Подпишитесь на обновления сайта. Получайте новые статьи на почту:

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА ДЕТАЛЕЙ АВТОМАТИКИ ЗА СЧЕТ ОБРАБОТКИ ПО ТЕХНОЛОГИИ ДИФФУЗИОННОГО КАРБИДНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ (ДКПЛ).

УДК 669.058: 667.622.117.6: 620.178.7

 

Л.Л. ТОВАЖНЯНСКИЙ, докт. техн. наук, Л.О.ЧУНЯЕВА, канд. техн. наук, О.Н. ЧУНЯЕВ,  аспирант, А.А. БЫКОВ, аспирант, А.А. АСРИЯН (г. Харьков)

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА
ДЕТАЛЕЙ АВТОМАТИКИ ЗА СЧЕТ ОБРАБОТКИ ПО
ТЕХНОЛОГИИ ДИФФУЗИОННОГО КАРБИДНОГО
ПОВЕРХНОСТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ (ДКПЛ).

 Розглянуто проблему стійкості деталей автоматики до малоциклової втоми. Показано можливість підвищити стійкість деталей до МЦВ шляхом формування на їх поверхні захисного аустенітного шару з підвищенною в’язкістю. Доведена можливість використання технології дифузійного карбідного поверхневого легування для поверхневого марганцування деталей.

 The problem of resistance of automatic parts to short-cycle fatigue has been studied. The possibility to improve resistance of parts to SCF by means of formation of protective austenite layer with higher ductility has been shown. The possibility to apply diffusion carbide surface alloying technology for surface manganeseing of parts has been proven.

Состояние проблемы. Ресурс работы и надежность в эксплуатации деталей машин и механизмов, работающих в условиях многократного ударного нагруже­ния, ограничены из-за разрушения конструкционного материала в результате ма­лоцикловой усталости (МЦУ). Разрушение металла при МЦУ в отличие от мно­гоцикловой происходит значительно интенсивнее. Например, детали автоматики, работающие в таком режиме, не вырабатывают гарантированного срока эксплуа­тации. Это обстоятельство стимулирует проведение работ для поиска материалов и способов их технологической обработки, позволяющих увеличить порог разру­шающих напряжений  при МЦУ.

Образованию усталостной трещины предшествует локальная пластическая деформация, создающая условия для ее зарождения. Поэтому, одним из путей повышения сопротивления усталости считалось увеличение прочности материа­лов или упрочнение поверхности изделий. Однако, как показано в работах[1,2] использование сталей с уровнем прочности  σB > 200 кГс/мм2   при ее эксплуата­ции в условиях МЦУ мало эффективно. Это связано с тем, что с повышением прочности материала процесс образования зародышевой трещины, хотя и замед­ляется, стадия критического роста трещины сокращается.

Согласно данным авторов[3],  полезный эффект может быть достигнут путем создания на поверхности, в местах-концентраторах напряжений, буферного слоя с повышенной вязкостью. Так обезуглероживание на глубину 0.1-0.2 ммповышает ресурс работы изделий автоматики в условиях МЦУ на 30%; плакирование аусте­нитной сталью (толщиной 0.2-0.8 мм) на 50%.

Поскольку возможности метода дополнительного плакирования для локаль­ного нанесения буферного слоя на малогабаритные и сложные детали крайне ог­раничены, опробование более рациональной технологии модифицирования по­верхности стали, представляется весьма перспективным.

В связи с изложенным, цель данной работы – исследование возможности увеличения порога разрушения стали 38ХН2МФА в условиях многократных ударных нагрузок, за счет аустенизации поверхностного слоя хромомарганцени­рованием и марганценированием по технологии ДКПЛ.

Методика. Для исследования использовали стандартные образцы стали 38ХН2МФА размером 10 ×10× 55.

Диффузионное насыщение проводили по разработанной технологии ДКПЛ [4] методом твердой упаковки. Восстановление механических свойств после диффузионной обработки включало закалку при температуре 860 0С в масло и отпуск при температуре 200 0С в течение двух часов на воздухе. Исследование структуры микрошлифов проводили на металлографическом микроскопе “НЕОФОТ”, рентгеноспектральный анализ на микроанализаторе “КАМЕБАКС ”.

Результаты исследований и их обсуждение. В табл. 1 приведены результаты механических испытаний стали 38ХН2МФА после диффузионного насыщения.

Таблица 1.

Результаты механических испытаний стали 38ХН2МФА после диффузионного насыщения.

Очевидно, что поверхностное легирование по технологии ДКПЛ влияет на механические свойства стали подобно полному отжигу. Несмотря на высокую температуру изотермической выдержки, заметного роста зерна стали не наблюдалось, благодаря наследственной мелкозернистости, характерной для сталей легированных хромом и ванадием. Как видно из данных таблицы, после упрочняющей термообработки механические свойства полностью возвращаются.

Рис.1. Металлографическая структура приповерхностной области стали 38ХН2МФА после диффузионного  хромо-марганценирования.

Рис.2. Топография приповерхностной области стали после хромо-марганценирования с распределением концентрации Cr (a), Fe (б), Mn (в) вдоль линии сканирования.

Рис.3. Графическая таблица, иллюстрирующая результаты испытаний на МЦУ образцов стали  35ХН2МФА;  заштрихованная область – без  защиты, опыты 1-10 – диффузионная защита хромомарганценированием, опыты 11-20 – марганценирование.

На рис. 1 представлена металлографическая структура приповерхностной зоны образца после хромомарганценирования (400х).  Белая, не травящаяся  в 4 % растворе HNO3 область, состоит преимущественно из карбидов хрома, имеет толщину примерно 10 мкм и характеризует сплошной, однородный монослой, под которым залегает слой марганца.

На рис. 2 приведены микрофотографии приповерхностной области, на которых изображены кривые распределения концентрации хрома, марганца и железа вдоль линии сканирования образца.

Измерение микротвердости, выполненное на приборе ПМТ-3, показало, что зона насыщения стали марганцем имеет более низкую твердость – 300 Нv  по сравнению с карбидной зоной – 1200 Нv и основным металлом – 860 Нv.

Непосредственно на поверхности расположен карбидный слой толщиной до 10 мкм, насыщенный хромом, железо в этой области отсутствует, а количество марганца незначительно.  Вторая область насыщения стали Mn (в), внедрение марганца распространяется на глубину 25-30 мкм. Причем рост его концентрации начинается в карбидной корочке, достигает максимума на расстоянии 25 мкм от поверхности и далее монотонно спадает до уровня фона регистрирующего устройства микроанализатора.

На рис. 3. приведены результаты испытаний на МЦУ образцов стали 35ХН2МФА при энергии удара Копра – А=10,8 кГс/см. На оси абсцисс указан номер опыта, а на оси ординат количество ударов Копра  n x 103 , соответствующее номеру опыта. Заштрихованная область соответствует наработке той же стали без покрытия, то есть 12000 ударов Копра до образования усталостных трещин. Номера опытов 1–10 иллюстрируют испытание хромомарганценированной стали  35ХН2МФА, 11–20 – стойкость этой же стали к МЦУ после марганценированиия.

Повышение стойкости к МЦУ после хромомарганценирования нестабильно, так как сильно зависит от скорости смыкания карбидного слоя. Сформировавшийся поверхностный карбидный слой блокирует диффузию марганца в матрицу стали, чем тормозит нормальное формирование аустенитного буферного слоя. Повышение стойкости к МЦУ при хромомарганценировании достигается благодаря насыщению поверхностного слоя марганцем до момента смыкания слоя карбида хрома. Поскольку скорость смыкания карбидного слоя очень чувствительна к флуктуациям концентрации углерода, легирующих элементов, растворенных в матрице, а также к режиму насыщения и флуктуациям состава насыщающей смеси, стойкость хромомарганценированных образцов к МЦУ изменяется в широких пределах.

Как видно на графике стабильное повышение ресурса работы стали 35ХН2МФА наблюдается после марганценирования. Благодаря отсутствию физико-химических препятствий к равномерному росту диффузионного марганцовистого слоя при чистом марганценировании, аустенитный слой формируется равномерно и воспроизводимость результатов очень высокая. Все образцы с 11 по 20 показали увеличение порога к МЦУ в 1.5 раза.

Выводы.

  1. В результате диффузионного насыщения стали 35ХН2МФА  марганцем с микродобавками получено композиционное покрытие с повышенной вязкостью, блокирующее развитие усталостных трещин вглубь металла основы.
  2. Поверхностное легирование марганцем позволяет получить более стабильные результаты при испытаниях на стойкость к МЦУ, по сравнению с совместным диффузионным насыщением стали 35ХН2МФА  марганцем и хромом.
  3. Результаты испытаний на малоцикловую усталость при энергии удара Копра А=10.8 кГс/см подтвердили возможность увеличения порога разрушения стали с аустенитным слоем, насыщенным марганцем в 1.5 раза.
  4. Показана возможность использования технологии диффузионного карбидного поверхностного легирования для создания аустенитного марганцовистого слоя на деталях автоматики.

 Список литературы: 1. Лиссал В. Поверхностная энергия раздела фаз в металлах // Металлургия -  1978.- С.176. 2. Бокштейн  Б.С. Диффузия в металлах // Металлурги – 1978 — С.248.  3. Огородников В.В., Роговой Ю.Н. Расчет поверхностной энергии разрушения и теоретической прочности, кубических монокарбидов // Порошковая металлургия — 1976, №1.– С. 70-74. 4. Колотыркин  Я. М.,  Новаковский В. М.,  Заец И.И. и др. Поверхностное противокоррозионное легирование черного металла карбидообразователями // Защита металлов 1984.- Т.20, №1.- С. 3-13.

Понравилась статья? Расскажите друзьям.
Общайтесь с нами:

Добавить комментарий