Влияние химико-термической обработки на износостойкость чугуна

Эта задача решается на основе комплексного подхода, объединяющего принципы формирования химического состава материала и затем структуры путем разработки технологических процессов его упрочняющей обработки.

Среди упрочняющих технологий особое место занимают физико-химические способы воздействия на поверхность материала, так как ее состояние во многом определяет уровень прочности и эксплуатационные свойства деталей машин.

В большинстве случаев именно поверхность изделия подвергается повышенному износу, контактным нагрузкам и в большей степени разрушается вследствие коррозии.

Получение упрочненных поверхностных слоев достигается путем целенаправленного формирования заданного структурного состояния металла методами химико-термической обработки.

Процессы модифицирующего воздействия на поверхность вызывают изменение структуры и фазового состава поверхностного слоя, это помогает получить новые свойства.

На основании процессов упрочняющей обработки для изделий из стали и чугуна наиболее перспективными являются:

1) технологии внутреннего насыщения элементами внедрения, например, азотирования, карбонитрации;

2) плазменная и лазерная обработка, за счет формирования развитой дислокационной структуры, субструктуры, сверхмелкого зерна;

3) комбинированные способы поверхностного упрочнения, когда формируется структура, обеспечивающая включение максимального числа упрочняющих механизмов.

В работе исследовались структура и свойства серого и высокопрочного чугуна после карбонитрации.

Карбонитрация – это химико-термическая обработка, при которой происходит одновременное насыщение поверхности изделий азотом и углеродом из неядовитых расплавов циановокислых солей.

Сущность метода заключается в том, что инструмент и детали машин подвергают нагреву в расплавах циановокислых солей при температурах 540-580 °С с выдержкой инструмента от 5 до 40 мин, деталей машин от 1 до 3 часов.

В жидком состоянии компоненты взаимно растворяются, эвтектика состава 8 вес.% K₂CO₃ и 92 вес.% KCNO кристаллизуется при температуре 308 °С. Для карбонитрации при температурах 540-580 ⁰С могут применяться расплавы, содержащие от 0 до 30 % K₂CO₃ и от 100 до 70 % KCNO.

По данным Д.А. Прокошкина, наиболее целесообразно использовать ванну состава 75-80 % цианата калия и 15-20 % карбоната калия (поташа).

При большем содержании поташа он выпадает в виде твердой фазы, расплав загустевает и становится непригодным для использования [1].

При температурах ведения процесса карбонитрации цианат калия вступает в химическое взаимодействие с кислородом воздуха:

2KCNO + O₂ ↔ K₂CO₃ + CO +2N_ат. (1)

с образованием окиси углерода и атомарного азота. Окись углерода диссоциирует на поверхности металла по реакции:

2СО↔ СО₂ + С (2)

с выделением активного углерода.

Процесс карбонитрации получил широкое распространение для упрочнения металлорежущего инструмента из быстрорежущих сталей.

Структура и свойства чугуна после карбонитрации в настоящее время еще недостаточно изучены, а характер взаимодействия при химико-термической обработке во многом зависит от материала изделия.

Объектом исследований явились образцы из серого СЧ 25 и высокопрочного ВЧ 60 чугуна после карбонитрации.

На поверхности располагается темная зона, за которой следует нетравящийся светлый слой, отделенный видимой границей от матрицы. Включения графита, пронизывая весь слой, выходят на поверхность.

В процессе карбонитрации происходит насыщение азотом, углеродом, а также кислородом чугуна – многокомпонентного сплава на основе железа с содержанием кремния, марганца, хрома, титана, углерода в химически связанном и свободном состоянии – в виде графита.

Взаимодействие между элементами, входящими в состав чугуна и насыщающими компонентами при карбонитрации, имеет сложный характер, зависящий от термодинамической активности элементов.

Изучение распределения элементов в поверхностном слое чугуна после карбонитрации проводили микрорентгеноспектральным методом на установках «ЕМАХ-8500Е» и «Сamebax-MBX».

Кривые интенсивности распределения легирующих элементов по глубине карбонитрированного слоя при сканировании электронным зондом вдоль линии приведены на рисунке.

Максимумы на кривых свидетельствуют о некотором обогащении поверхностного слоя чугуна кремнием, хромом и марганцем при одновременном уменьшении содержания в нем железа.

Более высокое, по сравнению с матрицей чугуна, содержание хрома, кремния и марганца в поверхностном слое связано с большей, чем у железа термодинамической активностью этих элементов по отношению к азоту, углероду и кислороду.

В работе проводили сравнительные испытания образцов на износостойкость после различных видов ХТО.

Из большого числа применяющихся в настоящее время для изделий из чугуна способов ХТО были выбраны нитроцементация и «жидкостное азотирование», как наиболее близкие к предлагаемому методу карбонитрации.

Нитроцементацию осуществляли в газовой смеси аммиака и экзогаза при температуре 590 °С в течение 6 час.

Насыщение образцов при «жидкостном азотировании» проводили в соли при температуре 570 °С в течение 2 час.

Более высокую износостойкость чугуна после карбонитрации по сравнению с нитроцементацией, особенно при больших нагрузках, можно объяснить большей пластичностью карбонитрированного слоя, а также хорошей прирабатываемостью трущихся поверхностей [2].

Нитроцементацию осуществляли в газовой смеси аммиака и экзогаза (состав: СО₂ – 0,7%, Н₂ – 19,4%, СО – 1,4% и О₂ – 0,8%) при температуре 590 °С в течение 6 час.

Насыщение образцов при «жидкостном азотировании» проводили в соли АСГ – І (ТУ 6-03-29-5-7) при температуре 570 °С в течение 2 час.

Партию поршневых колец автомобиля ЗАЗ-968 карбонитрировали в специально изготовленной оправке при температуре 560 °С в течение 3 часов.

Стендовые и дорожные испытания показали увеличение их износостойкости в 2,6 раза по сравнению с неупрочненными.

Дәстүрлі металлургиялық процесс газ ағымдарын реагент және энергия көзі ретінде пайдалануға негіз­делген. Сондықтанда процестің негізгі шарты металл алуға арналған шихта қабаттарының арасынан газ ағымдарының балансқа сәйкес мөлшерде жылжуын қамтамасыз ету [1].

Практикалық деректерге сүйене отырып, шахталы пештерде шихта арасымен жүретін газ ағымдарының жалпы фазааралық бетіне келтірілген жылдамдығы 1,0-1,2 м/с аралығында. Осы жылдамдықты қамтама­сыз ете отырып, майда қоқымдардың кері қарай ұшуына мүмкіншілік бермеу керек. Яғни пешке ірі­ленген және майда қоқымдардан еленген шихталар пешке жүктелу қажет. Сондықтан да дисперсиялық қалдықтар мен қоқымдар, химиялық құрамы жақсы деңгейде болатұрса да қалдық деп есептеледі. Диспер­стiк қалдықтардың жақсы қасиетінің бірі оның беттiк энергиясының жоғары дәрежеде болуында.

Экологиялық дағдарыс кезiнде және энергия тап­шылығында осы энергияны пайдалануды ескеретiн, дәстүрсiз технологиялық процестердi жасақтау қажет. Бұл дегенiмiз тек жаңа техникалық шешiмдердi жасауды бiлдiрмейдi. Көптеген техникалық шешiмдер iстеп тұрған (iстегi) агрегаттың жұмыс режимiн немесе оның бөлек (жеке) түйiндерiн рационалды түрде өзгерту арқылы дәстүрлi технологиялық процестiң шартына байланысты өндiрiс қалдықтарын пайдалануды қамтамасыз етуге ымыралы болуы мүмкiн.

Дәл осы жол қазіргі экономикалық жағдайға сай өте қолайлы, тиiмдiлiгi жоғары процестерді енгізу ар­қылы шығынның минимумға айналуына қол жеткiзе­тiн бағыт.

Металдардың реакциялық процестерiнiң көмiрте­гiмен тiкелей жүруiн зерттеген кезде бұдан бұрынғы теориялық жәйттерде диссоциациялық буынға мән берiлмеген. [2, 3] жұмыстарында оксидтер мен қатты көмiртегiн қатар қыздырған кезде олардың денесiнде күрделi физикалық процестердiң пайда болатындығы терең зерттелiп, бiрнеше тәсiлдермен дәлелденген. Бұрынырақ жасалған тәжiрибелердiң көрсетуiнше [3], тотықтар мен көмiртегiден тұратын жүйелердi қыз­дырғанда одан бiрмезгiлде СО₂ және СО-ның қатар бөлiнiп шыққанын анықтап, оның негiзi диссоциация-адсорбциялық механизмiмен жүретiндiгiн дәлелдеген.

Металлургия өндірісінің темір рудалық (кен) базасын дамытуда қажетті шикізаттарды қайта өңдеуге дайындау және қайта өңдеудің тиімді әдістерін іздес­тірудің маңызы зор. Мәселені осы тұрғыдан қарасты­ру табиғи шикізат қорларын химиялық және грануло­метриялық құрамы бойынша жарамды және жарамсыз екі топқа бөлу ретіне, сонымен қатар, Қазақстанда шығарылатын металдарды тиімді қолдануға келтіреді.

Бұл жайға негізгі себеп технологиялық сұраныс­тар, шарттар шикізат сапасына тікелей байланысты­лығы. Осылай өндіріс кезінде жарамсыз шикізат және өндіріс қалдықтары қалыптасып жиналады.

Қазақстанда өндірістің дамуына сай жарамсыз материалдар, соның ішінде машинажасау өндірісіндегі қалдықтар мен металл жоңқалары көбейіп барады. Бұларды дәстүрлі технология бойынша қайта балқыту тиімсіз. Оларды жаңа технологиямен тікелей конст­рукциялық қорытпасын алуға пайдалану, жаңа техно­логияның сөзсіз қажет болатындығының дәлелі.

Жалпы конструкциялық бұйымдардың 40 % шойын қорытпасынан құйылып жасалады. Шойыннан жонылған жоңқаларды және өндірістік қалдықтарды тиімді пайдалану жаңа технологияны жасақтауды қажет етеді.

Құрамында көміртегі мен кремний жоғары мөл­шерде болатын өндірістің жарамсыз шикізаттары мен металл қалдықтарын пайдалану мүмкіндігінің теория­лық ережелері тәжірибе жүзінде дәлелденген.

Шойын үгінділерін легірлеуші металдардың Mo, Ni, Cr, Mn және Fе тотықты концентраттарын қоса отырып, тәжірибелік балқыту арқылы еріген реагент­тердің металл тотықтарымен тиімді әрекеттесетінін және кең аумақта конструкциялық болаттар алу мүм­кіндігін көрсетеді [4].

Зертханадағы тамман пешінде ұсақталған шихта­лық материалдарды балқытып, тәжірибелік жұмыста­ры жүргізілгенде: шихтаны құраушылар ретінде СЧ-15 маркалы сұр шойынның жоңқасы, майда ұсақтал­ған темір қағы, марганец концентраты мен ағаштық көмір қолданылды.

Ұсынылып отырған технологияға қажет сұр шойын мен темір қағы «АрселорМиттал Теміртау» АҚ металлургия өндірісінің қалдықтарынан алынды. Пай­даланылған материалдар құрамының химиялық тал­дауы 1-кестеде келтірілген.

Ал марганецтің концентраты ретінде пайдаға жарамсыз шикізат (өндіріс қалдығы) деп есептелетін және өзінің химиялық құрамына бола іс-жүзінде кең қолданылмайтын үшінші сортты Жәйрем концентраты (ЖК-3) пайдаланылады. Марганец концентратын редукциялауға ағаш көмірінің есепке сай мөлшерін [1] пайдаланады.

Кристалдану процесі аяқталған соң, металдың бетінен шлакты (қоқысты) кетіріп (бөліп), құйма беті ластанудан арнайы тазартылады. Одан әрі алынған металды химиялық және фазалы оптикалық талдауға жібердік.

Металды редукциялай балқытудың нәтижесінде алынған химиялық талдау қорытындысы 2-кестеде келтірілген.

Бастапқы сұр шойынның микроқұрылымы 1-су­ретте келтірілген. Микроқұрылымдағы бастапқы сұр шойынның негізі перлиттен және (2-3%) ферриттен құралған, сонымен қатар, шойын құрылымындағы еркін графит пластинкалы пішінге ие. Бұдан басқа, сұр шойынның құрылымында фосфидтік эвтектика түзіледі (бар). Редукциялап балқытылған өнім (ме­талл) өзінің химиялық құрамы бойынша фосфор мөлшері жоғары эвтектоидтан кейінгі болатқа сәйкес (2-кестеде) және ТШ 24-1-12-182-75 (техникалық шарт) бойынша құймалар үшін қолданылатын 80 ГСЛ маркалы болаттың химиялық құрамына өте ұқсас боп шыққан. Алынған болаттың құрылымы түйіршік ше­карасы бойынша екінші реттік цементиттен және фосфидтік эвтектикасы бөлінген перлиттік негізіне ие болды.

Редукциялап балқытылған металдың микроқұры­лымының талдауы (2-сурет) сұр шойынның бастапқы металдық жоңқасындағыға қарағанда, фосфидтік эвтектикасының жалпы мөлшері біршама аз екендігін көрсетті.

Осылайша, металлургия өндірісінің өнімдерінен және дәстүрлік металлургия технологиясына жарамсыз (сапасыз) материалдарды редукциялап балқыту жолымен болатты алудың принциптік мүмкін екендігі көрсетілген.

Мұндай технологияның ерекшелігі мен артықшы­лығы редукциялай балқыту кезінде темір кеншикізат­тың ішіндегі қосымша пайдалы металдар Mn, Si, V, Cr алынатын болат ішіне сіңдіріп, оның тұтынушылық сапасын арттыруда. Жаңа технологияның принципі редукциялай балқытудың жоғары температурада жүретін реакцияларын іс-жүзінде реттей білуде, осының арқасында редукциялаушы элементтерді дәл мөлшерде жұмсап, пайдалы редукцияланған метал­дарды болат құрамында сақтап қалуға негізделген [5].

Қорытынды. Бүгінгі таңда жарамсыз шикізаттар­ды пәрменді қайта өңдеу және өндіріс қалдықтарын іске асыру мүмкіншіліктері және домна өндірісінің өнімдерін қолдану, құйылған дайындамалардың сапасын жақсарту және дайын металл өнімінің сенімділігі мен ұзақ мерзімді жұмыс істеуі өндірістің экономикасына тікелей байланысты осы себептен өзекті мәселелер қатарында болып келеді.