Износостойкость наплавленных покрытий, упрочненных карбонитридами при нитроцементации

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ НАПЛАВЛЕННЫХ ПОКРЫТИЙ, УПРОЧНЕННЫХ КАРБОНИТРИДАМИ

ПРИ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ

В.В. Бедин, Л.Х. Балдаев, Т.Д. Цнобиладзе, В.И. Колмыков

Аннотация. Представлены результаты исследования по изучению износостойкости наплавленных покрытий, упрочненных карбонитридами при нитроцементации.

Ключевые слова: износостойкость, покрытие, кар-бонитриды, нитроцементация.

Наплавка проволоками СВ-08 и 30ХГСА под слоем флюса широко используется при восстановлении изношенных деталей машин. Для повышения износостойкости эти покрытия можно подвергать низкотемпературной обработке - цианированию в соляных ваннах или пастообразных карбюризаторах.

Приведены экспериментальные данные по исследованию износа цианированных покрытий, наплавленных проволоками СВ-08 и 30ХГСА. Показана высокая стойкость цианированных слоев при работе без смазки.

В работах [1,2] при ~650°С получены цианирован-ные слои, наружная зона которых представляет собой гексагональный є-карбонитрид, обладающий значительно более широкой областью гомогенности по сравнению со всеми другими нитридами и карбонитридами в системе Ге-С-Ы и, следовательно, имеются лучшие условия диффузии азота и углерода в сталь и образования зоны этого карбонитрида в несколько раз большей толщины. Поэтому для практики имеет значение только относительно глубокий слой, состоящий в основном из є -карбонитрида. Например, є -карбонитрид за 2 часа при 650°С получен толщиной 0,050мм, а карбонитрид

цементитного типа и фаза у толщиной на 1-2 порядка меньше. Микротвёрдость е фазы составляет 1000- 1200 Н^.

Под слоем е -карбонитрида имеется слой с азотисто-углеродистым остаточным аустенитом толщиной 0,015...0,020 мм, микротвердость которого снижается до 300-450 Н^. Преимущественно аустенитная структура под слоем е -карбонитрида благодаря большой пластичности аустенита выравнивает внутренние напряжения и тем способствует хорошей связи твёрдой корки е -карбонитрида с основным слоем.

Важной характеристикой, определяющей долговечность деталей в условиях эксплуатации, является их износостойкость. При оценке износостойкости слоев, упрочненных низкотемпературным цианированием, были приняты методики испытания, которые в наибольшей степени воспроизводили условия трения и нагрузки, типичные для эксплуатации подавляющего числа деталей машин, упрочняемых цианированием.

В основном детали из углеродистых и низколегированных сталей, подвергаемые низкотемпературному цианированию, работают в условиях недостаточной смазки или вовсе без смазки, когд-а на поверхностях трения протекают окислительные процессы и образуются окисные плёнки. Эти видоизменённые структуры изолируют трущиеся поверхности друг о друга и препятствуют схватыванию металла сопрягаемых деталей.

Износостойкость цианированных слоев на наплавках СВ-08 и 30ХГСА исследовали на машине трения СМЦ-2 при истирании по двум схемам: " ролик-

колодка " и " ролик - ролик ". В первом случае реализовался механизм трения скольжения, во втором - трения качения с проскальзыванием.

При испытании стальных образцов в условиях сухого трения скольжения были установлены удельные нагрузки на контактируемые поверхности, при которых обеспечивалось свободное относительное перемещение образца и контртела (без заедания) и в то же время было реализовано достаточно интенсивное изнашивание поверхности образца, чтобы можно было определить износ с приемлемой точностью за относительно небольшое время испытаний.

Для установления закономерностей влияния удельной нагрузки на изнашивание трущихся поверхностей, ролики с наплавкой 30ХГСА, цианированные при температурах 560, 660 и 760°С испытывали при сухом трении скольжения, изменяя давление от 0,05 до 5,0 МПа. Длительность одного цикла изнашивания составляла 100 тысяч циклов (оборотов образца), результаты эксперимента представлены на рисунке 1.

Как видно из рисунка 1-а, в зоне малых удельных нагрузок интенсивность изнашивания с повышением давления несколько повышается, что особенно заметно на стали, цианированной при температуре 760°С. При повышении удельных нагрузок более 0,15 МПа во всех случаях наблюдается снижение интенсивности изнашивания, которое имеет место до нагрузок 0,35...0,40 МПа. При дальнейшем повышении давления интенсивность изнашивания устанавливается на постоянном, относительно низком уровне.

40

30

20

10

N

/

/ \

1 / / N.

1 \ 1 Ч 3

Г и V-' / / Ч * т, ч /

1 ( V, V 1 ^ > “ ““ч V- - " —г -Г-

з—

О 0.1 0,2 0.3 0,4 0,?

Удельная нагрузка, МПа

90

80

о

й 60

I 40 4 20

/

{ *' /

\/ / / -/ /

/ 5 / £ V / у

удельные нагрузки. Температура цианирования: 1 -560°С; 2 -660°С; 3 - 760°С

Обнаруженное снижение износа цианированной поверхности с повышением удельных нагрузок в интервале 0,05. ..0,15 МПа можно объяснить самонаклё-пом поверхности трения, когда в рассматриваемом интервале давлений сохраняется ещё запас пластичности металла. Скорость изнашивания в этих условиях определяется восприимчивостью изнашивания структур к наклёпу. При большой восприимчивости к наклёпу поверхностные слои металла быстро теряют пластичность (при невысокой нагрузке), в них быстро достигается предельное упрочнение, и износ уменьшается.

В области высоких давлений (рисунок 1-б) повышение нагрузки не вызывает упрочнения уже наклёпанного слоя. Под действием сил трения в поверхностных слоях металла происходят усталостные явления, которые вызывают трещины в поверхностном слое и отделение его фрагментов от основного металла. В этих условиях зависимость износа от удельных нагрузок на поверхности трения носит почти прямо пропорциональный характер.

Качественное сходство с зависимостями, полученными при испытании наплавки 30ХГСА, имеют процессы изнашивания цианированных слоев наплавки СВ-08. При этом износостойкость цианированной наплавки СВ-08, в среднем, несколько ниже износостойкости наплавки 30ХГСА (рисунок 2).

30

2 ?

СП 20

1—1

'_> 1?

К

[—1 1—1 10

$

/>

/ / // //

// // / /

/ V

0 1 2 3 4 5

Сдельная нагрузка, МПа

б

Рисунок 1 - Износ цианированной наплавки СВ-08 в условиях сухого трения скольжения при различных нагрузках: а) малые удельные нагрузки; б) большие

5?0 600 650 700 ">0 800

Температура цианирования, С

Рисунок 2 - Зависимости износа наплавок 30ХГСА (кривая 1) и СВ-08 (кривая 2) от температуры цианирования

Относительно низкие температуры цианирования (550-650°) обеспечивают износ цианированных слоев как на наплавки 30ХГСА, так и на наплавке СВ-08, минимальный. С повышением температуры цианирования выше 650°С износ интенсивно увеличивается, достигая 6-10 - кратной величины при температуре цианирования 800°С.

Объяснить такой ход зависимостей износа от температуры цианирования исследуемых сталей можно следующим образом: при низких температурах процесса на поверхности наплавок СВ-08 и 30ХГСА образуется твёрдая корка е-карбонитрида, обладающая к тому же антифрикционными свойствами, что в условиях сухого трения и приводит к снижению интенсивности изнашивания. Увеличение толщины карбонитридной корки, полученной при температурах цианирования 600-650°С, способствует минимизации износа диффузионного слоя.

Повышение температуры цианирования до 700°С и выше приводит к тому, что в диффузионных слоях обеих сталей е -карбонитрид сменяется карбонитридом цементитного типа и мартепситно-аустенитной матрицей.

Этот процесс вызывает резкое ускорение интенсивности изнашивания.

Как было показано выше, постоянная и достаточно высокая износостойкость цианированных сталей сохраняется в широком диапазоне давлений, однако при повышении давления свыше 4-5МПа износ интенсивно увеличивается, достигая катастрофической интенсивности при схватывании. Однако, при испытании по схеме "ролик-колодка" определить давление, при котором происходит схватывание, не представляется возможным, так как поверхность контакта ролика и колодки относительно велика, и нагружающий механизм машины СМЦ-2 не в состоянии обеспечить нужное давление. Кроме того, при сухом трении с большими удельными нагрузками происходит значительный разогрев трущихся тел, что изменяет свойства цианирован-ных слоев. Результаты испытаний по схеме "ролик-колодка" нельзя признать достоверными также и из-за того, что колодка, прижимаемая к ролику, не имеет цианированного слоя.

Для выявления закономерностей влияния режимов цианирования на схватывание трущихся цианирован-ных поверхностей был проведён эксперимент по схеме изнашивания " ролик-ролик". Образец и контртело были изготовлены из исследуемых наплавок СВ-08 и 30ХГСА в виде роликов одинакового диаметра и подвергались упрочнению цианированием по одинаковым режимам. Контакт роликов осуществляется по небольшой поверхности, где можно реализовать достаточно большие удельные нагрузки. Для получения относительного перемещения контактирующих поверхностей осуществлялось проскальзывание 10%: один ролик на основном шпинделе вращался с частотой 1000 об/мин, второй ролик (контртело) с частотой 900 об/мин.

Испытание осуществлялось без смазки, после каждых двух минут работы (2000 оборотов основного шпинделя) давление повышалось на 0,25 МПа подтягиванием пружины нагружающего устройства испытательной машины. Опыт заканчивался, когда невооруженным глазом на блестящей поверхности роликов замечались первые следы задира. При этом возникал характерный вибрирующий звук при работе машины.

Испытания роликов из наплавок СВ-08 и 30ХГСА, цианированных при разных температурах, показали, что температура цианирования значительно влияет на стойкость поверхностных слоев против задира и схватывания, хотя, надо отметить, что цианирование во всех случаях значительно улучшает противозадирные свойства материалов (рисунок 3). Образцы наплавок СВ-08 и 30ХГСА без цианирования (после закалки и низкого отпуска) получили первые следы задира при давлении около 1,5-2,5МПа, в то время как у цианиро-ванных образцов даже при низкой температуре значение этого показателя не опускалось ниже 4 МПа.

Наилучшие противозадирные свойства имеют образцы из обеих сталей, цианированные при температуре около 650°С. Этой температуре соответствует также

максимальная толщина корки с е -карбонитрида на поверхности и максимальная твердость цианированного слоя, поэтому очевидно, что высокая стойкость цианированных образцов против схватывания обусловлена наличием в структуре поверхностных слоев большого количества карбонитридов, в частности е -карбонитрида.

Температура цианирования, С

Рисунок 3 - Зависимости удельных нагрузок, при которых происходит схватывание цианированных поверхностей наплавок 30ХГСА (кривая 1) и СВ-08 (кривая 2) от температуры цианирования

Исходя из приведенных экспериментальных данных, можно заключить, что хорошая стойкость карбо-нитридов на истирание и против схватывания в условиях сухого трения позволяет рекомендовать цианирование при температуре 640-650°С для упрочнения деталей, работающих самых неблагоприятных условиях изнашивания - в сопряжениях с недостаточной смазкой или без смазки.

Список использованных источников

1 Низкотемпературное цианирование стали в пастах / В.Н. Долженков, В.И. Колмыков, В.М. Переверзев, Н.А. Пивовар // Известия Курского государственного технического университета. - 2011.- №6.- С. 61-64.

2 Прженосил, Б. Нитроцементация/ Б. Прженосил.- М.: Машиностроение, 1969.- 212с.

Информация об авторах

Бедин Василий Викторович, соискатель филиала ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ», г. Астрахань.

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

Цнобиладзе Теймураз Джемалиевич, аспирант ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет».

Колмыков Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет».