Усовершенствование технологических процессов поверхностного легирования заготовок в литейной форме

Анализом эксплуатации литых деталей машин и механизмов, работающих в условиях интенсивного износа, высоких температур и агрессивных сред установлено, что технологии их изготовления с использованием объемного легирования не всегда оправданы, поскольку такие детали изнашиваются на небольшую глубину, о...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2017
Автори:	Ковальчук, А.Г., Ямшинский, М.М., Федоров, Г.Е.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2017
Назва видання:	Металл и литье Украины
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/163233
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Усовершенствование технологических процессов поверхностного легирования заготовок в литейной форме / А.Г. Ковальчук, М.М. Ямшинский, Г.Е. Федоров // Металл и литье Украины. — 2017. — № 8-10 (291-293). — С. 55-62. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-163233
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1632332020-01-27T01:26:09Z Усовершенствование технологических процессов поверхностного легирования заготовок в литейной форме Ковальчук, А.Г. Ямшинский, М.М. Федоров, Г.Е. Анализом эксплуатации литых деталей машин и механизмов, работающих в условиях интенсивного износа, высоких температур и агрессивных сред установлено, что технологии их изготовления с использованием объемного легирования не всегда оправданы, поскольку такие детали изнашиваются на небольшую глубину, окисляются или повреждаются иным образом. Наилучшими и дешевыми материалами для получения отливок с дифференцированными свойствами поверхности являются порошки ферросплавов и их механические смеси. Аналізом експлуатації литих деталей машин і механізмів, які працюють в умовах інтенсивного зносу, високих температур і агресивних середовищ встановлено, що технології їх виготовлення з використанням об’ємного легування не завжди виправдані, оскільки такі деталі зношуються на невелику глибину, окислюються або пошкоджуються іншим чином. Найкращими і дешевими матеріалами для виготовлення виливків з диференційованими властивостями поверхні є порошки феросплавів та їх механічні суміші. Analysis of operation of cast parts of machines and mechanisms that work in the conditions of intense wear indicates that the technologies of their manufacture using bulk doping do not always justify themselves, as small thickness of such parts wears out or is damaged. The best and cheapest materials to get castings with differentiated surface properties are FeMn and FeTi (ferromanganese, ferrotitanium) powders, as well as their mechanical mixtures. 2017 Article Усовершенствование технологических процессов поверхностного легирования заготовок в литейной форме / А.Г. Ковальчук, М.М. Ямшинский, Г.Е. Федоров // Металл и литье Украины. — 2017. — № 8-10 (291-293). — С. 55-62. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 2077-1304 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/163233 621.745.55 ru Металл и литье Украины Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Анализом эксплуатации литых деталей машин и механизмов, работающих в условиях интенсивного износа, высоких температур и агрессивных сред установлено, что технологии их изготовления с использованием объемного легирования не всегда оправданы, поскольку такие детали изнашиваются на небольшую глубину, окисляются или повреждаются иным образом. Наилучшими и дешевыми материалами для получения отливок с дифференцированными свойствами поверхности являются порошки ферросплавов и их механические смеси.
format	Article
author	Ковальчук, А.Г. Ямшинский, М.М. Федоров, Г.Е.
spellingShingle	Ковальчук, А.Г. Ямшинский, М.М. Федоров, Г.Е. Усовершенствование технологических процессов поверхностного легирования заготовок в литейной форме Металл и литье Украины
author_facet	Ковальчук, А.Г. Ямшинский, М.М. Федоров, Г.Е.
author_sort	Ковальчук, А.Г.
title	Усовершенствование технологических процессов поверхностного легирования заготовок в литейной форме
title_short	Усовершенствование технологических процессов поверхностного легирования заготовок в литейной форме
title_full	Усовершенствование технологических процессов поверхностного легирования заготовок в литейной форме
title_fullStr	Усовершенствование технологических процессов поверхностного легирования заготовок в литейной форме
title_full_unstemmed	Усовершенствование технологических процессов поверхностного легирования заготовок в литейной форме
title_sort	усовершенствование технологических процессов поверхностного легирования заготовок в литейной форме
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
publishDate	2017
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/163233
citation_txt	Усовершенствование технологических процессов поверхностного легирования заготовок в литейной форме / А.Г. Ковальчук, М.М. Ямшинский, Г.Е. Федоров // Металл и литье Украины. — 2017. — № 8-10 (291-293). — С. 55-62. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Металл и литье Украины
work_keys_str_mv	AT kovalʹčukag usoveršenstvovanietehnologičeskihprocessovpoverhnostnogolegirovaniâzagotovokvlitejnojforme AT âmšinskijmm usoveršenstvovanietehnologičeskihprocessovpoverhnostnogolegirovaniâzagotovokvlitejnojforme AT fedorovge usoveršenstvovanietehnologičeskihprocessovpoverhnostnogolegirovaniâzagotovokvlitejnojforme
first_indexed	2025-07-14T15:45:35Z
last_indexed	2025-07-14T15:45:35Z
_version_	1837637761290469376
fulltext	55ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293) деталей подтверждено, что толщина поверхностного слоя со специальными свойствами должна быть не менее 5–10 мм. Наплавлением можно получить слой такой толщины, но этот процесс очень трудоемкий и дорогой, при этом на некоторых поверхностях дета- лей наплавление металла вообще осуществить не- возможно. Для реализации проблемы ухода от объемного легирования перспективными могут быть способы производства литых деталей из нелегированных сплавов на основе железа с поверхностным компо- зиционным или легированным слоем, который обра- зуется во время формирования отливки в литейной форме. Проблема может быть также решена изготов- лением биметаллических отливок. К химическому составу, микроструктуре, физиче- ским и механическим свойствам сплавов, исполь- зуемых для изготовления износостойких или жаро- стойких деталей, предъявляют особые требования в зависимости от условий их эксплуатации. Для изно- состойких сплавов обязательным является наличие в структуре значительного количества стойких кар- бидов в перлитной или мартенситной металлической матрице, максимальная микротвердость структурных составляющих металла, соответствие микрострукту- ры правилу Шарпи и др. Для жаростойких сплавов главным требованием является четкое установление соотношения основных легирующих элементов, при- дающих сплавам высокие окалиностойкость и тер- мостойкость. В то же время к химическому составу, структуре и механическим свойствам металла осно- вы, которая не контактирует с абразивом или агрес- сивной высокотемпературной средой, предъявляют К деталям современных машин и механизмов предъявляют повышенные требования относи- тельно износостойкости, жаростойкости, корро- зии и эрозии в различных агрессивных средах. Срок службы отдельных литых деталей в значитель- ной мере определяет надежность машин, их произво- дительность и длительность эксплуатации. Анализом эксплуатации большого количества литых деталей машин и механизмов, работающих в условиях интенсивного износа, высоких температур и агрессивных сред, установлено, что технологии их изготовления методами литья с использованием объ- емного легирования далеко не всегда оправдывают себя, а во многих случаях и вредны, поскольку лишь поверхностные слои изделий изнашиваются, превра- щаются в окалину или повреждаются иным образом. Это приводит к неоправданным расходам дорогих и дефицитных ферросплавов, к усложнению процес- сов выплавки высоколегированных сплавов. Оче- видно, что в этих случаях достаточно было бы обе- спечить высокие эксплуатационные характеристики только рабочих поверхностей таких деталей. Для достижения высоких показателей поверх- ностной прочности, твердости и износостойкости де- талей в машиностроении используют разные виды обработки: термическую, химико-термическую, ла- зерную и другие, а также применяют электрохимиче- ские покрытия и наплавления на поверхности изде- лий металла со специальными свойствами. Однако многими из этих методов не удается получить слой с нужными свойствами толщиной более 0,3 мм, что явно недостаточно, особенно для длительной экс- плуатации деталей. Практикой использования таких УДК 621.745.55 А. Г. Ковальчук, асп. каф. М. М. Ямшинский, канд. техн. наук, зав. каф., e-mail: yamshinskiy@iff.kpi.ua Г. Е. Федоров, канд. техн. наук, доц. каф. Национальный технический университет Украины «КПИ им. Игоря Сикорского», Киев Усовершенствование технологических процессов поверхностного легирования заготовок в литейной форме Анализом эксплуатации литых деталей машин и механизмов, работающих в условиях интенсивного износа, высоких температур и агрессивных сред установлено, что технологии их изготовления с использованием объемного легирования не всегда оправданы, поскольку такие детали изнашиваются на небольшую глубину, окисляются или повреждаются иным образом. Наилучшими и дешевыми материалами для получения отливок с дифференцированными свойствами поверхности являются порошки ферросплавов и их механические смеси. Гранулометрический состав таких порошков должен находиться в пределах 0,2–0,4 мм. В качестве связующего компонента для приготовления покрытия следует использовать жидкое стекло плотностью 1,0 г/см3 в количестве 3–6 % в зависимости от гранулометрического состава порошков. Технологии поверхностного легирования позволяют получить на поверхности отливки легированный бездефектный слой толщиной до 10–12 мм. Качество легированного слоя соответствует эксплуатационным требованиям к изделиям, которые работают в условиях абразивного или гидроабразивного износа, высоких температур и агрессивных сред. Ключевые слова: поверхностное легирование, компонент покрытия, ферромарганец, ферротитан, механические смеси, жидкое стекло, технический лигносульфонат (ЛСТ), износостойкость. 56 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293) фективнее осуществляется процесс поверхностного легирования и тем качественнее и толще образуется легированный слой. В случае использования легирующих покрытий, температура растворения которых максимально при- ближается к температуре заливаемого расплава, ос- новными составляющими процесса поверхностного легирования является проникновение расплава в поры покрытия и последующее диффузионное рас- творение компонентов покрытия с образованием ле- гированного слоя заданных состава и структуры. Ин- тенсивность растворения компонентов легирующего покрытия определяется скоростью проникновения в него расплава капиллярами, размеры которых опре- деляются гранулометрическим составом компонен- тов легирующего покрытия [7]. Для повышения износостойкости стальных отли- вок в поверхностный рабочий слой изделия рекомен- дуют вводить твердые неметаллические включения – кварцит и корунд, однако способ не нашел широкого использования через слабую связь легированного слоя с основным металлом [8, 9]. Возможность изготовления отливок с дифферен- цированными свойствами металла поверхностным легированием в процессе литья доказана в рабо- тах [7–10]. Механизм поверхностного легирования авторы объясняют переходом легирующих элемен- тов из обмазки формы или стержня в поверхностный слой отливки по такой схеме: во время заполнения формы расплавом легирующее покрытие прогрева- ется, затем после наступления контакта с расплавом тонкий его слой расплавляется, а основная его масса только нагревается до высокой температуры. В за- висимости от температуры плавления компонентов легирующего покрытия в дальнейшем осуществля- ются процессы максимального расплавления или растворения. В первом случае процесс образования легированного слоя кратковременный (10–15 с), в другом – достаточно длительный и зависит во мно- гом от толщины стенки отливки и температуры плав- ления компонентов легирующего покрытия. Толщина легированного слоя при этом зависит от интенсив- ности и длительности диффузионных процессов на границе раздела «легирующее покрытие – металл основы». Диффузионные процессы эффективны при производстве толстостенных отливок: толщина легированного слоя при этом достигает 10–15 мм. Несмотря на то, что диффузионным процессам при поверхностном легировании отводится важная роль, основным следует считать процесс расплавления компонентов покрытия. Толщина легированного слоя в этом случае зависит от химического состава по- крытия и его толщины. Анализируя взаимодействие металла с легирующим покрытием, авторы робот [7, 10, 11] утверждают, что температуру заливаемого в форму расплава в каждом конкретном случае сле- дует выбирать в зависимости от температур плавле- ния компонентов легирующего покрытия. При этом проявляется концентрационная неоднородность в легированном слое, со временем уменьшающая- ся вследствие диффузионных процессов. Однако к полному выравниванию концентрации легирующих иные требования, например, отсутствие карбидоо- бразующих химических элементов, мягкая пластич- ная ударостойкая или нежаростойкая перлитная металлическая матрица. Следовательно, исходя из условий эксплуатации, такие детали должны иметь дифференцированные свойства металла в различ- ных частях, в том числе и поверхности. Именно для производства таких деталей могут быть использова- ны процессы поверхностного легирования или биме- таллического литья заготовок. В работе рассмотрены некоторые актуальные аспекты теоретических и технологических основ про- цессов поверхностного легирования для производ- ства литых деталей из сплавов на основе железа с дифференцированными свойствами поверхности. Одним из резервов экономии дорогостоящих ле- гирующих элементов с одновременным повышением эксплуатационных свойств литых заготовок является образование на их поверхности слоя металла, кото- рый имел бы ранее запрограммированные структуру и служебные свойства. Формирование такого рабо- чего слоя осуществляют методами поверхностного легирования с использованием различных обмазок или армированием поверхности отливки вставками из материала, имеющего высокие эксплуатационные свойства [1]. Поверхностное легирование позволяет существенно повысить, например, износостойкость отливок в результате управления процессами струк- турообразования в поверхностном слое [1, 2]. В зависимости от материалов, применяемых в технологиях изготовления литых заготовок с диф- ференцированными свойствами поверхности, раз- личают такие способы формирования легированного слоя с использованием: – ферросплавов заданного химического состава; – тугоплавких порошкообразных дисперсных ма- териалов (карбидов, нитридов, оксидов); – чистых металлов или специальных лигатур. Легирование поверхностного слоя металла литой заготовки осуществляется вследствие взаимодей- ствия предварительно нанесенного на поверхность литейной формы или стержня соответствующего ле- гирующего компонента и заливаемого в форму пере- гретого расплава. Жидкий металл расплавляет или растворяет легирующий компонент покрытия и об- разует легированный слой, свойства которого суще- ственно отличаются от свойств заливаемого метал- ла. Таким способом можно получить легированный слой толщиной до 7–12 мм [2–6]. Интенсивность протекания процесса легирования и его эффективность определяются температурами заливаемого в форму металла и расплавления или растворения компонентов легирующего покрытия, а также соотношением толщины стенки отливки и ле- гирующего покрытия. Чем выше разница температур перегрева ос- новного металла и плавления или растворения по- крытия, тем больше покрытие расплавляется или растворяется, тем толще образуется легированный слой с необходимыми специальными свойствами. Чем толще стенка литой заготовки, тем выше тепло- содержание залитого металла в этом месте, тем эф- 57ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293) элементов диффузия не приводит из-за короткого времени пребывания легированного слоя в жидком состоянии. Равномерная концентрация химических элементов по толщине легированного слоя имеет место в результате механического перемешивания залитого жидкого металла с компонентами покрытия. Предыдущими исследованиями процессов по- верхностного легирования [7] установлена целесоо- бразность использования для получения качествен- ного легированного слоя толщиной до 10–12 мм при производстве литых заготовок отдельных компонен- тов – ферромарганцев с различным содержанием углерода, высокоуглеродистого феррохрома, алюми- ниевого порошка и др. Исследовано влияние гранулометрического со- става компонентов легирующего покрытия на тол- щину и микротвердость легированного слоя. В ка- честве компонентов покрытия использовано меха- ническую смесь порошков ферросплавов и карбида титана в определенном соотношении на основании проведенных ранее исследований (ФМн78А – 70 %, ФТи30А – 20 %, ФБ – 5 %, ТіС – 5 %). В качестве свя- зующих компонентов использовали жидкое стекло (М = 2,5, плотность – 1,4 г/см3) и технический лиг- носульфонат. Толщина легирующего покрытия во всех опытах составляла 5 мм. Температуру распла- ва перед заливкой форм выдерживали на уровне 1630 ± 10 °С. Толщина литых образцов составляла 30 мм. В качестве расплава использовали средне- углеродистую сталь 30Л. Наилучшие результаты получены при использо- вании компонентов легирующего покрытия фракций 02 и 0315 мм (рис. 1). Несмотря на то, что покрытие представляет собой холодильник, оно быстро нагре- вается до температуры жидкого металла. В первом случае процесс поверхностного легирования осу- ществляется наиболее интенсивно вследствие рас- плавления покрытия под действием тепла залитого металла, поскольку компоненты покрытия (за исклю- чением карбида титана) имеют меньшую температу- ру плавления, чем залитый металл. Компоненты по- крытия фракции 02 мм вследствие незначительных микрообъемов быстро расплавляются и образуют легированный слой наибольшей толщины. Карбид титана в таком покрытии играет роль упрочняющего компонента легированного слоя. Во втором случае частицы компонентов легиру- ющего покрытия фракции 0315 имеют большие раз- меры, поэтому процесс образования легированного слоя осуществляется несколько по-иному. Жидкий металл во время заливки в форму под давлением проникает в поры покрытия и нагревает его до тем- пературы плавления. Тепла металла достаточно для расплавления поверхностного слоя покрытия, в дальнейшем начинают преобладать диффузионные процессы, которые протекают значительно медлен- нее. Толщина легированного слоя несколько умень- шается, но остается достаточно значительной. Во время протекания процессов поверхностно- го легирования существенно изменяется структура металла основы, поскольку в поверхностном слое образуется твердый раствор железа с легирующи- ми элементами, входящими в состав компонентов покрытия, карбиды марганца, карбонитриды титана, бориды, что существенно повышает микротвердость структурных составляющих и общую твердость рабо- чего слоя металла. Металлостатическое давление жидкого металла превышает капиллярное (если угол смачивания боль- ше 90°) и проникает в поры легирующего покрытия. Глубина проникновения расплава до затвердевания основной его массы тем больше, чем больше размер пор в покрытии и давление металла и чем меньше теплоаккумулирующая способность покрытия. Если количество тепла, которое поступает от отливки к ле- гирующему покрытию, превышает количество тепла, которое забирает литейная форма, то часть легирую- щего покрытия может расплавляться и растворяться и способствовать дальнейшему проникновению жид- кого металла в покрытие. Этот процесс будет длить- ся до тех пор, пока количество тепла, подведенное к границе раздела «легирующее покрытие – основ- ной металл», не станет равным или меньшим, чем количество тепла, которое может отвести форма от этого раздела. Жидкий металл в порах легирующего покрытия начнет взаимодействовать с зернами по- крытия и растворять их. В этом случае большая роль в выравнивании химического состава по сечению легированного слоя отводится диффузионным про- цессам, величине зерна и пористости легирующего покрытия. Таким образом, в тех случаях, когда для легирую- щего покрытия используют компоненты, температура плавления которых ниже или выше температуры кри- сталлизации основного металла отливки, процесс легирования осуществляется либо в результате рас- плавления покрытия, либо в результате проникнове- ния основного металла в поры легирующего покры- тия с последующим его растворением вследствие Изменение толщины (1) легированного слоя в за- висимости от гранулометрического состава компонентов легирующего покрытия и его микротвердости (2) по толщи- не после использования компонентов фракции 02 Рис. 1. 8,0 Н /м м2 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 58 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293) протекания диффузионных процессов. В тех случаях, когда необходимо использовать механические смеси на основе компонентов с различной температурой плавления, будут одновременно осуществляться оба процесса. Все зависит от температуры перегревания заливаемого в форму расплава и разницы темпера- тур плавления покрытия и основного металла. Следовательно, для получения качественного ле- гированного слоя необходимой толщины и твердости целесообразно использовать в качестве легирующих покрытий механические смеси с размерами частиц 0,2 и 0,315 мм. Покрытия с размерами частиц 04 и 063 мм целесообразно использовать при производ- стве литых заготовок с толщиной стенок более 30 мм, при этом следует осуществлять максимально воз- можное для конкретных производственных условий перегревание металла перед заливкой его в формы. Исследовано влияние применяемых в качестве связующих компонентов при изготовлении легирую- щего покрытия жидкого стекла (М = 2,5, плотность – 1,4 г/см3) и технического лигносульфоната (ЛСТ) на толщину и микротвердость легированного слоя. В ка- честве легирующего покрытия применяли механиче- скую смесь фракции 0,315 мм состава, описанного и исследованного выше. Для улучшения смачиваемо- сти компонентов легирующего покрытия и уменьше- ния вредного влияния на качество металла, допол- нительно ЛСТ разводили водой в соотношении 1:1, а жидкое стекло разбавляли до плотности 1,0 г/см3 [12]. Другие параметры технологического процесса остав- ляли без изменения. Результаты исследований пока- заны на рис. 2 и 3. Установлено, что применение жидкого стекла в качестве связующего компонента для легирующих покрытий в состоянии поставки нецелесообразно, поскольку толщина легированного слоя при прочих равных условиях – наименьшая (см. рис. 2). Кроме того, продукты термодеструкции жидкого стекла при- дают легированному слою весьма шероховатую по- верхность, а образование стекловидных оболочек вокруг частичек легированного покрытия уменьшает степень их расплавления под действием расплава. Это очень важно для производственных условий, где использовать высокую температуру заливки затруд- нительно. Для уменьшения процесса образования стекло- видных оболочек вокруг частичек легированного покрытия, улучшения условий их расплавления под действием залитого расплава и увеличения толщины легированного слоя, необходимо разбавлять жидкое стекло водой до плотности 1,0 г/см3. Как видно из ре- зультатов (см. рис. 2), такое решение способствует увеличению толщины легированного слоя до 8 мм, что вполне достаточно для работы деталей в усло- виях износа. При применении в качестве связующего техниче- ского лигносульфоната важную роль играет процесс газообразования. Образующиеся газы создают на границе раздела «легирующее покрытие – жидкий метал» противодавление и препятствуют проникно- вению расплава в поры покрытия. Лучшие результа- ты (максимальная толщина легированного слоя (см. рис. 2) и высокое его качество) получены после раз- бавления ЛСТ водой в соотношении 1:1. Таким образом, для получения качественного ле- гированного слоя максимальной толщины, в каче- стве связующих компонентов легирующего покрытия необходимо использовать разбавленный техниче- ский лигносульфонат или жидкое стекло плотностью 1,0 г/см3. Однако с учетом качества переходного слоя такая рекомендация требует уточнения. Анализом микро- структур (рис. 4) установлено, что связующий компо- нент существенно влияет на процессы образования переходного слоя. При использовании жидкого стек- ла плотностью 1,0 г/см3 образуется качественный Изменение толщины легированного слоя в зависи- мости от типа связующего компонента: 1 – жидкое стекло; 2 – ЛСТ; 3 – разбавленное жидкое стекло; 4 – разбавлен- ный ЛСТ Изменение микротвердости легированного слоя по толщине в зависимости от типа связующего компонента: 1 – разбавленный ЛСТ; 2 – разбавленное жидкое стекло Рис. 2. Рис. 3. 59ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293) (см. рис. 4, а), чистый от раковин и пор слой, имею- щий высокую прочность. При использовании разбав- ленного технического лигносульфоната, имеющего высокую газотворную способность, переходной слой загрязняется продуктами термодеструкции (образу- ются газовые раковины и поры) и неметаллическими включениями различной морфологии (рис. 4, б). Следовательно, в качестве связующего компонен- та при поверхностном легировании целесообразнее использовать жидкое стекло плотностью 1,0 г/см3. Исследовано целесообразность использования для поверхностного износостойкого легирования ме- ханических смесей, состоящих из основных карбидо- образующих элементов. Содержание компонентов в смесях приведено в табл. 1, а их расчетный химиче- ский состав – в табл. 2. Во всех опытах использовали покрытия толщиной 3 мм, а в качестве связующего компонента – разбавленное жидкое стекло плотно- стью 1,0 г/см3. Результаты исследования влияния ле- гирующих покрытий на их основе на толщину легиро- ванного слоя показаны на рис. 5. Легирующие покрытия отличаются содержанием марганца, углерода и железа, поэтому температу- ры плавления их разные: наивысшая – у покрытия 1, наименьшая – у покрытия 4. Этим и объясняются наилучшие результаты после использования леги- рующего покрытия 4, приготовленного из мелкоди- сперсных порошков (< 02 и 02 мм). В этих случаях превалируют процессы расплавления и растворения компонентов легирующего покрытия под действием тепла жидкого металла. Неплохими остаются ре- зультаты и после использования фракций 0315 и 04. Можно предположить, что в этих случаях осущест- вляется сначала пропитывание покрытия расплавом с последующим расплавлением и растворением ком- понентов покрытия. Глубина легированного слоя зависит, в основ- ном, от начальной глубины проникновения жидкого металла в поры покрытия. Поскольку легирующее покрытие представляет собой мощный холодильник (особенно толщиной 5–7 мм), то глубина проникнове- ния расплава в поры покрытия в значительной мере будет зависеть от температуры заливаемого металла и его жидкотекучести. Поэтому при выборе состава смесей необходимо руководствоваться, прежде все- го, этими факторами. Таким образом, анализом полученных резуль- татов установлено, что для износостойкого поверх- ностного легирования можно использовать любую из исследованных смесей. Выбор смеси зависит от не- обходимой толщины износостойкого слоя на детали и наличия соответствующей фракции ферросплава. Поскольку наилучшие результаты получены при использовании покрытия 4, теоретический и практи- ческий интерес представляют исследования влияния толщины легирующего покрытия разного грануломе- трического состава на толщину легированного слоя и влияния толщины легирующего покрытия на твер- дость легированного слоя, поскольку по изменению твердости с определенной достоверностью можно Фрагменты микроструктур поверхностных слоев литых заготовок после использования жидкого стекла (а) и ЛСТ (б) × 400 Рис. 4. а б Таблица 1 Компоненты для приготовления легирующих покрытий и их количество Индекс покрытия Содержание компонентов в механической смеси, мас. ч. Мн965 ФХ650А ФТи30А ФБ10 железный порошок электродный бой 1 35 6 15 5 33 4 2 40 6 15 5 27 5 3 45 6 15 5 21 6 4 50 6 15 10 9 8 Таблица 2 Расчетный химический состав легирующих покрытий Индекс покрытия Расчетное содержание химических элементов в покрытии, % марганец хром углерод титан бор железо 1 33,8 3,5 4,10 5,3 0,5 52,80 2 38,6 3,5 5,08 5,3 0,5 47,02 3 43,4 3,5 6,06 5,3 0,5 41,22 4 48,3 3,5 8,02 5,3 1,0 33,88 60 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293) определить толщину легированного слоя вместе с его переходной зоной. Результаты таких исследова- ний показаны на рис. 6 и 7. Установлено, что увеличение толщины легиру- ющего покрытия способствует росту легированного слоя по тем же зависимостям, что и при использова- нии отдельных ферросплавов [7]. Однако, вследствие повышения температуры плавления механической смеси, например, в сравне- нии с ферромарганцем ФМн78А, толщина легирован- ного слоя несколько уменьшается. Максимальная твердость достигается при исполь- зовании покрытия 4 толщиной 4 мм, а для смесей 1, 2 и 3 – 5 мм. Твердость легированного слоя при этом в 2,3–2,5 раза выше твердости основного металла, которая находится на уровне 30–32 НRA. Такую за- кономерность можно объяснить образованием мак- симального количества карбидов и твердых раство- ров легирующих элементов с железом при толщине покрытий до 5 мм. Увеличение толщины покрытия замедляет эти процессы вследствие быстрого ох- лаждения расплава, но твердость и толщина легиро- ванного слоя остаются достаточно высокими. Выводы Для получения качественного легированного слоя необходимой толщины и твердости при поверхност- ном износостойком легировании целесообразно ис- пользовать в качестве легирующих покрытий отдель- ные ферросплавы или механические смеси с разме- рами частиц 0,2 и 0,315 мм. Покрытия с размерами частиц 04 и 063 мм можно использовать при произ- водстве литых заготовок с толщиной стенок более 30 мм, при этом следует осуществлять максимально воз- можное для конкретных производственных условий перегревание металла перед заливкой его в формы. Для получения легированного слоя максимальной толщины, в качестве связующих компонентов леги- рующего покрытия необходимо использовать жидкое стекло плотностью 1,0 г/см3, что на высоком уровне обеспечивает чистоту легированного слоя, или раз- бавленный водой в соотношении 1:1 технический лигносульфонат. Количество жидкого стекла должно варьироваться в зависимости от фракции компонен- тов легирующего покрытия в пределах 3–6 %. Толщину легирующего покрытия и его грануломе- трический состав следует выбирать исходя из необ- ходимой толщины износостойкого слоя на реальных деталях, возможности перегревания металла и подо- гревания форм и стержней перед заливкой их рас- плавом. Влияние легирующих покрытий на основе механи- ческих смесей и их гранулометрического состава на тол- щину легированного слоя Изменение толщины легированного слоя в зави- симости от толщины легирующего покрытия (покрытие 4): 1 – фракция < 02; 2 – фракция 02; 3 – фракция 0315; 4 – фракция 04; 5 – фракция 063 Влияние толщины легирующего покрытия на твер- дость легированного слоя: 1 – покрытие 4; 2 – покрытие 3; 3 – покрытие 2; 4 – покрытие 1 Рис. 5. Рис. 6. Рис. 7. 61ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293) Поверхностное легирование дает возможность существенно сэкономить дорогие и дефицитные ферросплавы, которые используют во время объем- ного легирования. Рекомендованные параметры технологическо- го процесса поверхностного легирования в полной мере могут быть использованы в производственных условиях для изготовления износостойких литых де- талей. 1. Оболенцев Ф. Д. Физико-химия и технология композиционного литья. – Одесса: ОПИ, 1984. – 97 с. 2. Борщ В. Г. Получение композиционных отливок с качественной поверхностью при использовании металлокерамиче- ских оболочек: автореферат диссертации канд. технических наук. – КПИ, 1981. – 20 с. 3. Богачев В. М., Грузин В. Г. Легирование поверхности отливок при затвердевании // Литейное производство. – 1957. – № 5. – С.29–30. 4. Михайлов А. М., Грузин В. Г. Поверхностное легирование фасонных отливок // Литейное производство. – 1957. – № 6. – С.18–20. 5. Клычков В. В., Фурман Е. Д., Тересков Ю. И. Поверхностное упрочнение деталей машин, работающих в условиях абразивного изнашивания // Пути упрочнения изделий. – 1979. – № 2. – С. 153–158. 6. Фруль В. М. Условия образования и свойства износостойкого композиционного слоя // Литейное производство. – 1972. – № 4. – С. 22–24. 7. Ямшинський М. М., Федоров, Г. Є., Платонов Є. О. Сучасні технологічні аспекти виготовлення виливків із диференційованими властивостями поверхні // Наукові вісті Національного технічного університету «КПІ». – 2004. – № 6. – С. 21– 26. 8. Мартюшев Н. В. О возможности легирования поверхности отливок нанопорошками // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 4. – С. 122–129. 9. Технология нанесения многокомпонентных упрочняющих покрытий на стальные детали / М. А. Гурьев, Д. С. Фильча- ков, И. А. Гармаева та ін. // Ползуновский вестник. – 2012. – № 1. – С. 73–78. 10. Тихий В. Л. Исследование механизма и разработка технологии процессов поверхностного легирования отливок: дис- сертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. – К.: КПИ, 1975. – 21 с. 11. Roberta R. Moreira, Thiago F. Soares, Josimar Ribeiro. Electrochemical Investigation of Corrosion on AISI 316 Stainless Steel and AISI 1010 Carbon Steel: Study of the Behaviour of Imidazole and Benzimidazole as Corrosion Inhibitors // Advances in Chemical Engineering and Science. – 2014. – № 4. – С. 503–514. 12. Ямшинский М. М., Могилатенко В. Г., Власюк И. А., Бурлака Т. В. Исследование связующих компонентов обмазки для поверхностного легирования отливок в форме // Металл и литье Украины. – 2012. – № 9. – С. 17–20. 1. Obolentsev F. D. (1984). Fiziko-khimiia i tekhnologiia kompozitsionnogo lit’ia [Physico-chemistry and technology of composite casting]. Odessa: OPI, 97 p. [in Russian]. 2. Borshch V. G. (1981). Poluchenie kompozitsionnykh otlivok s kachestvennoi poverkhnost’iu pri ispol’zovanii metallokeramicheskikh obolochek [Production of composite castings with a high-quality surface using cermets]. Extended abstract of candidate’s thesis, KPI, 20 p. [in Russian]. 3. Bogachev V. M., Gruzin V. G. (1957). Legirovanie poverkhnosti otlivok pri zatverdevanii [Alloying of the surface of castings during solidification]. Liteinoe proizvodstvo, no. 5, pp. 29-30 [in Russian]. 4. Mikhailov A. M., Gruzin V. G. (1957). Poverkhnostnoe legirovanie fasonnykh otlivok [Surface alloying of shaped castings]. Liteinoe proizvodstvo, no. 6, pp. 18–20 [in Russian]. 5. Klychkov V. V., Furman E. D., Tereskov Yu. I. (1979). Poverkhnostnoe uprochnenie detalei mashin, rabotaiushchikh v usloviiakh abrazivnogo iznashivaniia [Surface hardening of machine parts working under abrasive wear conditions]. Puti uprochneniia izdelii, Moscow, no. 2, pp. 153–158 [in Russian]. 6. Frul’ V. M. (1972). Usloviia obrazovaniia i svoistva iznosostoikogo kompozitsionnogo sloia [The formation conditions and the properties of the wear-resistant composite layer]. Liteinoe proizvodstvo, no. 4, pp. 22–24 [in Russian]. 7. Yamshyns’kii M. M., Fedorov G. E., Platonov E. O. (2004). Suchasnі tekhnologіchnі aspekty vyhotovlennia vylivkіv іz diferentsіiovanymi vlastivostiami poverkhnі [Modern technological aspects of manufacturing castings with differentiated surface properties]. Naukovі vіstі Natsіonal’noho tekhnіchnoho unіversitetu «KPІ», no. 6, pp. 21–26 [in Ukrainian]. 8. Martiushev N. V. (2013). O vozmozhnosti legirovaniia poverkhnosti otlivok nanoporoshkami [On the possibility of alloying the surface of castings with nanopowders]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniia, no. 4, pp. 122–129 [in Russian]. 9. Gur’ev M. A., Fil’chakov D. S., Garmaeva I. A. et al. (2012). Tekhnologiia naneseniia mnogokomponentnykh uprochniaiushchikh pokrytii na stal’nye detali [Technology of applying multicomponent hardening coatings on steel parts]. Polzunovskii vestnik, no. 1, pp. 73–78 [in Russian]. ЛИТЕРАТУРА REFERENCES 62 ISSN 2077-1304. МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ. 2017. № 8-10 (291-293) 10. Tikhii V. L. (1975). Issledovanie mekhanizma i razrabotka tekhnologii protsessov poverkhnostnogo legirovaniia otlivok [Investigation of the mechanism and development of technology for surface alloying of castings]. Candidate’s thesis, Kiev: KPI, 21 p. [in Russian]. 11. Roberta R. Moreira, Thiago F. Soares, Josimar Ribeiro (2014). [Electrochemical Investigation of Corrosion on AISI 316 Stainless Steel and AISI 1010 Carbon Steel: Study of the Behaviour of Imidazole and Benzimidazole as Corrosion Inhibitors]. Advances in Chemical Engineering and Science, no. 4, pp. 503–514 [in English]. 12. Yamshinskii M. M., Mogilatenko V. G., Vlasiuk I. A., Burlaka T. V. (2012). Issledovanie sviazuiushchikh komponentov obmazki dlia poverkhnostnogo legirovaniia otlivok v forme [Investigation of the binding components of the coating for surface alloying of castings in the form]. Metall i lit’e Ukrainy, no. 9, pp. 17–20 [in Russian]. Аналізом експлуатації литих деталей машин і механізмів, які працюють в умовах інтенсивного зносу, високих температур і агресивних середовищ встановлено, що технології їх виготовлення з використанням об’ємного легування не завжди виправдані, оскільки такі деталі зношуються на невелику глибину, окислюються або пошкоджуються іншим чином. Найкращими і дешевими матеріалами для виготовлення виливків з диференційованими властивостями поверхні є порошки феросплавів та їх механічні суміші. Гранулометричний склад таких порошків має знаходитися в межах 0,2–0,4 мм. В якості сполучного компонента для приготування покриття необхідно використовувати рідке скло щільністю 1,0 г/см3 в кількості 3–6 % залежно від гранулометричного складу порошків. Технології поверхневого легування дають можливість одержати на поверхні виливка легований бездефектний шар товщиною до 10–12 мм. Якість легованого шару відповідає експлуатаційним вимогам до виробів, які працюють в умовах абразивного або гідроабразивного зносу, високих температур і агресивних середовищ. Ковальчук О. Г., Ямшинський М. М., Федоров Г. Є. Удосконалення технологічних процесів поверхневого легування заготовок у ливарній формі Анотація Ключові слова Поверхневе легування, компонент покриття, феромарганець, феротитан, механічні суміші, рідке скло, технічний лігносульфонат (ЛСТ), зносостійкість. Koval’chuk A., Yamshinskii M., Fedorov G. Improvement of technological processes of surface alloying of work pieces in a casting form Summary Analysis of operation of cast parts of machines and mechanisms that work in the conditions of intense wear indicates that the technologies of their manufacture using bulk doping do not always justify themselves, as small thickness of such parts wears out or is damaged. The best and cheapest materials to get castings with differentiated surface properties are FeMn and FeTi (ferromanganese, ferrotitanium) powders, as well as their mechanical mixtures. The grain size of such powders should be within the range of 0.2–0.4 mm. As an adhesive component for coating, a liquid glass of 1.0 g/cm3 in a quantity of 3–6 % should be used. Ferromanganese, ferrotitanium and ferrochrome must be used to make wear-resistant parts, which allow to get an alloyed, non-defective layer up to 10–12 mm thick on the surface of the casting. The quality of the alloyed layer corresponds to the operational requirements for products that work in conditions of abrasive or water-abrasive wear, high temperatures, and aggressive media. Surface alloying, adhesive component, ferromanganese, ferrotitanium, mechanical mixtures, liquid glass, technical lignosulfonate (LST), abrasion resistance.Keywords Поступила 14.09.17

Усовершенствование технологических процессов поверхностного легирования заготовок в литейной форме

Репозитарії

Схожі ресурси