперсными вкраплениями карбонитридов, переходящий в светлую структуру исходного металла.

Интенсивность изнашивания карбонитрида цемен-титного типа (на поверхности) сравнительно невысока, что обусловлено его весьма большой твердостью (см. рис 1-б). Карбонитридная в-фаза (0,05 мм от поверхности) отличается еще меньшей интенсивностью изнашивания, так как она имеет несколько большую твердость, а самое главное, меньший коэффициент трения по сравнению с карбонитридом цементитного типа. Интенсивность изнашивания нитроцементованной наплавки в зоне твердого раствора (0,10 и 0,15 мм от поверхности) заметно выше, чем интенсивность изнашивания карбонитридных фаз, причем с увеличением расстояния от поверхности, она увеличивается, по-видимому, из-за уменьшения концентрации азота и уг-

лерода в твердом растворе. На большой глубине (0,2 мм от поверхности) на границе нитроцементованного слоя, интенсивность изнашивания приближается к показателям наплавленного металла без нитроцементации.

0 0,05 0,10 0,15 0,20

Расстояние от поверхности, мм

Рисунок 1 - Микроструктура (а) и диаграмма интенсивности изнашивания (б) нитроцементованного слоя покрытия, наплавленного проволокой СВ-08ГС в среде углекислого газа

Интенсивность изнашивания карбонитрида цемен-титного типа (на поверхности) сравнительно невысока, что обусловлено его весьма большой твердостью (см. рис 1-б). Карбонитридная в-фаза (0,05 мм от поверхности) отличается еще меньшей интенсивностью изнашивания, так как она имеет несколько большую твердость, а самое главное, меньший коэффициент трения по сравнению с карбонитридом цементитного типа. Интенсивность изнашивания нитроцементованной наплавки в зоне твердого раствора (0,10 и 0,15 мм от поверхности) заметно выше, чем интенсивность изнашивания карбонитридных фаз, причем с увеличением расстояния от поверхности, она увеличивается, по-видимому, из-за уменьшения концентрации азота и углерода в твердом растворе. На большой глубине (0,2 мм от поверхности) на границе нитроцементованного слоя, интенсивность изнашивания приближается к показателям наплавленного металла без нитроцементации.

Следует отметить, что присутствие абразива в зоне трения не только значительно увеличивает интенсивность изнашивания нитроцементованных наплавленных покрытий, но и увеличивает разницу между наибольшей и наименьшей износостойкостью элементов структуры. Если при изнашивании без абразива эта разница составляет 2 раза, то при изнашивании с абразивом -2,5 раза.

Проведенное исследование позволяет заключить, что нитроцементация металла, наплавленного проволокой СВ-08ГС в среде углекислого газа, позволяет значительно повысить износостойкость его поверхностных слоев. Наибольшей износостойкостью обладает структура, представленная гексагональным карбонитридом в. При упрочняющей обработке конкретных деталей, восстановленных наплавкой, необходимо стремиться к тому, чтобы глубина этой карбонитридной зоны соот-

ветствовала величине допустимого износа детали, определяемой техническими требованиями. Получение требуемой глубины достигается выбором длительности нитроцементации с учетом скорости роста карбонит-ридной фазы, которая составляет для принятых условий нитроцементации ~ 0,05 мм/час.

Список использованных источников

1 Батищев, А.Н. Восстановление сельскохозяйственной техники/ А.Н. Батищев, И.Г. Голубев, В.П. Лялякин. -М.: Информагротех, 1995. -295 с.

2 Бедин, В.В. Об эффективности химико-термической обработки деталей машин, восстановленных в среде защитных газов / В.В. Бедин, В.И. Колмыков // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. -2011.- №6. - С. 77-79.

З Гюлиханданов, Е.Л. Особенности строения нитроцементованных слоев с повышенным содержанием азота/ Е.Л. Гюлиханданов, Л.М. Семенова, Е.И. Шапочкин // Металловедение и термическая обработка металлов. -1990.- №5. - С.12-15.

Информация об авторах Бедин Василий Викторович, соискатель филиала ФГБОУ ВПО «Саратовский ГAУ», г. Aстрахань.

Балдаев Лев Христофорович, доктор технических наук, директор OAO «Технологические системы защитных покрытий», г. Щербинка Московской обл.

Колмыков Денис Валерьевич, кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Курская rcXA».

Молодкин Aртем Юрьевич, аспирант ФГБОУ ВПО «Курская rcXA».