Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Серый чугун. Структура, свойства, термическая обработка, применение 9
1.1 Классификация чугунов 9
1.2. Графитизация чугуна 12
1.3. Серый чугун
1.3.1. Графитизация 15
1.3.2. Микроструктура 15
1.3.3. Механические свойства серого чугуна 16
1.3.4. Фрикционные свойства серого чугуна 19
1.3.5. Износостойкость 20
1.3.6. Влияние химического состава на структуру и свойства серого чугуна 22
1.3.7. Термическая обработка серого чугуна 23
1.3.7.1. Закалка 24
1.3.7.2. Нормализация 26
1.3.7.3. Отжиг для снятия напряжений 26
1.3.7.4. Низкотемпературный отжиг для улучшения обрабатываемости 30
1.3.8. Термообработка и поверхностное хромирование серого чугуна 31
1.3.9. Лазерная обработка поверхностей деталей из серого чугуна 39
1.3.10. Применение серого чугуна для деталей машин 42
1.4. Основные выводы, постановка задачи исследования 44
2. Теоретическое обоснование диффузионного процесса окисления марганца, кремния и углерода основы феррито-перлитного серого чугуна
2.1. Теоретическое обоснование метода поверхностного упрочнения феррито-перлитного серого чугуна 46
2.2. Термодинамический анализ процесса взаимодействия оксида железа с кремнием, марганцем и углеродом серого чугуна 47
2.2.1. Система [Fe - Si]T - FeOT- Si02T 47
2.2.2. Система [Fe - Мп\т - FeOT - MnOT - 02Г 48
2.2.3. Система [Fe - С\т - FeOT- FeT - (СО+С02)г 50
2.3. Термодинамический анализ процесса взаимодействия оксида хрома с кремнием и марганцем серого чугуна 52
2.3.1. Система [Fe - Сг]т - Сг20зт - FeO(Cr203)T - 02Г 53
2.3.2. Термодинамический анализ системы [Fe - Si - Сг]вFe - Cr203T - Si02T 55
2.3.3. Термодинамический анализ системы [Fe - Мп - Сг]вFe - Сг203т - МппОтТ - 02Г при 1273-1373 К 56
2.3.4. Термодинамический анализ системы [Fe - Мп - Сг]в Fe - Сг20зт -МпОт 59
2.4. Зависимость предельной растворимости углерода от содержания хрома в аустените 60
2.5. Условия образования карбида хрома в растворе [Fe - С - Сг]т 62
2.6. Основные выводы по главе
3. Методика исследования диффузионного слоя после окисления деталей из феррито-перлитного серого чугуна окалиной и оксидом хрома 68
4. Поверхностное упрочнение деталей из феррито-перлитного серого чугуна диффузионным окислением железной окалиной (FeO) 73
4.1. Поверхностное упрочнение феррито-перлитного серого чугуна 73
4.2. Планирование и обработка двухфакторного эксперимента по изучению влияния температуры и времени выдержки на тол щину упрочненного слоя при диффузионном окислении ока линой деталей из серого чугуна 82
4.3. Химический состав диффузионного (окисленного) слоя 89
4.4. Твердость и износостойкость упрочненного поверхностного слоя деталей из феррито-перлитного серого чугуна 91
4.5. Сварка деталей из феррито-перлитного серого чугуна 94
4.6. Основные выводы по главе 97 5. Диффузионное хромирование феррито-перлитного серого чугуна оксидом хрома 98
5.1. Обоснование процесса окисления основы феррито-перлитного серого чугуна оксидом хрома Сг2Оз 98
5.2. Диффузионное хромирование феррито-перлитного серого чугуна оксидом хрома Сг2Оз 99
5.3. Планирование и обработка двухфакторного эксперимента при диффузионном хромировании оксидом хрома деталей из серого чугуна 108
5.4. Химический состав хромированного (окисленного) слоя 112
5.5. Твердость и износостойкость диффузионного слоя 121
5.6. Основные выводы по главе 127
Заключение 129
Список литературы
- Графитизация
- Термодинамический анализ процесса взаимодействия оксида хрома с кремнием и марганцем серого чугуна
- Планирование и обработка двухфакторного эксперимента по изучению влияния температуры и времени выдержки на тол щину упрочненного слоя при диффузионном окислении ока линой деталей из серого чугуна
- Обоснование процесса окисления основы феррито-перлитного серого чугуна оксидом хрома Сг2Оз
Введение к работе
Актуальность темы. Улучшение эксплуатационных характеристик прочностных, коррозионных, сопротивление абразивному износу и т.д. деталей машин является основной задачей материаловедения. Среди проблем, связанных с эксплуатацией оборудования в машиностроительной и других отраслях промышленности, задача повышения срока службы износостойких изделий является одной из важнейших. Основными материалами, применяемыми в настоящее время для изготовления деталей, сочетающих антифрикционные и коррозионные свойства, являются чугуны. Наилучшему сочетанию требуемых характеристик отвечают высоколегированные чугуны, широко применяемые зарубежными фирмами. Однако, технологии их изготовления высокозатратны. Между тем, довольно широкое распространение в машиностроении находят детали из феррито-перлитного серого чугуна марок СЧ15, СЧ20. При этом использование этих деталей ограничивается тем, что упрочнение их поверхности либо совсем не производится, так объемная закалка дает только перлитные структуры, либо производится электролитическим хромированием и лазерной обработкой. Это явление связано с тем, что структура основы серого чугуна СЧ15, СЧ20 состоит из 90-60% феррита, который не поддается поверхностной закалке ТВЧ.
Таким образом, с целью расширения номенклатуры не дорогих деталей из серого чугуна с улучшенными эксплуатационными характеристиками, необходимо поверхностное упрочнение деталей, для чего надо изменить структуру основы с феррито-перлитной на перлитную, либо на перлито-ферритную с небольшим количеством феррита.
Разработка простого и надежного метода модификации поверхностного слоя деталей из серого чугуна является актуальной задачей.
Цель работы. Разработка нового метода поверхностного упрочнения деталей из феррито-перлитного серого чугуна, который обеспечит высокую износостойкость поверхности и заданную толщину при минимальном изменении исходной микроструктуры и макрогеометрии.
Методы исследования.
В исследовании были использованы основные положения термодинамического анализа систем, методы металлографического, химического и рентгеноспектрального анализов, методика исследования абразивного износа образцов и методы математической обработки экспериментальных данных.
Научная новизна:
теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность нового метода упрочнения поверхности деталей из феррито-перлитного серого чугуна нагревом в контакте с оксидами железа и хрома, которые окисляют углерод основы чугуна и не окисляют графит;
доказано, что диффузионное окисление элементов основы чугуна после взаимодействия с оксидами железа и хрома превращает феррит в перлит, а после быстрого охлаждения диффузионного слоя появляется возможность получения мартенситных структур;
разработан способ диффузионного хромирования изделий из чугуна, который увеличивает толщину диффузионного слоя до 1,00 мм (получено решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2009115269/02/(020865), приоритет от 21.04.2009);
получена статистическая модель толщины упрочненного слоя феррито-перлитного серого чугуна после окисления окалиной и диффузионного хромирования в зависимости от температуры и продолжительности процесса;
доказано, что твердость упрочненного слоя серого чугуна после диффузионного хромирования и быстрого охлаждения соизмерима с твердостью высокопрочного чугуна с шаровидным графитом после поверхностной закалки ТВЧ или обработки лазером, а абразивный износ поверхности детали - с абразивным износом хромистого чугуна.
Практическая ценность работы.
Разработанная технология поверхностного упрочнения деталей из серого чугуна диффузионным методом позволяет получать толщину диффузионного слоя на деталях из серого чугуна 0,6 - 1,0 мм. Твердость упрочненного слоя после диффузионного хромирования и упрочнения деталей из серого чугуна 58-65 HRC соизмерима с твердостью после лазерной обработки и отличается тем, что распределение микротвердости по толщине диффузионного слоя более равномерное и тем, что по мере увеличения его толщины микротвердость возрастает, а также тем, что обработка лазером обеспечивает только закаленные дорожки на поверхности детали в то время как предлагаемый процесс диффузионного хромирования серого чугуна упрочняет весь поверхностный слой детали. Абразивный износ после диффузионного хромирования и упрочнения деталей из серого чугуна соизмерим с абразивным износом хромистого чугуна. Разработанная технология диффузионного упрочнения позволяет повысить износостойкость деталей из серого чугуна в несколько раз по сравнению с исходным СЧ20. Полученная математическая модель позволяет назначать технологические режимы для получения требуемой толщины упрочненного слоя. Технология поверхностного упрочнения деталей из серого чугуна принята к внедрению на тюменских заводах железобетонных изделий.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (Тюмень, 2008 г.); научно-практической конференции молодых исследователей «Актуальные вопросы современной науки» (Курган, 2010 г.); на 10-м Российском семинаре «Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов» (Курган, 2010 г.); объединенном научном семинаре кафедр «Автомобили» и «Инноватики и менеджмента качества» КГУ; на объединеном научно-техническом семинаре кафедр «Энергетики и технологии металлов», «Технологии автоматизированного сварочного производства», «Инноватики и менеджмента качества» КГУ.
Реализация результатов работы.
-
Работа выполнялась в «Вузовско-академической лаборатории порошковой металлургии» Курганского государственного университета согласно программе фундаментальных научных исследований РАН на период 2007-2011 гг. по теме: «Создание перспективных конструкций, материалов и технологий в станкостроении».
-
Технология поверхностного упрочнения деталей из серого чугуна принята к внедрению на тюменских заводах железобетонных изделий № 1 и № 5.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 19 печатных работах. В том числе три работы опубликованы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 46 таблиц, список литературы из 117 наименований.
Графитизация
Диаграмму Fe-Fe3C называют диаграммой метастабильных равновесий, так как цементит есть фаза метастабильная и при атмосферном давлении он всегда склонен к распаду на железо и графит (в углеродистых сталях такой распад никогда не происходит и эти стали описываются только диаграммой Fe - Fe3C. Лишь при очень высоких давлениях цементит и графит меняются местами: первый становится стабильной фазой, а второй метастабильной. В этом случае графит стремится превратиться в цементит или другие карбиды железа [2]. Такой процесс называется карбидизацией. Последняя наблюдается и при легировании сплавов Fe - С элементами, повышающими сродство железа к углероду (карбидо-образующими элементами Мп, Сг, V, Ті и др.).
Из диаграммы состояния сплавов Fe - С (рис. 1.4) следует, что бинарные сплавы Fe - С при атмосферном давлении всегда, при любой температуре, сохраняют склонность к графитизации, если их фигуративная точка находится правее линии D E S P Q1. Действительно, линия DCESPQ везде расположена правее. Однако на участках C E S P Q1 И CESPQ обе линии расположены очень близко друг к другу и поэтому здесь склонность сплавов к графитизации невелика.
При температурах выше 1150С расстояние между линиями CD и C D1 резко возрастает, склонность к графитизации резко увеличивается, причем настолько, что предотвратить распад цементита практически не удается.
В первом приближении можно считать, что расстояние между линиями DCESPQ и D C E S P Q есть термодинамический фактор процесса графитизации, его «напор». Кинетическими факторами служат обратные величины тех «сопротивлений», которые препятствуют переходу от метастабильной системы к стабильной.
Фазовые переходы бывают диффузионными и бездиффузионными. Графи-тизация является диффузионным процессом [3]. Склонность чугуна к графитизации регулируют путем подбора химического состава, сочетанием графитизирую-щих или антиграфитизирующих элементов [2].
Элементы, повышающие склонность к графитизации называются графити-заторами, повышающие склонность к отбелу - антиграфитизаторами. Наиболее активными графитизаторами являются Si, Ni иАЇ.
Кремний сильно влияет на положение точек С и С1 по шкале температур, он повышает температуру эвтектического превращения в стабильной системе и существенно понижает ее в метастабильной, что расширяет границы затвердевания чугуна в стабильной системе.
При заданных условиях для начала кристаллизации аустенито-графитной эвтектики требуется переохлаждение на 12С, а для кристаллизации ледебурита всего 2 С. Такое различие обусловлено тем, что цементит ледебурита содержит всего 6,69 % С, в то время как графит практически 100 %, в результате чего заро-дышеобразование графита затруднено, если а чугун искусственно не введены дополнительные центры графитизации. Это означает, что в эвтектических расплавах, содержащих менее 0,5%Si, выпадение графитной фазы будет предотвращено ранним образованием ледебурита. В сплавах же с большим содержанием кремния сначала наступит аустенито-графитное эвтектическое превращение, а ледебурит не «успеет» образоваться. В практических условиях мы не наблюдаем резкого перехода от «белой» кристаллизации к «серой». Переход происходит постепенно и в промежуточной зоне образуется половинчатый чугун. Одна из причин этого - микроликвация кремния и других элементов.
В микрообластях, обогащенных кремнием, «серая» кристаллизация наступает раньше и протекает полнее. А так как в графитизированных чугунах наблюдается обратная эвтектическая микроликвация кремния, то в половинчатых чугунах, свободными от ледебурита оказываются центральные части эвтектических колоний (ячеек, «зерен»), а ледебурит появляется лишь на их периферии.
Графитизация чугуна — самопроизвольный процесс, который в изотермо-изобарных системах протекает со снижением свободной энергии Гиббса [5] Afic=-RTlna% (1.1) При указанном выборе стандартного состояния углерода основная движущая сила его массопереноса - д іс зависит от активности углерода в неграфитизи-рованных сплавах. Разработанные А.А. Жуковым и др. [6] термодинамические особенности графитизации, показывают, что алюминий и кремний в эвтектических сплавах Fe - С - Al uFe - С - Si способствуют графитизации при сравнительно небольшом содержании этих элементов.
В то время как кремний и алюминий повышают активность углерода и этим самым снижают его растворимость в расплаве [7], даже при небольших содержаниях хрома активность углерода ас увеличивается до единицы и при ас \, в присутствии хрома цементитная фаза полностью стабилизируется [8].
Термодинамический анализ процесса взаимодействия оксида хрома с кремнием и марганцем серого чугуна
Антифрикционные чугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл, чаще в присутствии смазки. Эти чугуны должны обеспечивать низкое трение (малый коэффициент трения), т.е. антифрикционность. Антифрикционные свойства чугуна определяются соотношением перлита и феррита в основе, а также количеством и формой графита.
Детали, работающие в паре с закаленными или нормализованными стальными валами, изготовляют из перлитных серых чугунов, для работы в паре с термически необработанными валами применяют перлитно-ферритный чугун. Перлитный чугун, содержащий повышенное количество фосфора (0,3-0,5%), используют для изготовления поршневых колец. Высокая износостойкость колец обеспечивается металлической основой, состоящей из тонкого перлита и равномерно распределенной фосфидной эвтектики при наличии изолированных выделений пластинчатого графита.
В станкостроении серые чугуны применяют для широкой номенклатуры литых деталей, в том числе втулки, вкладыши, шкивы, сухари, диски лопастных насосов, зубчатые и червячные колеса и др.[58].
Анализ существующих методов поверхностного упрочнения деталей из феррито-перлитного серого чугуна показал, что традиционные методы термической и термохимической обработки для указанной цели не применяются. Поверхностная закалка ТВЧ не применяется из-за того, что процесс превращения феррита в аустенит у серых чугунов с феррито-перлитной структурой является длительным, объемная закалка обеспечивает только перлитные структуры.
Диффузионное хромирование не применяется из-за того, что высокое содержание углерода в чугуне не позволяет хрому из-за образования карбидов, проникать на глубину большую, чем 0,02-0,04 мм. Применение электролитического хромирования сложный и достаточно дорогой процесс, который позволяет нано сить покрытие толщиной до 0,05-0,06 мм, а в ремонтном производстве толщина покрытия достигает 0,2-0,5 мм [54].
Применяемое лазерное поверхностное упрочнение чугунов обладает существенными недостатками: высокой стоимостью оборудования, низкой стойкостью рабочих органов, необходимостью применения специальных обмазок.
Целью настоящей работы является разработка нового метода поверхностного упрочнения деталей из феррито-перлитного серого чугуна, который обеспечит высокую износостойкость поверхности и заданную толщину при минимальном изменении исходной микроструктуры и макрогеометрии.
Окисление серого чугуна кислородом воздуха или кислородом, применяемое до сих пор, не может повлиять на микроструктуру его основы, так как молекула кислорода не растворяется в сплаве и реагирует только с графитом. Если ор-ганизовать окисление чугуна оксидами, которые могут диссоциировать на поверхности чугуна с выделением атомарного кислорода, то он сможет окислять не только графит чугуна, но, диффундируя вглубь, окисляя в первую очередь кремний и марганец, которые имеют сродство к кислороду значительно большее, чем углерод, а затем и углерод. К оксидам, имеющим должное сродство к углероду относятся оксиды железа FeO и никеля ШО [60], а также оксид хрома Сг2Оз- В качестве оксидов, окисляющих элементы основы чугуна при температурах 1173-1373 К были выбраны закись железа и оксид хрома, поскольку никель на износостойкость сплава не влияет и является дорогостоящим металлом.
Выбор этих оксидов также связан с тем, что окисление кремния и, особенно, легирование чугуна хромом, должны устранить феррит и изменить микроструктуру основы чугуна [4, 20, 21], обеспечивающую быстрое охлаждение со скоростью Уохл=200К/с поверхностного слоя на мартенсит. Кроме того, вслед за кислородом должен диффундировать хром, который войдет в состав основы чугуна и повысит её закаливаемость, прокаливаемость, а также твердость и износостойкость.
На основании каталитического действия поверхности железа своей поверхностной энергией способствовать диссоциации хлоридов хрома, была выдвинута гипотеза, что такое же действие поверхности чугуна может способствовать диссоциации оксидов железа (FeO) и хрома (Сг203), что было доказано в дальней шем. На этой основе разрабатывалась простая, надёжная и экономичная технология упрочнения поверхности деталей из феррито-перлитного серого чугуна.
С учетом условий процесса диффузионного хромирования чугуна, процесс необходимо проводить при указанных температурах. После диффузионного окисления можно будет делать поверхностное упрочнение детали на мартенсит быстрым охлаждением серого чугуна.
Планирование и обработка двухфакторного эксперимента по изучению влияния температуры и времени выдержки на тол щину упрочненного слоя при диффузионном окислении ока линой деталей из серого чугуна
Диффузионное окисление образцов и деталей из серого чугуна проводили в печи с графитовым нагревателем. Образцы или детали помещали в алундовый тигель или в открытый контейнер из нержавеющей стали. Упрочняемая поверхность образцов или деталей находилась в контакте с оксидом хрома или закисью железа. Сверху деталь и оксиды изолировали от внешней атмосферы засыпкой глиноземом и графитом.
Для упрочнения поверхностного слоя образцы и детали нагревали в печи марки EL10G, тип КО. 14 «ROMHTLD» с силитовыми нагревателями или в печи типа Таммана с графитовым нагревателем. В качестве среды охлаждения применяли воду. Температуру измеряли вольфрам-рениевой термопарой, спай которой контактировал с тиглем или контейнером. Точность измерения ± 10 К.
Выбор оптимальной температуры и времени диффузионного окисления поверхностного слоя деталей до определенной толщины слоя определяли путем ма тематической обработки экспериментальных данных [87, 95,109, 110]. При статистической обработке экспериментальных данных использовали программы Advanced Grapher и Statistika.
Толщину диффузионного слоя и металлографическое исследование образцов производили на микроскопах Neophot-2 или Neophot-24 при увеличении 200, 400, 500 и 1000 крат.
Структура исходного образца чугуна определялась на продольном микрошлифе по графиту и металлической основе по методике ГОСТ 3443-87. Оценка структуры проводилась на участке шлифа, расположенном от его края на расстоянии не менее 1/3-1/4 толщины образца, путем визуального сопоставления структуры, видимой в микроскопе, со структурой эталона соответствующей шкалы ГОСТ 3443-87.
При определении графита (на нетравленом шлифе) оценивались: форма (ПГф), распределение (ПГр), размеры (ПГд) и количество включений графита (ПГ).
При определении металлической основы (на шлифе после травления) оценивались: вид структуры (Пт), содержание перлита (или феррита) (П(Ф)), дисперсность перлита (Пд) и распределение включений фосфидной эвтектики (ФЭр). Травление образцов производили ниталем (3%-ный раствор НЫОз в спирте) или в 3%-ном растворе НО [21]. При исследовании диффузионного слоя производились следующие операции: - измерение толщины зоны поверхностного упрочнения, мм; - определение твердости образцов до и после поверхностного упрочнения; - изучение микроструктуры нетравленных образцов с указанием толщины упрочненных зон с одинаковой микроструктурой, (мм); - определение процентного содержания структурных составляющих в упрочненных зонах, (%); - фотографирование микроструктуры диффузионного слоя; - определение количества перлита или феррита оценивалось средним процентом площади, занятой этими структурными составляющими на шлифе и определялось не менее чем в трех полях зрения.
Химический состав диффузионного слоя определяли традиционными методами, а также с помощью рентгеноспектрального анализатора «Inspektor-2000GT» и определение массовых содержаний элементов в сплавах осуществляли рентге-нофлуоресцентным методом на спектрометре «Спектроскан MAKC-G». Определение массы образцов до и после экспериментов проводилось на электронных весах марки GR-200 с точностью 0,0001г (AND, Япония) и технических весах ВЛК-500 с точностью 0,01г.
Твердость образцов измеряли на твердомерах: Роквелл (ГОСТ 9013-59) при нагрузке 1500 Н (HRC) и Виккерс - HV (Н) модели ТП-7Р-1 (ГОСТ 2999-75). Микротвёрдость структурных составляющих определяли на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 0,2-0,5 Н (ГОСТ 9450-76) [108].
Исследование образцов по определению остаточного аустенита проводилось на дифрактометре ДРОН-3 в Fe-излучении. Режим съемки: Ц =30, 1=18 мА, фильтр - железный. На всех исследуемых образцах снимались линии (I I I) Fe . (остаточного аустенита), в дальнейшем - (111) Fe и (I I 0) Fea (мартенсита).
Исследуемые образцы подвергались электрополировке на глубину 0,01.. .0,04 мм в электролите состава: 860 мл фосфорной кислоты, 100 г хромового ангидрида, 5 мл серной кислоты.
Абразивный износ образцов определялся на установке для испытания материалов на износ, разработанной в Златоустовском филиале Челябинского политехнического института [92]. Принципиальная схема устройства установки представлена на рис.3.1.
Испытуемый образец (8) с плоской поверхностью истирается на абразивной ленте (7). Величина нормального давления и скорость движения абразивной ленты фиксированы. Нормальное давление на образец задается грузами (5) при помощи коромысла (4) и при испытании остается постоянным. Постоянство скорости движения ленты обеспечивается тянущим механизмом, состоящим из двига теля (1) и редуктора (2) со ступенчатым регулированием скорости от 0,001 до 0,2 м/с, металлического и резинового валков (3).
В течение всего времени испытания образец соприкасается с непрерывно обновляемым участком абразивной ленты. Это устраняет влияние переноса металла и износа абразива на результаты измерения. Величина силы трения фиксируется упругой деформацией силоизмерительного элемента (9), который с помощью нити (6) удерживает образец на движущейся ленте. Тензорезисторный силоизмерительный элемент с преобразователем позволяет производить измерение параметров в динамическом режиме с автоматической регистрацией результатов. Для постоянно действующей силы устойчивая ошибка измерения составляет 1,5%. В случае резко изменяющейся силы ошибка измерения может возрасти до 12%. Жесткость упругого элемента подобрана так, что смещение образца составляет всего 1-3 мм. Возникающий разбаланс моста тензорезисторов при деформации упругого элемента фиксируется автоматическим потенциометром КСП-4. На диаграммной ленте потенциометра (10) записывается изменение силы трения F, Н и величина пройденного пути L, мм.
Обоснование процесса окисления основы феррито-перлитного серого чугуна оксидом хрома Сг2Оз
Теоретическим основанием для окисления компонентов серого чугуна, как было уже замечено, послужил факт каталитического действия поверхности железа. Э.Гудремон [49] отмечал, что содержащая кислород сталь склонна к сильному поверхностному обезуглероживанию при нагреве без доступа воздуха. При этом в процессе обезуглероживания большое участие принимает не кислород, растворенный в стали, а кислород, входящий во включения (FeO). Было сделано предположение, что поверхностной энергии железа хватит и на «разрыв» молекулы оксида хрома Сг203- 2[Сг]гіДС+3[0]ал и она будет диссоциировать на поверхности основы серого чугуна, что приведет к окислению углерода. Выдвинутая гипотеза была проверена экспериментально.
Порошок чугуна (размер частиц менее 0,063 мм) в течение 15 минут смешивался в шаровой мельнице с порошком оксида хрома (размер частиц менее 0,063 мм), смесь помещалась в алундовый тигель, нагревалась до температуры 1373К и выдерживалась при этой температуре 2, 4, 8 часов. После взаимодействия чугуна с оксидом хрома частицы чугуна превратились в сталь со следующим химическим составом [114]:
Таким образом, экспериментально была доказана возможность окисления оксидом хрома углерода основы феррито-перлитного серого чугуна, причем графит чугуна оксид хрома окислить не может. В связи с этим обстоятельством в настоящем исследовании изучалась возможность диффузионного хромирования чугуна оксидами хрома Сг203.
Оксид хрома, окисляя кремний, уменьшит его содержание и, также, как и закись железа, должен способствовать уменьшению феррита в основе серого чугуна [4]. Кроме того, установлено, что содержание от 0,45 % хрома и выше в основе серого чугуна значительно уменьшает количество структурно свободного феррита и способствует получению перлита высокой степени дисперсности [95-97]. Наконец, содержание хрома в основе чугуна увеличит его твердость и износостойкость [106].
Если на поверхности основы чугуна будет происходить диссоциация оксида хрома Сг2Оз = 2Сг +30, то атомы хрома и углерода должны адсорбироваться и диффундировать вглубь. Поскольку скорость диффузии кислорода и углерода больше скорости диффузии хрома, то диффундирующий впереди хрома кислород будет окислять углерод основы и этим самым устранит препятствие для дальнейшего продвижения хрома вглубь сплава. Как будет показано в дальнейшем, результаты исследования полностью подтвердили и эту гипотезу.
Диффузионное хромирование феррито-перлитного серого чугуна оксидом хрома Сг203 Порошок оксида хрома получали разложением дихромата аммония (NH4)2Cr20 7 при температуре 473-573 К [98]: (NH4)2Cr20 7 = Сг20 з + 4Н20 + N2 (5.1)
Для экспериментов была выбрана цилиндрическая деталь из феррито-перлитного серого чугуна СЧ20. Исходная структура чугуна с равномерно распределенным пластинчатым графитом завихренной формы длиной 0,03 - 0,06 мм, встречаются участки длиной 0,015 - 0,030 мм, площадь, занятая графитом, составляет 8 - 12 % (рис.5.1). Рис. 5.1. Микроструктура чугуна СЧ20 на нетравленом шлифе, х 300
Определение размеров включений графита проводилось по средней длине трех наибольших включений на микрошлифе, измеренных не менее чем в трех полях зрения. Количество включений графита оценивалось средним процентом площади, занятой на микрошлифе и определялось не менее чем в трех полях зрения.
Форма (ПГф), распределение (ПГр), размеры (ПГд) и количество включений графита (ПГ) следующие: ПГф1-ПГр1-ПГд45-ПГ12.
Металлическая основа (Рис.5.2) - феррит и перлит пластинчатый с межпластинчатым расстоянием от 0,0003 до 0,0008 мм; встречаются участки с межпластинчатым расстоянием от 0,0008 до 0,0013 мм; а также единичные включения двойной фосфидной эвтектики. Количество перлита или феррита (П+Ф=100%) оценивалось средним процентом площади, занятой этими структурными составляющими на шлифе и определялось не менее чем в трех полях зрения. Площадь, занятая ферритом - от 60 до 90 %.
Деталь помещали в открытый контейнер и организовывали процесс так, что она, с одной стороны, окислялась оксидом хрома изнутри, а с другой - кислородом воздуха (рис.5.3). Сверху оксид хрома был засыпан слоем глинозема и слоем графита. Диффузионное хромирование производили при температурах 1173-1373 К в течение 2, 4 и 8 часов.
При исследование поверхностного диффузионного слоя: измерялась толщина упрочненной зоны; определялась твердость и микротвердость до и после упрочнения; изучалась микроструктура на нетравленых и травленных шлифах и определялось процентное содержание структурных составляющих.
На рис. 5.4 показана макроструктура диффузионного слоя, полученная после взаимодействия поверхности детали с оксидом хрома при 1373 К в течение 8ч, а на рис. 5.5а - микроструктура этого слоя на нетравленом шлифе. Диффузионная зона достаточно однородна, никаких дефектов не наблюдается, граница между структурой основы чугуна и диффузионным слоем четкая. Зона термического влияния не образуется. Включения графита имеют шаровидную форму и, гораздо крупнее, чем при окислении чугуна окалиной (рис. 5.5 б).
После окисления оксидом хрома и медленном охлаждении структура диффузионного слоя на травленных шлифах становилась перлитной (рис. 5.6 а) в то время, как окисленный кислородом воздуха слой имел перлитно-ферритную структуру (рис.5.7 а), а после охлаждения со скоростью Уохл =200К/с - троостито-сорбитную (рис.5.7 б). Структура диффузионного слоя после охлаждения со скоростью Уохл =200К/с превращалась в структуру мелкоигольчатого мартенсита (рис.5.6 б и рис.5.6 в) и частично растворенного графита. Остаточный аустенит в структуре практически отсутствовал. На рис.5.8 показана граница упрочненного на мартенсит диффузионного слоя и чугуна. В табл. 5.1 показано распределение графита и описание микроструктуры после диффузионного хромирования до и после упрочнения [115].
