д.т.н., проф. Чудина О.В., к.т.н., доц. Александров В.А., завлаб Брежнев А.А.

Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), Россия

Высокоэффективная технология термодиффузионной металлизации конструкционных сталей.

Ответственные детали, от сердцевины которых требуется высокая ударная вязкость, а от поверхности высокая твердость и износостойкость обычно изготавливаются из легированных сталей и подвергаются поверхностному упрочнению цементации, азотированию, нитроцементации и др. [1,2]. В автомобиле одной из таких деталей является полуось. Как правило, полуоси изготавливаются из среднеуглеродистых или среднеуглеродистых низколегированных сталей 35, 40, 40Х, 38ХГС.

Анализ отказов полуосей показал, что наиболее часто поломка возникала из-за износа поверхности шлицевых соединений из-за недостаточной ее износостойкости. Для повышения износостойкости необходимо получить на поверхности изделия слой, обладающий свойствами высоколегированной стали. Известно, что модифицирование поверхности осуществляется либо диффузионной металлизацией [2], либо поверхностным легированием с использованием источника высококонцентрированной энергии, например, при лазерном нагреве [3,4].

С учетом изложенного выше для решения поставленной задачи предлагается комбинированная технология, сочетающая в себе перечисленные способы поверхностного упрочнения среднеуглеродистых сталей:

· локальное легирование поверхности стали при лазерном нагреве;

· металлизация в печи при пониженных температурах;

· азотирование

Перед обработкой необходимо подготовить поверхность изделия, т.е. должны быть проведена полностью механическая обработка, в том числе и финишные операции. Затем на поверхность наносится шликерная обмазка состоящая из: порошка легирующего элемента(Cr),галогенида (CrCl₂) для ускорения транспортных реакций при металлизации, порошка активированного угля, препятствующего образованию окисных пленок, которые замедляют процесс металлизации. В качестве связующего вещества используется цапонлак.

Лазерное легирование является промежуточной стадией, которая позволяет создать локальные участки модифицированной поверхности. В рассматриваемом случае (шлицевые соединения полуосей) большое значение имеет величина образующихся после лазерного легирования наплывов, поскольку технология не предусматривает последующей механической обработки.

В процессе металлизации галогенид, находящийся в шликере распадается на ионы галогена и Ме или NH₄ и на поверхности детали происходит реакция:

CrCl₂+Fe↔Cr+FeCl₂↑

В результате поверхность детали насыщается легирующим элементом, причем диффузия начинается от зон лазерного легирования и идет как по поверхности, так и вглубь детали, что позволяет получить диффузионный слой толщиной 100 мкм на всей поверхности вне зависимости от сложности ее геометрии. На рис.1 представлены микроструктуры стали 40Х после металлизации в зоне лазерного легирования (рис.1а) и вне её (рис.1б).

Для сравнения были проведены исследования стали 40Х, подвергнутые металлизации по тем же режимам, но без лазерного легирования в этом случае толщина диффузионного слоя не превышает 40 мкм.

а) б)

Рис. 1. Микроструктуры стали 40Х после лазерного легирования и металлизации: а - в зоне лазерного легирования, б – вне зоны лазерного легирования

Рис. 3. Распределение микротвердости по толщине стали 40Х после металлизации: 1 – вне зоны лазерного легирования, 2 – в зоне лазерного легированием

Результаты дюрометрических исследований представлены на рис. 3. Из графиков распределения микротвердости по толщине видно, что твердость металлизированного диффузионного слоя с предварительным лазерным легированием и без него отличается незначительно и составляет 12000…13000 МПа. Микротвердость поверхности значительно выше, чем в сердцевине и сопоставима с твердостью закаленной легированной стали.

Для достижения более высокого уровня упрочнения, а, следовательно, износостойкости, способности к прирабатыванию, снижения коэффициента трения после металлизации проводили азотирование. Известно, что ε- фаза, образующаяся на поверхности в процессе азотирования, обеспечивает хорошую прирабатываемость, снижает коэффициент трения и повышает задиростойкость изделий [1, 2, 7].

Азотирование металлизированной стали 40Х повышает микротвердость упрочненного слоя до 18000 МПа.

Предложенная технология упрочнения стали 40Х по указанным режимам была использована для упрочения полуосей автомобиля разработанного инженерной группой формулы гибрид МАДИ. После упрочнения полуоси были переданы сотрудникам Формулы Гибрид и установлены на гоночный автомобиль. На сегодняшний день они прошли более 600 км, а до обработки не выдерживали и 400 км.

Литература

1. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали. – М.: Машиностроение. - 1976. – 256 с.

2. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. – М.: Металлургия. - 1985. – 256 с.

3. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник. – М.: Машиностроение. - 1985. – 496 с.

4. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. – М.: Машиностроение, 1989. – 304 с.

5. Рентгенографическое исследование остаточных напряжений, возникающих после импульсной лазерной закалки сталей / Великих В.С., Воронов И.Н., Гончаренко В.П. и др. // Физика и химия обработки материалов. – 1982. - № 6. – С.138-143.

6. Origin and Development of Residual Stresses Jnduced by laser Surface – Hardening Treatments / Solind A., Dl. Sanctis M.. Paganini L.. oth. // J. Heat Treat. – 1984. – 3. № 3. –P. 193-204.

7. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д.. Внутреннее азотирование металлов и сплавов// Металловедение и термообработка металлов. – 1974. – №3. – С.20-28.