Расчет содержания легирующего элемента в диффузионном слое детали из серого чугуна после поверхностного окисления

шали полученную систему уравнений. Таким образом, нами были найдены значения числовых коэффициентов и температурная зависимость для константы плавления 2LiFBeF2.

Величины числовых коэффициентов составили следующие значения: L0 = -14910, L1 = -23620, L2 = -6307. Параметры A и B в выражении для константы равновесия получились такие же, как для модели субрегулярных растворов: A = 4301, B = 1,398.

Построенная расчетная диаграмма (рисунок 2) полностью совпадает с диаграммой, рассчитанной по модели субрегулярных ионных растворов, и указывает на расслоение расплавов в области богатой фторидом бериллия.

Выводы

Выполнен расчет диаграммы состояния системы LiF-BeF2. Расчеты по теории субрегулярных ионных ра-створови полиномиальной модели Редлиха-Кистера показали схожие результаты и свидетельствуют о наличии в системе области расслоения расплавов. Полученные результаты согласуются с результатами исследования [1 ], однако для полного установления наличия области расслаивания требуются дополнительные экспериментальные исследования.

Список литературы

1 An EMF study of LiF-BeF2 solutions. ORNL-4257, 1968, p. 5.

2 Thoma R.E., ed. Phase diagrams of nuclear reactor materials.ORNL-2548,

1959, p.33.

3 J.P.M. van der Meer, R.J.M. Konings, M.H.G. Jacobs, H.A..J. OonkA

miscibility gap in LiF-BeF2 and LiF-BeF2-ThF4 Journal of Nuclear Materials, 344 (2005),p.94-99.

4 Михайлов, Г. Г. Термодинамика металлургических процессов и

систем [Текст]/ Г. Г. Михайлов, Б. И. Леонович, Ю. С. Кузнецов. - М. : Изд. Дом МИСиС, 2009.- 520 с.

5 Термические константы веществ (электронный ресурс). URL: http://

www.chem.msu.ru/cgi-bin/tkv.pl?show=welcome.html (дата обращения 19.04.2012).

6 Камаев, Д. Н. Термодинамическое моделирование диаграммы

состояния системы NaCl-BeCl2 [Текст]/Д. Н. Камаев // Расплавы.-2010.- № 2.- С.44-48.

УДК 621.19

Ю.Г. Гуревич, В.Е. Овсянников, П.А. Суханов Курганский государственный университет,

РАСЧЕТ СОДЕРЖАНИЯ ЛЕГИРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА В ДИФФУЗИОННОМ СЛОЕ ДЕТАЛИ ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА ПОСЛЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ОКИСЛЕНИЯ

Аннотация. Разработана методика расчета содержания легирующего элемента в диффузионном слое в зависимости от содержания углерода после взаимодействия поверхности детали из феррито-перлитного серого чугуна с оксидом легирующего элемента.

Ключевые слова: деталь, серый чугун, диффузионный слой, легирующий элемент, расчет.

Y.G. Gurevich, V.E. Ovsyannikov, P.A. Sukhanov Kurgan State University

CALCULATION OF THE ALLOYING ELEMENT CONTENT IN THE DIFFUSIVE LAYER OF A WORKPIECE FROM GRAY CAST IRON AFTER SURFACE OXIDATION

Abstract. The method of calculation of the alloying element content in the diffusive layer depending on the carbon content after interaction of the workpiece surface made from ferrite pearlite gray cast iron with alloying element oxide is developed.

Index Terms: workpiece, gray cast iron, diffusive layer, alloying element, calculation.

Введение

Разработанная технология поверхностного легирования деталей из серого чугуна путем взаимодействия с оксидом легирующего элемента обеспечивает диффузионный слой толщиной более одного 1 мм [1-3]. Такая толщина диффузионного слоя позволяет снять стружку и определить содержание углерода традиционным методом, но на определение легирующего элемента стружки не хватает Поэтому разработка методики расчета легирующего элемента в диффузионном слое в зависимости от содержания в нем углерода является актуальной задачей.

Целью работы является разработка расчетной методики определения содержания легирующего элемента в диффузионном слое.

Решение этой задачи будет показано на примере диффузионного легирования поверхности образца из ферри-то-перлитного серого чугуна хромом после взаимодействия его с оксидом хрома Cr203 при температуре 1373 К и выдержке при этой температуре 8 ч.

1 Результаты экспериментов

После диффузионного хромирования образца в виде призмы с квадратным сечением 1,1х1,1 см2 (рисунок 1) толщина диффузионного слоя оказалась - 0,11 см. В таблице 1 приведено содержание хрома в диффузионном слое, определенное рентгеноспектральным методом.

Рисунок 1 - Диффузионный слой на детали из феррито-перлитного серого чугуна, х3

Таблица1 - Содержание хрома в диффузионном слое

Структура Толщина Содержание Среднее содер-

слоя слоя, мм хрома, % жание хрома, %

Перлит 0,200 14,60

0,400 5,90 5,60

0,600 2,70

0,800 1,8

2 Обсуждение результатов

Микротвердость диффузионного слоя до и после упрочнения свидетельствует о том, что карбидов хрома в диффузионном слое либо совсем нет, либо очень мало. Это может быть связано с тем, что карбиды хрома имеют сродство к кислороду, как показал ниже приведенный термодинамический анализ, даже большее, чем хром.

+ 14[Ог]т + 21О в Ре = 7 Сг2Озт

- 14[Ог]т + 6[С]т = 20^

+ 6[С]т + 60 в Ре = бООг

2СГ7С3/ 270 в Ре = 70^+ 600г .

Уравнения для расчета константы равновесия реакции

2[°Г] в Ре+ 3О в Ре= ^2О3т

1дК5 = 59128 Т-1 + 13,41

7[0г] в Ре + 3[С] в Ре = ЧС3т

1дК7 = 9105Т-1+ 1,35

[С] в Ре + [°] в Ре = 00г

1дК9 = 5981,5Т-1 + 4,5

1дК, = 7 1дК5 - 21дК7+ 61дК9

1дК1 = 431455Т-1 - 76,32 . (12) Используя уравнение изотермы химической реакции, найдем энергии Гиббса (Дж) реакций (1), (5) и (9):

д^= -19,123Т1дКр

AG1 = - 8250713,97 + 1459,47Т

Д G 5 = - 1130704,74 - 256,44Т

= - 114384,22 - 86,05Т .

Энергии Гиббса реакций окисления карбида хрома, хрома и углерода представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Энергии Гиббса реакций окисления карбида хрома, хрома и углерода

Таким образом, карбид хрома имеет большее сродство к кислороду, чем хром, и будет окисляться в первую очередь. С учетом этого в ферритной кайме будут реали-зовываться следующие реакции:

9Сф3Т ^ 18[0г ] в ре+27[О]вре

14[0г ] в Ре+6[С]вре ^ 20г7С3т

20Г7С3т + 27[О]вре ^ 7

ДG5 = - 1130704,74 - 256,44Т

= - 114384,22 - 86,05 .

Поэтому результаты суммарной реакции оксида хрома с углеродом основы чугуна следующие: выделяется окись углерода через поры ферритной каймы; выделяющийся в феррите оксид хрома 0г203 не может взаимодействовать с углеродом основы чугуна и остается в феррите в виде включений (рисунок 2), а атомы хрома диффундируют в твердый раствор в глубь сплава.

Только в результате диссоциации оксида хрома на поверхности основы чугуна, последующей диффузии кислорода вглубь и диффузии углерода в противоположном направлении возможна диффузия хрома на глубину до одного миллиметра.

Реакция (21) позволяет по среднему содержанию углерода в диффузионном слое рассчитать среднее содержание хрома. Содержание углерода в диффузионном слое изменяется от 0,15 до 2,14%. Среднее содержание углерода, определенное в стружке, снятой на глубину диффузионного слоя, - 0,72%. В соответствии с уравнением (21) расчетное содержание хрома - 7,09%. Таким образом, расчетное содержание хрома и содержание хрома, определенное химическим анализом соизмеримы.

Выводы

1 Разработана методика расчета содержание легирующего элемента в диффузионном слое в зависимости от содержания углерода после взаимодействия поверхности детали из феррито-перлитного серого чугуна с оксидом этого элемента.

2 Показано, что результаты расчетного содержания легирующего элемента в диффузионном слое соизмеримы с результатами химического анализа.

Список литературы

1 Гуревич, Ю. Г. Теоретические и технологические основы

диффузионного хромирования серого чугуна [Текст] /

Ю. Г. Гуревич // Известия Вузов. Черная металлургия.- 2010.-

№9.- С. 45-49.

2 Гуревич, Ю. Г. Диффузионное хромирование деталей из феррито-

перлитного серого чугуна [Текст] / Ю. Г. Гуревич,

В.Е Овсянников, В. А. Фролов // Машиностроение и инженерное

образование.- 2011.- № 2.-С. 2-10.

3 Гуревич, Ю. Г. К вопросу упрочнения деталей из серого чугуна

[Текст]/ Ю. Г. Гуревич, В. Е. Овсянников, В. А. Фролов // Вестник КуЗГТУ.-2011.- №3.- С. 80-82.

4 Гуревич, Ю. Г. Легирование железа через газовую хлоридную фазу

[Текст]/Ю. Г. Гуревич, В. Я. Буланов, Н. В. Германюк.-Свердловск: Академия наук СССР. Уральское отделение, 1992. -190 с.

5 Гуревич, Ю. Г. Диффузионное хромирование феррито-перлитного

серого чугуна [Текст] / Ю. Г. Гуревич, В. А. Фролов,

В. В. Марфицын // Черные металлы.- 2010.- Октябрь.- С.13-16.

Температура, К - ДС1, Дж - ДО5 Дж -Д О9., Дж

1173 6,53 • 106 1,43-106 2,1$-105

1273 6,36 • 106 1,44-106 2,24105

1373 6,23 • 106 1,4-106 2,33" 105

СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 8

71

УДК 621.19

Index Terms: diffusive chromizing, gray cast iron, strength

Ю.Г. Гуревич, В.Е. Овсянников, В.А. Фролов Курганский государственный университет

К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА

Аннотация. Рассмотрены вопросы исследования влияния поверхностного упрочнения серого чугуна на статическую прочность. Изучено влияние толщины упрочненного слоя на предел прочности образцов при сжатии. Исследовано влияние легирующих элементов в диффузионном слое на прочность чугуна. Показано, что поверхностное упрочнение позволяет существенно увеличить статическую прочность чугуна.

Ключевые слова: диффузионное хромирование, серый чугун, прочность.

Y.G. Gurevich, V.E. Ovsyannikov, V.A. Frolov Kurgan State University

ABOUT HARDENING OF GRAY CAST IRON COMPONENTS OF TRANSPORTATION VEHICLES

Abstract. The article considers issues of studying the effect of gray cast iron surface hardening on static strength. Thickness effect of the hardened layer on resistance of samples under pressure to rupture is researched. The influence of alloying elements in a diffusive layer on cast iron strength is characterized. It is shown that surface hardening allows for significantly increasing static strength of cast iron.

G. кг/мм 2

n s

se

ее

52 _,_,_,_,_| т

а,6 0,7 в,« в,9 1.6 Т мм

б)

а) упрочнение окалиной; б) упрочнение оксидом хрома Рисунок 1 - Зависимость предела прочности на сжатие образцов при различной толщине упрочненного слоя

Введение. Серый чугун используется для изготовления деталей транспортных машин, т.к. обладает хорошими литейными свойствами, сопротивлением абразивному износу благодаря графиту содержащемуся в сплаве, и сравнительно низкой стоимостью. Однако наряду с положительными свойствами у чугуна есть и отрицательные, одним из наиболее существенных среди них является его низкая статическая прочность. Причем упрочнение деталей из серого чугуна осуществляется трудоемкими методами - электролитическим хромированием и лазерной закалкой [1;2], которые позволяют получить небольшую толщину упрочненного слоя (50-100 мкм), что не оказывает существенного влияния на статическую прочность деталей. Авторами был разработан способ диффузионного легирования серого чугуна [3;4], позволяющий упрочнять детали из серого чугуна, с получением толщины упрочненного слоя до 1 мм. В ходе предварительных исследований было установлено, что прочность образцов удается увеличить.

Постановка задачи. Главной задачей работы является исследование влияния поверхностного упрочнения серого чугуна на статическую прочность при сжатии.

Основные результаты работы. В качестве образца были использованы цилиндрические детали, изготовленные из серого чугуна марки СЧ-20 диаметром 10 мм и высотой 15 мм, упрочненные нагревом в контакте с железной окалиной ^еО) и оксидом хрома Сг203. Образцы испытывались на сжатие на гидравлическом прессе П-150М, с максимальным усилием сжатия 15 тонн. Исследовались образцы с толщиной упрочненного слоя от 0.4 до 1.0 мм. Зависимости предела прочности образцов при сжатии от толщины упрочненного слоя приведены на рисунке 1, а на рисунке 2 показана фотография разрушенного образца. Как можно видеть на рисунке 2 , упрочненный слой играет роль «армирующей оболочки», способствующей повышению прочности образца.

Для сравнения были испытаны образцы из неупроч-ненного серого чугуна той же марки, предел прочности которых составил 37.1 кг/мм2 . Таким образом, результаты экспериментов показывают, что использование диффузионного упрочнения серого чугуна позволяет существенно увеличить его прочность. Причем из рисунка 1 видно, что прочность образцов при упрочении оксидом хрома выше, чем при упрочнении окалиной. Это объясняется тем, что присутствие хрома в железоуглеродистом сплаве увеличивает его твердость и прочность и повышает равновесную концентрацию углерода в аустените, увеличивая тем самым закаливаемость.

Рисунок 2 - Разрушенный образец Выводы. Проведенные исследования показали, что