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 соединение Кристаллическая решетка ρ. г/см3 Tпл, °С Микро- твердость Н, МПа E×10-5, МПа
Cr2В Ромбическая 6,5 1870 13 500 4,1
CrВ2 Гексагональная 5,6 2200 22 000 4,5
CrN ГЦК 6,14 1500 10 930 3,2
CrN2 ГПУ 6,51 1650 15 700 3,1
VB2 Гексагональная 5,1 2400 23 000 5,4
VN ГЦК 6,04 2050 15 200 4,3
MoB Тетрагональная 3,8 2600 24 000 5,7
TiB2 Гексагональная 4,45 2980 34 800 5,4
TiN ГЦК 5,43 3200 20 000 4,5
ZrB2 Гексагональная 6,017 3200 21 900 5,0
ZrN ГЦК 7,09 2980 18 500 4,3
NbB2 Гексагональная 6,97 3000 26 000 6,38
NbN ГПУ 8,4 2300 16 500 4,1 — 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.