Влияние нитроцементации на износостойкость и ударную вязкость инструментальных сталей

ВЛИЯНИЕ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ И УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ Колмыков Валерий Иванович, д.т.н., профессор Косинов Евгений Андреевич, аспирант Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия

В данной статье показаны режимы нитроцементации на износостойкость (закалка с отпуском),которые определяют такие важные эксплуатационные свойства как износостойкость и ударная вязкость.

Ключевые слова: износостойкость, абразивная износостойкость, относительная износостойкость, ударная вязкость, нитроцементация.

Для установления соответствующих зависимостей было проведено экс-перементальное исследования влияния режимов нитроцементации и закалки на износостойкость и ударную вязкость инструментальных сталей. В качестве стали - представителя в экспериментах была использована сталь 50ХГФ. Нитроцементацию этой стали проводили в комбинированной среде в температурном интервале 800...900°С, длительность насыщения изменялась от 1 до 6 часов. Температура нагрева под закалку после нитроцементации изменяли от 780 °С до 900°С, а температуру отпуска -от 150 до 450°С. Закалку нитроцементованных образцов проводили в масле, охлаждение после отпуска - в воде.

В эксперименте абразивную износостойкость определяли при изнашивании полузакрепленным абразивом, что имитировало условия работы корпусов буровых долот. Испытания на изнашивание проводили по схеме Хаворта-Бринелля (рис.1).

Рис. 1. Схема испытания нитроцементованных образцов полузакреп- ленным абразивом (схема Хаворта-Бринелля): 1 - ролик (шпиндель); 2 - поверхность ролика с надрезами; 3 - бункер с абразивным материалом (песок); 4 - шарнир; 5 - коромысло; 6 - подвеска для грузов; 7 - грузы (гири); 8 - поддон для отработанного абразива; 9 - крепление образца; 10 - образец.

Установка была смонтирована на токарном станке 1К62: в шпинделе станка устанавливался зубчатый ролик диаметром 50 мм и подпирался центром задней бабки; сверху устанавливался бункер для абразива объемом ~Здм3; под роликом на станину помещался поддон для сбора просыпающегося песка. В резцедержателе станка (вместо резца) закреплялась шарнирная стойка, в которой закреплялась Г-образное коромысло. На одном (коротком) конце коромысла закреплялся образец, на длинном плече коромысла подвешивалась штанга с грузами.

Для экспериментального исследования износостойкости цементованных долотных сталей использовали образцы из исследуемых сталей после их упрочняющей обработки по различным режимам. Размеры образцов 50х10х5... 10 мм. Трение производили по боковой стороне образца, закрепленного на нагружающем коромысле. Нагружение образца производилось через коромысло сменными грузами. Таким образом, принятая для иссле-давания установка позволяла воспроизводить разнообразные условия абразивного изнашивания, которые могут встретиться на практике при эксплуатации нитроцементованных деталей.

Изнашивание осуществлялось при трении поверхности образца об абразивную прослойку между этой поверхностью и стальным роликом, на поверхности которого нанесена насечка для удержания абразивных частиц. Для исключения нагрева образца в процессе испытния, ролик вращался с небольшой частотой (п=10-1с). В качестве абразива использовался мелкий карьерный песок с размерами зерен 0,1...0,5 мм. Нагрузка на образец изменялась от 0,5 до 2 Мпа, что позволило имитировать твердость горных пород. Длительность испытания одного образца составляла 15 мин.

Износ определяли весовым методом по разнице весов образца до и после испытаний, взвешивание производили на аналитических лабораторных весах ВЛА-200М с точностью 0,0001г. Относительную износостойкость определяли как отношение износа эталона к износу образца. Испытание эталона проводили после каждого испытания образца в тех же условиях.

Подготовленные для износных испытаний образцы нитроцементовали при различных температурах при различных выдержках. После нитроце-ментации все образцы закаливались с повторного нагрева до 840°С в масле и отпускались при температуре 180°С в течении 1,5 часов.

Результаты эксперимента по исследованию влияния режимов нитроце-ментации на абразивную износостойкость стали 50ХГФ представлены в виде графиков на рисунке 2.

8

I 7

-6 ч

Ш

1 .

Зтал тн - зако. ленная с таль I

800 820 840 860 880 Температура нитроцементации. 'С

а)

'50'С

' Зт тн- закат НОЯ СП, аль

12 3 4 5 Длительность нитроцементации. ч

б)

Рис.2. Зависимости относительной износостойкости (г) диффузионных слоев на стали 50ХГФ от температуры нитроцементации (а) и от длительности нитроцементации. После нитроцементации закалка с повторного нагрева при 880°С в масле, отпуск при 180°С.

Эксперименты показывают, что при повышении температуры нитроцементации до 860°С износостойкость хромомарганцевой стали увеличивается, а при дальнейшем повышении температуры увеличения износостойкости не наблюдается.

Влияние длительности нитроцементации стали 50ХГФ на ее абразивную износостойкость аналогично влиянию температуры. В начале процесса (в течение первых трех часов) наблюдается интенсивное повышение износостойкости нитроцементованной стали. Дальнейшее увеличение длительности нитроцементации ведет к монотонному увеличению износостойкости, практически прямо пропорционально времени нитроцементации (после первых трех часов), однако надо отметить, что увеличение весьма незначительно. Такое влияние температуры и длительности нитроцементации на износостойкость стали, которую можно использовать для корпусов буровых долот и других деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания, соответствует влиянию этих факторов на количество карбонитридных включений в диффузионных слоях при насыщении азотом и углеродом.

Не меньший интерес представляет исследование влияния режимов термической обработки стали после нитроцементации на абразивную износостойкость, поскольку эта обработка определяет свойства металлической матрицы между карбонитридными включениями в нитроцементованных слоях. Для выполнения этого влияния образцы, нитроцементованные по одному и тому же режиму,а именно температура нитроцементации 860°С, длительность 4 часа, закаливали в масле с различными температурами - от 780°С до 900°С, отпуск после закалки проводили при температурах 150...450°С. Обработанные таким образом образцы испытывали на абра-

зивное изнашивание по приведенной выше методике. Результаты эксперимента представлены на рисунке 3.

Температура нагрева под закалку нитроцементованной стали оказывает на износостойкость также весьма заметное влияние (рис.За). Повышение температуры нагрева под закалку до ~850°С интенсивно увеличивает износостойкость, дальнейшее повышение температуры закалки не вызывает повышения износостойкости нитроцементованных слоев. При этом ход кривых зависимостей износостойкости от температуры закалки идентичен для сталей, нитроцементованных при различных температурах, что свидетельствует об идентичности механизмов упрочнения слоя при разном содержании в нем карбонитридов, которые образуются при разных температурах нитроцементации.

. 6,5

ч

16'°

V5

\5'0

I 4.5

60'С

1

__£

Зтш ч-зак тленна 1 сталь

1 6-°

5.0 к5

1

2

т

талон - закси тенная сталь |

150 200 250 300 350 400 450 Температура отпуска 'С

780 800 820 810 860 880 900

'С

а)

б)

Рисунок 3 - Зависимости относительной износостойкости (г) нитроцементованных слоев на стали ЗОХГТ от температуры нагрева под закалку (а) и от температуры отпуска после закалки (б) при температуре нироце-

ментации: 1 - 880°С; 2 - 820°С.

Изменение температуры отпуска закаленных диффузионных слоев, полученных в результате нитроцементации при 900°С, практически не оказывает влияния на износостойкость (влияет весьма незначительно), поскольку при кой температуре обеспечивается достаточно высокое насыщение диффузнонного слоя карбонитридами (см. рис.3, б,кривая 1).

Если нитроцементация не обеспечивает достаточного насыщения диффузионного слоя карбонитридами, как, например, при 820°С, то температура отпуска после закалки влияет на его износостойкость весьма заметно. Повышение температуры отпуска выше 300°С снижает и без того невысокую износостойкость такого нитроцементованного слоя до недопустимо малой величины (см. рис. 3, б, кривая 2).

Испытания нитроцементованных образцов на ударную вязкость проводили на стандартных образцах размерами 55х10х10 мм (ГОСТ 9454) без надреза, разрушение образцов проводили на маятниковом копре МК - 30 (ГОСТ 10708).

Ударная вязкость нитроцементованной стали 50ХГФ при увеличении температуры нитроцементации до 860°С, в отличие от износостойкости, интенсивно снижается (рис. 4).

-v 6.5 &

Ц5.0 !

I 4.5

1 7

_¿

800 820 840 860 880 900 Температура нитроцементации 'С

Рисунок 4 - Зависимости ударной вязкости нитроцементованной стали ЗОХГТ от температуры нитроцементации (t3aK = 860°С, t0Tn = 150°С) при различных выдержках: 1-4ч;2-6ч;3-8ч.

Ударная вязкость нитроцементованной стали 50ХГФ, так же как и износостойкость, сильно зависит как от температуры нагрева под закалку, так и от температуры отпуска после закалки (см. рис.5). С повышением температуры закалки ударная вязкость нитроцементованных образцов снижается во всех случаях, как при низких, так и при высоких температурах отпуска. Интенсивность снижения рассматриваемой характеристики нитроцементо-ванных слоев увеличивается с повышением температуры нагрева под закалку, однако после 880°С появляется тенденция к некоторому уменьшению интенсивности снижения ударной вязкости, и это особенно заметно при низких температурах отпуска.

Значительное влияние температуры закалки на ударную вязкость нитроцементованных образцов объясняется влиянием ее на пластические свойства слоя, лежащего под карбидосодержащей зоной, в котором происходит торможение разрушающей трещины. Наименьшее значение ударной вязкости, получающееся при закалке нитроцементованных образцов с температур выше 860...880°С, обусловливается наличием хрупкой мартенситной прослойки под карбидосодержащей зоной.

5.5

3.0

----, 4

V

Os

и ¡=850' <• V / VS

l I ! I

780 800 820 8W 860 880 900 Температура нагреба под закалку. 'С

Рисунок 5 - Зависимости ударной вязкости (КС) нитроцементованных слоев на стали 50ХГФ от температуры нагрева под закалку (t3aK) при различных температурах отпуска: 1 - 150°С; 2 - 200°С; 3 - 300°С; 4 - 400°С.

Повышение температуры отпуска приводит во всех случаях к повышению ударной вязкости (см. рис. 5). Различные структуры матрицы нитроцементованных слоев, полученные в результате закалки при разных температурах (мартенситная, мартенситно-аустенитная), в результате отпуска превращаются в ферритно-цементитные смеси, одинаковые для всех случаев закалки, а дисперсность этой смеси определяется не закалкой, а режимами иитроцемеитации и образованием первичных карбонитридов.

17НЗМА

55

-Л

16ХНЗМФА

35/1

40

40Х

50ХГФ

35ХЗГ2Ф

-в - 7

-6 J5

N 1

~4 i

2 i I- 1

Марка стали

Рисунок 6 - Диаграмма износостойкости (е) и ударной вязкости (КС) некоторых нитроцементованных сталей, используемых для изготовления

деталей буровых долот

Представляет интерес сравнение эксплуатационных свойств нитроце-ментованных сталей, принятых нами для исследования, из которых предполагается изготовление деталей буровых долот и бурового оборудования (рис.6). Несколько повысить эту характеристику названной стали можно увеличением температуры отпуска или закалкой на вторичную твердость, но при этом может уменьшиться абразивная износостойкость.

Высокий уровень износостойкости наблюдается у нитроцементованных сталей 50ХГФ, 16ХНЗМФА-Ш и 40Х, причем ударная вязкость этих сталей также достаточно высокая. Особенно хорошее сочетание абразивной износостойкости и ударной вязкости имеет хромоникельмолибденовая нитроцемен- тованная сталь 16ХНЗМФА-Ш. Такие показатели названных сталей, по- видимому, обусловлены наличием в их составе активного кар-бидообразующего (и нитридообразующего) элемента - хрома. Никельмо-либденовая сталь 17НЗМА, не содержащая хрома, имеет после нитроце-ментации весьма невысокую износостойкость (в 5 раз ниже, чем сталь 35Х3Г2Ф), однако благодаря наличию в ее составе никеля имеет очень высокую ударную вязкость.

Нелегированные стали 35Л и 40, как показали наши исследования, после нитроцементации имеют невысокие показатели как износостойкости, так и ударной вязкости. Это обусловлено характером их карбонитридной структуры - тонкой коркой азотистого цементита на поверхности и хрупкой сеткой по границам зерен.

Таким образом, можно заключить, что абразивная износостойкость и ударная вязкость нитроцементованных сталей определяются количеством включений в их диффузионных слоях (рис.7), а это количество, в свою очередь, определяется системой и степенью легирования нитроцементуемых сталей.

^ 12

1 8 1И

/ч &

// У

У* ЙУ

V

О 20 40 60 80 Содержание кардонитриднш

фазы б диффузионном слое, %

а)

N 1

п. г г

Ч

О 20 40 60 80 Содержите карбонитридной

фазы 6 диффузионном слое, % б)

Рисунок 7 - Зависимости относительной износостойкости (а) и ударной вязкости (б) нитроцементованных долотных сталей от содержания карбо-нитридной фазы в их диффузионных слоях

Для образования карбонитридов при нитроцементации сталей необходимо, чтобы насыщающая среда, как было показано выше, имела бы высокие потенциалы науглероживания и азотирования.

Высокое содержание углерода и азота, частично связанного в карбонит-риды, в поверхностных слоях нитроцементованных сталей обеспечивает высокий уровень эксплуатационных свойств, причем некоторые особенности, в частности невысокую ударную вязкость, вносит тот факт, что в исходных образцах углерод присутствует в довольно большом количестве (нитроцементуемая сталь с повышенной прочностью сердцевины).

Проведенное экспериментальное исследование показало, что для каждой конкретной детали необходимо назначать сталь и режимы упрочняющей обработки с учетом условий ее эксплуатации. Если упрочняемая деталь работает в условиях интенсивного абразивного изнашивания без значительных ударных нагрузок, то необходимо выбирать такие режимы нитроцементации, закалки и отпуска (повышенные температуры нитроцемента-ции закалки и пониженная температура отпуска), которые обеспечивали бы максимальную абразивную износостойкость. Если же деталь работает в условиях изнашивания со значительными ударами, то режимы ее упрочняющей обработки должны обеспечивать наряду с высокой износостойкостью и достаточно высокую ударную вязкость. Список литературы

1. Металловедение и термическая обработка стали: В Зт. Справочник: 4-е изд. т.2. Основы термической обработки // Под ред. M.J1. Берн штейна, А.Г. Рахштадта. М.: Металлургия, 1991. 368с.

2. Колмыков В.И., Переверзев В.М., Воротников В.А. Эффективность упрочнения стали карбамидами при химико-термической обработке//Технология и оборудование для новых прогрессивных методов химико-термической обработки. Волгоград: НТО Машпром, 1988. С. 61-64.

Kolmykov Valery Ivanovich, doctor of technical Sciences, Professor Southwest state university, Kursk, Russia Kosinov Evgeny Andreevich, postgraduate student Southwest state university, Kursk, Russia

(E-mail: evgeniy1991.kosinov@yandex.ru) THE INFLUENCE OF NITROCARBURIZING ON WEAR RESISTANCE AND TOUGHNESS TOOL STEEL

Abstract: This article describes the features of the modes of ni-carbing and afterbaking (tempering with vacation) determine such major operating properties as wearproofness and shock viscidity.

Keywords: abrasion resistance, abrasive wear resistance the relative wear resistance, toughness, nitrocarburizing.