ДИССЕРТАЦИЯ
Повышение износостойкости деталей гидроагрегатов трактора
Аннотация
По мере развития техники вопросы повышения долговечности и надежности современных машин приобретают все большее значение.
В последние года получили распространение альтернативные процессы, позволяющие повысить коррозионную стойкость и износостойкость деталей, взамен гальванических способов получения покрытия. К таким процессам относится, например, совмещение процесса кратковременного газового азотирования с последующим окислением.
Тема магистерской диссертации является актуальной, т.к. повышение износостойкости шестерен масляного насоса гидроагрегатной системы является насущной проблемой инженеров и специалистов в области тракторостроения Узбекистана.
Работа посвящена исследованию и разработке комбинированного технологического процесса химико-термической обработки - азотирования с последующим парооксидированием, с целью получения диффузионных нитрид-оксидных слоев, обладающих высоким комплексом эксплуатационных свойств и способных успешно заменить гальванические покрытия для деталей, изготовленных из конструкционной стали, выявление связи между фазовым составом и строением нитрид-оксидных покрытий и их физико-механическими свойствами, создание математической модели процесса и определение рациональных режимов нитрооксидирования на деталях, работающих в условиях износа и коррозии.
В диссертации исследованы кинетика формирования диффузионных нитрид-оксидных покрытий, разработаны математические модели процессов формирования диффузионных нитрид-оксидных покрытий.
Объект исследования - шестерни масляного насоса гидроагрегатной системы.
Теоретическая ценность работы - разработана двухступенчатая технология нитрооксидирования конструкционных сталей, исследованы кинетика формирования диффузионных нитрид-оксидных покрытий, микроструктура, морфология и фазовый состав нитрид-оксидных покрытий, разработана математическая модель процесса диффузии азота при оксидировании нитридных слоев и получены аналитические зависимости перераспределения концентрации азота при нитрооксидировании.
Практическая значимость работы - разработанный технологический процесс нитрооксидирования на конструкционных сталях взамен экологически вредных гальванических способов, позволяет реализовать двухступенчатую непрерывно-последовательную схему упрочнения, заключающуюся в азотировании в аммиаке с последующим оксидированием в парах води.
Разработанная технология нитрооксидирования более экономична и экологически чистая, чем традиционные гальванические способы получения защитных покрытий.
Введение
По мере развития техники вопросы повышения долговечности и надежности современных машин приобретают все большее значение.
В настоящее время имеются разнообразные эффективные способы повышения долговечности деталей машин, в частности, для защиты поверхности от коррозии и повышения износостойкости на конструкционных сталях, широко применяются различные виды гальванических покрытий.
Гальванические способы получения покрытия обладают существенными недостатками, связанными с экологической вредностью гальванических производств, высокой стоимостью применяемых цветных металлов и необходимостью значительных дополнительных затрат на очистку отходов производства.
В последние года получили распространение альтернативные процессы, позволяющие повысить коррозионную стойкость и износостойкость деталей, взамен гальванических способов получения покрытия. К таким процессам относится, например, совмещение процесса кратковременного газового азотирования с последующим окислением.
Однако, практически во всех опубликованных работах по окислению азотированного слоя указывается на положительное влияние оксидной пленки без объяснения природы ее образования, влияния технологических параметров оксидирования на структуру и фазовый состав как нитридного, так и оксидного слоя. Отсутствие достаточных данных о кинетике формирования оксидной пленки, изменениях, происходящих в нитридном слое при его оксидировании и о влиянии технологических параметров на фазовый состав, структуру и физико-механические свойства получаемых диффузионных покрытий сдерживали применение азотирования с последующим парооксидированием в промышленности.
Целью работы является исследование и разработка комбинированного технологического процесса химико-термической обработки - азотирования с последующим парооксидированием, с целью получения диффузионных нитрид-оксидных слоев» обладающих высоким комплексом эксплуатационных свойств и способных успешно заменить гальванические покрытия для деталей, изготовленных из конструкционной стали, выявление связи между фазовым составом и строением нитрид-оксидных покрытий и их физико-механическими свойствами, создание математической модели процесса и определение рациональных режимов нитрооксидирования на деталях, работающих в условиях износа и коррозии.
Глава I. Состояние вопроса, цель и задачи исследования
.1 Состояние вопроса
.1.1 Основные способы повышения износостойкости и коррозионной стойкости стальных изделий
Увеличение долговечности работы механизмов и их надежности является важнейшим условием повышения качества изделий машиностроительной промышленности.
Для повышения износостойкости, коррозионной стойкости и кавитационной стойкости в практике машиностроительных заводов используют различные методы получения Гальванических и химических покрытий, а также химико-термическую обработку - цементацию, низкотемпературную нитроцементацию, азотирование и его разновидности.
Гальванические и химические покрытия
Гальванические и химические методы зашиты металлов применяют главным образом для повышения коррозионной стойкости и износостойкости деталей машин. В машиностроительной промышленности применяют гальванические покрытия, получаемые путем осаждения металлов из водных растворов их солей под действием постоянного электрического тока. Это процессы хромирования, никелирования, цинкования, кадмирования [l,2]. Распространены также химические покрытия, получаемые в результате взаимодействия поверхности металла с химическими реагентами без электрического тока - никелирование, оксидирование, фосфатирование [3, 4].
Наиболее эффективно защищают стали от коррозии электролитические цинковые и кадмиевые покрытия [5]. Сравнительно высокая стойкость цинка в атмосферных условиях делает возможным широкое применение его для защиты стальных листов, крепежных деталей и т.д. В воде при температуре более 60-70°С защитные свойства цинкового покрытия резко снижаются, а при отрицательных температурах покрытия становятся хрупкими. Для деталей, работающих в условиях трения, цинковое покрытие непригодно [5].
Кадмий обладает большей химической стойкостью, чем цинк. Кадмиевые покрытия более стойки в кислотах, не растворяются в щелочах, а в атмосферных условиях уступают цинковым покрытиям [5] . В морской воде и в условиях тропического климата кадмиевые покрытия обеспечивают лучшую защиту от коррозии, чем цинковые. Электролитический слой кадмия обладает высокой пластичностью и поэтому применяется для зашиты от коррозии ответственных резьбовых и сопряженных деталей, узлы которых требуют плотной сборки. Для повышения коррозионной стойкости кадмированных деталей производят пассирование в растворе хромового ангидрида. Следует отметить, что соли кадмия и цинка ядовиты и требуют предосторожности при выполнении гальванических операций.
Электролитические хромовые покрытия обладают рядом ценных физико-механических свойств, благодаря которым они находят широкое применение в промышленности. В зависимости от плотности тока, температуры и состава электролита получают хромовые покрытия, обладающие различными свойствами.
Хромовые покрытия стойки против действия сероводорода» многих кислот и щелочей, длительное время сохраняют свой цвет и блеск. Шея более высокий нормальный потенциал, чем железо, хром не обеспечивает электрохимической защиты черных металлов. Поэтому при наличии пористости слоя хрома изделия из стали подвергаются коррозии [2,6] . На воздухе и в окислительных средах хром пассивируется, покрываясь тонкой прозрачной пленкой оксидов.
Хромовые покрытия характеризуются высокой твердостью и износостойкостью при работе деталей с умеренными ударными нагрузками и удельными давлениями до 250 МПа. Надежную защиту деталей и высокие декоративные качества изделий при одновременном действии механического износа и коррозионной среды обеспечивают комбинированные хромовые покрытия, которые состоят из осадка молочного хрома толщиной 15 мкм и блестящего хрома толщиной 35 мкм [ 2 ] .
Существенным недостатком обычных электролитических хромовых покрытий является наличие растягивающихся остаточных напряжений в поверхностных слоях, значительно снижающих усталостную прочность деталей.
Гальванически осажденный никель порист и имеет пониженную пластичность, твердость покрытия сравнительно невелика -- до 3 ГПа, хорошо сопротивляется коррозии в атмосферных условиях, в растворах солей, щелочей и органических кислот. Никелирование применяют для окончательной отделки деталей в различных отраслях машиностроения, при этом в электролит добавляют специальные блескообразователи [2].
Наряду с гальваническим никелированием для зашиты деталей от коррозии и повышения износостойкости в последнее время используется химическое никелирование в ваннах с горячим раствором никеля и некоторых других компонентов. Химическое никелирование и никельфосфорные покрытия применяют для упрочнения деталей, изготовленных из высококачественных легированных сталей, а также для повышения коррозионной стойкости и износостойкости алюминиевых сплавов [3] .
Оксидные пленки повышенной толщины и плотности применяют для защиты деталей» работающих в легких коррозионных условиях. Оксидные покрытия могут быть получены термическим, химическим или электрохимическим путем.
Термическое оксидирование проводится путем погружения разогретой детали в растительные масла, расплавленную селитру, щелочные растворы [7]. В промышленности применяют щелочное и кислое химическое оксидирование. При щелочном оксидировании обработка производится в подогретом концентрированном растворе щелочи, содержащем окислители, а кислое оксидирование проводят в растворе ортофосфорной кислоты и окислителей [7] .
Электрохимическое оксидирование в основном применяют для обработки цветных металлов для защиты от коррозии в атмосферных условиях.
Для защиты от коррозии деталей из черных металлов, алюминия, цинка, магния и др. применяют фосфотирование химическим или электрохимическим способом. Хотя фосфатные покрытия более стойки против коррозии, чем оксидные покрытия в атмосферных условиях, они хрупки и не обладают стойкостью против истирания [ 4 ] .
Гальванические и химические способы, являясь эффективными методами получения покрытий, имеют и существенные недостатки. На изделиях сложного профиля практически невозможно получить равномерной толщины покрытий. Экологическая вредность гальванических производств заставляет искать альтернативные способы получения износостойких и коррозионностойких покрытий.
Для очистки отходов гальванических производств требуется большое количество вода, а отработанные электролитные растворы, содержащие цианиты и соединения цветных металлов» особенно ядовиты и относятся к первому классу вредных веществ [ 8 ]. Кроме того, элементы, содержащиеся во вредных токсичных веществах применяемых при обработке, вызывают интенсивную коррозию основного и вспомогательного оборудования.
Химико-термическая обработка
Химико-термическая обработка как метод поверхностного упрочнения металла является более эффективным способом изменения свойств поверхностного слоя вследствие изменения его состава и создания тонкого поверхностного слоя в результате диффузии атомов наносимого элемента в основной металл при высоких температурах. Для получения диффузионных износостойких и коррозионностойких слоев на сталях обычно применяют цементацию, термодиффузионную металлизацию, нитроцементацию, азотирование, оксидирование и др.
Из многочисленных методов диффузионной металлизации стальных изделий (насышения поверхностного слоя различными металлами) для повышения долговечности наибольшее практическое применение получили процессы алитирования, борирования, силицирова-ния, термодиффузионного хромирования, а также комбинированное насыщение двумя или несколькими элементами, например, хромоа-литирование, хромосилицирование, бороалитирование и т.д. [9] . Поскольку насыщение стальных изделий металлами не является предметом исследования данной работы, поэтому они подробно не рассматриваются.
Для повышения эксплуатационных свойств конструкционных сталей применяют цементацию и нитроцементацию, основное назначение которых - обеспечить высокую твердость и износостойкость поверхности, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе при сохранении вязкой сердцевины. Износостойкость цементованных конструкционных деталей увеличивается в несколько раз по сравнению с нормализованными и термически обработанными сталями [10 ].
Цементация и нитроцементация повышают предел выносливости при изгибе до 1200 МПа и при контактном нагружении до 2500 МПа, при этом повышается и износостойкость поверхности [l0] . Однако цементованные и нитроцементованные детали обладают низкой коррозионной стойкостью и имеют довольно высокий коэффициент трения.
Лучшие результаты по износостойкости и коррозионной стойкости получаются после низкотемпературной химико-термической обработки - азотирования, карбонйтрирования, сульфацианирования и др.
Карбонитрирование и сульфацианирование проводят в основном в расплавах цианидных, цианид-цианитных и цианатных солей, низкотемпературное азотирование проводят в жидких средах и газовых атмосферах (частично диссоцированном аммиаке, смеси аммиака и азота, аммиака и углеродосодержаших газов, аммиака и кислородсодержащих газов).
Основными достоинствами жидкостных методов насыщения являются высокая скорость нагрева и небольшая длительность технологического процесса, однако высокая токсичность применяемых солей, сложность очистки цианистых отходов, трудность регулирования структуры и состава диффузионного слоя, а также сложность контроля состава ванны препятствуют широкому использованию этих методов.
Наиболее перспективными являются насыщения в газовых атмосферах, которые практически безвредны для окружающей среды» кроме того применение газовых атмосфер обеспечивает получение оптимального по строению и составу диффузионного слоя [П] .