Применение химико-термической обработки для повышения долговечности тяжелонагруженных деталей пожарных автомобилей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России

Применение химико-термической обработки для повышения долговечности тяжелонагруженных деталей пожарных автомобилей

Пучков Павел Владимирович

кандидат наук, преподаватель

В данной статье пойдет речь о возможности применения химико-термической обработки для увеличения срока службы зубчатых колес коробки отбора мощности, используемых на пожарных автомобилях.

Работа агрегатов современных пожарных автомобилей характеризуется сложными условиями эксплуатации, связанными с высоким уровнем действующих напряжений, вибрациями, широким температурным интервалом, агрессивными средами и т.п. Поэтому необходимо соблюдение особых требований к материалам, в частности высокой надежности и долговечности деталей, из которых они выполнены. Материалы деталей, находящихся в условиях трения, должны обладать высокой износостойкостью, потому что трение одно из самых распространенных явлений, которое сопровождает любые относительные перемещения соприкасающихся тел или их частей. По статистике большинство машин (85-90%) выходят из строя в результате износа поверхностей отдельных деталей [1]. Изнашивание - это процесс потери вещества с поверхности твердого тела, вызванный механическими действиями, контактированием и относительным движением твердого тела, жидкости или газа). Затраты на ремонт и техническое обслуживание пожарных автомобилей сопоставимо с их стоимостью. Создание механизмов и узлов машин, не требующих капитальных ремонтов, позволит сэкономить огромное количество финансовых средств, трудовых ресурсов и дорогостоящих материалов.

Износостойкость поверхности деталей относится к многофакторным параметрам. Основные факторы можно разделить на три группы:

1. внешние факторы (смазочный материал, температура, нагрузка и др.);

2. механические взаимодействия, определяющие вид изнашивания (механическое, эрозийное, усталостное, окислительное и др.);

3. структурные факторы (фазовый состав, микроструктура и др.).

Существует несколько различных подходов к решению задачи повышения износостойкости: конструктивные методы, повышение износостойкости в условиях эксплуатации и технологические методы.

Среди технологических способов повышения сопротивляемости изнашиванию деталей машин основными являются следующие виды химико-термической обработки: цементация, нитроцементация и азотирование [3].

Азотирование - это вид химико-термической обработки, состоящей из диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагревании в соответствующей среде [3].

В настоящее время все большее применение находит азотирование, благодаря тому, что азотированные детали обладают в 1,5-4 раза более высокой износостойкостью, малой деформацией обрабатываемой детали, а так же из-за отсутствия необходимости дополнительной обработки после азотирования. изнашивание термический обработка пожарный

Процесс азотирования нашел особенно широкое применение в тех случаях, когда основной причиной изнашивания сопряженных деталей является сила трения. Под действием силы трения происходят многократные пластические деформации в зоне контакта и структурные изменения, приводящие к образованию и распространению трещин и разрушению поверхностного слоя. Зубья зубчатых колес коробки отбора мощности (см. рис.1) пожарных автомобилей испытывают колоссальные нагрузки, что зачастую приводит к их быстрому износу или даже к разрушению. Практика исследования показала, что после азотирования поверхностный слой детали обладает повышенной твердостью, прочностью, износостойкостью, контактной выносливостью, стойкостью к задирам, сопротивлением усталости и коррозии. Кроме того, необходимо отметить и другие преимущества процесса азотирования: 1) технология азотирования достаточно проста; 2) экологически безопасна; 3) экономична и является, как правило, заключительным этапом обработки изделий. Эти преимущества обуславливают постепенный и непрерывный рост применения азотирования в различных областях промышленности. Особое место азотирование занимает в проблеме повышения работоспособности изнашивающихся сопряжений машин.

Свойства поверхностного слоя деталей после азотирования, и особенно износостойкость материала, зависят, главным образом, от структуры азотированного слоя.

Переход от одной фазы к другой (по толщине азотированного слоя) сопровождается резким перепадом концентрации азота.

Глубина и поверхностная твёрдость азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные:

1. температура азотирования;

2. продолжительность азотирования;

3. состав азотируемой стали.

При азотировании легированных сталей образуются легированные е и г'-фазы. Структура азотированного слоя представлена на рис.2. Переходные элементы W, Mo, Cr, Ti, V повышают растворимость в б-фазе и образуют специальные нитриды MeN и Me2N. Образование нитридов легирующих элементов в зонах внутреннего азотировании происходит после формирования азотистого феррита. Существует два механизма формирования нитридов: при взаимной диффузии азота и легирующих элементов в б-твердом растворе и из карбидов легирующих элементов.

Рисунок 1 Коробка отбора мощности

Рисунок 2 Структура азотированного слоя легированных сталей

Важной характеристикой структуры азотированного слоя является возникновение и развитие концентрационного поля в стали, упругого и упругопластического взаимодействия диффузионного слоя и сердцевины. Особенность азотирования состоит в том, что в поверхностном слое создаются остаточные напряжения сжатия, что весьма важно с точки зрения триботехнических характеристик.

Азотирование железа не вызывает значительного повышения твердости. Высокой твердостью обладает лишь г'-фаза и азотистый мартенсит б'. Все легирующие элементы уменьшают толщину азотированного слоя, но резко повышают твердость на поверхности и по сечению диффузионного слоя. Азотистая е-фаза в большинстве случаев имеет пониженную твердость. Высока твердость зоны внутреннего азотирования, составляющей основную часть слоя, связана с образованием азотистого твердого раствора и выделением нитридов легирующих элементов, искажающих решетку матрицы и затрудняющих пластическую деформацию.

Высокая твердость азотированного слоя объясняется также и большой растворимостью азота в феррите, легированном переходными элементами. Растворенный азот приводит к возникновению высоких микронапряжений, релаксация которых ниже порога рекристаллизации затруднена. При последующем охлаждении фиксируется перенасыщенный азотом твердый раствор, склонный к старению. Старение в процессе охлаждения приводит к выделению из твердого раствора легированной г'-фазы и нитридов легирующих элементов, добавочно повышающих твердость. Упрочнение зоны внутреннего азотирования за счет азотированного твердого раствора определяется из формулы:

?утр = 467СN, CN - максимальная растворимость азота в чистом железе при данной температуре.

Конкретные условия эксплуатации требуют создания диффузионного слоя с развитием тех или иных фазовых и структурных составляющих, которые определяют работоспособность изделий в режиме коррозии, изнашивания, знакопеременных нагрузок и т. д.

Износостойкость - это сопротивление разрушению материала поверхностных слоев, вступающих в контактное взаимодействие при относительном перемещении двух тел под нагрузкой. Износостойкость является структурно-чувствительной характеристикой, она во многом определяет долговечность трущегося сопротивления [2, 3].

Распространена точка зрения, что чем выше твердость, тем выше износостойкость. Поэтому часто для улучшения триботехнических характеристик исследователи идут по пути повышения поверхностной твердости, что достигается азотированием. Однако, если в зоне контакта реализуются не только деформационные процессы, но и физико-химические (в частности, имеющие диффузионную природу), прямая зависимость износостойкости от твердости нарушается. Это обстоятельство особенно важно иметь в виду, если проблемы износостойкости решаются технологическими методами направленного изменения свойств поверхностных слоев трущихся деталей.

С увеличением температуры и длительности азотирования несоответствие между твердостью азотированного слоя и износостойкостью возрастает, и, кроме того, оно зависит от состава стали. Например износостойкость стали 12Х13 выше, чем стали 38Х2МЮА, несмотря на меньшую твердость азотированного слоя, а износостойкость сталей 38Х2МЮА и 40Х, азотированных при 620?С, существенно превышает износостойкость этих сталей, азотированных при 560?С.

Азотированные стали являются многофазными материалами со сложной структурой, изменяющейся как в процессе обработки, так и эксплуатации в условиях трения и изнашивания.

На основе экспериментальных данных по твердости и износостойкости сталей перлитного класса 38Х2МЮА и 40Х, а также мартенситного класса 16Х2Н3МФБАЮШ и 25Х5М, отмечается сложная взаимосвязь между твердостью и износостойкостью в зависимости от температуры азотирования. Большая твердость слоя стали 38Х2МЮА, по сравнению со сталью 40Х, соответствует и большей ее износостойкости, что определяется именно структурой диффузионного слоя [3].

Результаты исследований подтверждают существование представления о ведущей роли пластической деформации в процессе изнашивания. Более высокой износостойкостью обладают стали, способные упрочняться под действием пластической деформации, поскольку доля энергии, затрачиваемой на деформационное упрочнение, составляет 80…90% баланса всех энергетических затрат при изнашивании. Уменьшение микродеформации решетки матрицы должно повышать ее способность пластически деформироваться в процессе изнашивания [3, 4].

Известно, что среди различных способов повышения износостойкости основными являются цементация, нитроцементация и азотирование, причем азотирование в последнее время уверенно завоевывает лидирующее положение. Использование деталей, упрочняемых азотированием, позволяет сократить технологический маршрут и снизить трудоемкость процесса изготовления деталей, работающих на износ при высоких контактных давлениях.

Поэтому применение азотирования для повышения износостойкости зубчатых колес коробки отбора мощности, устанавливаемых на пожарных автомобилях позволит повысить срок службы автомобиля, сократить число отказов техники и снизить затраты на производство данного узла.

Список литературы

1. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.

2. Киселев В.В. Реализация безызносного трения в пожарной технике, как способ повышения ее надежности. / NovaInfo.Ru. 2016. Т. 1. № 51. С. 33-37.

3. Киселев В.В. Меры по снижению износа деталей пожарной техники. / NovaInfo.Ru. 2016. Т. 1. № 51. С. 37-40.

4. Полетаев В.А., Пучков П.В. Повышение качества поверхностей трения деталей электронасосов / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. Т. 81. № 9. С. 74-76.

Размещено на Allbest.ru