Нанесение износостойких коррозионно-стойких покрытий на литые детали машин, механизмов и технологической оснастки

При производстве износостойких покрытий термогальваническим методом в качестве легирующих компонентов чаще всего используются d-элементы: Ni, Со, Fe, Mo, Ti, Zn, реже p-элементы, например свинец и олово. В композиционные износостойкие покрытия вводят нитриды (Si3N, VN, BN), сульфиды (MoS, FeS, MnS), бориды, карбиды и карбонитриды. При одновременном введении в состав покрытий металлоподобных соединений с высокой твердостью и сульфидов или других частиц твердой смазки достигается повышение стабильности антифрикционных свойств.

С точки зрения простоты, надежности, долговечности и безопасности процесса поверхностное легирование, осуществляемое с использованием термохимически активируемых газовых и порошковых насыщающих сред, является относительно экономичным способом ХТО. Хорошие результаты получены при нитроцементации деталей шестерен из легированных сталей, для чего отработаны основные требования по химическому составу, микроструктуре и свойствам. Хотя в разных отраслях машиностроения приняты разные РТМ и ОСТы (в автомобильной промышленности РТМ 37.002.0021-71, РТМ 032.005-82 и РТМ 37.002.0024-76, а в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении РТМ 23.482-76, ОСТ 231.124-84), однако можно отметить следующие необходимые общие требования к структуре стальных деталей:

  1. карбидная сетка не допускается;
  2. оптимальный размер карбонитридов 7 — 8 мкм;
  3. содержание бейнита в структуре 6 — 8 %;
  4. дисперсность мартенсита 1 — 3 балла (ГОСТ 8233-76);
  5. содержание остаточного аустенита 25 — 35 %.

При правильном ведении техпроцесса нитроцементации шестерен глубина нитроцементованного слоя до переходной зоны составляет 0,15 — 0,25 мм.

Толкательный агрегат типа СТЦА для газовой нитроцементации, закалки в масле и низкого отпуска фасонных отливок
Толкательный агрегат типа СТЦА для газовой нитроцементации, закалки в масле и низкого отпуска фасонных отливок: 1 — электропечь для нитроцементации; 2 — камера загрузки; 3,6- толкатели; 4,9- механизм перемещения; 5 — электропечь для низкого отпуска; 7 — моечно-сушильная машина; 8 — закалочный бак; 10- камера охлаждения.

На рисунке приведена схема толкательной установки для осуществления нитроцементации, закалки и отпуска отливок. В зависимости от конкретных требований к износостойким деталям, процессы термодиффузионного поверхностного упрочнения могут быть реализованы контактными и неконтактными методами. Диффузионное насыщение или микролегирование может осуществляться не только неметаллами (В, Si, С, N) и металлами (Cr, Ni, Al, Ti и др.), но и металлоподобными соединениями. Влияние этих соединений на надежность и долговечность износостойких деталей изучено недостаточно, что не позволяет широко использовать их в массовом производстве при нанесении композиционных покрытий.

Структура и свойства металлоподобных соединений

Металлоподобное соединениеКристаллическая решеткаρ. г/см3Tпл, °СМикро- твердость Н, МПаE×10-5, МПа
Cr2ВРомбическая6,5187013 5004,1
CrВ2Гексагональная5,6220022 0004,5
CrNГЦК6,14150010 9303,2
CrN2ГПУ6,51165015 7003,1
VB2Гексагональная5,1240023 0005,4
VNГЦК6,04205015 2004,3
MoBТетрагональная3,8260024 0005,7
TiB2Гексагональная4,45298034 8005,4
TiNГЦК5,43320020 0004,5
ZrB2Гексагональная6,017320021 9005,0
ZrNГЦК7,09298018 5004,3
NbB2Гексагональная6,97300026 0006,38
NbNГПУ8,4230016 5004,1 — 4,8

При разработке технологических процессов, обеспечивающих увеличение износостойкости, надежности и долговечности быстроизнашиваемых деталей, необходимо учитывать целесообразность экономии таких дорогостоящих легирующих компонентов, как W, Та, Ni, Cr, Мо и др. Эффективность использования термодиффузионных износостойких защитных покрытий определяется произвольностью выбора оптимального типа покрытия и технологических параметров процесса его получения, с учетом как структуры и свойств материала самой детали и наносимого покрытия, так и условий эксплуатации изделий.

Для интенсификации процесса массопереноса при диффузном насыщении поверхностей литых стальных заготовок карбонитридами и нитридоборидами производили эксперименты при 840 — 850 °С в течение от 0,5 до 4,5 ч в расплавах азот- и борсодержащих солей с использованием ультразвукового перемешивания колебаниями с частотой 18 кГц и амплитудой колебаний от 5 до 40 мкм. В качестве оборудования использовались малогабаритные индукционные соляные ванны типа ИСВ-ЭК, которые позволяют не только наносить в жидких средах карбо- и нитридоборидные композиционные покрытия, но и безэлектролизные покрытия. В производственных условиях в малогабаритных индукционных соляных ваннах используются и другие устройства для интенсификации процессов насыщения и перемешивания. Для закалки и отпуска мелких и средних стальных деталей такие ванны используются вместо конвейерных агрегатов типа СКЗА. Карбоборирование обычно производится при более высоких температурах (900 — 1150 °С) при плотности тока 3,5 — 6,0 кА/м2. Соляная ванна ИСВ-ЭВ позволяет получать такую температуру и имеет длительность пуска 15 — 20 мин.

Детали из стали 30ХГФРЛ упрочнялись без применения колебаний при температуре 950 °С после выдержки в течение 1,3 — 1,5 ч, и после 4,0 ч толщина упрочненного слоя достигала 16 — 23 мкм. При повышении температуры обработки до 1020 — 1030 °С при выдержке 3,5 ч толщина упрочненного слоя достигала 27 — 35 мкм. Можно предположить, что ультразвуковые колебания повышают интенсивность выделения атомарных N, В, С, а также соединений В4(С, N), Cr2(C, N) и других в расплаве солей при повышенных температурах.

Влияние времени композиционного упрочнения на толщину диффузионного слоя
Влияние времени композиционного упрочнения на толщину диффузионного слоя стали 30ХГФРЛ: 1 — без использования колебаний; 2 — при введении в расплав солей упругих колебаний мощностью 18 кГц амплитудой 7 — 10 мкм.

На рисунке показано влияние времени упрочнения на толщину диффузионного слоя на отливках (зубчатые колеса, блоки, венцы и сектора) из стали 30ХГФРЛ. Анализ микроструктуры отливок показал, что на поверхности деталей образуется белый тонкий нетравящийся слой, содержащий нитрокарбиды Fe3(N, С); (Fe, Mn)3(NC); (Fe, Cr, V)7(NC)3 и другие комплексные соединения с бором. Под этим слоем находится основной диффузионный слой, представляющий собой твердый раствор карбонитридов (Fe, Cr, Mn)7(CN)3; V3(C, N); Cr2(C, N) и других в легированном феррите. Аналогичные данные по механизму и кинетике роста нитрокарбидного слоя с превращением его в карбонитридный получены на деталях из сталей 32Х06Л и 20Х5МЛ.

Обоснование применения типа упрочнения и метода его получения зависит от функциональной пригодности такого покрытия на износостойких деталях в течение длительного срока эксплуатации с возможностью сохранения работоспособности деталей при частичном разрушении рабочего слоя (поверхности трения), способности к реновации и восстановлению и возможности контроля качества покрытия.

Наиболее обоснованные решения при выборе метода нанесения покрытия принимают в том случае, когда проведена проверка его на наибольшее соответствие критерию L + 3S и предпочтение отдано техпроцессу, обеспечивающему наилучшие показатели долговечности (longevity) + надежности (sure), безопасности (safety) и экономичности (saving). Характеристики долговечности, надежности стали основными требованиями к износостойким деталям, для изготовления которых литейные сплавы сохраняют доминирующее значение. Одновременно с ростом потребностей к литейным материалам, работающим в условиях интенсивного механического трения, коррозионно-механического и кавитационно-эрозионного износа, предъявляются повышенные требования по структуре, размерной точности, надежности и физико-механическим свойствам.

На машиностроительных предприятиях используют электролизное композиционное упрочнение, которое является производительным и экономичным процессом, обеспечивающим получение высококачественных износостойких покрытий. В качестве оборудования чаще используют соляные ванны. Однако для его проведения необходимо энергоемкое и сложное оборудование с катодной защитой от разъедания, дорогостоящие тигли из сталей типа Х25Н25, Х24Н18 с генераторами постоянного тока и сложной системой внешнего или внутреннего обогрева. Рабочим приходится работать во вредных условиях труда, поэтому предприятия переходят на методы композиционного термодиффузионного упрочнения, плазменной и дуговой наплавки и напыления.

Диффузионное насыщение композиционных материалов или сплавов может производиться не только отдельными металлами Al, Cr, V, Ti и Ni, но и комплексными соединениями (Fe, Mn)зAl; (Fe, Ti)3Al; Cr2Al5; Cr4оAl5оMn10;  Al60Cr32Si8 и др. При введении в состав покрытий на основе Cr, Fe, Ni, Al, Ti и Mo дисперсных металлоподобных соединений Si3N4, В4(С, N), V3(C, N), Cr2(C, N), TiN, CrN и других получены композиционные износостойкие покрытия технологическими процессами электролитического осаждения. В покрытия для антифрикционных деталей вводят сульфиды: MnS, MoS2, A12S3, CeS и TiS, снижающие коэффициент трения. Композиционные покрытия, получаемые методом с введением в электролит порошков нитридов, боридов, оксидов, карбидов и карбонитридов, значительно превосходят по износостойкости, коррозионной и химической стойкости в сравнении с чисто гальваническими покрытиями. Оптимальная дисперсность порошков, вводимых в суспензии, составляет 1 — 7 мкм.

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...