Выполнена оптимизация составов насыщающих смесей, содержащих ферросплавы по износостойкости при трении скольжения без смазки диффузионных карбидных слоев, полученных на стали У7 методом химико-термической обработки. Математическое моделирование позволило сократить число опытов и определить оптимальный состав двухкомпонентной смеси для обеспечения максимальной износостойкости. Проведены исследования структуры и свойств диффузионных слоев методами металлографического, дюрометрического и микрорентгеноспетрального анализов. Показано, что повышение уровня износостойкости обусловлено достижением твердости диффузионного слоя до значения 2500 HV и наличием карбидной фазы VC.
Для повышения износостойкости стальных изделий широкое применение нашли карбидные слои. Оптимизация по твердости и износостойкости процесса диффузионного насыщения высокоуглеродистой стали хромом, ванадием, марганцем на основе порошков оксидов соответствующих металлов выполнялась авторами работ [1, 4-6].
Цель настоящей работы состояла в исследовании структуры и свойств диффузионных слоев после насыщения в смесях с различным соотношением феррохрома и феррованадия.
Химико-термическую обработку осуществляли в контейнерах с плавким затвором при 1000 °С в течение 6 ч в муфельной электропечи.
Насыщающие смеси имели общий состав:
50 [m FeCr + n FeV] + 45 Аl2O3 + 5 NH4Cl,
где m и n – соотношения порошков феррохрома и феррованадия. Оксид алюминия предотвращал спекание частиц порошков и прилипание их к поверхности образцов, хлористый аммоний, разлагаясь и взаимодействуя с активными атомами насыщающих элементов, генерировал активную газовую среду.
Оптимизацию составов насыщающих смесей по износостойкости осуществляли методом симплекс-планирования по 5 экспериментальным опытам [2].
Испытания на износостойкость карбидных слоев в условиях трения скольжения без смазки по схеме «диск-плоскость» проводили на машине трения типа Амслера при нагрузке 500 Н и 300 об/мин в течение 30 минут. Показатель относительной износостойкости Ки рассчитывали по формуле:
,
где Δmэ – потеря массы эталона, мг; Δmи – потеря массы образца, мг.
Микроструктуру диффузионных слоев исследовали на оптическом микроскопе «Neophot-21». В связи с толщиной диффузионных слоев, не превышающей 20 мкм, для определения микротвердости изготавливали косые шлифы. Микротвердость определяли на приборе ПМТ-3М при нагрузке 0,5 Н. Рентгеноспектральный анализ проводили в Центре коллективного пользования «Прогресс» на растровом электронном микроскопе JSM-6510 LV JEOL с системой микроанализа INCA Energy 350.
Формирование карбидного слоя происходит вследствие 2-х одновременно протекающих процессов: транспортировки атомов насыщающих элементов к поверхности образца и диффузии атомов углерода из сердцевины к поверхности [3]. Таким образом, под карбидными слоями наблюдаются плохо травящиеся обезуглероженные зоны.
Анализ диаграмм состояния систем Fe-C-Me позволяет сделать вывод о том, что образующиеся переходные зоны представляют собой эвтектоид, состоящий из твердого раствора V, Cr в α-железе [7-11]. Микротвердость переходной зоны сразу за границей раздела со слоем на основе карбидов хрома и ванадия составляет 400 HV.
Эксплуатационные свойства карбидных слоев зависят не только от состава, а также от содержания и распределения углерода и легирующих элементов. Данные о распределении элементов по толщине слоев представляют интерес, т.к. позволяют делать выводы о процессах диффузии элементов в слое.
Для всех полученных слоев характерно, что на границе раздела карбидный слой – матрица насыщаемой стали концентрация карбидообразующего элемента резко снижается, плавно уменьшаясь по толщине переходной зоны.
Выводы
Проведены процессы диффузионного насыщения стали У7 в порошках ферросплавов при их различных соотношениях. С помощью метода симплекс-планирования выявлена область оптимальных составов порошковой среды с соотношением 24 – 25 % феррохрома и 75 – 76 % феррованадия, ХТО в которой повышает износостойкость при трении скольжения без смазки стали У7 в 22,2 – 22,4 раз по сравнению с состоянием после закалки и низкого отпуска. Установлено, что оптимизированный слой состоит из легированного хромом карбида VC с микротвердостью 2500 HV. Повышение износостойкости в условиях трения скольжения без смазки многокомпонентных карбидных слоев обусловлено преобладанием в диффузионном слое карбидов ванадия с высокой микротвердостью. Снижение уровня микротвердости по сравнению с однокомпонентным насыщением ванадием (2700 HV) оказывает благоприятное воздействие на уровень износостойкости. Это обусловлено тем, что высокотвердая фаза под действием истирающей нагрузки выкрашивается.