Нитроцементация игольчатых звездочек из углеродистой стали и их последующая закалка и низкий отпуск

DOI: 10.32743/UniTech.2021.83.2-4.21-24

АННОТАЦИЯ

В данной статье приведены результаты научных исследований литых игольчатых ротационных звездочек землеобрабатывающих машин, изготовленных из углеродистой стали. Изучены состав, свойства и параметры макро- и микроструктуры. Применены оптимальные режимы химико-термической обработки – нитроцементации с последующей закалкой и низким отпуском. Доказано, что твердость и износостойкость литых деталей после оптимальной термической обработки повышается в 2–3 раза.

ABSTRACT

This article presents the results of scientific research on cast rotary needle sprockets of agricultural machines made of carbon steel. The composition, properties and parameters of the macro- and microstructure have been studied. Optimal modes of chemical-thermal treatment are applied - nitrocarburizing followed by quenching and low tempering. It has been proven that the hardness and wear resistance of cast parts after optimal heat treatment increases 2-3 times.

Ключевые слова: химический состав и механические свойства металлопрокатных изделий, упрочняющая термическая обработка, макро- и микроструктура, качество и работоспособность готовых изделий.

Keywords: chemical composition and mechanical properties of rolled metal products, hardening heat treatment, macro - and microstructure, quality and performance of finished products.

Введение. Известно, что среди способов термического упрочнения различных деталей машин и механизмов одно из ведущих мест в промышленности принадлежит химико-термическому упрочнению [1; 2] методом насыщения рабочей поверхности деталей углеродом или одновременно углеродом и азотом.

Многие детали подвергаются цементации или нитроцементации. При цементации в твердом карбюризаторе невозможно обеспечить постоянный контакт активного цементующего компонента – окиси углерода – с рабочей поверхностью стали, регулирование насыщения стали. Процесс цементации в твердом карбюризаторе очень трудоемок, длителен [3; 6; 7] и поэтому повсеместно вытесняется более рациональными процессами газовой цементации или нитроцементации. Некоторым деталям требуется поверхностный слой максимум от 0,5 до 1,0 мм. Для этого применять процесс цементации не стоит, потому что он трудоемкий, очень длительный (от 8 до 24 часов), температура нагрева высокая (930–950 °С). Поэтому для литых деталей, как игольчатые звездочки (рис. 1а) землеобрабатывающих машин из углеродистой стали, более рациональным процессом является нитроцементация.

Целью данной работы являются образование поверхностного слоя методом нитроцементации полученных литых деталей путем литья в земляной форме и повышение твердости и износостойкости методом оптимальной термической обработки, закалки и низкого отпуска. Сначала изготовляется деревянная модель с помощью крепкого материала, а потом формируется в литейную опоку и заливается жидким металлом – сталью 30–35Л. При заливке место модели заполняется расплавом. Таким способом изготовляются и получаются литые ротационные звездочки детали землеобрабатывающих машин и механизмов с высокой твердостью и износостойкостью, а также хорошего качества [8; 5].

Процесс совместного насыщения углеродистой стали углеродом и азотом принципиально отличен от процесса цементации и азотирования вследствие иного механизма насыщения, изменения коэффициентов диффузии углерода и азота в аустените, изменения энергии активации углерода и азота в γ-железе, изменения скорости насыщения поверхностных слоев углеродистой стали углеродом и азотом.

Данный процесс нитроцементации заключается в нагреве литых деталей игольчатых звездочек землеобрабатывающих машин в газовой среде, состоящей из азото- и углеродосодержащих газов, до температуры нагрева 840–860 °С, выдержке в течение определенного времени, необходимого для получения диффузионного слоя заданной глубины, и охлаждении со скоростью, обеспечивающей необходимые свойства поверхностного слоя и сердцевины детали. Нитроцементацию стальных деталей проводили при 840–860 °С с последующей выдержкой и подстуживанием при 800–825 °С (закалка специальных образцов и литых игольчатых звездочек (рис. 1б) при 830 °С), а низкий отпуск – при 180–200 °С с последующим охлаждением на воздухе [8]. Насыщение поверхностных слоев стальных деталей углеродом и азотом при химико-термической обработке зависит от комплекса сложных процессов, протекающих на границе раздела «газовая среда – поверхность детали», а также в поверхностных слоях металла. Поверхность детали одновременно насыщается с углеродом и азотом, и образуется поверхностный слой покрытия от 0,5 до 1,0 мм.

Рисунок 1. Общий вид ротационных игольчатых звездочек землеобрабатывающих машин до (а) и после (б) термической обработки – закалки и низкого отпуска

Основное назначение нитроцементации – повышение твердости и износостойкости стальных изделий. Нитроцементацию проводят с целью образования поверхностного слоя от 0,5 до 1 мм и последующей закалки и низкого отпуска. После закалки и отпуска поверхностный слой детали должен иметь высокую твердость. Твердость металлов и сплавов зависит от химического состава, механического свойства и обработки [8].

Характер совместного насыщения стали углеродом и азотом в значительной мере определяется характером насыщения поверхностных слоев стальных деталей этими элементами при их раздельной диффузии. Максимальная концентрация углерода и азота в поверхностном слое зависит в основном от двух факторов: во-первых, от предельной растворимости углерода и азота в γ-фазе, содержания их в карбидах или нитридах и количества карбидов и нитридов в поверхностном слое; во-вторых, от степени стабильности, устойчивости углеродистого и азотистого аустенита, а также карбидов и нитридов при температуре химико-термической обработки – нитроцементации.

Отмеченные при раздельной диффузии процессы увеличения концентрации углерода и снижения степени насыщения слоя азотом с повышением температуры наблюдаются и при совместной диффузии в стальной детали углерода и азота. Зависимость концентрации углерода и азота исследовали в специальных образцах стали 20 и 30 (толщиной 0,4 мм), обработанной в течение 85–90 мин в интервале температур 750–850 °С при подаче аммиака 2,5–3 л/мин и бензола 0,05 см³/мин (рис. 2а). При повышении температуры с 750 до 850 °С концентрация углерода возросла с 0,35 до 0,70 %, а концентрации азота снизилась с 2,15 до 0,5 %. При исследовании обнаружили, что влияние температуры нагрева и выдержки на глубину слоя было определено, что практически приемлемых значений скорость образования слоя достигает только при температурах порядка 825–830 °С (рис. 2б, в). При температуре нагрева выше 900 °С наблюдается перегрев слоя и сердцевины. Появление в поверхностных зонах слоя карбонитридных фаз снижает скорость увеличения глубины поверхностного слоя детали.

Рисунок 2. Влияние температуры насыщения на концентрацию углерода и азота в тонких образцах (а), зависимость глубины нитроцементованного слоя стали 30 от температуры и выдержки (б) и поверхностная твердость образцов, подвергнутых нитроцементации в течение 6 ч и закаленных в масле (в)

Результаты исследований и их обсуждение. Все образцы и литые детали после исследований, для того чтобы повысить твердость поверхностных и подповерхностных слоев, подвергали специальным оптимальным режимам термической обработки закалки и низкого отпуска. Нитроцементацию проводили при температуре нагрева от 840–860 °С и получили поверхностный слой покрытия с толщиной слоя до 0,6–0,8 мм (рис. 3а). Нитроцементованные детали и образцы закаливали непосредственно из печи с подстуживанием при 800–825 °С, и отпускали при 180–200 °С, и получали необходимые твердости, микротвердости, параметры микроструктуры и износостойкости. Среднеразмерные, не очень тяжело нагруженные детали несложной конфигурации, у которых глубина нитроцементованного поверхностного слоя должна быть не менее 0,4–0,6 мм и твердость поверхности HRC55-58 [5].

Изменение температуры оказывает значительное влияние на твердость поверхностного слоя. Поверхностная твердость слоев при температуре обработки выше 840 °С зависит от количественного отношения мартенсита к аустениту во внешних фильмах слоя и от толщины слоя, т.е. находится в непосредственной зависимости от температуры и продолжительности процесса. При нитроцементации стальных деталей при 840–860 °С с последующей выдержкой и подстуживанием при 800–825 °С (закалка образцов и звездочек) при 830 °С и низкого отпуска 180–200 °С с последующим охлаждением на воздухе образуется мелкоигольчатая мартенситная структура (рис. 3б) [8].

Мартенсит является упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в α-железе. В равновесном состоянии растворимость углерода в α-железе при температуре 20 °С не превышает 0,002 %, а его содержание в мартенсите может быть таким же, как в исходном аустените, т.е. может достигнуть 2,14 %. Мартенситные пластины (иглы) образуются почти мгновенно, со скоростью более 1000 м/с, только в пределах аустенитного зерна и не переходят границу между зернами. Поэтому размер игл мартенсита зависит от размера зерен аустенита. Чем мельче зерна аустенита, тем мельче иглы мартенсита, и структура характеризуется как мелкоигольчатый или крупноигольчатый мартенсит (рис. 3б, в) с твердостью 58-62HRC. Такая структура характерна для правильно закаленной углеродистой стали.

Рисунок 3. Микроструктура нитроцементованных и закаленных образцов: а – поверхностное покрытие с толщиной слоя до 0,6–0,8 мм; б – структура мелкоигольчатого мартенсита; в – структура крупноигольчатого мартенсита Х500

Выводы. Таким образом, анализируя весь цикл экспериментальных материалов по твердости и износостойкости на образцах с покрытиями, полученными при литье в земляные формы с толщиной покрытия 0,6–0,8 мм из углеродистого стали, можно видеть, что чем больше толщина покрытия, тем лучше качество материала. Доказано, что все экспериментальные исследования, включая измерения твердости и микротвердости, находятся в хорошем согласовании [5; 9]. Особенно термообработанные литые детали с цементованным износостойким покрытием повышают износостойкость и долговечность в два и более раза [4; 10]. Оптимальная термическая обработка, закалка повышает износостойкость литых деталей, не только поверхностных, но и подповерхностных слоев готовых игольчатых звездочек землеобрабатывающих машин. Данная инновационная технология внедрена в АО «Агрегатный завод» с хорошим экономическим эффектом.

Список литературы:

1. Гуляев А.П. Металловедение. – М. : Альянс, 2012. – 536 с.
2. Лахтин Ю.М. Материаловедение. – М. : Машиностроение, 2014. – 527 с.
3. Новикова А.Я. Основные результаты химико-термической обработки деталей в печах различных типов. – М. : Машиностроение, 1987. – 192 с.
4. Нормуродов У.Э., Тилабов Б.К. Основной характер насыщения стали углеродом и азотом и их последующая закалка с низким отпуском // Актуальные вызовы современной науки: сб. научных трудов // ISCIENCE.IN.UA. – Переяслав, 2020. – Вып. 6 (50). – Ч. 2. – C. 127–130.
5. Тилабов Б.К. Определение твердости и микротвердости образцов, изготовленных из высоколегированного твердого сплава путем литья по ППГМ // НТЖ ФерПИ. – Фергана, 2014. – № 2. – С. 38–44.
6. Тихонов А.К. Особенности методов упрочнения химико-термической обработки деталей машин. – М. : Машиностроение, 1989. – 225 с.
7. Milano N.P. Getting the most from carbonitrided surfaces // Metall progress. – 1985. – Vol. 88. – № 1. – P. 81–85.
8. Normurodov U.E., Tilabov B.K. Nitrocementation at 840 °С with subsequent hardening of the surface layer of cast rotary sprockets of earth working machines // Technical science and innovation. – Toshkent, 2020. – № 3 (05). – P. 216–221.
9. Tilabov B.K. Increased durability of iron parts by thermal treatment with double phase recrystallization. European applied sciences // Europaische Fachhochschule. ORT Publishing. – Germaniy, 2015. – № 8. – P. 49–53.
10. Tilabov B.K., Sherbutayev J.A., Isaev S.I. Methods of Manufacturing Cast Details with a Solid-Alloy Coating and Heat Treatment // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. – India, 2020. – Vol. 7, Issue 5. – P. 13720–13723.