Технология и средства восстановления стальных деталей с электроосажденными железохромистыми покрытиями цементацией в пастообразном карбюризаторе

Гадалов В.Н., Колмыков В.И., Романенко Д.Н., Алехин Ю.Г. ТЕХНОЛОГИЯ И СРЕДСТВА

ВОССТАНОВЛЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ С ЭЛЕКТРООСАЖДЕННЫМИ ЖЕЛЕЗОХРОМИСТЫМИ ПОКРЫТИЯМИ ЦЕМЕНТАЦИЕЙ В ПАСТООБРАЗНОМ КАРБЮРИЗАТОРЕ *

Представлены результаты исследования процессов электроосаждения железохромистых покрытий и их цементации в высокоактивном пастообразном карбюризаторе. Показана высокая эффективность технологии восстановления изношенных деталей машин цементованными железохромистыми покрытиями.

Ключевые слова: железохромистые покрытия, процессы электроосаждения, цементация, пастообразный карбюризатор, восстановление изношенных деталей.

Эффективность работы машин во многом зависит от своевременности и качества проведения их технического обслуживания и ремонта. При проведении ремонтно-обслуживающих работ расходуется большое количество дорогостоящих запчастей, что обусловливает высокую стоимость ремонта и даже его экономическую нецелесообразность. Большим резервом обеспечения техники запасными частями и снижения себестоимости ремонта является использование восстановленных деталей. Восстановление изношенных деталей значительно дешевле изготовления новых, а использование прогрессивных технологий восстановления и последующего упрочнения может обеспечить послеремонтный ресурс восстановленных деталей не ниже ресурса новых деталей, а в некоторых случаях даже выше [1; 2].

*Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009- 2013 годы.

Одним из наиболее распространенных методов восстановления стальных деталей является электролитическое осаждение железа на изношенные поверхности (железнение). Процесс железнения отличается высокой производительностью, экономичностью и технологической простотой, он позволяет компенсировать износы деталей от 0,1 до 1,5 мм, а

иногда и более.

Однако во многих случаях детали с электроосажденными железными покрытиями по износостойкости и другим эксплуатационным свойствам уступают новым деталям, которые при изготовлении подвергаются упрочняющей обработке. Последнее обстоятельство ограничивает использование железнения в чистом виде, особенно в случаях восстановления тяжелонагруженных деталей современных машин повышенной мощности и производительности.

Известно, что повысить эксплуатационные свойства деталей с гальваническими покрытиями можно методами химико-термической обработки, в частности, хорошо известной и освоенной цементацией. Однако цементация нелегированного электролитического железа не обеспечивает повышенной твердости и других свойств, соответствующих свойствам новых деталей, которые, как правило, изготавливаются из легированных сталей. Поэтому для обеспечения возможности эффективного упрочнения восстановленных деталей целесообразно осаждать на их поверхности не чистое железо, а гальванические сплавы на железной основе, в частности, железохромистый сплав.

Хром является наиболее подходящим элементом для легирования цементуемой стали с целью получения в ее диффузионных слоях большого количества карбидной фазы. Он в наибольшей степени способствует усвоению углерода при цементации, образуя специальные карбиды типа (&, Fe)23С6 и (&, Fe)7С3, а также стабилизирует цементит (&, Fe)3С, способствуя его росту в аустенитно - карбидной системе. Кроме того, значительная часть хрома, находящегося в стали, не участвует в карбидообра-зовании, а остается в растворе, способствуя его хорошей прокаливаемо-сти.

Для получения железохромистых покрытий был использован электролит следующего состава (кг/м ): сернокислое железо FeSO4 - 250 - 400, нитрат хрома Cr(NO3)3 - 5 - 20 [3]. Осаждение гальванического железохромистого покрытия из этого электролита проводили, используя асимметричный ток промышленной частоты, что способствовало значительному повышению скорости осаждения. При коэффициенте асимметрии (отношение величины катодного тока к анодному) в = 6 и плотности тока Dk = 40 - 50 А/дм скорость осаждения железохромистого сплава достигает 0,6 мм/ч.

Содержание хрома в электролитических осадках, как показывают

наши исследования, в основном зависит от концентрации хромистой соли в электролите (рис. 1).

7

4 6 8 10 12 % 18 20

Концентрация СгМ03)3 в электролите, %

Рис. 1. Зависимость содержания хрома в гальваническом осадке от концентрации азотнокислого хрома в электролите (концентрация FeSO4-300 кг/м3), в = 6, Бк = 40 А/дм2

Максимальное содержание хрома в гальванических осадках, которое может быть получено при использовании электролита предполагаемого состава, достигает 7%, что позволяет, изменяя концентрацию Cr(NO3)3 в нем, воспроизвести степень легированности подавляющего большинства хромистых конструкционных сталей, используемых в машиностроении.

Анализ процессов карбидообразования и диффузии углерода в хромистых сталях показывает, что при насыщении таких сталей до высоких содержаний углерода, необходимых для образования в них большого количества карбидной фазы, обеспечивающей им высокую износостойкость, углеродный потенциал традиционных газовых и твердых карбюризаторов недостаточен. Науглероживающая среда, пригодная для этих целей, должна быть настолько активной, чтобы обеспечить приток углерода, достаточный для образования карбидов и для проникновения на большую глубину для эффективного упрочнения.

Такой науглероживающей средой, как показали наши исследования, является пастообразный карбюризатор на основе сажи, которая обладает очень высокой реакционной активностью благодаря мелкодисперсности и

сильно развитой поверхности. подобный карбюризатор удобнее всего использовать в виде пасты, наносимой непосредственно на цементуемую поверхность. При этом реакции образования активных атомов углерода, которые тут же адсорбируются этой поверхностью и диффундируют в глубину изделия, протекают в непосредственной близости от насыщаемой поверхности. Расход компонентов карбюризатора при таком механизме насыщения минимальный, а насыщающая способность очень высокая.

Экспериментальное исследование науглероживающей способности пастообразных карбюризаторов различных составов показало, что наилучшие результаты по глубине и содержанию карбидов в железохромистых сплавах обеспечивает цементация в пастообразном карбюризаторе, состоящим из мелкодисперсной газовой сажи ДГ - 100, углекислого бария ВаСО3 и поливинилацетатной эмульсии ПВА (в качестве пастообразова-теля) в соотношении 50:10:40 (5 масс). В качестве газовой атмосферы, подаваемой в цементационную печь для обеспечения углеродного подпора, могут быть использованы продукты распада синтина или другой углеродсодержащий газ. Температура цементации - 900-920°С. Аналогичные результаты получаются, если цементацию изделий, покрытых пастой, проводить в цементационных контейнерах с твердым углеродсодержащим наполнителем (древесным углем, чугунной стружкой и др.). Это особенно удобно для ремонтного производства, так как позволяет использовать для цементационного нагрева любые термические устройства. Наконец, в цементующей пасте углекислый барий можно заменить более дешевым углекислым натрием (содой), однако при этом нельзя использовать повышение температуры цементации (выше 950 °С) во избежание окисления поверхности.

В результате цементации железохромистых гальванических осадков в карбонатно-сажевой пасте на их поверхности образуются диффузионные слои, насыщенные карбидами, количество которых зависит от содержания в покрытиях хрома (рис. 2).

а) б) в)

Рис. 2. Микроструктуры цементованных железохромистых покрытий с различным содержанием хрома (х300): а) - 0,95%; б) - 1,51%; в) - 3,07%

Карбидная фаза в цементованных железохромистых покрытиях, как показывают рентгеноструктурные исследования, представлена цементитом. Наиболее высокое содержание карбидной фазы в диффузионных слоях, как и наибольшая глубина этих слоев, получаются при цементации покрытий с содержанием хрома 1,5-2,0%. Меньшее содержание хрома приводит к уменьшению количества карбидов в слое, большее содержание - к снижению глубины цементации. Повышение температуры цементации до 900-920°С интенсифицирует процесс карбидообразования. Скорость цементации покрытия с двумя процентами хрома при температуре 900°С составляет 0,18-0,20 мм/ч. После закалки (с 889°С в масле) и низкого отпуска цементованные железохромистые покрытия приобретают весьма высокую твердость, достигающую 66-68 Н^, что обусловливается наличием на поверхности покрытия большого количества карбидов и мартенситным превращением в нижележащих зонах.

Увеличение содержания карбидов в диффузионных слоях цементованных железохромистых покрытий приводит к интенсивному возрастанию их износостойкости, в том числе и при абразивном изнашивании, при котором цементованные покрытия практически неработоспособны (рис. 3).

О Ю 20 30 40 50 60

Содержание карбидной фазы. % поля шлифа

Рис. 3. Зависимость относительной износостойкости

С другой стороны, наличие в структуре цементованных покрытий большого количества хрупких карбидных включений предопределяет их невысокую ударную вязкость, хотя округлая форма карбидных частиц (по сравнению с острыми концентраторами напряжений) несколько смягчает их негативное действие. При содержании цементита в структуре до 50% ударная вязкость цементованных покрытий вполне удовлетворительная -на уровне ударной вязкости закаленной на мартенсит высокоуглеродистой стали. При дальнейшем повышении содержания карбидов в структуре ударная вязкость резко падает и при ~ 70% становится практически равной нулю.

Прочность сцепления гальванических железохромистых покрытий с основным металлом в результате цементации заметно увеличивается. Если в исходном состоянии при самой тщательной подготовке основы под осаждение и применении разгонного режима в начале электролиза прочность сцепления составляет примерно 230-250 МПа, то после цементации (900°С, 6 ч) прочность сцепления уравнивается с прочностью основы, граница между покрытием и основой полностью размывается.

Цементация железохромистых гальванических покрытий коренным образом изменяет характер внутренних напряжений в этих покрытиях. В исходном состоянии (после электроосаждения) во всех покрытиях с различным содержанием хрома и разной толщины имеют место только растягивающие напряжения, причем их уровень в некоторых случаях пре-

вышает предел прочности покрытия (образуются трещины и расслоения). После цементации и закалки в железохромистых покрытиях возникают сжимающие напряжения, величина которых достигает 200-400 МПа в зависимости от режимов упрочняющей обработки. При этом наибольшие сжимающие напряжения возникают в относительно тонких слоях с небольшим количеством карбидов. Сжимающие напряжения обеспечивают восстановленным деталям высокий предел выносливости.

Разработанная технология восстановления и упрочнения деталей может быть применена для восстановления многих автомобильных деталей, в частности, ответственных деталей рулевого управления, ходовой части и деталей двигателей. Она была опробована в производственных условиях при восстановлении стержней впускных клапанов двигателей автомобилей ГАЗ - 53А и ЗИЛ - 130 и наконечников рулевых тяг автомобилей КамАЗ. Гальваническое наращивание производилось в электролите, содержащем 400 г/м3 FeSO4, 17 кг/м3 Cr(NO3)3 и 20 кг/м3 Na2SO4. Для электроосаждения использовали гальваническую ванну с водяным охлаждением, которая позволяла поддерживать температуру электролита на уровне 20°С. Электролиз вели при коэффициенте асимметрии в = 6 и плотности катодного тока Dk = 40 А/дм в течение 1 ч. Содержание хрома в покрытии составляло ~ 2% при толщине покрытия 0,4-0,5 мм.

После наращивания металла детали подвергали механической обработке для придания им необходимых размеров и формы. При этом остаточная толщина обработанного покрытия составляла около 0,2 мм. Подготовленные детали покрывали цементующей обмазкой (путем погружения в емкость с пастой) толщиной примерно 1,5 мм и высушивали. Затем детали с сухим цементующим покрытием помещали в герметический контейнер с нейтральным наполнителем (чугунной стружкой). Цементацию проводили при 900°С в течение 3 ч. После цементации детали очищали от остатков обмазки и закаливали с 880°С в масле, а затем подвергали отпуску при 300°С течение 2 ч. Повышенную температуру отпуска использовали для увеличения вязкости сердцевины, твердость поверхности при этом снижалась незначительно.

Упрочненные детали после финишной обработки устанавливали на автомобили, причем для получения сравнительных результатов на те же автомобили устанавливали новые детали, чередуя их с восстановленными. Перед установкой деталей на машины проводилось их микрометри-рование.

Эксплуатационные испытания показали, что долговечность деталей, восстановленных электролитическими железохромистыми покрытиями с последующей цементацией, заметно возросла: по клапанам - до 2,5 раз; по наконечникам рулевых тяг - до 3,5 раз. Высокая эффективность предлагаемого способа восстановления автомобильных деталей позволяет рекомендовать его для внедрения в ремонтное производство. Предлагаемая технология рассчитана на использование дешевых и доступных материалов, типового оборудования и отличается высокой производительностью и экологической чистотой.

Источники

1. Юдин М.И., Стукопин Н.И., Ширай О.Г. Организация ремонтно-обслуживающего производства в сельском хозяйстве. Краснодар.: КГАУ, 2002. 944 с.

2. Гадалов В.Н., Борсяков А.С., Колмыков В.И. Реновация - системная деятельность к возрождению материального производства. Воронеж: ВГТУ, 2009. С. 109-112.

3. Серебровский В.И., Коняев Н.В., Колмыков Д.В.. Пат. 2285065 Российская Федерация, МПК С 25 Б3/56. Способ электролитического осаждения сплава железо-хром. Патентообладатель ФГОУ ВПО Курская государственная сельскохозяйственная академия им. проф. И.И.Иванова. Заявка: 2005106549/02, 09.03.2005; опубл. 10.10.2006, Бюл. № 28.

Зарегистрирована 22.05.2012.