Повышение прочности деталей машин нитроцементацией

ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН НИТРОЦЕМЕНТАЦИЕЙ

В.В. Серебровский, Д.В. Колмыков, В.В. Бедин, А.Ю. Молодкин

Аннотация. Приведены экспериментальные данные по износостойкости углеродистых сталей после низкотемпературной нитроцементации в пастообразном карбюризаторе. Показана высокая эффективность упрочнения деталей, работающих в условиях трения без смазки и в условиях трения в коррозионно-активных средах.

Ключевые слова: нитроцементация, карбюризатор, износостойкость.

В современных машинах имеется достаточно большая номенклатура деталей, которые работают в условиях трения без смазки при воздействии химически активных сред. Известно, что наиболее радикальным путем повышения износостойкости и коррозионной стойкости (долговечности) таких деталей является создание на их рабочих поверхностях твердых и пассивных покрытий, которые эффективно сопротивляются внешним неблагоприятным воздействиям.

В работах [1,2] показано, что низкотемпературная цементация углеродистых и низколегированных сталей приводит к образованию на их поверхностях достаточно глубоких диффузионных слоев, поверхностная зона которых представляет собой гексагональный е-карбонитрид, имеющий твердость 10000.. .12000 МПа.

Нитроцементация в пастообразном карбюризаторе, состоящем из 60 % газовой сажи и 40 % железосинеро-дистого калия (пастообразователь - клей ПВА), обеспечила за 2 часа при температуре 650°С образование на поверхности углеродистой стали 40 карбонитридного слоя глубиной ~ 0,06 мм. Под слоем карбонитрида образовалась зона азотисто-углеродистого мартенсита с остаточным аустенитом глубиной до 0,20 мм и микротвердостью от 6000 до 4500 МПа (рисунок 1).

а)

Рисунок 1 - Микроструктура диффузионного слоя стали 40, нитроцементованной при температуре 650°С в течение 2-х часов

Износостойкость нитроцементованных слоев на стали 40 исследовали на машине СМЦ-2 по схеме «ролик-колодка», при которой реализовался механизм трения скольжения. В зону трения подавали (с помощью капельницы) 10 % раствор поваренной соли в воде для имитации коррозионно-активной среды.

Ролики из исследуемой стали подвергали нитроцементации при температурах 560, 660 и 760°С и испытывали при 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 2.

Рисунок 2 - Износ нитроцементованной стали 40 трения скольжения при различных нагрузках: а) малые удельные нагрузки; б) большие удельные нагрузки. Температура цианирования: 1-560°С; 2-660°С; 3-760°С.

Как видно из рисунка 2-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.

Обнаруженное снижение износа цианированной поверхности с повышением удельных нагрузок в интервале 0,05.0,15 МПа можно объяснить самонаклепом поверхности трения, когда в рассматриваемом интервале давлений сохраняется еще запас пластичности металла. Скорость изнашивания в этих условиях определяется восприимчивостью изнашивания структур к наклепу. При большой восприимчивости к наклепу поверхностные слои металла быстро теряют пластичность (при невысокой нагрузке), в них быстро достигается предельное упрочнение, и износ уменьшается.

В области высоких давлений (см. рис.2-б) повышение нагрузки не вызывает упрочнения уже наклепанного 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 прямопропорциональ-ный характер.

Относительно низкие температуры цианирования (550-650°С) обеспечивают минимальный износ циани-рованных слоев. С повышением температуры цианиро-

вания 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 стали образуется твердая корка е-карбонитрида, обладающая к тому же антифрикционными и антикоррозионными свойствами, что 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 е-карбонитрид сменяется карбонитридом цементитного типа, имеющего меньшую твердость. Этот процесс вызывает резкое ускорение интенсивности изнашивания.

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

Список использованных источников.

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

2 Низкотемпературное цианирование стали в пастах / В.Н. Долженков, В.И. Колмыков, В.М. Переверзев, Н.А. Пивовар // Известия Курск. гос. техн. ун-та. - 2001. - № 6. - С. 61-64.

Информация об авторах

Серебровский Вадим Владимирович, профессор кафедры информатики и электроэнергетики ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Колмыков Денис Валерьевич, доцент кафедры электроснабжения и электрооборудования ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Бедин Василий Викторович, соискатель РГАЗУ.

Молодкин Артем Юрьевич, аспирант ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».