Технология упрочнения деталей из серого чугуна

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011

УДК 621.19

ТЕХНОЛОГИЯ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА

Ю.Г. Гуревич, В.Е. Овсянников, В.А. Фролов ГОУ ВПО Курганский государственный университет Поступила в редакцию 10.11.2011

Анализ существующих методов поверхностного упрочнения деталей из феррито-перлитного серого чугуна показал, что традиционные методы термической и термохимической обработки для указанной цели не применяются. Поверхностная закалка ТВЧ не применяется из-за того, что процесс превращения феррита в аустенит у серых чугунов с феррито-перлитной структурой является

длительным, объемная закалка обеспечивает только перлитные структуры.

Диффузионное хромирование не применяется из-за того, что высокое содержание углерода в чугуне не позволяет хрому из-за образования карбидов, проникать на глубину большую, чем 0,02-0,04 мм. Применение электролитического хромирования сложный и достаточно дорогой процесс, который позволяет наносить покрытие толщиной до 0,05-0,06 мм, а в ремонтном производстве толщина покрытия достигает 0,2-0,5 мм [1].

Применяемое лазерное поверхностное упрочнение чугунов обладает существенными недостатками: высокой стоимостью оборудования, низкой стойкостью рабочих органов, необходимостью применения специальных обмазок.

Целью настоящей работы является разработка нового метода поверхностного упрочнения деталей из феррито-перлитного серого чугуна, который обеспечит высокую износостойкость поверхности и заданную толщину упрочненного слоя при минимальном изменении исходной микроструктуры и макрогеометрии.

Поверхностное упрочнение ковкого чугуна проводится закалкой ТВЧ после обезуглероживания поверхностного слоя [2]. Обезуглероживание серого чугуна воздухом или в атмосфере водорода приводит к формированию микродефектов поверхности изделий из-за окисления графита, что резко снижает свойства и обрабатываемость чугуна и поэтому не применяется [3]. Если организовать диффузионное окисление чугуна закисью железа FeO, которое может диссоциировать на поверхности чугуна, адсорбироваться с выделением атомарного кислорода, и, диффундируя вглубь, окислять в первую очередь углерод основы, то микротрещины, как показали предварительные эксперименты, на поверхности чугуна не появляются [4].

Для экспериментов диффузионного окисления была выбрана цилиндрическая деталь в форме кольца из феррито-перлитного серого чугуна СЧ20. Химический состав чугуна, %: C - 3,6; Si - 2,2; Mn -0,7; S - 0,12; P - 0,15. Твердость - 131 НВ.

Количество феррита и перлита оценивалось средним процентом площади, занятой этими структурными составляющими на шлифе и определялось не менее чем в трех полях зрения. Металлическая основа чугуна: перлит пластинчатый в количестве от 10 - 40%, с межпластинчатым расстоянием от 0,0003 до 0,0008мм, встречаются участки с межпластинчатым расстоянием 0,00080,0013мм; количество феррита от 90 до 60%.

Исходная микроструктура чугуна с равномерно распределенным пластинчатым графитом завихренной формы на травленом шлифе представлена на рис.1. Оценка формы (ПГф), распределения (ПГр), размеров (ПГд) и количества включений графита (ПГ): ПГф2 - ПГр1 - ПГд15 -ПГ10. Площадь, занятая графитом составляет 812%.

Рис. 1. Микроструктура чугуна СЧ20, х 200. Травление ниталем.

Деталь загружалась в контейнер, засыпалась порошком железной окалины (FeO) определенной дисперсности частиц, сверху слоем глинозема и слоем графита. Деталь нагревалась в контакте с железной окалиной при 1173-1373 К в печи с

1018

Механика и машиностроение

графитовым нагревателем и выдерживалась определенное время и медленно охлаждалась с печью. Предварительными экспериментами было установлено, что при таком способе окисления серого чугуна на поверхности детали появляется, визуально заметная полоса стали. Никаких дефектов на поверхности детали выявлено не было.

При исследовании поверхностного окисленного слоя измерялась его толщина, определялась твердость и микротвёрдость до и после упрочнения, изучалась микроструктура на нетравленых и травленных шлифах и определялось процентное содержание структурных составляющих.

На рис. 2, а показана макроструктура окисленного слоя, полученная после взаимодействия поверхности детали с окалиной при 1273 К в течение 8 ч, а на рис. 2, б микроструктура этого слоя на травленном шлифе.. Окисленная зона достаточно однородна, никаких дефектов не наблюдается. Граница между структурой чугуна и окисленным слоем четкая. Зоны термического влияния нет. Включения графита имеют шаровидную форму и достаточно мелкие. Площадь, занимаемая включениями графита примерно 2%..

а) б)

Рис. 2. Окисленный слой: а - на нетравлёном шлифе; б - на травленном шлифе х 400.

После окисления окалиной структура окисленного (диффузионного) слоя на травленных шлифах становилась перлито-ферритной, количество феррита на шлифе не превышало 20% (рис. 2,б). После быстрого охлаждения, перлито-

ферритная структура окисленного слоя превращалась в структуру мартенсито - перлито -аустенитную

а) б)

Рис. 3. Микроструктура окисленного слоя после закалки (а) и основы феррито-перлитного чугуна после закалки (б). Травление в 3%-ном растворе х 400.

При окислении серого чугуна окалиной, на поверхности детали образовывался слой чистого феррита (ферритная кайма).

При увеличении времени выдержки окисления поверхности детали из серого чугуна толщина

упрочненного слоя увеличивалась с 0,11 до 0,41 мм при 1173 К, с 0,30 до 0,70 мм при 1273 К и с 0,64 до 1,02 мм при 1373 К.

При увеличении времени выдержки окисления поверхности детали из серого чугуна толщина

1019

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011

упрочненного слоя увеличивалась с 0,11 до 0,41 мм при 1173 К, с 0,30 до 0,70 мм при 1273 К и с 0,64 до 1,02 мм при 1373 К (рис. 4).

Рис. 4. Толщина окисленного слоя серого чугуна после выдержки 4, 6, 8 час при температурах 1273-1373 К.

Механизм процесса взаимодействия закиси железа (FeO) с графитом и основой чугуна при 11731373 К и последующего упрочнения состоит из

- окисление углерода основы ферритоперлитного серого чугуна;

- превращение феррита основы чугуна в перлит и зарождение аустенита;

- встречная диффузия углерода из внутренних слоев сплава к поверхности через аустенит и дальнейшее окисление углерода;

- растворение графита в аустените (основе);

- превращение аустенита в мартенсит.

Лимитирующим звеном является скорость

диффузии углерода в аустените. Для поверхностного упрочнения деталь нагревали до 1173-1223К, выдерживали при этой температуре 30 мин и охлаждали в воде. После упрочнения проводили стабилизирующий отпуск при 453-473К [2]. Упрочненная зона состояла из мартенсита, перлита, аустенита и мелких шаровидных включений не растворившегося графита.

Твердость окисленного слоя детали после нагрева и закалки- 40-42 HRC. Такая твердость соизмерима с твердостью ковкого чугуна после закалки ТВЧ [5,6]. Микротвердость чугуна после закалки - 1.75-1,96 ГПа. На рис. 5 показано рас-

пределение микротвердости по толщине диффузионного слоя после диффузионного

окисления детали из серого чугуна окалиной при 1273 К в течение 4 ч и последующей закалке в воде. Как следует из приведенных данных,

микротвердость поверхностного слоя чугуна увеличилась в 2 раза.

^5о> ГПа

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5 1.0

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Z,MM

Рис.5. Распределение микротвёрдости по толщине окисленного слоя после упрочнения.

Таким образом, окисление углерода основы чугуна закисью железа FeO способствует превращению феррита в аустенит при нагревании, который при быстром охлаждении превращается в мартенсит.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Ковенский И.М., Поветкин И.М. Металловедение покрытий / М.: Интермет Инжиниринг, 1999.-296 с.

2. Чугун: справочник. / А.Д. Шерман [и др.] - М.: Металлургия, 1991.- 575 с.

3. Болдырев Д.А. Высоко-углеродистый низкокремнистый чугун для тормозных дисков // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. №12. С. 5.

4. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. - М.: Машиностроение, 1966.- 562 с.

5 Попов П.И., Сизов И.Г. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства чугуна с вермикулярным графитом, // Металловедение и термическая обработка металлов. 2006. №6. С. 41-43.

6. Бернштейн М.Л. Термо-механическая обработка металлов и сплавов. Т.1 - М.: Металлургия, 1968.-596 с

TECHNOLOGY OF HARDENING OF DETAILS FROM GREY PIG-IRON

Y.G. Gurevich, V.E. Ovsyannikov, V.A. Frolov Kurgan state university

1020