TECHNOLOGICAL SOLUTIONS FOR THE RENOVATION OF CARBURIZED AND NITRO-CARBURIZED PARTS

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ РЕНОВАЦИИ ЦЕМЕНТОВАННЫХ И НИТРОЦЕМЕНТОВАННЫХ ДЕТАЛЕЙ

Научная статья

Швеёв И.А.^1, *, Швеёв А.И.², Швеёва Е.И.³

^{1, 2, 3} Набережночелнинский институт (филиал) Казанского федерального университета, Набережные Челны, Россия

* Корреспондирующий автор (Shveev_Ivan777[at]mail.ru)

В данной статье установлено, что допустимая величина износа на восстанавливаемых цементованных (нитроцементованных) деталях зависит от технических условий при эксплуатации автомобиля. Дополнительным условием повышения износостойкости деталей может служить повышение противозадирных свойств рабочей поверхности, которые достигаются в результате термического оксидирования. Чистота поверхности заготовок и скорость охлаждения деталей после наплавки оказывают непосредственное влияние на образование пор и глубину их залегания в наплавленном слое Обязательным условием при этом является сохранение в поверхностном слое (изношенной детали) углерода не менее 0,4 %. Предложено для скоростного нагрева изношенных частей деталей под пластическую деформацию использовать индукционные установки.

Ключевые слова: эксплуатация автомобиля, реновация, цементованные детали, технология, износостойкость, запчасти.

TECHNOLOGICAL SOLUTIONS FOR THE RENOVATION OF CARBURIZED AND NITRO-CARBURIZED PARTS

Research article

Shveyov I.A.^1, *, Shveyov A.I.², Shveyova E.I.³

^{1, 2, 3} Kazan Federal University - Naberezhnye Chelny Institute, Naberezhnye Chelny, Russia

* Corresponding author (Shveev_Ivan777[at]mail.ru)

Abstract

The current study establishes that the permissible amount of wear on the restored carburized (nitro-carburized) parts depends on the technical conditions during the operation of a vehicle. An additional condition for increasing the wear resistance of the workpieces can be an increase in the anti-scuffing properties of the active surface, which are achieved as a result of thermal oxidation. The surface finish and the cooling rate of the parts after welding will have a direct impact on the formation of pores and the depth in the layer of the weld. A prerequisite for this is the preservation of no less than 0.4 % of carbon in the surface layer of the worn part. The study proposes to use induction-heating installations for fast heating of worn elements of the parts for plastic flow.

Keywords: vehicle operation, renovation, cemented parts, technology, wear resistance, spare parts.

Продление ресурса эксплуатации техники за счет восстановления работоспособности изношенных узлов до уровня новых изделий – приоритетное направление развития современной техники [1]. Значительные расходы на дорогостоящие запчасти, их дефицит и зависимость от производителя указывают на актуальность проблемы и требуют неотложного решения по разработке и реализации на ремонтных предприятиях эффективных технологий восстановления быстроизнашиваемых деталей автомобилей [6].

Для повышения износостойкости деталей широко применяют упрочнение рабочих поверхностей методами химико-термической обработки и, в первую очередь, цементацией и нитроцементацией [3]. Но даже и такие изделия не в полной мере защищены от главного недуга – износа в зоне контакта сопрягаемых деталей [1]. Основополагающим фактором стабилизации и достижения на высоком уровне ресурса деталей является повышение качества поверхностного слоя, так как он во всех случаях оказывается наиболее нагруженным [5]. В зависимости от вида и степени нагрузки, характера среды и т.д. для большинства изделий эффективными являются общепризнанные технологии упрочнения контактирующих поверхностей, базирующих на нанесении покрытий, легирования, термического и деформационного воздействия, а также за счет их комбинирования [2]. Проведенный анализ по износу деталей грузовых автомобилей, в соответствии в поступившими в капремонт узлов и агрегатов, показал, что его величина в подавляющем большинстве случаев не превышает 0,1÷0,4 мм на сторону [1]. Оригинальный способ восстановления поршневых пальцев двигателей предложен и внедрен на ряде предприятий специалистами Кировоградского ремонтного завода, Московского института инженеров сельскохозяйственного производства и Государственного научно-исследовательского технологического института ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка [7]. Способ предусматривает направленное увеличение наружного (рабочего) размера детали при сохранении ее длины. Такой результат достигнут за счет горячей пластической деформации, при которой усилие при осевом сжатии соответствует тепловому расширению стали, совмещенной с регламентацией условий охлаждения внутренней и наружной поверхности изделия. Несмотря на эффективность и доступность такого метода в условиях ремонтных предприятий, он не позволяет восстанавливать изношенные детали, имеющие сложную геометрическую форму [1]. Особый интерес представляет и технология придания работоспособности узлам и сборочным единицам автомобиля и двигателя за счет механической обработки в ремонтный размер рабочих поверхностей деталей. Несмотря на компенсацию размеров за счет сопрягаемой детали, эта технология широко используется в промышленности [4]. Однако она не может быть реализована для широкой номенклатуры деталей и особенно для изделий, контактирующих по сложному варианту - по эвольвенте. Восстановление деталей с такими износами, а не их выбраковка, позволяет решать многие технические, технологические и экологические задачи в производстве.

Приоритетное место в технологиях восстановления изношенных деталей машин занимают методы пластического деформирования, благодаря которым осуществляется перемещение металла из нерабочих участков в зоны износа. Имеются данные, что при малой толщине стенки колец большого диаметра (190мм) увеличение диаметра после азотирования может доходить до весьма значительной величины, достигающей 1мм. Изменение размеров деталей при азотировании происходит вследствие возникновения разности удельных объемов и коэффициентов расширения диффузионного слоя, имеющего в своем составе ε, γ и λ – фазы нитрида хрома (CrN) и сердцевин основного металла. По мере увеличения легированности стали хромом, алюминием и другими нитридообразующими элементами увеличивается степень поглощения сталью азота и значительно увеличивается объемное изменение после азотирования [10].

В реализации такой технологии участвуют стадии нагрева детали под пластическую деформацию, непосредственно сама стадия деформирования, механическая и термическая обработка. Все стадии, без исключения, оказывают существенное влияние на показатели качества не только поверхностного слоя, но и детали в целом [7]. Поэтому необходимым условием является всестороннее обоснование параметров на каждой стадии обработки. Учитывая величину износа цементованного слоя на изучаемых деталях и закономерности распределения углерода по глубине цементованного слоя, установлено, что в зоне максимального износа содержание углерода на поверхности составляет от 0,5 до 0,7% [8]. Такое содержание углерода обеспечит высокую закаливаемость стали как при охлаждении в воде, так и в масле. Важным условием при реализации технологии восстановления является сохранение, либо незначительное снижение (до 0,4%) углерода на поверхности такой детали. Эта задача сложна, но выполнима [1]. Сохранение химического состава стали на поверхности во время стадии горячей пластической деформации можно достичь путем безокислительного высокотемпературного (Т≥1000⁰С) нагрева только изношенной части детали в соляных ваннах, но применение и эксплуатация такой среды вызывает ряд технологических и экологических проблем. И все же наиболее перспективным является скоростной индукционный нагрев детали [9]. Но и он вызывает небольшое окалинообразование и частичное обезуглероживание с поверхности из-за контакта нагреваемой, а затем и нагретой детали с воздушной атмосферой.

На примере стали 40ХН2МА нами оценена степень ее обезуглероживания, произошедшая при нагреве в индукторе заготовки Ø70 мм до температуры 1260± 20⁰С. Установлено, что необходимое время для нагрева стальной заготовки в индукторе до указанной температуры составляет 8 минут, которое вызывает частичное обезуглероживание с поверхности на глубину до 0,02мм [10]. Естественно, с увеличением времени контакта нагреваемой заготовки с воздухом наблюдается и повышение глубины обезуглероживания поверхности. Поэтому при разработке ремонтной технологии с использованием индукционного нагрева для изношенных деталей необходимо заблаговременно учитывать и припуск на механическую обработку изделий на величину обезуглероженного слоя. Сохранение на поверхности восстанавливаемой детали углерода не менее 0,4%, обеспечит при закалке твердость от 56 НRC и выше [1]. После механической обработки в окончательный геометрический размер восстановленные детали подвергают поверхностной закалке с нагрева ТВЧ. Для достижения высокой закаливаемости на поверхности скорость охлаждения при закалке, как показали результаты исследования, должна быть не ниже 400⁰С/сек в области температур мартенситного превращения, что достигается при спрейерном охлаждении водой, водо-воздушной смесью, водными растворами полимеров и другими средами [10].

Одним из вариантов реализации разработанной технологии является восстановление шаровых пальцев с износом по цементованной сфере. После горячей пластической деформации изношенной части детали, шлифовки и закалке с нагрева ТВЧ поверхность этих деталей полностью соответствует первоначальному их состоянию: твердость поверхности – 58-59 HRC и микроструктура – мелкоигольчатый мартенсит [10]. Данная технология с успехом может быть применена и при восстановлении изношенных крестовин, шкворней и других цементованных деталей машин [1].

На основании вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что допустимая величина износа на восстанавливаемых цементованных (нитроцементованных) деталях зависит от технических условий по эксплуатации автомобиля. Обязательным условием при этом является сохранение в поверхностном слое (изношенной детали) углерода не менее 0,4 %. Для скоростного нагрева изношенной части детали под пластическую деформацию необходимо использовать индукционные установки.

Таким образом, научная новизна заключается в закономерности изменения состава и структуры по сечению цементованного слоя деталей предложена и обоснована технология восстановления прочностных свойств изношенной детали за счет закалки остаточного цементованного слоя после нагрева токами высокой частоты.

Список литературы / References

1. Астащенко В.И. Технология восстановления изношенных цементованных деталей автомобиля/ В.И. Астащенко, А.И. Швеёв, Т.В. Швеёва // Автомобильная промышленность. -2011. - № 4. - С.31-32.
2. Лялякин В.П. Восстановление и упрочнение деталей машин — резерв экономии материальных ресурсов. / В.П. Лялякин //Ремонт, восстановление, модернизация. – 2012. - № 1. - С.9-13.
3. Неучев А.Л. Применение стали непрерывной разливки в кузнечном производстве / А.Л. Неучев // Кузнечно-штамповое производство – 2006. - №11. – С.21-22.
4. Никифоров В.М. Технология металлов и других конструкционных материалов / В.М. Никифоров - СПб.: Политехника, 2003. - 211с.
5. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным плазменным деформированием / Д.Д. Папшев – М.: Машиностроение, 2008. – 152с.
6. Попова Л.Е., Диаграммы превращения аустенита в сталях и бета-раствора в сплавах титана. Справочник термиста. 3-е изд., перераб.и доп. / Л.Е. Попова, А.А. Попов - М.: Металлургия, 1991. – 503с.
7. Полухин П.И. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: Справочник. 3-е изд., перераб. и доп. / П.И. Полухин, Г.Я. Гун, А.М. Галкин - М.: Металлургия, 2013. – 351с.
8. Упрочнение поверхностей деталей комбинированными способами / под ред. А.Г. Бойцова – М.: Машиностроение, 2001. – 144с.
9. Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов: 2-е изд. / под ред. Г.П. Фетисова – М.: Высшая школа, 2010. – 862с.
10. Shveyov A.I. High level forming of properties in steel products / A.I. Shveyov, V.I. Astashchenko, T.V. Shveyova et al. // World Applied Sciences Journal. – 2013. - 24(9) – P.1148-1150.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Astashhenko V.I. Tekhnologija vosstanovlenija iznoshennykh cementovannykh detalejj avtomobilja [Technology of Cemented Restoration of Worn Parts Car] / V.I. Astashhenko, A.I. Shvejov, T.V. Shvejova // Avtomobil'naja promyshlennost' [The Automotive Industry]. -2011. - No. 4. - pp.31-32. [in Russian]
2. Ljaljakin V.P. Vosstanovlenie i uprochnenie detalejj mashin — rezerv ehkonomii material'nykh resursov [Restoration and Strengthening of Machine Parts-a Reserve for Saving Material Resources]. / V.P. Ljaljakin // Remont, vosstanovlenie, modernizacija [Repair, Restoration, Modernization]. – 2012. - No. 1. - pp.9-13. [in Russian]
3. Neuchev A.L. Primenenie stali nepreryvnojj razlivki v kuznechnom proizvodstve [The Use of Continuous Casting Steel in Forging Production] / A.L. Neuchev // Kuznechno-shtampovoe proizvodstvo [Forging and Stamping Production] – 2006. - No.11. – pp.21-22. [in Russian]
4. Nikiforov V.M. Tekhnologija metallov i drugikh konstrukcionnykh materialov [Technology of Metals and Other Structural Materials] / V.M. Nikiforov // SPb.: Politekhnika, 2003. - p. 211 [in Russian]
5. Papshev D.D. Otdelochno-uprochnjajushhaja obrabotka poverkhnostnym plazmennym deformirovaniem [Finishing and Strengthening Treatment with Surface Plasma Deformation] / D.D. Papshev // M.: Mashinostroenie, 2008. – p. 152 [in Russian]
6. Popova L.E., Diagrammy prevrashhenija austenita v staljakh i beta-rastvora v splavakh titana. Spravochnik termista. 3-rd ed., pererab.i dop. [Diagrams of the Transformation of Austenite in Steels and Beta-Solution in Titanium Alloys. Handbook of the Heat Treatment Operator. 3rd Ed., Revised and Updated] / L.E. Popova, A.A. Popov // M.: Metallurgija, 1991. – p. 503 [in Russian]
7. Polukhin P.I. Soprotivlenie plasticheskojj deformacii metallov i splavov: Spravochnik. 3-rd ed., pererab. i dop. [Resistance to Plastic Deformation of Metals and Alloys: Handbook. 3rd Ed., Revised and Updated] / P.I. Polukhin, G.Ja. Gun, A.M. Galkin - M.: Metallurgija, 2013. – p. 351 [in Russian]
8. Uprochnenie poverkhnostejj detalejj kombinirovannymi sposobami [Strengthening of Surfaces of Parts by Combined Methods] / Edited by A.G. Bojjcova // M.: Mashinostroenie, 2001. – p. 144 [in Russian]
9. Fetisov G.P. Materialovedenie i tekhnologija metallov: 2-nd ed. [Material Science and Technology of Metals: 2nd Ed.] / Edited by G.P. Fetisova // M.: Vysshaja shkola, 2010. – p. 862 [in Russian]
10. Shveyov A.I. High level forming of properties in steel products. / A.I. Shveyov, V.I. Astashchenko, T.V. Shveyova et al. // World Applied Sciences Journal. – 2013. - 24(9) – P.1148-1150.