Влияние нитроцементации на повышение усталостной прочности и износостойкости железных гальванических покрытий

ВЛИЯНИЕ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ НА ПОВЫШЕНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗНЫХ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

В.И. Серебровский, Д.В. Ко. тыков, В.В. Бедин, А.Ю. Молодкин, М.Б. Ковынев

Аннотация. Обоснованы рекомендации по выбору режимов нитроцементации для упрочнения деталей, восстановленных железнением, с целью повышения долговечности деталей машин. Приведены экспериментальные данные по влиянию нитроцементации на износостойкость и усталостную прочность железных гальванических покрытий.

Ключевые слова: нитроцементация, усталостная прочность, износостойкость, гальванические покрытия, упрочнение деталей.

Гальванические (электролитические) покрытия широко применяются в ремонтном производстве при восстановлении стальных деталей, имеющих относительно небольшие износы (0,3...0,5мм), при этом наиболее широкое применение находит электролитическое желез-нение. Этот способ восстановления отличается высокой производительностью, простотой и невысокой стоимостью оборудования и материалов, возможность одновременного наращивания большого количества деталей, автоматизация процесса. Однако наряду с положительными сторонами, упомянутыми выше, электролитическое железнение имеет ряд недостатков, а именно: низкую усталостную прочность восстановленных деталей, недостаточно прочное сцепление железного покрытия с основой (в частности с легированными сталями) и, во многих случаях, недостаточную износостойкость. В связи с этим ресурсы деталей, восстановленных железнением, заметно ниже ресурсов новых деталей.

С целью повышения долговечности деталей, восстановленных железными покрытиями, предлагаются различные способы упрочнения, из которых наиболее рациональным следует признать химико-термическую обработку, в частности нитроцементацию [1,2].

Настоящая работа посвящена исследованию влияния режимов нитроцементации в высокоактивном пастообразном карбюризаторе на структуру и свойства железных гальванических покрытий с целью разработки рациональной технологии упрочнения стальных деталей, восстановленных железнением.

Для нанесения железных покрытий на стальные изделия был использован хлористый электролит, осаждение проводилось на переменном асимметричном токе с коэффициентом асимметрии р=6, катодная плотность тока 300...40А/дм2 [3]. Микроструктура железного осадка представлена на рисунке 1.

Нитроцементация по рекомендации [4] проводилась в высокоактивном пастообразном карбюризаторе следующего состава (% масс): сажа газовая -60; железоси-неродный калий [К4Ре(СМ)6]-30; углекислый натрий (№2С03)-Ш; пастообразующая жидкость - водный раствор карбометилцеллюлозы (клей КМЦ). Компоненты пасты в порошкообразном состоянии тщательно перемешивались и разводились клеем до консистенции густой пасты. Паста наносилась на образцы слоем 1,5...2 мм и высушивалась.

Образцы с сухим нитроцементующим покрытием упаковывались в контейнер с наполнителем в виде смеси чугунной стружки с сажей. Контейнер помещался в печь, разогретую, до заданной температуры и выдерживался там необходимое время.

Рисунок 1 - Микроструктура электроосажденного железа

После нитроцементации образцы выгружались из контейнера, подвергались заданной термообработке и использовались для определения микротвердости, усталостной прочности и износостойкости. Усталостную прочность определяли неразрушающим вихретоковым способом по методике [5], износостойкость - на машине трения СМЦ-2 в условиях граничного трения (контртело-чугун СЧ18) с добавлением в смазку абразива (10 г на 1 л). Результаты эксперимента представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты эксперимента по определению микротвёрдости, прочности и износостойкости

Как видно из экспериментальных данных, нитроцементация в пастообразном карбюризаторе радикальным образом изменила свойства железных электролитических осадков. Нитроцементация как при низких, так и при высоких температурах многократно (в 6...7,5 раза) повышает микротвердость покрытий. При этом наивысшая твердость получается при низкотемпературной нитроцементации с непосредственной закалкой в воде. Повышение температуры нитроцементации не приводит к повышению твёрдости электролитического железа.

материалов

Материал, уп- Микротвер- Предел вы- Интенсив-

рочняющая дость носливости ность изнаши-

обработка НЦ100, МПа а_ь МПа вания, г/ч-10-3

Сталь 30Х, нормализация 1450 308 11,5

железное по-

крытие без термообработки 3605 199 12,2

Железное по-

крытие, нитро-

цементация

(650 °С, 3 ч), 11885 420 1,9

Закалка в воде,

отпуск при 150 °С

Железное по-

крытие, нитро-

цементация(650 °С, 3 ч), Закалка 10495 348 2,3

в воде, отпуск при 350 °С

Низкотемпературная нитроцементация (650°С), значительно повышая твердость железного покрытия (т.е. увеличивая его предел текучести), повышает и его предел выносливости. Причем это повышение весьма значительно.

Усталостная прочность нитроцементованных образцов с железными осадками на поверхности, как показали наши исследования, не только выше прочности таких же образцов без нитроцементации (более чем в 2 раза), но и выше чем усталостная прочность основного металла без покрытия.

Нитроцементованный слой, полученный при температуре 650°С, имеет на поверхности тонкую пленку 8 - карбонитрида, под которой на глубину примерно 0,05 мм простирается зона азотистого аустенита с вкраплениями мелких карбонитридов. Эта зона плавно переходит в структуру железного покрытия, причем покрытие отделено от основы четкой границей (рисунок 2).

При закалке нитроцементованного слоя в нем возникают значительные сжимающие напряжения, что приводит к его высокой усталостной прочности, а большая твердость карбонитридной корки и нижележащих зон к высокой износостойкости.

Рисунок 2 - Микроструктура переходной зоны

Таким образом, можно заключить, что нитроцементация железных электролитических покрытий значительно повышает их эксплуатационные свойства, такие как, износостойкость и усталостную прочность. Если от восстанавливаемой детали необходимо получить максимальную усталостную прочность и высокую износостойкость, то после нанесения железного покрытия ее необходимо подвергнуть нитроцементации при температуре 650°С, закалить с этой температурой и отпустить при 150 °С.

Список использованных источников

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

-Гюлихандов Е.Л, Семенова Л.М., Шапочкин Е.И. Особенности строения нитроцементованных слоев с повышенным содержанием азота // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1990. - №5. - С. 12-15.

-Электроосаждение сплавов на основе железа / В.И. Се-ребровский [и др.] //Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: материалы III Междунар. науч.-техн. конф. Курск. гос. техн. ун-т. - Курск, 2005. - С.167-173.

-Карбонитрирование улучшаемых сталей в пастах / В.И. Колмыков [и др.] // Совершенствование средств механизации в сельском хозяйстве: сб. науч. тр. КГСХА. - Курск, 2002. -С. 47-51.

-Колмыков В.И., Шаповалова Ю.Д. Оптимизация параметров химико-термической обработки по характеристикам усталости // Сборник докладов пятой Всероссийской конференции молодых ученых «Новые технологии в газовой промышленности». РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. 2001. - С. 24-25.

Информация об авторах

Серебровский Владимир Исаевич, доктор технических наук, проректор по учебной работе, профессор кафедры электроснабжения и электрооборудования ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

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

Бедин Василий Викторович, соискатель РГАЗУ.

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

Ковынев Максим Борисович, аспирант ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».