ТЕХНОЛОГИЯ СКРОСТНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО ПРОИЗВОДСТВА

 

Голован А.Е., Моисеенко А.И. (МГСУ, г.Москва, РФ)

 

Различные детали строительно-дорожных машин работают в условиях изнашивания при высоких контактных нагрузках – зубчатые колеса, направляющие и поддерживающие ролики роторных экскаваторов, кулачковые устройства, а также контактирующие детали внутренних центраторов, применяемых при монтаже труб магистральных трубопроводов. При этом давления, возникающие, например, в контактируемых деталях внутренних центраторов, достигают 2000 МПа, что обусловливает их недостаточную износостойкость.

В МГСУ проводились научно-исследовательские работы по повышению долговечности данных деталей. Анализ условий работы этих деталей выявил, что причиной потери их работоспособности в зависимости от условий работы является абразивное изнашивание либо сильное адгезионное взаимодействие и в некоторых случаях смятие. Очевидно, что эти детали должны обладать – с одной стороны высокой поверхностной твердостью, а с другой – способностью к значительным деформациям без разрушения. Такие возможности может обеспечить применение упрочнения поверхностного слоя глубокой цементацией с термоциклированием, обеспечивающим получение структуры с избыточными карбидами цементитного типа глобулярной формы. Такая структура повышает поверхностную твердость и стойкость против адгезии и требует насыщения поверхности углеродом до получения карбидной фазы, соответствующей ее содержанию в чугунах и ледебуритных сталях, а для увеличения конструкционной прочности деталей в процессе исследований принято целесообразным примененеие сталей марок 40Х, 30ХГСА, 50ХФА, 12ХН3А, 12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА, которые обладают достаточно высокой прокаливаемостью.  Варьируя количество термоциклов процесса цементации, возможно получить упрочненный слой с различным размером глобулей и их разным объемным содержанием при заданной (в зависимости от условий эксплуатации) глубине упрочненного слоя. Отсюда возникает необходимость для ряда деталей применения глубокой цементации – до 2…6 мм. Проводимые в данных исследованиях процессы глубокой цементации осуществлялись в твердых карбюризаторах и требовали, естественно, длительного времени выдержки.

Как известно, широко применяемые для цементации в твердой среде карбюризаторы согласно ГОСТ2407-77 содержат древесный уголь и ускоряющие добавки. Древесный уголь, как основной источник углерода при цементации, имеет существенный недостаток – низкую активность по сравнению с активностью в момент его непосредственного приготовления. Исходя из этих соображений в МГСУ разработан процесс скоростной цементации в древесных опилках (в качестве основы карбюризатора), в котором образование насыщающего углерода происходит непосредственно во во время процесса цементации (А. с. 1071664 – БИ1984 – N5). Активность такого углерода, определенная по методам, описанным в литературе по термодинамике железо-углеродистых сплавов более чем в 3 раза выше по сравнению с активностью в стандартном карбюризаторе. Эффективность разработанной технологии скоростной (глубокой) цементации для стали 40Х представлена в табл. 1.

 

Таблица 1 – Режимы цементации

Параметры	Процесс цементации
	Скоростной	Стандартный
1. Температура нагрева, °С.	900 – 950	900 – 950
2. Время выдержки, ч.	3…4	20…24
3. Глубина цементованного слоя, мм.	2…2,5	2…2,2

 

Необходимо отметить, что при скоростной цементации увеличение времени цементации более указанного в таблице не приводит к существенному увеличению глубины цементованного слоя. Однако при продолжении процесса в новой партии древесных опилок происходит как дальнейшее увеличение глубины слоя, так и рост размеров глобулей цементитного типа в слое. Этот процесс (с заменой древесных опилок) идентичен процессу термоциклирования при цементации в стандартном карбюризаторе (при существенном сокращении времени).

          Проведенные на машине МИ–1М испытания деталей, подвергнутых цементации в скоростном карбюризаторе, показали их большую износостойкость при высоких контактных давлениях по сравнению с объемной закалкой, закалкой ТВЧ, цементацией в газовой среде и борированием.

При этом допустимые контактные давления при скоростной цементации достигают 1800 МПа, при цементации в газовой среде 1600 МПа, при объемной закалке с низким отпуском 1300 МПа. Борированные и закаленные с нагревом ТВЧ детали допускают значительно меньшие давления, вследствие разрушения тонкого упрочняющего слоя. Это обусловливается большим градиентом твердости по толщине слоя. В случае скоростной цементации распределение содержания углерода и соответственно твердости по глубине упрочненного слоя благоприятнее (табл. 2.). 

 

Таблица 2 – Глубина упрочненного слоя

Глубина слоя, мм	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,75	1,0	1,25	1,5	1,75	2,00	2,25	2,5
% С	1,19	1,18	1,16	1,15	1,16	1,02	0,95	0,88	0,82	0,73	0,68	0,65	0,6