УДК 621.785.532

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ, ВОССТАНОВЛЕННЫХ МЕТОДАМИ НАПЛАВКИ

 

WAYS TO IMPROVE THE SERVISE LIFE OF PARTS WHICH RESTORED BY HARD FACING

 

Крукович М.Г., Клочков Н.П., Савельева А.С.

(МГУПС-МИИТ, г. Москва, РФ)

Krukovich M.G., Klochkov N.P., Savelieva A.S.

(Moscow State University of Railways Transportation, RF)

 

Проведен анализ путей повышения долговечности изношенных деталей после восстановления методами наплавки. Предложена технология газового азотирования таких деталей в контейнерах, обеспечивающая сжимающие остаточные напряжения на поверхности и повышение твердости.

The analysis of ways to improve the service life of wearied parts after restoration by methods hard facing is consider. The technology of gas nitriding of such parts in containers, providing a compressive residual stress on the surface and increase in hardness is proposed.

 

Ключевые слова: долговечность, остаточные напряжения, газовое азотирование, закрытый контейнер, сжимающие напряжения, твердость.

Key words: service life, residual stress, gas nitriding, closed containers, compressive stress, hardness.

 

Многие детали железнодорожной техники после эксплуатации подвергаются восстановлению геометрических размеров изношенных поверхностей различными методами сварочного производства. Изношенные поверхности имеют неравномерный износ или трещины. Как правило, в этих случаях используют различные технологии наплавки изношенных поверхностей или вырубки трещин и их заварки. В этих случаях восстановления в результате неравномерного распределения температуры по сечению детали формируется неблагоприятная эпюра остаточных напряжений, сопровождающаяся возникновением под наплавленным слоем растягивающих напряжений. Это явление значительно снижает усталостную прочность восстановленных деталей и снижает экономический эффект от огромных средств, вкладываемых в ремонтное производство.

Повышение эксплуатационных характеристик восстановленных деталей достигается методами, обеспечивающими получение на поверхности деталей сжимающих остаточных напряжений и более высоких механических характеристик. К таким методам относят:

- поверхностную пластическую деформацию (наклеп);

- химико-термическую обработку (процессы нитроцементации, цементации, азотирования и др.);

- термическую обработку (операции отжига, закалки, отпуска).

В первом случае применяют обкатку роликами, дробеструйную или пескоструйную обработку, которые приводят к образованию сжимающих напряжений на поверхности и повышению твердости на 25%. Глубина такой обработки достигает 0,03 мм. Долговечность упрочненных наклепом деталей цилиндрической формы может повысится на 40%. При обработке плоских или профильных поверхностей эффект зависит от равномерности упрочненного слоя и его механических характеристик. Структура наплавленного слоя и структура материала детали не изменяются. Работоспособность упрочненного наклепом слоя сохраняется до температур рекристаллизации (~ 4500С)

Во втором случае процессы нитроцементации и цементации являются высокотемпературными, обеспечивают толщину слоя 0,6 ….. 1,0 мм, а для получения максимальной твердости и износостойкости требуют проведения закалки и последующего отпуска. Такая обработка обеспечивает формирование закаленной структуры на глубину прокаливаемости наплавленного слоя и материала детали (может достигать от 3 до 100 мм в зависимости от сечения детали, химического состава и вида охлаждения) и приводит структуру материала детали к равновесному состоянию в сердцевине и неравновесному состоянию на поверхности. В целом усталостная прочность может быть повышена на 60%.

Следует отметить, что проведение длительных высокотемпературных процессов химико-термической обработки и необходимость проведения закалки и отпуска связано со значительными энергетическими затратами и применением специализированного оборудования.

Низкотемпературная нитроцементация (450 – 5500С) обеспечивает толщину диффузионного слоя не более 0,3 ….. 0,5 мм, не требует проведения закалки. Твердость поверхности среднеуглеродистой низколегированной стали достигает 4500 – 5000 МПа. Уровень остаточных сжимающих напряжений на поверхности может достигать до 600 МПа. Получаемые результаты являются приемлемыми для улучшения свойств восстановленных наплавкой деталей, однако в настоящее время разработаны рекомендации по технологии упрочнения только в порошковых смесях.

Азотирование, также проводится при низких температурах (450 – 5700С), но обеспечивает большую толщину слоя (до 0,7 мм). Твердость может достигать до 8000 МПа. Однако применение эффективных скоростных процессов азотирования в расплавах солей (в течение 1,5 ч) является экологически неприемлемым для ремонтного производства, насыщение в порошковых смесях не отвечает требованиям современного технологического уровня производства, а газовые процессы с использованием аммиака являются длительными и требуют специализированного оборудования.

В третьем случае применение процессов термической обработки не дает максимального уровня твердости и износостойкости восстановленным поверхностям и может привести к образованию трещин при сложной форме детали и наличии концентраторов напряжений. Такой риск не всегда обоснован для мелкосерийного и единичного производства ремонтных предприятий. Отжиг приводит структуру металла основы к равновесному состоянию и требует последующей обработки для придания детали необходимой твердости и износостойкости. В случае наплавки износостойкими высоколегированными электродами отжиг весьма полезен, но он не устраняет дефекты наплавленного слоя.

Таким образом, анализ применяемых технологий упрочнения восстановленных наплавкой деталей показывает, что наиболее приемлемым процессом является газовое азотирование. Этот процесс не вызывает заметных деформаций и коробления обрабатываемых деталей, не требует последующей термической обработки для формирования окончательных свойств, обеспечивает снятие сварочных остаточных напряжений во всей детали, обеспечивает формирование сжимающих напряжений на обрабатываемой поверхности (до 600 МПа) и повышение твердости и износостойкости независимо от химического состава наплавленного слоя. Более того получение азотированного слоя на всей поверхности детали только усиливают эффект упрочнения. Следовательно, при такой обработке восстановленных наплавкой деталей или инструментов обеспечиваются плавное изменение твердости от поверхности в глубь детали, остаточные напряжения сжатия на всей обработанной поверхности и благоприятное распределение напряжений по сечению детали.

В то же время для ремонтного мелкосерийного и единичного производства требуется разработка приемлемых технологий, отличающихся простотой проведения, не предусматривающих применение сложного специализированного оборудования, отвечающих требованиям экологичности.

Существующие в настоящее время технологии азотирования в большей мере ориентированы на крупные производства, ремонт и изготовление крупных серий однотипных деталей. Они хорошо отработаны, создано высокоэффективное оборудование и существуют надежные системы контроля. Однако, даже на крупных предприятиях, неоснащенных оборудованием для проведения азотирования, часто возникает необходимость упрочнения единичных или мелких серий деталей и инструментов. На мелких и средних предприятиях такая необходимость существует всегда. Т.е. для нужд мелкосерийного и единичного производства ремонтных предприятий, предприятий малого и среднего бизнеса нет сравнительно простых технологий упрочнения и оборудования для их осуществления.

Для мелкосерийного и единичного производства предприятий малого и среднего бизнеса наиболее приемлемыми являются процессы, проводимые в закрытых контейнерах. Такие процессы проводят без использования аммиака либо в порошковых твердых средах, либо в газовой атмосфере контейнера при разделении всего объема на газоприготовительное и насыщающее пространство. Их относят к газобарическому азотированию, при котором насыщающая среда образуется в результате взаимодействия компонентов, находящихся внутри закрытого контейнера или реторты. Во время процесса обработки обеспечивается минимальный обмен с окружающей средой и минимальный выход вредных газов. По окончании процесса обработки все вредные составляющие переходят в нейтральные формы при охлаждении контейнера или реторты. Нагрев контейнеров с деталями проводится в любых камерных, шахтных газовых или электрических печах, или на установках контактного нагрева или нагрева ТВЧ.  Однако в настоящее время не имеется достаточно обоснованных технологических рекомендаций для осуществления процесса газобарического азотирования без использования аммиака, нет глубоких исследований кинетики формирования азотированных слоев и системы контроля их качества.

 Таким образом, разработка экологически чистых, ресурсо- и энергосберегающих технологий газобарического азотирования для упрочнения деталей и инструментов, восстановленных методами сварочного производства, является актуальной задачей, так как они решают технические задачи повышения износостойкости, усталостной прочности, долговечности и обеспечивают экономичность ремонтных технологий.

Для проведения процесса газового азотирования в закрытых контейнерах нами разработана технология, при которой газовая насыщающая среда образуется при температуре насыщения за счет диссоциации солевой составляющей, находящейся внутри контейнера. Для предупреждения выхода газовой среды из контейнера и обеспечения ей необходимой насыщающей способности применен плавкий затвор. Основу плавкого затвора составляет кварцевый песок (SiO2) и борный ангидрид (B2O3).

Данную термодинамическую систему следует рассматривать как систему, преобразующую внешнюю тепловую энергию в энергию химического распада (диссоциацию) солевых компонентов и энергию взаимодействия образующейся газовой среды и твердого тела. В подобных системах при определенных условиях взаимодействия потоков энергии и вещества происходят процессы упорядочения материи, соответствующие уменьшению производства энтропии и образованию самоорганизующихся диссипативных соединений. Главными условиями их образования являются:

 а) система термодинамически открыта, т.е. обменивается энергией и веществом с внешней средой;

б) динамические уравнения системы нелинейны;

в) отклонения от равновесия превышают критические величины;

г) макроскопические процессы происходят синергетически.

В соответствии с термодинамической теорией структуры, устойчивости и флуктуаций в любой среде при химико-термической обработке, находящейся в химическом равновесии, при изменении одного из факторов управления этим равновесием возникают компенсирующие процессы, стремящиеся ослабить влияние этого изменения. Компенсирующие процессы приводят к образованию диссипативных соединений, которые возникают и сохраняются благодаря обмену энергией и веществом с внешней средой в неравновесных условиях.

Диссипативными соединениями самоорганизации в данном случае являются субсоединения азота (соединения азота низшей валентности), которые присутствуют в насыщающей среде при проведении практически всех процессов азотирования, обеспечивают массоперенос и переходят в другие более устойчивые формы с окончанием процесса насыщения.

В случаях, когда температура является задаваемым параметром, управление массопереносом с целью обеспечения оптимального уровня самоорганизации проводится путем изменения состава и количества солевой составляющей, скоростью циркуляции образующейся газовой среды, давлением в замкнутом объеме контейнера.

Эксперименты проводились на образцах стали 40Х, прошедших закалку и высокий отпуск. Толщина слоя определялась по распределению твердости, которая плавно уменьшалась по мере удаления от поверхности (Таблица). За общую толщину слоя принималось расстояние от поверхности до места выравнивания твердости слоя и твердости сердцевины образцов.

 

Таблица  - Изменение усредненной микротвердости в зависимости от расстояния от поверхности

Расстояние от поверхности, мкм

 

25

 

50

 

100

 

150

 

200

 

250

 

300

 

350

 

400

 

450

 

500

Микротвердость,

кгс/мм2

790

600

470

400

375

360

350

350

350

350

350

Примечание: Температура обработки – 5100С; Продолжительность насыщения – 2 часа; Температура предварительного отпуска – 5900С; Количество солевой составляющей – 60 г. Объем контейнера – 160 см3

 

Более высокая скорость формирования азотированного слоя, чем при других газовых процессах объясняется более высокой плотностью субионов  в насыщающем пространстве и отсутствием на поверхности тормозящего слоя нитридов значительной толщины, что и подтвердили металлографические исследования.

Распределение твердости по толщине слоя имеет плавный характер с некоторыми особенностями в зависимости от количества солевой составляющей в объеме контейнера, температуры и времени обработки. Эта закономерность имеет большое значение при расчете износостойкости по мере изнашивания азотированного слоя.

Следует заметить, что максимальная твердость на поверхности обеспечивается при снижении температуры азотирования (Рис.). Этот результат полностью согласуется с результатами многих исследований. На повышение твердости на поверхности в наибольшей степени влияет количество солевой составляющей и температура предварительного отпуска. В первом случае за счет повышения азотного потенциала газовой среды, во втором – за счет образования дисперсных включений нитридов в слое с когерентной связью с твердым раствором.

Было установлено, что при максимальном активировании газовой среды, т.е. при максимальном содержании солевой составляющей, в равных температурных условиях образуется меньшая толщина азотированного α – слоя. Это связано с образованием на поверхности слоя нитридов, которые тормозят рост α – фазы.


Рисунок-  Влияние температуры азотирования на твердость на обрабатываемой поверхности (сталь 40Х).

 

Таким образом, разработанная технология газового азотирования обеспечивает получение качественных азотированных слоев со скоростью, превышающей скорость роста слоев при газовом азотировании в аммиачной среде. Главным ее преимуществом является малая продолжительность обработки для получения технологически приемлемых азотированных слоев. Она обладает высокой экологической безопасностью и может использоваться для обработки деталей и инструментов единичного и мелкосерийного производства предприятий малого и среднего бизнеса.