17_Klimin.doc Вплив об´ємної гарячої пластичної деформації на процеси азотування та триботехннічні властивості конструкційної сталі 18ХГТ Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 91 Клімін В.В., Національний авіаційний університет, м. Київ, Україна ВПЛИВ ОБ´ЄМНОЇ ГАРЯЧОЇ ПЛАСТИЧНОЇ ДЕФОРМАЦІЇ НА ПРОЦЕСИ АЗОТУВАННЯ ТА ТРИБОТЕХННІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КОНСТРУКЦІЙНОЇ СТАЛІ 18ХГТ Вступ Однією з актуальних задач сучасного машинобудування є збільшення терміну служби деталей машин і механізмів. Втрата працездатності вузлів машин і механізмів багато в чому визначається зносом деталей конструкції, тому підвищення їх зносостійкості являє собою важливу і нагальну технічну задачу. Для цього широко застосовуються нові матеріали, а також різноманітні способи зміцнення та пі- двищення зносостійкості. Однак їх використання не завжди виправдано з економічних або технологічних міркувань. Так суттєвими недоліками хіміко–термічної обробки (ХТО) є необхідність досить високих температур і тривалих ізотермічних витримок для створення на поверхні виробу збагаченого шару відпо- відного елемента. В зв’язку з цим багато досліджень спрямовано на пошук нових способів інтенсифікації процесу масоперенесення в умовах хіміко-термічної обробки металів та сплавів. Технологічні методи створення захисних структур триботехнічного призначення та відновлення працездатності сталевих деталей машин і механізмів, що сьогодні використовуються на ремонтних під- приємствах України, обмежені рівнем розвитку галузей науки й техніки, технологій, які їх реалізують, ресурс відновлених ними деталей не завжди відповідає сучасним технічним вимогам. У той же час, спи- раючись на досягнення науки, можливості виробництва, а також передовий досвід розвитку технологій зміцнення як в Україні, так і за кордоном, існує можливість підвищення триботехнічнихних характерис- тик та довговічності деталей машин і механізмів шляхом застосування сучасних технологічних процесів Експериментальні дослідження підтверджують, що широкі можливості підвищення механічних власти- востей металу криються в будові його структури. Дослідження проблеми підвищення фізико-механічних властивостей металу, зокрема спротиву зношуванню в різноманітних умовах тертя робочих поверхонь, дозволяє зробити висновок про те, що окремо взяті відомі механічні властивості ще не дають підстави відносити будь-яку сталь до розряду зно- состійких. Зносостійкість, як характеристика триботехнічних властивостей, стоїть відокремлено по від- ношенню до її інших механічних властивостей. Для підвищення зносостійкості сталі необхідно домогти- ся підвищення усього комплексу характеристик її механічних властивостей (Сорокин Г.М., К вопросу повышенияизносостойкости сталей – Трение и износ, 1992, том 13, № 3, стор. 443-450). Перспективним для створення зносостійких поверхневих шарів можна вважати метод об’ємної гарячої пластичної деформації з наступною хіміко-термічної обробкою (азотуванням). Однак, його ши- рокому впровадженню у практику підприємств заважають ряд причин, зокрема практична відсутність системних досліджень процесу формування зносостійких азотованих шарів в попередньо об’ємнодеформованих конструкційних сталях, з яких виготовляються деталі машин і механізмів. Постановка проблеми Розробити спосіб механіко-хіміко-термічної обробки конструкційних сталей та встановити зако- номірності впливу його параметрів на структурно-фазовий склад поверхонь тертя і механічні властивості конструкційних сталей після проведення термомеханічної обробки та дослідити вплив фізико- механічних властивостей конструкційних сталей після проведення термомеханічної обробки з наступною хіміко-термічною обробкою на їх триботехнічні характеристики. Виклад основного матеріалу Під час пластичної деформації розмір зерна структури металу «μ» залежить в основному від те- мператури «t» та відносної деформації «ξ». Відносна деформація, що дорівнює 5 ÷ 10 %, є критичною, оскільки при ній отримується максимальний розмір зерна. Тому на підставі аналізу факторів – складових процесу високотемпературної термомеханічної обробки у відповідності із запропонованою технологією застосовується мінімальна (докритична, ξ < 3 %) об’ємна гаряча пластична деформація (роздача) з обти- скуванням деформованого металу матрицею і наступним гартуванням з нагрівом струмами високої час- тоти (СВЧ), що забезпечує перетворення крупнозернистої вихідної структури в модифіковану структуру високодисперсної будови. Експериментально визначено інтервал температури (950 ÷ 1150 °С) для конс- трукційної сталі 18ХГТ, який забезпечує найвищі пластичні властивості деталі, що оброблюється мето- дом ОГПД. У цьому інтервалі температури межа плинності для сталі 18ХГТ складає σs = 92÷60 МПа. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Вплив об´ємної гарячої пластичної деформації на процеси азотування та триботехннічні властивості конструкційної сталі 18ХГТ Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 92 Дослідження структури та фізико-механічних властивостей деформованого металу Металографічному дослідженню піддавалися зразки сталі 18 ХГТ: стандартні та модифіковані (ОГПД): (зразки «1» та «2») та після азотування (зразки «3» та «4»). Базовий зразок «1» - виконано з конструкційної сталі 18ХГТ – стану постачання (табл. 1). Мік- роструктура базового зразка ферито–перлітна (рис. 1). Рис. 1 – Мікроструктура базового зразка «1»стану постачання Рис. 2 – Мікроструктура зразка «2» після роздачі з індукційним нагрівом Модифікований зразок «2» – для проведення ОГПД по запропонованій технології нагрівали СВЧ до температури 1000 ÷ 1050 °С (1273 ÷ 1323 К) протягом 45 секунд замість 20 хвилин при нагріванні у печах опору. Пластична деформація призводить до значного подрібнення ферито-сорбітної мікрострук- тури (рис. 1). Після роздачі також спостерігається ущільнення подрібнених складових елементів мікро- структури, що супроводжується деяким (10 % і більше) підвищенням мікротвердості вихідного матеріа- лу. Коливання по мікротвердості не перевищують 1500 МПа(рис. 2). Результати досліджень структури та фізико–механічних властивостей деформованого, внаслідок проведення ОГПД, металу наведені у Табл.1. Таблиця 1 Вплив термомеханічної обробки на розподіл твердості Твердість Номер зразка Стан зразка поверхні серцевини 1 Базовий матеріал сталь 18 ХГТ – стану постачання HRB 7,72 0,800,68 − HRB 8,77 0,790,76 − 2 Модифікований проведенням ОГПД з індукційним нагрівом HRB 0,90 0,935,88 − HRB 3,89 0,919,88 − Примітка: В чисельнику наводиться – мінімальне і максимальне,у знаменнику – середнє зна- чення твердості. Дослідження фізико-механічних властивостей зміцнених сталевих азотованих зразків Азотування використовують для зміцнення сталей перлітного, феритного, аустенітного і карбід- ного класів. Поліпшені конструкційні сталі без алюмінію дозволяють підвищити поверхневу міцність пі- сля азотування до 650 – 900 HV. Азотований шар на цих сталях має високу зносостійкість і опір крихко- му руйнуванню. Відносно низьковуглецевих сталей азотування дає найбільший ефект в поєднанні з на- ступною термічною обробкою дифузійної зони, яка включає гартування або гартування і відпал.Глибина і поверхнева твердість азотованого шару залежать від ряду факторів, з яких основні: температура азоту- вання, тривалість азотування і склад сталі, що азотується. Впливу підвищеної температури під час виконання ХТО (азотування при 560 - 600 °С)особливо побоюватися не слід завдяки використанню спадково-дрібнозернистих сталей і правильному підбору на- ступної термічної обробки (з використанням нагріву СВЧ), тому що в результаті дії явища спадковості фрагментована структура після ТМО є вельми стійкою в умовах, коли повторна термообробка не викли- че процесів рекристалізації. Перекристалізація може у ряді випадків привести до ще більшої фрагмента- ції структури й дозволить не тільки зберегти високі механічні властивості, отримані в результаті ТМО, але й досягти ще більшої пластичності. Інтенсифікувати хіміко-термічну обробку, тобто пришвидшити дифузію атомів азоту, вуглецю та інших елементів вглиб матеріалу і отримати ті ж параметри покриттів (їх товщину, мікротвердість та ін.) при менших температурах і витримках (а значить при менших енерговитратах) або при стандартних ре- жимах насичення отримати покриття більшої товщини за відсутності різкого переходу до основного ме- талу (без ХТО) і з кращими показниками мікротвердості та зносостійкості, можна, за рахунок збільшення PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Вплив об´ємної гарячої пластичної деформації на процеси азотування та триботехннічні властивості конструкційної сталі 18ХГТ Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 93 дефектності кристалічної будови матеріалу, а саме збільшення щільності дислокацій, подрібнення зерен і, відповідно, збільшення протяжності їх границь. Для вирішення цих задач і пропонується спосіб об’ємної гарячої пластичної деформації (роздача з обтискуванням нагрітої деталі в матриці), який окрім інтенсифікації хіміко-термічної обробки і підви- щення триботехнічних властивостей матеріалів дає змогу піддавати об’ємній термомеханічній обробці деталі (заготовки) тіла-обертання (вали, шестерні, вал-шестерні та ін.) з можливістю компенсації зносу на зношених ділянках для відновлення їх працездатності не використовуючи для цього додаткових дета- лей і матеріалів. Зразки «3» та «4» (стандартний та модифікований) були піддані хіміко-термічній обробці - азо- туванню. Азотований поверхневий шар чітко проглядається на протравлених мікрошліфах зразків «3» та «4» і вирізняється більш темним забарвленням у порівнянні з основним металом, а також підвищеною твердістю – HV 7960 МПа.Товщина азотованого шару на мікрошліфі 250 і 390 мкм для зразків «3» та «4» відповідно. Рис. 3 – Азотований шар (×50) стандартного зразка «3» Рис. 4 – Азотований шар (×50) модифікованого зразка «4» Порівнюючи результати металографічних досліджень стандартного зразка «3» та модифіковано- го об’ємною гарячою пластичною деформацією зразка «4» необхідно зазначити, що хіміко-термічну об- робку – азотування в газовому середовищі, вони проходили одночасно, тобто умови для дифузії атомів азоту вглиб матеріалу були створені абсолютно однаковими, але при цьому товщина азотованого повер- хневого шару зразка «4» зростає більш ніж в 1,5-рази порівняно зі зразком «3». Це свідчить про приско- рення дифузії та збільшення масоперенесення азоту в підданому термомеханічній обробці ОГПД зразку «4». За таких режимів обробки матеріалу спостерігається переважне формування в дифузійному шарі ε- фази, при наявності невеликої кількості θ - фази. При цьому окрім збільшення глибиниі дисперсності шару з підвищеною мікротвердістю у модифікованих ОГПД зразках є наявним плавний перехід азотова- ного шару з підвищеною мікротвердістю до основного металу з поступовим зниженням мікротвердості до відповідних показників. Основний метал має твердість HV 2750÷2870 МПа. Мікроструктура біля по- верхні представляє собою ферито–карбідну суміш, а в центральній частині – бейніт, причому в зразку «4» (модифікованому) структура більш дрібнодисперсна. Дозована ОГПД призводить до інтенсифікації процесів насичення азотом конструкційних сталей типу 18ХГТ у газовому середовищі, суттєво впливаючи на фазовий склад дифузійного шару. Таблиця 2 Параметри азотованих поверхневих шарів зразків сталі 18ХГТ Вид обробки Товщина шару, мм Поверхнева мікротвердість, ГПа Вміст азоту,% Фазовий склад дифузійного шару Азотування без ОГПД, (зразок І) 0,250 7,36 0,071 α - Fe2O3; γ - Fe2O3; Fe2O3; FeC; FeS; Fe3C; FeC; FeO; Fe3N; Fe2N; Fe4N; ε - Fe Азотування після ОГПД, (зразок ІІ) 0,390 7,96 0,150 FeS2; Fe3O4; Fe2O3; FeO; α-Fe2O3; γ - Fe2O3; FeO; Fe2C; Fe3C; FeC; Fe2N; Fe3N; Fe4N; FeS; α - Fe; ε-Fe Відносна кількість ε - фази та θ - фази в дифузійному шарі в залежності від ступеню ОГПД змі- нюється. Дифузійні шари з оптимальними характеристиками (максимальною глибиною та високою мік- ротвердістю) формуються після дозованої докритичної (до 3 %) деформації, при цьому спостерігається переважне формування в дифузійному шарі ε - фази, при наявності невеликої кількості θ - фази. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Вплив об´ємної гарячої пластичної деформації на процеси азотування та триботехннічні властивості конструкційної сталі 18ХГТ Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 94 Триботехнічні випробування зміцнених сталей Експериментально-теоретичні дослідження зносостійкості базового і модифікованого гарячим роздаванням матеріалів проводилися за схемою «перехресних циліндрів» для чого запропоновано засто- сувати двохфакторну залежність (контактний тиск, швидкість ковзання) інтенсивністі зношування Згідно розробленій методиці були проведені випробування на зношування базових і модифікованих зразків зі сталі 18ХГТ, після азотування. Рис. 5 – Площадка трибоконтактубазового зразка «3» Рис. 6 – Площадка трибоконтакту модифікованого зразка «4» По завершенню випробування, для проведення порівняльних досліджень, за допомогою велико- го інструментального мікроскопу БМІ-1Ц, вимірювалися розміри осей еліптичної плями зношування (2a та 2b), розраховувався середній радіус площадки контакту (ā) і максимальний знос в центрі площадки (uw). Рис. 7 – Залежність середнього розміру площадки зношування сталі 18ХГТ від тривалості випробувань та виду попередньої механіко-хіміко-термічної обробки За результатами проведених порівняльних трибо технічних випробувань (рис. 7) показано, що зносостійкість ОГПД модифікованого зразка в 1,5 ÷ 2 рази вища, ніж у базового для всього розглянутого діапазону дослідження, що кількісно підтверджує кращу зносостійкість зразків, відновлених гарячим пластичним деформуванням. Встановлено, що існує діапазон концентрації азоту, при якому трибологічні характеристики ма- ють мінімальні значення (рис. 8). Тобто діапазон оптимальної за триботехнічними критеріями концент- рації азоту знаходиться у межах 6,5 … 7,5 %. Рис. 8 – Залежність інтенсивності зношування зразків від концентрації азоту PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Вплив об´ємної гарячої пластичної деформації на процеси азотування та триботехннічні властивості конструкційної сталі 18ХГТ Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 95 Знаходження вищевказаного діапазону саме у таких межах можна пояснити тим, що за такої концентрації азоту поверхневі нітридні шари пар тертя складаються переважно з ε - фази (гексагональ- ного карбонітриду Fe2-3(NС)), близької до своєї нижньої межі розчинності азоту. Така структура ε – фази дозволяє виключити її крихкість, пороутворення та отримання у шарі крихкого нітриду Fe2N. (ε - фаза є більш пластичною, але менш твердою, ніж гранецентрований нітрид Fe4N). За вказаної концентрації тве- рдість зміцненого шару наближується до твердості γ′ - фази, з одночасним збереженням пластичності ε - фази, створюючи, таким чином, оптимальні структурні передумови для підвищення зносостійкості деталей. Отже хіміко-термічна обробка (дифузійне насичення азотом) конструкційних сталей дрібнодис- персної будови , що отримується внаслідок проведення ОГПД, завдяки інтенсифікації процесів насичен- ня азотом значно покращує їх механічні властивості, зокрема зносостійкість (у 2 ÷ 2,5 рази). Висновки 1. Дослідження показали, що термомеханічна обробка (об’ємна гаряча пластична деформація) конструкційних сталей (18ХГТ) до хіміко-термічної обробки за певних умов може суттєво прискорювати процеси азотування, а також справляє помітний вплив на кінетику росту, фазовий і хімічний склад, стру- ктуру та властивості поверхневих дифузійних шарів. 2. Об’ємна гаряча пластична деформація (ОГПД) суттєво впливає на фазовий склад дифузійного шару сталі 18ХГТ, відносна кількість ε - фази та θ - фази в дифузійному шарі в залежності від ступеня ОГПД змінюється. Дифузійні шари з оптимальними характеристиками (максимальною глибиною та ви- сокою мікротвердістю) формуються після дозованої (до 10 %) деформації, при цьому спостерігається пе- реважне формування в дифузійному шарі ε - фази, при наявності невеликої кількості θ - фази. 3. Встановлено, що діапазон оптимальної за триботехнічними критеріями концентрації азоту на поверхні зразків знаходиться у межах 6,5 … 7,5 %. 4. Встановлено, що дозована (до 3 %) докритична деформація забезпечує інтенсифікацію проце- сів насичення конструкційних сталей в азотному газовому середовищі та призводить до значного (в 1,5 рази) збільшення глибини дифузійного шару та підвищення його мікротвердості (на 10 ÷ 20 %). Що, в свою чергу, поєднуючись з поліпшенням, внаслідок проведення ОГПД мікро і макроструктури сталі призводить до покращення її механічних характеристик, зокрема зносостійкості (у 2 ÷ 2,5 рази). Література 1. А.с. №1290607 Установка для восстановления деталей типа вал-шестерня / Климин В.В. и др. Заявл. от 15.10.1986. 2. А.с. №1706829 Способ ремонта шестеренных гидронасосов / Климин В.В. и др. Заявл. от 22.09.1991. 3. А.с. №1729724 Способ ремонта шестеренных гидронасосов / Климин В.В. и др. Заявл. от. 03.01.1992. 3. Климин В.В. Применение метода горячей пластической деформации для восстановления кон- структивных параметров и повышения износостойкости тяжелонагруженных деталей / В.В.Климин, Ю.М.Билык // Проблеми тертя та зношування. − 2006. − Вип.46. − С. 76-83. 4. Климин В.В. Применение специальной термомеханической обработки для компенсации изно- са деталей узлов трения // Проблеми тертя та зношування. − 2007. − Вип. 47. − С. 58-66. 5. Климин В.В. Установка для восстановления и повышения износостойкости деталей методом горячей пластической деформации / Климин В.В., Киндрачук М.В. // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – 2009. − № 4. – С. 75-79. 6. Кузьменко А.Г. Методирозрахунків та випробувань на зношування та надійність. – Хмель- ницький, ТУ Поділля – 2002. −150 с. 7. Дыха А. В. Закономерности изнашивания и испытания образцов со смазочными материалами / А. В. Дыха // Проблеми тертя та зношування: науково-технічний збірник. – К. : НАУ, 2007. – Вип. 47. – С. 228–241. 8. Вельбой В.П. Багатофункціональна лабораторна установка для дослідження трибологічних властивостей конструкційних і мастильних матеріалів / В.П. Вельбой, А.Г. Кузьменко, О.В. Диха, М.О. Диха // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – 2008. − № 1. – С. 94-98. Надійшла 24.03.2011 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com