Повышение эксплуатационных свойств деталей машин, восстановленных гальваническими покрытиями, методами химико-термической обработки

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН, ВОССТАНОВЛЕННЫХ ГАЛЬВАНИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ, МЕТОДАМИ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

А.Н. Пронин, В.В. Серебровский

Аннотация. Приведены экспериментальные данные по влиянию нитроцементации на износостойкость и усталостную прочность железных гальванических покрытий. Обоснованы рекомендации по выбору режимов нитроцементации для упрочнения деталей, восстановленных железнением.

Ключевые слова: детали машин, гальванические покрытия, химико-термическая обработка.

Гальванические (электролитические) покрытия широко применяются в ремонтном производстве при восстановлении стальных деталей, имеющих относительно небольшие износы (0,3...0,5мм), при этом наиболее широкое применение находит электролитическое желез-нение. Этот способ восстановления отличается высокой производительностью, простотой и невысокой стоимостью оборудования и материалов, возможность одновременного наращивания большого количества деталей, автоматизация процесса. Однако, наряду с положительными сторонами, упомянутыми выше, электролитическое железнение имеет ряд недостатков, а именно: низкую усталостную прочность восстановленных деталей, недостаточно прочное сцепление железного покрытия с основой (в частности с легированными сталями) и, во многих случаях, недостаточную износостойкость. В связи с этим ресурсы деталей, восстановленных железнением, заметно ниже ресурсов новых деталей.

С целью повышения долговечности деталей, восстановленных железными покрытиями, предлагаются различные способы упрочнения, из которых наиболее рациональным следует признать химико-термическую обработку, в частности нитроцементацию [1,2].

Для нанесения железных покрытий на стальные изделия был использован хлористый электролит, осаждение проводилось на переменном асимметричном токе с коэффициентом асимметрии 3=6, катодная плотность тока 300...40А/дм2 [3]. Микроструктура железного осадка представлена на рисунке 1.

Нитроцементация по рекомендации [4], проводилась в высокоактивном пастообразном карбюризаторе следующего состава (% масс): сажа газовая-60; железо-синеродный калий [К4Ге(СЫ)6]-30; углекислый натрий (Ча2СО3)-Ш; пастообразующая жидкость - водный раствор карбометилцеллюлозы (клей КМЦ). Компоненты пасты в порошкообразном состоянии тщательно перемешивались и разводились клеем до консистенции густой пасты. Паста наносилась на образцы слоем 1,5...2 мм и высушивалась.

Образцы с сухим нитроцементующим покрытием упаковывались в контейнер с наполнителем в виде смеси чугунной стружки с сажей. Контейнер помещался в печь, разогретую, до заданной температуры и выдерживался там необходимое время. После нитроцементации образцы выгружались из контейнера, подвергались заданной термообработке, и использовались для определения микротвердости, усталостной прочности и износостойкости. Усталостную прочность определяли неразрушающим вихретоковым способом по методике [5], износостойкость - на машине трения СМЦ-2 в условиях граничного трения (контртело-чугун СЧ18) с добавлением в смазку абразива (10 г на 1 л). Результаты эксперимента представлены в таблице 1.

Т аблица 1 - Свойства нитроцементованных железных

Материал, упрочняющая обработка Микро- твер- дость НЦю0, МПа Предел выносливости СТ-1, МПа Интенсивность изнашивания, г/ч-10-3

Сталь З0Х, нормализация 1450 308 11,5

Железное покрытие без термообработки 3605 199 12,2

Железное покрытие, нитроцементация (650°С,3 ч), закалка в воде, отпуск при 150° С 11885 420 1,9

Железное покрытие, нитроцементация (650°С, 3 ч), закалка в воде, отпуск при 350°С 10495 348 2,3

Рисунок 1 - Микроструктура железного осадка на стали З0Х, полученного из хлористого электролита на асимметричном токе

Настоящая работа посвящена исследованию влияния режимов нитроцементации в высокоактивном пастообразном карбюризаторе на структуру и свойства железных гальванических покрытий с целью разработки рациональной технологии упрочнения стальных деталей, восстановленных железнением.

Как видно из экспериментальных данных, нитроцементация в пастообразном карбюризаторе радикальным образом изменила свойства железных электролитических осадков. Нитроцементация как при низких, так и при высоких температурах многократно (в 6...7,5 раз) повышает микротвердость покрытий. При этом наивысшая твердость получается при низкотемпературной нитроцементации с непосредственной закалкой в воде. Повышение температуры нитроцементации не приводит к повышению твёрдости электролитического железа. Низкотемпературная нитроцементация (650°С), значительно повышая твердость железного покрытия (т.е. увеличивая его предел текучести), повышает и его предел выносливости. Причем это повышение весьма значительно. Усталостная прочность нитроцементованных образцов с железными осадками на поверхности, как показали наши исследования, не только выше проч-

ности таких же образцов без нитроцементации (более чем в 2 раза), но и выше чем усталостная прочность основного металла без покрытия.

Рисунок 2 - Микроструктуры железных электролитических покрытий нитроцементованных в течение трех часов при температуре 650°С

Нитроцементованный слой, полученный при температуре 650°С, имеет на поверхности тонкую пленку е -карбонитрида, под которой на глубину примерно 0,05 мм простирается зона азотистого аустенита с вкраплениями мелких карбонитридов. Эта зона плавно переходит в структуру железного покрытия, причем покрытие отделено от основы четкой границей (рисунок 2). При закалке нитроцемен-тованного слоя в нем возникают значительные сжимающие напряжения, что приводит к его высокой усталостной прочности, а большая твердость карбонитридной корки и нижележащих зон - к высокой износостойкости.

Таким образом, можно заключить, что нитроцементация железных электролитических покрытий значительно повышает их эксплуатационные свойства, такие как износостойкость и усталостную прочность. Если от восстанавливаемой детали необходимо получить максимальную усталостную прочность и высокую износостойкость, то после нанесения железного покрытия ее необходимо подвергнуть нитроцементации при температуре 650°С, закалить с этой температурой и отпустить при 150°С.

Список использованных источников

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

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

3 Электроосаждение сплавов на основе железа / Се-ребровский В.И. и др. //Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации. Материалы III Междунар. науч.-техн. конф. Курск. гос. техн. ун-т. -Курск, 2005. -С. 167-173.

4 Карбонитрирование улучшаемых сталей в пастах / В.И.Колмыков и др. // Совершенствование средств механизации в сельском хозяйстве. Сб. науч. тр. КГСХА -Курск, 2002.-С. 47-51.

5 Колмыков, В.И. Оптимизация параметров химикотермической обработки по характеристикам усталости / В.И. Колмыков, Ю.Д. Шаповалова // Сборник докладов пятого Всероссийской конференции молодых ученых «Новые технологии в газовой промышленности». - РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. 2001.-С. 24-25.

Информация об авторах

Пронин Андрей Николаевич, г. Балашиха, Московская обл., РГАЗУ.

Серебровский Вадим Владимирович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет».