Изменение фазового состава и свойств сталей в процессе азотирования и его влияние на работоспособность деталей резинотехнического машиностроения

и молибдена позволяет получить нитриды со структурой, соответствующей более ранней стадии их формирования, т. е. когерентных и полукогерентных матрице, что в свою очередь способствует получению слоя достаточной глубины и с большой твердостью. Общим признаком износа является удаление материала с поверхности в результате механических или химических процессов, Сформул14ровать обобщенные законы износа, предсказать поведение двух скользящих материалов в настоящее время невозможно, хотя частные законы хорошо изучены. Разрушения металлов от усталости является результатом действия переменных или повторных нагрузок, причем для таких разрушений требуется значительно меньшая максимальная нагрузка, чем при статическом нагружении. Общим для процессов усталости и износа является зарождение и формирование очага разрушений в поверхностных слоях. Поэтому понятно, что выбор средств упрочнения должен основываться на таких способах, которые предусматривают прежде всего упрочнение поверхности путем создания в ней сжимающих напряжений, препятствующих возникновению и распространению трещин. Следует отметить, что к настоящему времени проведено достаточно большое количество исследований в области комплексного повышения таких важнейших эксплуатационных характеристик, как износостойкотсь и усталостная прочность. Драйгор Д. А. и Вальчук Г. И. [501, исследуя комплексное воз-20 действие износа поверхности и высоких циклических нагрузок в процессе эксплуатации, пришли в выводу, что эти процессы оказывают j друг на друга большое влияние. Шеющие место при износе выкрашивания могут слуншть концентраторагж напряжений и способствовать зарождению усталостных трещин и наоборот, приложение циклических нагрузок разрыхляет поверхность, приводя к образованию микропор и микротрещин, которые, в свою очередь, интенсифицируют изнашивание поверхности. Особая роль в процессах поверхностного упрочнения в последнее время отводится атомам внедрения, дисперсным выделениягл вторых фаз, которые, согласно современным представлениятл о дислокационной природе пластической деформации [51−533, являются эфд) ективными барьерагли на пути движущ1^хся дислокаций и способствуют упрочнению металла. Кроме того, оказалось, что в процессе абразивного изнашивания так же, как при усталости, в начальной стадии происходит упрочнение поверхностного слоя металла за счет наклепа. Так, в работах С54,55] отглечается, что в процессе абразивного изнашивания происходит упрочнение металлов и сплавов. Упрочнение металла на дне царапины может происходить в результате: а) обычного naiuiena стабильных структурб) выделения в закаленном сплаве дисперсных твердых частиц, блокирующих плоскости скольжения дислокаций, увеличивающих общее количество дислокаций и препятствующих их перемещениюв) образования новой фазы (белые слои).Анализируя результаты исследований износостойкости сталей и сплавов после различной термической обработки М. М. Хрущев [541 отмечает, что наклеп, повышая твердость металла, не ведет к увеличению износостойкости при абразивном изнашивании. Как бы ни был предварительно наклепан металл, в процессе саглого изнашивания он получает дополнительный Haiuien до одной и той же степени-, независимо от величины предварительного упрочнения. Однако Шулепнико 21 ва А.Г. [563 объясняет увеличение износостойкости в абразивной среде сплавов, имеющих в структуре метастабршьный аустенит, способностью аустенита упрочняться в процессе изнашивания. Отсутствие однозначной оценки влияния различных факторов на сопротивляемость сплавов абразивному изнашиванию существенно затрудняет, а в некоторых случаях делает невозможным использование имеющихся данных без дополнительных исследований. Учитывая то обстоятельство, что наиболее интенсивное разрушающее воздействие усталость и износ металлов оказывают на поверхностные слои, можно с уверенностью сказать, что одним из наиболее' эф^)ектиБНых способов упрочнения и повышения долговечности деталей машин является химико-термическая обработка, которая и воздействует на поверхностные слои металла, т. е^ на те слои, в которых концентрируются максимальные напряжения, возникают трещины, развиваются процессы износа, коррозии, механической усталости [56,57Х Дяя упрочнения поверхностных слоев широко применяются различные виды химико-термической обработки, наиболее распространенными видагли которой являются те, в которых для насыщения поверхности участвуют атомы внедрения, такие как азот, углерод и бор С31,581 .Одним из наиболее эффективных методов, повышающих долговечность и надежность деталей машин, работающих в условиях износа и усталостной нагрузю!, является азотирование. По различным известным данным износостойкость азотированных сталей в 1,5−4 раза превышает износостойкость, закаленных высокоуглеродистых, цементованных и цианированных сталей. Так, значительное увеличение усталостной прочности и износостойкости азоти-рованной стали по сравнешад. с другими видахли химико-термической обработки отмечается в работах [8,31,59−643. В работе С83 говорится, что азотированный слой хромоалюминиевой стали по износостойкости уступает лишь хромированной стали. Так, в автомобильном — 22 двигателе после 3000 1ш пробега чугунные вставки износились на 0,04 мм, в то время как азотированные не показали никакого износа. Как свидетельствуют литературные данные, исследования износостойкости сталей проводятся контактным способом или в средах большой жесткости, а исследований в средах пониженной жесткости практически нет. Известно лишь ограниченное число работ Г'74,75Л i по исследованию износостойкости химико-термически обработанных деталей в среде резины. Так, авторшли [74] проведены сравнительные исследования износостойкости образцов из стали 40Х после различных видов термической и Х1'1ыико-термической обработки в среде резины с ферритобариевым наполнителем. Полученная ими зависимость (рис. 1.13) линейного износа образцов от пути трения показала преимущество износостойкости азотированных образцов перед обычными ' термообработанными. Иш-^большей износостойкостью, как видно из графика (рис. 1.3), обладают борированные образцы, но следует отметить, что повышение износостойкости борированием ведет к резкому падению усталостной прочности (рис. 1.4) [77] и, кроме того, хрупкость борированного слоя не позволяет применить этот процесс упрочнения для повышения износостойкости деталей маш1т с острыми рабочими кромкшли. Как известно [43, азотирование сопрововдается объемными измененияГ’ЛИ в поверхностном слое, приводящими к возникновению сжимающих напряжений. Это во многом объясняет повышение предела выносливости конструкционных сталей после азотирования, но как указывает большинство исследователей, с ростом толщины азотированно^ ЗА" 7.2 9.0 5Ш? м с. г4 РисЛ.Я. Зависимость линейного износа образцов в смеси резины с ферритобариевым наполнителем от пути трения при различных способах обработки t?!] го слоя происходит ограшчение предела выносливости. Балашов Б. Ф. [64] предложил критерий для оптимизации режима азотирования в плане повышения предела выносливости — это отношение площади сердцевины Fc к площади слоя F^ (г^ / Fq). Им установлено, что при FQ /^П «^ 4 сжимающие напряжения в упрочненном слое уменьшаются, а растягивающие напряжешш в сердцевине растут. При большой тол1ЦИне слоя предел выносливости после азотирования может снижаться вследствие больших растягивающих напряжений в сервдевине и низких сжимающих на поверхности.1.4.

Заключение

и постановка задачи • Анализ литературных данных показывает, что до сих пор нет единого мнения о природе высокой твердости азотированного слоя. Кроме того, почти все имеющиеся сведения по исследованию азотированного слоя базируются на данных, полученных при изучении диффу- 26 зионных слоев после охлавдения до комнатных температур. Большой В1^ад в изучение механизма формирования азотированного слоя сделан А.В.Белоцш^м с coTpyflHi^ iKaivin. Использованная ими высокотемпературная рентгеновская съемка позволила экспериментально подтвердить соответствие последовательности образования азотистых фаз на поверхности образцов в процессе насыщения дйагракФ. ю келезо-азот.Однако поверхностные эффекты и скоротечное образование высокоазотистых фаз железа на поверхности образца могут вуалировать истинную картину формирования фаз в азотированном слое, особенно на легированных сталях, В этом отношении представляет немалый интерес послойный рентгеновскрш анализ азотированного слоя непосредствен-' но при температурах процесса. Кроме того, в литературе мало данных по изучению износостойкости азотированных сталей в средах погашенной жесткости, Б частности в резиновых смесях, что представляет большой интерес для резинотех1шческого машинестроенрш. Учитывая все вышесказанное и широкое распространение процесса азотирования в машиностроении, в резинотехническом в частности, с целью повышения долговечности деталей машин, в настоящей работе поставлены следующие научно-инженерные задачи: 1, Разработка методики, создание установки, позволяющей проводить послойный фазовый анализ непосредственно при температурах насыщения и исследование формирования фазового состава по толщине азотированного слоя.2, Исследование формирования твердости в процессе азотирования, последующего охла}1д[!-ения и при вторичном нагреве железа и сталей.3, Разработка методики исследования износостойкости азотированных сталей в резршовых смесях и создание установки, позволяющей имитировать работу реального шнека в червячных машинах, • 4, Исследова1шя усталостной прочности и износостойкости в 27 резиновых смесях азотированных по различным poFj-iMaivi сталей с целью подбора оптимального способа повышения работоспособности деталей машин резинотехнического машиностроения. — 28 2. МАТЕРМЛЫ, 0Б0РУД0ВАШ4Е И 1У1ЕТ0ДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРШШНТОВ Выполнение поставленных задач, как и в любых случаях изучения материаловедческих вопросов, требует применения определенных методик и оборудования. В настоящей работе использовались как стандартные и общеизвестные (например, фазовый рентгеновский анализ, измерение микротвердости, весовой метод и т. д.), так и спе- • циально разработанные (высокотемпературный рентгеновский послойный анализ, измерение горячей твердости, испытание износостойкости в среде резины) методики и оборудование, описанию которых по.

ОБЩЕ ВЫВОДЫ.

I. Разработана методика рентгеновского фазового анализа, позволяющая проводить изучение фазового состава по всему диффузионному слою непосредственно при температурах химико-термической обработки, которая может быть использована в условиях различных лабораторий для подбора режимов газового насыщения, обеспечивающих требуемый фазовый оостав слоя.

2.Послойный рентгеноструктурный анализ при температурах азотирования армко-железа и промышленных сталей показал, что: а) в процессе насыщения азотом в диффузионном слое образуются все фазы в соответствии с разрезом диаграммы железо-азотб) на всех материалах наблюдаются в процессе диффузионного насыщения периодические изменения искажений кристаллической решетки, обнаруживаемые по расширению дифракционных линий, и замедление роста зоны нитридовв) на стали с 6% алюминия на глубине 0,02−0,05 мм. обнаружен нитрид AIN, наличие которого подтверждает возможность образования в сложной системе внутренних фая с концентрацией, превышающей концентрацию данного элемента в фазах, расположенных ближе к поверхности.

3. В процессе азотирования железа и промышленных сталей установлен циклический характер изменения твердости, что может быть результатом возникновения и рекристаллизации диффузионного наклепа или пульсирующей диффузии азота. Косвенным доказательством этого явления является совпадение цикличности изменения твердости с изменениями напряжений кристаллической решетки и с замедлением роста зоны^нитридов. Повышение температуры процесса уменьшает абсолютный прирост твердости, но сохраняет цикличность ее изменения.

4. Экспериментально установлено, что основной рост твердости диффузионного слоя происходит в процессе охлаждения от температур азотирования в районе 350−250°С, что может быть результатом пред-выделения и выделения дисперсных нитридов в пересыщенной «¿—фазе и искажений кристаллической оСрешетки.

Вторичный нагрев азотированных нелегированных сталей до температур насыщения ведет к уменьшению твердости практически до значений, полученных при температурах процесса: в результате коагуляции и растворения выделившихся при охлаждении нитридов. У легированных сталей при этом не наблюдается уменьшение твердости, что является результатом более высокой термической стойкости нитридов этих сталей. Сказанное опровергает возможность объяснения роста твердости при охлаждении обычным влиянием температуры.

5. Разработана методика изучения износостойкости различных материалов в резиновых смесях, позволяющая проводить сравнительные исследования в широком диапазоне давлений с целью подбора оптимального способа упрочнения деталей машин резинотехнического машиностроения.

6. Предложен новый циклический двухступенчатый режим азотирования, включающий термоциклический процесс на первой ступени и циклирование при пониженных температурах на второй. При этом повышенная температура первой ступени способствует более интенсивному росту диффузионного слоя, азотирование на второй ступени ведет к увеличению твердости слоя, а температурное циклирование на протяжении всего процесса увеличивает дисперсность выделяющихся нитридов. На данный способ азотирования получено положительное решение Госкомизобретений на выдачу авторского свидетельства.

7. Сравнительные исследования усталостной прочности показали, что наибольшей прочностью обладают стали после циклических режимов азотирования. Повышение предела усталости по сравнению с непрерывно азотированными сталями составляет 11−15 $, что является следствием увеличения дисперсности выделений в диффузионном слое и уменьшения количества хрупкой поверхностной 6 -фазы после азотирования по циклическим режимам.

8. Испытания на износ в среде резины показали преимущество износостойкости образцов из сталей, азотированных по циклическим режимам. Учитывая ощутимую интенсификацию процесса насыщения при циклическом двухступенчатом режиме, его следует рекомендовать для азотирования деталей машин, работающих в резиновых смесях.

9. Разработанные методики и технологический процесс рекомендованы и внедрены на Костромском заводе полимерного машиностроения имени Л. Б. Красина и во Всесоюзном институте подшипниковой промышленности (ВНИИШ). Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения 30 тыс. рубле (акты в приложении).