ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 1, 2015
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ
УДК 621.785.53:620.178.16:620.186
© 2015 г. Герасимов С.А.1, Куксенова Л.И.2, Лаптева В.Г.2, Фахуртдинов Р.С.1, Данилов В.Д.2, Смирнов А.Е.1, Громов В.И.3, Алексеева М.С.2, Щербаков Ю.И.2,
Хренникова И.А.2
ВЛИЯНИЕ АКТИВИЗАЦИИ ПРОЦЕССА НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕПЛОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ
1 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, г. Москва 2Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва
lkukc@mail.ru 3 ФГУП "ВИАМ", г. Москва
Представлены результаты оценки микротвердости, износостойкости и контактной выносливости теплостойких сталей ВКС-7 и ВКС-10 после активизации процесса нитроцементации, включающей два этапа: предварительную пластическую деформацию методом теплой осадки и вакуумную нитроцементацию. Показаны дополнительные резервы повышения комплекса эксплуатационных свойств ответственных деталей машин из теплостойких сталей.
При контактном взаимодействии деталей машин их надежность и долговечность во многом определяются свойствами поверхностного слоя, в котором локализуются основные деформационные и физико-химические процессы. Получение в поверхностном слое деталей износостойкого состояния качественно упрочненного диффузионного слоя обеспечивает существенное повышение эксплуатационных свойств изделий. Одним из путей решения этой задачи является совмещение процессов формирования структуры в ультрамелкодисперсном или наноструктурном состоянии с технологией химико-термической обработки, приводящее к высокопрочному состоянию сталей при высоком запасе пластичности и вязкости [1, 2]. В результате предварительной обработки создаются условия для значительного повышения скоростей диффузионного насыщения поверхности углеродом, азотом и другими элементами в процессе химико-термической обработки. В свою очередь использование уникальных свойств таких структур открывает перспективы создания новых технологий производства деталей из конструкционных материалов, которые обладают высокой твердостью, усталостной прочностью и износостойкостью.
Целью настоящей статьи является обеспечение требований повышенной твердости, износостойкости и контактной выносливости теплостойких сталей путем применения
Таблица 1
С Сг N1 Мо Мп
ВКС- 7 0,14-0,18 1,80-2,20 2,70-3,0 0,40-0,60 0,30-0,60 0,20-0,30
ВКС- 10 0,10-0,15 3,00-3,40 2,7 -3,0 1,90-2,30 0,30-0,60 0,20-0,50
81 V № А1 8 Р
ВКС- 7 0,17-0,37 0,10-0,20 0,10-0,20 0,02-0,07 Не более 0,015 Не более 0,025
ВКС- 10 0,17-0,37 0,05-0,15 0,05-0,15 Не более 0,04 Не более 0,015 Не более 0,015
новой технологии термической и химико-термической обработки, основанной на активизации процесса диффузионного насыщения при вакуумной нитроцементации.
Исследуемые материалы и обработка. Испытываемые образцы изготавливали из сталей ВКС-7 (16Х2Н3МФБАЮ-Ш по ТУ 14-1-4483-88) и ВКС-10 (13Х3Н3М2ВФБ-Ш по ТУ 14-1-4999-91). Химический состав исследуемых сталей приведен в табл. 1. Стали, выбранные для исследования, предназначены для деталей, подвергаемых поверхностному упрочнению: цементации, нитроцементации и азотированию.
При подготовке к вакуумной нитроцементации образцы сталей проходили нормализацию и высокий отпуск. Нормализацию образцов стали ВКС-7 и стали ВКС-10 проводили при температуре 950°, время 2,5 ч; высокий отпуск стали ВКС-7 — при температуре 640° и стали ВКС-10 — при температуре 670°, время выдержки для каждой стали 6 ч.
Для создания мелкодисперсного состояния образцы из сталей ВКС-7 и ВКС-10 подвергали предварительной интенсивной пластической деформации (ИПД) — осадке при температуре 700° и степени деформации 80%.
Вакуумную нитроцементацию сталей ВКС-7 и ВКС-10 осуществляли на промышленной установке вакуумной цементации и нитроцементации при температуре 880° с выходом на температурный режим по схеме: нагрев при температурах 820°, 840°, 880°. В качестве рабочей среды при вакуумной нитроцементации использовали ацетилен и аммиак в равном соотношении. Суммарный расход газовой среды 12 дм3/ч, рабочее давление в камере 5,3 ГПа. Аммиак подавался постоянно, ацетилен циклически. Общее время выдержки для формирования диффузионного слоя толщиной не менее 0,7 мм составляет 10 ч с соблюдением соотношений времени насыщения и времени диффузии.
После нитроцементации образцы подвергали высокому отпуску при температуре 650о в течение 5 ч и закалке. Закалку образцов из стали ВКС-7 осуществляли при нагреве до температуры 880° и охлаждении в масле, далее следовала обработка холодом при температуре —70° и отпуск при температуре 200°. Закалку образцов из стали ВКС-10 проводили по режиму: температура закалки 1010°, охлаждение в масле, двукратный отпуск при температуре 510°, выдержка 1 ч, охлаждение на воздухе, обработка холодом при температуре —70°, выдержка 2 ч, отпуск при температуре 510° выдержка 1 ч, охлаждение на воздухе. Для предохранения от обезуглероживания нитроцементован-ной поверхности нагрев под закалку проводили в вакууме.
Методики проведения испытаний. Оценка микротвердости. Распределение микротвердости по толщине диффузионного слоя оценивали на поперечном шлифе, полученном на образцах, вырезанных на станке Duscotom-6 с охлаждением в воде. Шлифование и полирование запрессованных в специальную смолу образцов проводили на автоматизированной установке Те§гатт-25. Для травления шлифов применяли 5%-ный спиртовой раствор азотной кислоты. Оценку микротвердости проводили на микротвердомере Durascan-70 при нагрузке 100 г.
Испытания на износостойкость. Испытания образцов на износостойкость проводили по двум схемам.
1. На восьмипозиционном стенде с возвратно-поступательным движением сопрягаемых образцов, имеющих плоские поверхности трения [3]. Испытываемый образец 1 после активизированной вакуумной нитроцементации с меньшей поверхностью трения является неподвижным, и к нему прикладывается нагрузка. В качестве контробразца (подвижный образец 2 с большей поверхностью трения) использовали сталь 20 в состоянии после цементации в твердом карбюризаторе и закалки до твердости 59—60 НЯС. Он совершает возвратно-поступательное движение относительно неподвижного образца со средней скоростью скольжения 0,19 м/с. Ход подвижного образца Н = 0,04 м. Смазочным материалом служила пластичная смазка Литол-24 (ТУ 0254-116-04001396-05), предназначенная для смазывания всех типов подшипников качения и скольжения, шарниров зубчатых передач, индустриальных механизмов и электромашин. Износ упрочненного слоя определяли после работы на стенде в течение 15 ч при р = 10 МПа (Ж = 705,6 Н). Величину линейного износа и интенсивности изнашивания по ГОСТ 27674-88 оценивали по потере массы образцов как среднее значение для пяти аналогичных пар трения.
2. На стенде СМЦ-2 в условиях качения с проскальзыванием, характерных для работы зубчатых передач [4]. В испытании участвуют два ролика: ролик 1 из испытываемой стали и сопряженный ролик 2 из стали 18ХГТ (60 НЯС), прошедшей цементацию в твердом карбюризаторе. Приработку осуществляли при капельной смазке маслом индустриальным И-20А (ГОСТ 20799-88) со скоростью 30 капель/мин в условиях ступенчатого повышения нагрузки через каждые 10 мин работы. Ступени нагружения при приработке: 200, 300, 400 и 500 Н до полного прилегания поверхностей трения. Износ упрочненного слоя определяли после работы на стенде в течение 1 ч при N = 500 Н (р = 348 МПа) и V = 0,96 м/с, проскальзывании - 4,8% в масле И-20А. По окончании испытаний фиксировали величину потери массы, а величину интенсивности изнашивания по ГОСТ 27674-88 определяли расчетом по потере массы.
Испытания на контактную усталость. Испытания на контактную усталость проводили по ГОСТ 25.501-79 на двухпозиционном стенде Ш-17 [5], моделирующем качение с проскальзыванием. Опытный образец диаметром с1 = 30,2 мм сжимается с двух сторон в радиальном направлении нажимными контртелами диаметром В = 121 мм и приводится во вращение с помощью повышающей зубчатой передачи; контртела приводятся во вращение с помощью понижающих зубчатых передач, связывающих валы образца и контртела. Суммарная скорость качения 25,47 м/с; скорость скольжения на отстающей поверхности образца 0,75 м/с (удельное скольжение на этой поверхности 6,1%). Нагружение опытных образцов осуществлялось с помощью пружин сжатия. В качестве смазочного материала использовали масло И-20А.
Методикой проведения испытаний на контактную усталость предусматривался этап проверки качества прилегания образцов и нажимных контртел по ширине дорожки контакта под нагрузкой 50 и 150 кгс на пружинах сжатия узла нагружения. Смещение полосок контакта на образце от двух контртел не должно превосходить 0,1 мм, а прилегание контактных поверхностей необходимо добиваться по всей ширине дорожки контртела.
Далее следует этап 30-ти минутной приработки образцов и контртел при каждой нагрузке на пружине сжатия, равной 50, 100 и 150 кгс. После каждой нагрузочной ступени следует контроль качества прилегания и состояния контактных поверхностей. Необходимо осуществлять нагружение контакта после запуска привода вращения, а остановку последнего - после разгрузки контакта.
После приработки на последней нагрузочной ступени, не останавливая привод вращения, устанавливаются рабочие нагрузки на пружинах сжатия, соответствующие диапазону максимального нормального напряжения 2160-1690 МПа. На каждой рабочей нагрузке испытания велись до питтинга контактной поверхности образцов с регистрацией соответствующих чисел циклов нагружения, либо до получения базового числа циклов нагружения, равного 1,8 • 107. Пределом контактной выносливости при-
Рис. 1
нято напряжение, при котором испытано не менее пяти образцов, причем не менее трех из них не разрушились до базового числа циклов.
Результаты испытаний и их обсуждение. В изучаемом процессе вакуумной нитроце-ментации реализована концепция двухэтапной технологии упрочнения: создание термически стабильного мелкодисперсного состояния поверхностного слоя детали на первом этапе и использование такого состояния для многократно ускоренного и качественного на
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.