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.

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

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.

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.

Вам также могут быть интересны статьи:

Упрочнение инструмента и технологической оснастки Методы физического и комплексного воздействия при производстве износостойких чугунов Коррозионно-стойкие чугуны Коррозионно-стойкие и износостойкие материалы Коррозионно-стойкие и жаростойкие стали и сплавы Газопламенное напыление

(1 оценок, среднее: 5,00 из 5)

Загрузка...