CC BY
121
УДК 621.91.01
ПОВЫШЕНИЕ СВОЙСТВ ВЧШГ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ АВТОМОБИЛЕЙ
Л.А. Тимофеева, профессор, д.т.н., Н.А. Лалазарова, доцент, к.т.н., Е.А. Нестеренко, ассистент, ХНАДУ
Аннотация. Предложен способ повышения уровня механических свойств и обрабатываемости высокопрочного чугуна с шаровидным графитом термической обработкой из МКИ, повышения триботехнических свойств - методом химикотермической обработки.
Ключевые слова: высокопрочный чугун с шаровидным графитом, нормализация, межкритический интервал, обрабатываемость, перегретый пар водного солевого раствора.
Введение
В настоящее время широкое применение в качестве конструкционного материала находит высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ) [1]. Из ВЧШГ изготавливают детали автомобилей, тракторов, комбайнов, нефтегазового оборудования, которые работают в условиях циклических и ударных нагрузок, в коррозионной среде, в условиях трения: коленчатые и распределительные валы, шестерни и др. Поэтому высокопрочный чугун должен иметь высокий уровень прочности, ударной вязкости, пластичности, коррозионной стойкости, износостойкости в сочетании с хорошей обрабатываемостью резанием. Получить такой разнообразный комплекс свойств позволяет сочетание термической и химикотермической обработки.
Анализ публикаций
ВЧШГ редко применяется в литом состоянии, так как литой чугун имеет низкий уровень механических свойств и обрабатываемости резанием. Высокопрочный чугун может иметь разнообразный комплекс свойств благодаря наличию большого количества структур металлической матрицы, которые создаются различными видами термической обработки: нормализацией, изотермической закалкой, двойной нормализацией и др. [1].
Однако эти виды термической обработки не рассматривались с точки зрения обрабатываемости резанием. Для повышения триботехнических свойств рабочих поверхностей чугунных деталей применяют закалку ТВЧ, химико-термическую обработку (азотирование, парооксидирование и др.)
Цель и постановка задачи
Таким образом, разработка и обоснование оптимальной, с точки зрения сочетания достаточно высокого уровня механических, технологических (обрабатываемости резанием) и триботехнических свойств, технологии термической и химикотермической обработки ВЧШГ, является актуальной задачей.
Улучшение механических, технологических, триботехнических свойств ВЧШГ
Исследовали чугун следующего химического состава: 3,3-3,8 % С; 2,4-3,2 % Si; C+1/3Si=4,25-4,35 %; 0,004-0,007 % S; 0,5-0,9 % Mn; 0,045-0,008 % P; 0,05-0,1 % &; 0,1-0,15 % №; 0,04-0,09 % Mg. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом, особенно в литом состоянии, относится к неоднородным материалам: твёрдая металлическая матрица пронизана мягкими включениями графита различных размеров; наблюдается неравномерное распределение феррита, который сосредоточен, в основном, в околографитной зоне и ликвация химических элементов, в основном кремния.
Структурная и химическая неоднородность ВЧШГ играют существенную роль в изменении его механических и технологических свойств (обрабатываемости). Неоднородность чугуна
можно изменять, регулируя температуру нагрева, время выдержки, скорость охлаждения, количество переходов через критические точки. В работе изменение неоднородности достигалось за счёт изменения температуры нагрева, скорости охлаждения и количества переходов через критические точки. ВЧШГ подвергали нормализации из МКИ и двойной нормализации. Обрабатывае-
мость оценивали по скорости резания при стойкости инструмента 60 мин.
Неоднородность чугуна характеризовали коэффициентом неоднородности [2]. Значения твёрдости, коэффициентов неоднородности и скорости резания (для резцов из гексанита-Р) ВЧШГ сведены в табл. 1.
Таблица 1 Свойства. ВЧШГ после различных режимов термической обработки
№ Название характери- стик е и ен 2 * 4 в с а- И зК ли МК § к р оя Н ци я ци ая а на из ’К в но
1 Твёрдость НВ 210-220 275-285 260-270
2 Коэффициент неоднородно-сти 1,7 1,36 1,26
3 Скорость резания, м/мин 4,2 5,2 5,4
Литой чугун имеет перлито-ферритную структуру, причём феррит расположен в виде оторочки вокруг шаровидных включений графита, наблюдается значительная ликвация кремния. В литом чугуне кремний сосредоточен в основном в феррите, расположенном в околографитной зоне. При нагреве чугуна выше Ас1н идут одновременно два процесса: распад цементита и растворение углерода в аустените, перераспределение кремния. Образовавшийся при а^-у превращении феррит имеет меньшую неоднородность по кремнию, чем в исходном чугуне.
Термическая обработка из межкритического интервала (МКИ) имеет свои особенности. При нагреве в МКИ одновременно сосуществуют области аустенита, графита и феррита с повышенным содержанием кремния. При увеличении выдержки осуществляются процессы насыщения углеродом образовавшегося аустенита и перераспределения кремния [1]. Поскольку растворимость кремния в феррите значительно больше, чем в аустените, по мере развития а^-у превращения кремний оттесняется от границы у-фазы в сохранившийся феррит. Однако поскольку при переходе через Ас1н образуется большое количество зародышей аустенита, получается структура с относительно мелкими чередующимися участками с повышенным и пониженным содержанием кремния. Таким образом, неоднородность по кремнию выравнивается.
При проведении нормализации из МКИ охлаждение осуществляется в струе воздуха. Поэтому происходит распад аустенита с образованием феррито-карбидной смеси. Выдержка после нагрева обеспечивает требуемое насыщение образовавшегося аустенита углеродом, перераспределение кремния. В результате нормализации образуется достаточно однородная перлито-ферритная структура [1]. Неоднородность в распределении кремния не устраняется, а становится более тонкой, участки высококремнистого феррита чередуются с участками, содержащими мало кремния. Нормализация отличается малой трудоёмкостью и позволяет получить высокие служебные характеристики чугуна. Рекомендуемый режим такой термической обработки: выдержка при температуре 860°С в течение 1,5 часа, охлаждение в струе воздуха от вентилятора, получаемая структура металлической матрицы - перлито-ферритная. При двойной нормализации нагрев осуществляется до температуры выше Ас1к, в результате чего образуется структура аустенита с графитом. Повторная нормализация осуществляется из МКИ. При повторном нагреве происходит заново а^-у превращение, что вызывает измельчение зерна и уменьшение ликвации кремния. Уменьшение неоднородности чугуна способствует улучшению обрабатываемости резанием (табл. 1).
Рис.1. Структура ВЧШГ после двойной нормализации, х 270
Рекомендуемый режим двойной нормализации: нагрев выше Ас1к (890°С), выдержка в течение 1,5 часа, охлаждение на воздухе, нагрев выше Ас1н (860°С), выдержка 1,5 часа, охлаждение на воздухе, получаемая структура - перлито-ферритная. Детали, подвергнутые двойной нормализации, имеют достаточно высокий уровень механических свойств и хорошую обрабатываемость.
Для обеспечения надежной безотказной работы чугунных деталей, работающих в условиях трения и изнашивания, необходимо на поверхности получить такой слой, который одновременно обеспечивал бы хорошую прирабатываемость, низкий коэффициент трения и малый износ, имел бы способность удерживать масляную пленку и противостоять задиру и схватыванию. Всем этим требованиям может удовлетворять многофазный
поверхностный слой, в котором присутствуют как твердые фазы, воспринимающие высокие давления, так и пластичные составляющие, способствующие улучшению антифрикционных свойств чугуна. В то же время для хорошего удаления продуктов износа, материал поверхностного слоя должен быть относительно хрупким.
Выбор способа повышения износостойкости деталей узлов трения является задачей, требующей комплексного подхода. При разработке новых технологических процессов больше внимания уделяется вопросам охраны окружающей среды. Внедрение новых технологических процессов должно осуществляться с учетом их экологической чистоты. К числу известных методов повышения износостойкости относится способ оксидирования в атмосфере перегретого пара водных растворов солей. При этом на поверхности железоуглеродистого сплава образуется покрытие, состоящее из смеси окислов железа. Образующееся покрытие отличается от окалины, получающейся на воздухе, отсутствием слоя Бе203. Наружным слоем в этом случае является Бе304.
В работе рассматривается влияние обработки в среде перегретого пара водного солевого раствора на качество формирования покрытий на поверхности ВЧШГ после нормализации из МКИ [3]. Процесс нанесения покрытий на поверхность чугунных деталей в печи с герметичным сосудом характеризуется следующими технологическими параметрами: температура 550-660°С; длительность насыщения образцов элементами парогазовой среды 50-60 минут; расход водного раствора соли №С1 около 500 мл.
Формирование поверхностного слоя происходит на металлической основе и по границам включений графита, выходящего на поверхность металла без разрыва сплошного слоя. Такое строение покрытия обеспечивает необходимый комплекс свойств чугуна, работающего в условиях трения. На рис. 2 видно, что граница «чугун-покрытие» нечёткая и извилистая, отдельные ветви окислов глубоко пронизывают металлическую основу. На поверхности формируется покрытие шпинельно-го типа. Это обусловливает достаточную адгезию окисла и металла - отделить покрытие от металла механическим путём нельзя.
Для проведения испытаний на износ полученного покрытия использовали машину трения СМЦ-2 по схеме испытания «диск-колодка». Скорость скольжения была постоянной и равной 1,04 м/с. Величина нагрузки изменялась от 5 до 70 кг-с. Износостойкость материалов пар трения оценивали по потере массы образцов, которая определялась взвешиванием их до и после испытаний на аналитических весах типа ВЛА 200. Величина суммарного износа образца ВЧШГ после двойной
нормализации составила 0,0072 мг за 140 часов испытаний, ВЧШГ без покрытия - 0,0156 мг. Таким образом, нанесение покрытия на чугунную поверхность методом обработки в среде перегретого пара водного солевого раствора способствует снижению суммарного износа в два раза.
Рис. 2. Оксидное покрытие на ВЧШГ, х 340 Выводы
Проведение нормализации из МКИ и двойной нормализации позволяет получить чугун с мелкодисперсной перлито-ферритной структурой, отличающийся достаточно высоким уровнем механических свойств и хорошей обрабатываемостью.
Для улучшения прирабатываемости и повышения износостойкости изделий из ВЧШГ после нормализации из МКИ проводится химико-термическая обработка, состоящая в нагреве и выдержке чугуна в атмосфере перегретого пара водного раствора соли №С1, обеспечивающая формирование на поверхности чугуна покрытий шпинельного типа.
Нанесение покрытия методом обработки в среде перегретого пара водного солевого раствора позволяет снизить износ образцов из ВЧШГ в два раза.
Литература
1. Солнцев Л.А., Зайденберг А.Ф., Малый А.Ф.
Получение чугунов повышенной прочности.
- Харьков: Вища школа. Изд-во при Харьк. ун-те, 1986. - 152 с.
2. Лалазарова Н. А. Влияние неоднородности вы-
сокопрочного чугуна на его обрабатываемость резанием // Вестник ХГАДТУ. - 2000.
- Вып. 12-13. - С. 86-87.
3. Тимофеева Л.А., Солнцев Л.А. Повышение
триботехнических свойств поверхностного слоя чугуна с помощью обработки в среде перегретого пара // Физика и химия обработки материалов. - 1991. - №12. - С. 12-14.
Рецензент: А.И. Пятак, профессор, д. ф.-м.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 20 апреля 2006 г.
