Об эффективности химико-термической обработки деталей машин, восстановленных наплавкой в среде защитных газов

ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН, ВОССТАНОВЛЕННЫХ НАПЛАВКОЙ В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ

В.В. Бедин, В.И. Колмыков

Аннотация. Показана возможность использования дешевого и экономичного метода наплавки стальных деталей в среде защитных газов для восстановления автомобильных деталей. Пористость наплавленного металла, присущая этому методу, может быть ликвидирована с помощью цементации в активных карбюризаторах, при условии использования для наплавки марганцовистой проволоки. Рассмотрены механизм и кинетика формирования карбидных фаз в порах наплавленного металла, приводящая к их заращиванию.

Ключевые слова: детали машин, химико-

термическая обработка, наплавка, защитные газы.

Метод наплавки стальных изделий в среде углекислого газа (и в других защитных газах) широко используется в ремонтном производстве для восстановления изношенных деталей. Метод отличается технологической простотой, высокой производительностью и дешевизной. Однако наплавленный металл, полученный при использовании этого метода, имеет повышенную пористость, что не позволяет восстанавливать ответственные и тяжелонагруженные детали современных машин, в том числе автомобилей. Названный недостаток, как показывают наши исследования, может быть устра-

нен химико-термической обработкой. Если наплавку производить проволокой с повышенным содержанием марганца, например, Св - 10 ГА, Св - 08Г2С, Св -08ХГ2С, в высокоактивном карбюризаторе, активность которого достаточна для образования карбидов в структуре диффузионного слоя, то можно получить монолитное покрытие (без пор) с высокими механическими характеристиками. В названных условиях поры ликвидируются за счет образования в них цементита, легированного марганцем, поскольку последний способствует росту карбидной фазы не только внутрь металла, но и наружу (в пространство поры).

Считается [1], что марганец в цементуемой стали не влияет на образование карбидов при науглероживании, он полностью растворяется в аустените и цементите в соотношении 1:4 [2]. Термодинамические расчеты [3] показывают, что марганец в одинаковой степени стабилизирует аустенит и цементит, поэтому термодинамический стимул к образованию карбидов, обогащенных марганцем, отсутствует. Таким образом, по термодинамическим характеристикам марганцовистые стали мало чем отличаются от простых (нелегированных) сталей.

Тем не менее, несмотря на отсутствие термодинамического стимула к образованию карбидов, при науглероживании марганцовистых сталей, все-таки наблюдается более интенсивное карбидообразование, чем при

цементации нелегированных углеродистых сталей. При этом марганец способствует карбидообразованию не из-за создания термодинамического стимула (снижения свободной энергии системы), а по другой причине. Согласно [4] в процессе выделения цементита из перенасыщенного углеродом аустенита первоначально образуется промежуточная гексагональная фаза е - Ре2-3С, которая представляет собой метастабильный карбид. Эта фаза на рентгенограммах имеет явно выраженное уширение линий, что свидетельствует о широкой области гомогенности (переменности состава). При этом обнаруживается тенденция к повышению первоначального содержания углерода до состава Ре2С (верхнего предела области гомогенности).

В той же работе [4] отмечается, что карбид е - Ре2-3С может быть получен экспериментально в различных условиях науглероживания как в тонких металлических пленках, так и в массивных образцах при цементации их в окиси углерода. При этом сильное влияние на образование названного карбида оказывает присутствие в насыщающей атмосфере (помимо углерода) следов кислорода и других элементов внедрения. Особенно сильное влияние на данный метастабильный карбид оказывает марганец.

Марганец обладает склонностью к окислению при цементации стали, поэтому в атмосфере окиси углерода происходит его поверхностное и внутреннее (вблизи от поверхности) окисление. В присутствии марганца усиливается и склонность к окислению железа. В поверхностной зоне диффузионного слоя образуется твердый раствор оксидов Мп-РеО [5].

В решетке окиси железа (вюстита), как известно, имеется высокая концентрация вакансий двухвалентных ионов железа (Ре2+), которые легко диффундируют из оксидов к поверхности, где в результате реакции с углеродом, поступившим из насыщающей среды, образуют карбидную корку. Такое движение вещества, обусловленное химической реакцией или фазовым превращением, называется стефановским потоком.

Учитывая вышеизложенное, можно заключить, что карбидная фаза на поверхности цементуемой марганцовистой стали образуется за счет стефановского потока вещества, а именно - потока углерода из науглероживающей среды в металл и встречного потока ионов железа из твердого раствора оксидов МпО - РеО в зону реакции с углеродом.

При этом карбидная фаза (корка) растет от начального положения поверхности раздела «металл-насыщающая среда» как в сторону металла, так и в сторону внешней среды, вызывая увеличение размеров цементуемого изделия или заполнения имеющихся в металле пор.

Система уравнений, описывающих перенос вещества в слое продуктов реакции с учетом стефановского потока предложена в работе [6]. Она состоит из уравнений неразрывности массы и диффузии:

дт д ,

-—; =—\тУ Л

д1 дх

дтС _ д ( л dt дх ^ ’

j _ -Dm — + mVC дх

В уравнениях (1)...(3) следующие обозначения: V -линейная скорость перемещения массы вещества в слое продуктов реакции; т - плотность материала в зоне реакции; С - средняя относительная концентрация углерода в слое карбида; Б - коэффициент диффузии углерода в карбиде; х - положение границы карбидного слоя; 1 - время цементации.

Приведенные уравнения дают возможность подсчитать толщину карбидной зоны в диффузионном слое при цементации марганцовистой стали. Решение системы уравнений (1)...(3) относительно х представлено в работе [6] для следующих граничных условий.

В начальный момент времени (1=0): х=х0х1 (0) = х2 (0), где х0 - начальное положение поверхности раздела «металл - внешняя среда» х1 - внутренняя граница слоя продукта реакции (карбидной пленки), х2 - наружная граница карбидного слоя. После начала науглероживания (1 > 0): на внутренней (со стороны металла) границе слоя концентрация углерода С = С1 на наружной границе С = С2, при этом С2>С1 (углерод движется из внешней среды в глубь металла).

Поло жение внутренней и внешней границ карбидного слоя описывается уравнениями:

Xj _ 2р.

(Dm2c _ cj

4t;

m.

X2 _ 2(b-b1)j(Dm2)C _ С2

m2

(Dm2 )c _ c2

(Dm2 )c _ Cj

4t

толщина карбидной пленки

S _ х, + х~ _ 2

(Dm22)c _ c2

+ bj

(Dm2 )c _ c2

;

;

где m1 - плотность металла в зоне реакции (в данном случае аустетита);

m2 - плотность продукта реакции (карбида); b и b1 - константы параболического закона роста слоя продукта реакции.

Главная трудность в расчете толщины карбидной пленки по уравнениям (4)...(6) состоит в том, что константы b и b1 подлежат расчету в каждом конкретном случае, поскольку они зависят от концентрации углерода в слое. Для нахождения названных констант необходимо знать зависимость произведения Dm22)mf от С.

Если принять некоторые упрощения, а именно принять, что относительная весовая концентрация (С) углерода в карбидной пленке изменяется незначительно можно написать D(C) = const, m(C) = const и поэтому величина Dm22 тоже постоянная. С этими допущениями b и р1 можно рассчитать с использованием уравнений [6]:

bbbj expb(b - 2Д)]= .

b1 1 - c2

'p(b - b )terf (b - b) + erfPj] + erp[(b - b1)2 ] =

1 - c,

Для расчета констант по уравнениям (7) и (8) использовалась подстановка пределов изменения относительной весовой концентрации углерода в карбидной пленке, соответствующая его содержанию в е - Ре2-3С. С1 была принята равной 0,067, что соответствует Ре3С; С2 = 0,097...0,0б7, соответствующей Ре2С и Ре3С (Ре2-3С).

Результаты расчетов констант Ь и Ь1 по уравнениям (4), (5) и (6), выполненные с использованием ЭВМ, приведены в таблице 1.

Из таблицы видно, что с уменьшением разности С2 - С! (АС) интенсивно уменьшается толщина карбидной пленки, которая может образоваться на поверхности марганцовистой стали при её цементации.

Расчет, проведенный по рассмотренной методике, позволяет также ориентировочно оценить перемещение как внутренней, так и наружной границ карбидной пленки, что наглядно представлено на рисунке 1.

+

m

m

m

m

cc

Таблица 1 - Зависимость толщины карбидной пленки от разницы конденсации углерода на наружной и внутренней поверхностях (коэффициент диффузии углерода Б = 8.6-10~ 2 см2 /с) ________________________

С2 АС (С2-С1) b Р1 Х1, мкм Х2, мкм 5, мкм

0,097 0,030 0,464 0,426 3,2 0,8 4,0

0,090 0,023 0,407 0,407 2,8 0,7 3,5

0,082 0,015 0,337 0,037 2,3 0,6 2,9

0,075 0,008 0,241 0,241 1,6 0,5 2,1

1

UWnuLipepui Хз //у, 'rffi'/i'.'S;

т ' - . ' : ... . vs. у . х° . -.

ШшШШт Ш/ШшШт 0еЛ) У' .• '' '  ;

/Л;- ? '/г -

шшштш

металл \

X,

от ом от от ас

Рисунок 1 - Зависимости положения внутренней

Образование твердого раствора окислов МпО - РеО (вюстита) на поверхности пор в наплавленном марганцовистом металле при цементации вызывает стефанов-ский поток - движение ионов железа по вакансиям в вюстите из сердцевины изделия к порам. В зоне реакции с углеродом на поверхности пор образуется кар-

бидная пленка, которая растет не только в сторону металла, но и в сторону свободного пространства, вызывая зарастание поры. Таким образом, проводя цементацию деталей автомобилей, восстановленных дешевым методом наплавки в среде защитных газов, можно получить высококачественные износостойкие покрытия, обладающие повышенной прочностью и твердостью. При необходимости получить покрытия без включений карбидов в структуре можно провести дополнительный отжиг восстановленных деталей после их цементации.

Список использованных источников

1 Меськин, B.C. Основы легирования стали/ B.C. Месь-кин. - М.: Металлургия, 1964.-684 с.

2 Гудремон, Э. Специальные стали. Т.1/ Э. Гудремон. -М.: Металлургия, 1966.-736 с.

3 Переверзев, В.М. Термодинамика гомогенного зарождения цементита в аустетите в процессе цементации стали / В.М. Переверзев, В.И. Колмыков, И.Н. Росляков // Известия АН СССР. Металлы. - 1981. - №°6. - С. 61-64.

4 Гольдшмидт, X. Дж. Сплавы внедрения. Т. 1/ X. Дж. Гольдшмидт. - М.: Мир, 1971. - 424 с.

5 Чуфаров, Г.И. О термодинамике процессов окисления металлов / Г.И. Чуфаров, М. Г. Жеравлева, В.Н. Гоогослов-ский, А.Н. Мень // В сб. Механизм взаимодействия металлов с газами. - М.: Наука, 1964. -С.7-23.

6 Блошенко, В.Н. О стефановском потоке при гетерогенных химических реакциях / В.Н. Блошенко, Б.И. Хайкин // Журнал физической химии. Т. XLY. - 1967. - .№12. - С.3011.

7 Арутюнян, А.Б. Роль стефановского потока и изменения объема конденсированной фазы в процессах реакционной диффузии / А.Б. Арутюнян, А.Г. Мержанов, Б.И. Хайкин // В кн.: Процессы горения и химической технологии в металлургии. - Черноголовка: ОИХФ АН СССР, 1975. -С.210-216.

Информация об авторах

Бедин Василий Викторович, филиал СГАУ, г. Астрахань.

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