УПРОЧНЯЮЩИЕ КОМБИНИРОВАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В СПЕЦИАЛЬНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

 

Власов В.М., Маленко П.И., Гончаров С.С., Коченихин А.С.

(ТулГУ, г.Тула, РФ)

 

In clause the results of research of processes formation of structures steels, hardening with application of the combined way of chemical-thermal processing allowing to raise their operational characteristics.

 

Одной из главных задач современного машиностроения  является  разработка  и  применение функциональных технологий поверхностной обработки конструкционных материалов, которые обеспечивали бы гарантированную  работоспособность деталей,  работающих на трение и износ.

 В специальном машиностроении изготавливаемые изделия и детали работают в жестких температурно-силовых  условиях  воздействия внешней среды:  трения скольжения,  ударных и динамических нагрузок, газовой эрозии и коррозии. 

Нами с целью повышения свойств износостойкости и антифрикционности сталей рекомендуется комбинированный  низкотемпературный  способ  химико-термической  обработки  на основе процессов никотрирования и оксимолибденирования [1]. В результате никотрирования на поверхности деталей формируется одно- или двухфазный слой, характеризуемый соответствующими хорошими показателями скорости изнашивания и коэффициента трения [2].

Традиционно прогнозирование  долговечности  никотрированных покрытий осуществлялось по исходным, то есть статическим, характеристикам e- и g¢-карбонитридных фаз. Естественно такой подход не является корректным,  так как в процессе трения  нитриды  (Ме_mC_n) и карбонитриды Me_m(N,C)_n вступают во взаимодействие с окружающей средой и в значительной степени химически модифицируются или даже совершенно исчезают.

Ниже приводятся  результаты  эксперимента  по   статическому окислению никотрированной  конструкционной стали 25ХЗМЗНБЦА с использованием технологии оксимолибденирования [3]. Статическое окисление при оксимолибденировании проводили при температуре 580⁰С в парах водного раствора молибдената аммония. Исследовали семь различных режимов окисления в зависимости от расхода реагента q и  времени окисления t_окисл (табл. 1).

Основными фазами в исходном состоянии в структуре карбонитридного слоя и подповерхностного среза диффузионной зоны являются:  раствор азота и углерода в a-Fe; карбиды хрома (Cr₇C₃) и железа  (Fe₃C),  карбонитрид Fe₃(N,C) и нитриды Fe_2-3N (e-фаза) и Fe₄N (g¢-фаза). В табл. 2 сведены данные по содержанию нитридных, оксидных и карбонитридной фаз в поверхностных слоях для каждого режима окисления.

 

Таблица 1- Режимы статического окисления никотрированной стали 25ХЗМЗНБЦА

Результаты показывают, что во всех случаях статического окисления никотрированного слоя основной фазой является магнетит  Fe₃O₄.  Кроме  того,  на всех режимах оксимолибденирования формируется также гематит Fe₂O₃.

 

Таблица 2- Содержание основных фаз в статически окисленных никотрированных покрытиях на стали 25ХЗМЗНБЦА

Анализ фазового состава "третьего тела",  формирующегося при "сухом" трении  никотрированной стали 25ХЗМЗНБЦА показал, что при жестких режимах изнашивания на микроконтактах поверхности  трения  происходит  интенсивное образование окисных  пленок  преимущественного  состава  Fe₃O₄-соединения.  В более глубоких слоях  формируется  срез  измельченной  структуры, толщина  которого  с  увеличением нормальной нагрузки s_к закономерно возрастает от ~3 мкм до 20...30 мкм и более.  Повышение силового s_к-параметра приводит к размытию границы между зоной с интенсивно измельченной структурой и основой. С другой стороны,  протекают  процессы  окисления ранее сформированного "белого слоя".

Таким образом, в процессе статического окисления карбонитридный слой претерпевает следующие физические изменения:

- окисляется с поверхности в контакте с газовым реагентом; 

- "рассасывается" по границе с диффузионной зоной за счет разложения  g¢- и e-фаз  нитридного слоя и диффузии элементов (в том числе и кислорода) вглубь диффузионной зоны.  Скорость "рассасывания" "белого слоя" в связи с возможным повышением температуры термооксидирования составляет ~0,49 мкм/⁰С.

В процессе оксимолибденирования  диффузионная  зона  также окисляется, приобретает характерное волокнистое строение и утоняется. Максимальное окисление достигается при температуре процесса  ~610⁰С, минимальное - при 520⁰С. Скорость утонения диффузионной зоны с повышением температуры составляет  ~0,37 мкм/⁰С.

 

Таблица 3- Фазовый состав никотрированных слоев на стали 25ХЗМЗНБЦА после оксимолибденирования при различных температурах

  Нами было дополнительно промоделировано влияние температуры процесса  паротермической  обработки  на  фазовый состав никотрированного слоя.  Показано,  что при минимально возможной температуре окисления оксимолибденированием  ~520⁰С, когда не формируется  устойчивой  пленки  окислов,  весьма значительные объемы карбонитридного слоя изменяют свой фазовый  состав.  Количество нитридной  g¢-фазы значительно уменьшается, а из окисных соединений формируются вюстит FeO и магнетит Fe₃O₄. Вероятнее всего трансформация  g¢-соединения начинается с ее перехода в FeO вследствие того,  что это может происходить с малыми энергиями  активации, так как кристаллические решетки  g¢-нитрида и вюстита идентичны (имеют ГЦК-модификации).  Кроме того, учитывая что нижняя температура стабильности FeO-фазы составляет 570⁰С, то при температуре насыщения протекают восстановительные реакции типа FeO®Fe₃O₄+ a-Fe (феррит). Последняя фаза в присутствии паров молибдена также может окисляться до магнетита Fe₃O₄ и в некоторой части до гематита Fe₂O₃ (табл. 3). При этой температуре формируется также химическое соединение с молибденом состава FeMo-интерметаллид.

При температуре насыщения 580⁰С в  поверхностном  никотрированном слое  появляется  вюстит (5...10%),  снижается содержание Fe₃O₄ и  особенно Fe₂O₃ -фаз. Окислов молибдена при этом рентгеноструктурный анализ тоже не выявил.

Максимальная температура процесса окисления 610⁰С обусловливает полное  исчезновение  в  поверхностном  никотрированном слое g¢ -нитридной фазы, появление интерметаллида более высокого порядка Fe₃Mo₂, увеличение количества магнетита Fe₃O₄ и возрастание в соотносительном плане e-нитрида.  Все эти фазовые изменения предполагают получение более высоких эксплуатационных свойств: коррозионной стойкости e-фазы  и Fe₃Mo₂,  и антифрикционности Fe₃Mo₂ и Fe₃O₄.

Заключая анализ возможных фазовых переходов при  статическом окислении никотрированных (e+g¢)-слоев путем оксимолибденирования, можно отметить следующее:

1. Окисление   карбонитридного  слоя  происходит  вследствие растворения Fe₄N (g¢)-фазы и формирования на ее основе метастабильной FeO-фазы.  Последняя при температурах процесса ниже 570⁰С или медленном охлаждении может трансформироваться в окислы  Fe₃O₄,  а при более   высоких  температурах  и  в  Fe₂O_3.

2. Окисление границ между карбонитридным слоем и  диффузионной зоной  и  самой  диффузионной  зоны  происходит  также  через FeO-фазу, формирование феррита и его последующее окисление.

 

Список литературы

1. Власов В.М., Нечаев Л.М. Работоспособность высокопрочных термодиффузионных покрытий в узлах трения машин.-Тула: Приокское книжное изд-во, 1994.-237 с.

2. Власов В.М., Маленко П.И. Структура и свойства никотрированных хромомолибденванадиевых  сталей.-Тула,1995.-9с. - Деп. в ВИНИТИ 03.03.95, № 608-В95. 

3. Власов В.М., Симиновский И.М. Механизмы порообразования в диффузионных зонах стали 25ХЗМЗНБЦА  при  никотрировании  //Внутреннее трение  и  дислокационная  структура металлов.-Тула.-1990. -с.195-198.