УДК 621.785.796
ВЛИЯНИЕ АКТИВАЦИИ ПРОЦЕССА ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
НА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕПЛОСТОЙКОЙ СТАЛИ
1, 1, 1, 1, 1,
2, 2
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машино-
ведения им. Российской академии наук, Москва, Россия
2МГТУ им. , Москва, Россия
Приведены результаты исследования эксплуатационных свойств теплостойкой стали ВКС-7 (16Х2Н3МФБАЮ-Ш), полученных путем совмещения воздействий интенсивной пластической деформации и новой комбинированной химико-термической обработки, включающей ионно-плазменное азотирование и вакуумную цементацию. Представлен критерий оценки триботехнической эффективности ХТО конструкционных сталей.
Ключевые слова: нанотехнологии, смазка, структура поверхностей, оксиды, диффузия, повреждаемость, износ.
Цель
Целью данной работы является повышение эксплуатационных свойств теплостойкой стали ВКС-7 (16Х2Н3МФБАЮ-Ш по ТУ 14-1-4483-88) путем совмещения интенсивной пластической деформации (ИПД) и новой комбинированной химико-термической обработкой (КХТО), включающей ионно-плазменное азотирование (ИА) и вакуумную цементацию (ВЦ).
Исследуемые обработки
Для активизации процесса диффузионного насыщения и создания мелкодисперсного состояния поверхностного слоя образцы стали ВКС-7 подвергали предварительной ИПД – осадке при температуре 700о и степени деформации 80%. ИА проводили в среде азотно-водородной газовой смеси состава 95%N2 + 5% Н2 при температуре 500о в течение 20 ч. ВЦ осуществляли при температуре 940о, рабочая среда – ацетилен, общее время цементации – 6 ч с соблюдением соотношений времени насыщения и времени диффузии [1,2].
Операция ИА предназначена для того, чтобы перед науглероживанием насытить приповерхностную зону азотом до высоких от 8 до 11% (масс.) концентраций, характерных для слоя нитридов. В условиях цементационного нагрева
нитриды, диссоциируя, служат источником активного насыщения поверхности азотом, углерод оттесняет азот в глубь диффузионного слоя, увеличивая глубину его проникновения.
Методики проведения испытаний
Структуру и распределение микротвердости по толщине обработанного слоя оценивали на поперечном шлифе. Измерение микротвердости проводили на микротвердомере Durascan-70 при нагрузке 1Н.
Испытания на износостойкость проводили на восьмипозиционном стенде с возвратно-поступательным движением плоских сопрягаемых образцов при скорости скольжения 0,19 м/с, давлении 10 МПа, времени испытаний 15 ч, смазке Литолом – 24.
Испытания на контактную усталость проводили по ГОСТ 25.501-79 на двухпозиционном стенде Ш-17, моделирующем качение с проскальзыванием.
Результаты испытаний
Проведенные металлографические исследования после ИПД указывают на многократное (до 16 раз) измельчение исходной крупнозернистой структуры сорбита. Кристаллы феррита, сохранявшие кристаллографическую ориентировку бывших реек мартенсита, дробятся на мелкие фрагменты, приобретая форму новых достаточно равноосных зерен размером до 0,8 мкм. При ИА на поверхности образцов формируется слой нитридов железа с размером кристаллов от 20 до 50 нм. При ВЦ ускоряется процесс диффузии углерода, образуются высокодисперсные частицы карбидов. При КХТО параллельно с процессами диффузии углерода происходит формирование наноструктурного состояния нитридного слоя.
Металлографические исследования после ИПД и КХТО показывают, что приповерхностная часть диффузионного слоя состоит из ультрамелкодисперсного мартенсита и расположенных в нем частиц карбонитридной фазы. Карбонитридная зона характеризуется высокой насыщенностью частицами карбонитридов, определяя высокую твердость поверхности и большие величины толщин диффузионной зоны. Карбонитридная сетка отсутствует, частицы карбонитридов расположены дискретно и имеют равноосную форму, близкую к глобулярной.
Значения толщины упрочненного слоя (h), поверхностной микротвердости (HV), износостойкости (1/I1) и контактной выносливости (σ) стали ВКС-7, прошедшей различные виды вакуумных ХТО приведены в таблице. Все процессы активизированы предварительной ИПД.
При сравнении величин износостойкости (1/I1), представленных в таблице, можно видеть, что наименьшая износостойкость стали ВКС-7 при трении скольжения наблюдается после ее вакуумной цементации. В результате упрочнения, связанного с насыщением поверхностей азотом (ИА, ВНЦ), износостойкость этой стали выше, чем после вакуумной цементации, а после КХТО, проведенной по схеме: ИПД, ИА, ВЦ – достигается ее практическая безызносность.
Таблица
ХТО | ИА | ВЦ | ВНЦ | КХТО |
h, мм | 0,3-0,5 | 1,9-2 | 1,5 | 1,9 |
HV | 950 | 760 | 700 | 870 |
1/I1⋅10-10 | 2,8 | 2,1 | 5,5 | 33,3 |
σ, МПа | 1580 | 1704- 1763 | 1736- 1768 | 1736-1768 |
ИА, ВЦ и ВНЦ по сравнению с традиционным газовым азотированием, с цементацией в твердом карбюризаторе и с газовой нитроцементацией [3] обеспечивают повышение износостойкости до 10 раз и повышение контактной выносливости до 1,4 раза. Наибольшее повышение износостойкости обеспечивает КХТО.
Для развития и совершенствования технологий ХТО актуален трибологический подход к оценке качества упрочненного слоя и разработке структурных критериев износостойкости поверхностных слоев
Результаты экспериментальных исследований и установленные эмпирические зависимости, анализ которых приведен в целом ряде монографий [4-6 и др.], дают основания полагать, что фундаментальные параметры кристаллической решетки металлов и сплавов, среди которых в(hkl) – физическое уширение рентгеновских линий и б – период кристаллической решетки могут рассматриваться в качестве физических критериев износостойкости металлических материалов при разнообразных условиях трения. Эти параметры в сочетании с макроскопическими характеристиками – величинами износа и коэффициента трения представляют собой разноуровневую и обоснованную систему критериев качества узла трения [7]. Совокупность характеристик структуры материала как в состоянии до трения, так и их изменения в процессе трения, зафиксированные после испытаний, является аппаратом для оценки взаимодействия конструкционных материалов.
Разработан обобщенный структурный параметр поверхностного слоя материала, локализующего процесс контактного взаимодействия, который может быть применен для любого вида ХТО.
В общем случае
где Но – твердость; 
– микродеформация кристаллической решетки матрицы; D – средний размер блоков мозаики; д – размер частиц упрочняющей фазы; 
– расстояние между упрочняющими частицами; b – вектор Бюргерса; A, k1, k2 – константы; впр, во – предельное и исходное значение физического уширения рентгеновских линий.
Перечисленные параметры соотношения являются взаимосвязанными величинами, характеризующими состояние материала в процессе предварительной обработки, в условиях деформации и разрушения при трении. Особая роль в этом соотношении принадлежит величине (впр – во), указывающей на запас пластичности материала поверхностного слоя, и которая может выступать в качестве регулятора достижения требуемых свойств сплавов.
Заключение
В результате применения новой комбинированной технологии достигается существенное повышение твердости, износостойкости и контактной выносливости ответственных деталей машин из теплостойкой стали ВКС-7.
Список литературы
1. , , Громов характеристик механических свойств теплостойких сталей методом активизации процесса азотирования // Проблемы машиностроения и надежности машин, 2014, № 2, с.90-96.
2. , , Громов свойства теплостойких сталей после активизации процесса цементации // Проблемы машинстроение и надежности машин, 2014, № 4, с.113-119.
3. , , Лаптева и износостойкость азотированных конструкционных сталей и сплавов. М.: МГТУ им. , 2-13, 518с.
4. , Куксенова и износостойкость металла. М.: Машиностроение, 1982, 212с.
5. , Палатник трения. М.: Металлургия, 1976, 176с.
6. Поверхностная прочность металлов при трении / Под ред. . Киев: Техника, 1976, 292с.
7. , О соотношениях между феноменологическими и структурными критериями работы узлов трения // Трение и износ, 1982, № 4, с.581-589.
INFLUENCE OF ACTIVATION OF CHEMICAL-HEAT TREATMENT ON
TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF HEAT-RESISTANT STEELS
1Kuksenova L. I., 1Lapteva V. G. 1Alekseeva M. S., 1Danilov V. D., 1Polyakov S. A.,
2Gerasimov S. A., 2Fahurtdinov R. S.
1Federal Budget-Funded Research Institute for Machine Science named
after A. A.Blagonravova of the Russian Academy of Sciences
2MGTU them. NE Bauman, Moscow, Russia
The results of the study of operational properties of heat-resistant steel VKS-7 (16H2N3MFBAYU-W), obtained by combining the effects of severe plastic deformation and a new combination of chemical and thermal processing, including ion-plasma nitriding and vacuum carburizing. The criterion of efficiency evaluation tribotechnical XTO structural steels.
Keywords: nanotechnologies, greasing, structure of surfaces, oxides, diffusion, damageability, wear.
