Delist.ru

Организация взаимодействия терминально-складских комплексов и грузового автомобильного транспорта (на примере московского региона) (02.10.2009)

Автор: Демин Василий Александрович

Гидроплазменное азотирование углеродистых и легированных сталей перлитного, мартенситного и аустенитного классов;

Комбинированная ХТО, заключающаяся в гальванической металлизации углеродистых сталей с последующим гидроплазменным азотированием;

Комбинированная ХТО, заключающаяся в одновременной шликерной металлизации и азотировании в одном реакторе и электролите.

Определены рациональные диапазоны технологических параметров обработки (напряжения, силы тока, времени насыщения) для формирования модифицированных поверхностных слоев заданного строения и толщины и обеспечения требуемых свойств поверхности.

Показана возможность применения разработанных технологий для упрочнения небольших деталей различного назначения из углеродистых и легированных сталей. Применение такой обработки обеспечивает повышение твердости, износостойкости поверхности деталей, а также повышение коррозионной стойкости изделий из углеродистых сталей. Способ гидроплазменного азотирования стальных изделий защищен патентом на изобретение № 2362831, приоритет от 02 июля 2007 г.

Технология химико-термической обработки в жидком электролите в плазме тлеюще-искрового разряда внедрена для изделий сельскохозяйственного машиностроения («Завод чесальных машин» г. Иваново) и нефтегазодобывающей отрасли (ОАО НПП «ГЕРС», г. Тверь). Испытания аппаратуры с изделиями, упрочненными по разработанной технологии, на производственных скважинах Нижневартовского нефтеносного региона показали повышение ресурса работы различных деталей при действии ударных и фрикционных нагрузок в 3 … 7,5 раз.

Апробация результатов работы. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 1 патент на изобретение. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 15-м и 16-м Международных симпозиумах «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г.Горшкова, г. Ярополец, 2009, 2010 г.; Международной научно-методической конференции «Современные проблемы технологий конструкционных материалов и материаловедения», 2009г., Харьков, Украина; на научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ, г. Москва:65-й (2007 г.), 66-й (2008 г.), 67-й (2009 г.), 68-й (2010 г.).Результаты работы представлялись на ежегодной выставке научных достижений МАДИ (ГТУ) в 2009 г. Разработанная в рамках диссертационного исследования «Технология формирования композиционных покрытий на стальных деталях погружного модуля для каротажа нефтяных скважин методами химико-термической обработки» номинирована на соискание Российской Молодежной Премии в области наноиндустрии – 2010 (РОСНАНО)

Работа выполнялась на кафедре металловедения и термообработки Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) в соответствии с планами научно-исследовательских работ. Отдельные этапы работы выполнялись в рамках НИР:

«Научные и методологические аспекты исследований в инженерии поверхности металлических материалов» по аналитической ведомственной целевой программе Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» (2006-2008 годы)»,

«Создание научно-методологического комплекса для управления наноструктурой поверхностного слоя металлов методами химико-термической обработки» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Исследования, проведенные в данной работе, базируются на достижениях научной школы Ю.М. Лахтина, в частности, на теоретических основах процесса азотирования, а также на фундаментальных и прикладных научных разработках ведущих ученых в области химико-термической обработки металлов: Б.Н. Арзамасова, Я.Д. Когана, С.А. Герасимова, В.М. Зинченко. Исследования опираются на теоретические и практические разработки Д.И. Словецкого Д.И. и др., посвященные изучению низкотемпературной плазмы, поддерживаемой при атмосферном давлении.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка литературы из 105 источников и приложений. Работа содержит 151 страницу основного текста, 61 рисунков, 9 таблиц. В приложениях содержатся акты о внедрении результатов работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В 1 главе представлен литературный обзор по химико-термической обработке сталей, особое внимание уделено теоретическим основам и технологическим особенностям процесса азотирования, а также свойствам азотированных сталей. Приведенная классификация процессов азотирования свидетельствует о широких возможностях этого вида обработки с точки зрения выбора вида и состава насыщающей среды, температуры насыщения, давления в реакторе, способа нагрева (конвективный, индукционный, электронный, лазерный, нагрев в плазме и т.п.), а также о перспективах разработки комбинированных технологий в сочетании с другими видами поверхностной обработки, такими как закалка ТВЧ, лазерная термообработка, механические виды обработки (ППД) и др. Технологические варианты азотирования применительно к различным сталям позволяют получить диффузионные слои различного строения: композиционный слой, состоящий из нитридной зоны (?- и ??-фазы) и диффузионного подслоя, зону внутреннего азотирования, состоящую из ?-фазы, избыточной ??-фазы, специальных нитридов и карбидов (карбонитридов) легирующих элементов, беспористую плотную поверхностную нитридную ?-фазу, оксикарбонитридный слой (Fе,Ме) (N, С, O) и т.д. Каждый из этих слоев выполняет свою функцию в обеспечении физико-механических свойств азотированного изделия. Так, для деталей, работающих в коррозионной среде, на износ при малых контактных нагрузках, требуется азотированный слой с развитой нитридной зоной, от которой зависит приработка трущихся поверхностей и сопротивление коррозии. Для деталей, работающих на износ при больших удельных нагрузках, в условиях усталости, при повышенных температурах, необходим азотированный слой с развитой зоной внутреннего азотирования без хрупкого нитридного слоя. В условиях износа при повышенных удельных давлениях необходимо создание поверхностной нитридной зоны, опирающейся на подслой азотистого мартенсита, либо на высокопрочную сложнолегированную зону внутреннего азотирования.

Таким образом, получение тех или иных структурных и фазовых составляющих в азотированном слое путем целенаправленного выбора технологического процесса позволяет реализовать различные эксплуатационные требования, предъявляемые к изделиям.

Подход к решению проблемы интенсификации процесса азотирования заключается в активизации элементарных процессов, происходящих при формировании диффузионного слоя: диссоциации и образования активного азота в газовой фазе, адсорбции атомов азота на металлической поверхности, диффузии азота в металл. Одним из возможных способов ускорения насыщения азотом при азотировании является применение тлеюще-искрового разряда, который является как мощным источником энергии, так и хорошим активатором поверхности. Использование тлеюще-искрового разряда дает возможность образования активного азота в газовой фазе с повышенной температурой.

Является перспективным создание процесса, сочетающего преимущества печного и ионного азотирования. От ионного азотирования наследуется принцип ионной бомбардировки (образование плазмы тлеющего разряда) и активации ионов азота, а от печного – образование вокруг детали газовой оболочки, содержащей активный азот для проведения процесса азотирования. Для реализации такого процесса необходимо создание условий для поддержания горения низкотемпературной плазмы на поверхности детали в жидком азотосодержащем электролите в открытом реакторе.

Во 2 главе представлена технология гидроплазменного азотирования (ГПА), заключающаяся в обработке изделий в плазме гидростатического тлеюще-искрового разряда, создаваемого в электролите, являющемся источником активного азота.

Сущность и механизм процесса ГПА заключаются в следующем. Обрабатываемая деталь (катод) погружается в открытый реактор, заполненный электролитом, представляющим собой водный раствор хлористого аммония. При подаче напряжения вблизи поверхности детали создается газопаровая рубашка толщиной 50-120 мкм, состоящая из паров электролита, в котором в большом количестве образуются активные ионы азота. При горении газопаровая оболочка образует низкотемпературную плазму, в которой происходит бомбардировка поверхности детали ионами азота. При соударении ионов азота с поверхностью стальной детали они взаимодействуют с ионами металла и проникают вглубь детали. Поскольку газопаровая оболочка менее теплопроводна, чем жидкий электролит, происходит резкое увеличение температуры детали за счет снижения коэффициента теплоотдачи в жидкости. Это способствует ускоренной диффузии азота в металле и образованию диффузионного слоя в соответствии с закономерностями ХТО.

При отключении напряжения газопаровая рубашка вследствие прекращения ионной бомбардировки захлопывается, деталь охлаждается за счет теплообмена с окружающей средой и происходит нитрозакалка.

Процесс ГПА происходит за минуты, интенсификатором процесса азотирования является плазма, позволяющая ускоренно насыщать поверхностный слой азотом.

Исследовали ГПА применительно к армко-железу, углеродистым сталям с содержанием %С от 0,15 до 0,8% (Ст3, 20, 40, У8) и легированным сталям перлитного, мартенситного и аустенитного классов (40Х, 20Х13, 40Х13, 40Х12Н8Г8МФ). Процессы проводили на сконструированной лабораторной установке, элементами которой являются реактор, для проведения процесса азотирования, трансформатор переменного тока, выпрямитель, стабилизатор, следящие устройства (амперметр и вольтметр). Основными технологическими параметрами процесса являются напряжение, сила тока и время насыщения. Оптимальным для поддержания стабильного горения низкотемпературной плазмы и исключающим образование аномального дугового разряда является напряжение 170…200 В в зависимости от размера детали. Сила тока является максимальной (Imax=1,0-1,5 А) до момента образования газопаровой рубашки, а при стабильном горении плазмы падает до Imin=0,10-0,12 А. Время азотирования составляет 1,5-3 мин.

За время насыщения 1,5 мин на армко-железе образуется азотированный слой, состоящий из зоны химических соединений (?-фазы) толщиной 30 мкм и зоны внутреннего азотирования толщиной 150 мкм с выделениями ?? -фазы.

Выявлены различия в строении азотированного слоя на углеродистых и легированных сталях. Так, в стали У8 после азотирования в течение 2 мин на поверхности наблюдается плотная зона ?-фазы толщиной 20-30 мкм, под которой находится зона азотистого мартенсита толщиной 20 мкм, полученного в результате нитрозакалки (рис. 1а).

Рис. 1. Микроструктуры сталей У8 (а) и 20Х13 (б) после гидроплазменного азотирования

На поверхности хромистой стали формируется слой ?-фазы толщиной 15 мкм, под ним расположена зона внутреннего азотирования толщиной около 100 мкм с выделениями нитридов и карбидов хрома (рис. 1б). Карбиды хрома более крупные, они располагаются как внутри зерна, так и по границам зерен, нитриды хрома существенно мельче, их размеры не превышают 100 нм (рис.2).

а) б)

Рис. 2. Морфология карбидов и нитридов хрома в стали 20Х13 после ГПА, сканирующий микроскоп HITACHI S-800, а) х 25000, б) х 100000.

Особенностью процесса ГПА является затруднительность достоверного определения температуры насыщения, поскольку температура поверхности детали может существенно отличаться от температуры газопаровой рубашки. Для определения температуры детали расчетным путем построена математическая модель температурных условий процесса ГПА. В качестве входных параметров для расчета выбраны следующие основные факторы, влияющие на температуру нагрева обрабатываемой детали: напряжение U, радиус катода R (поперечного сечения цилиндрической детали) и глубина его погружения в электролит h. На основании анализа количественных закономерностей, связывающих эти параметры, выведена формула для расчета температуры:

Где ? – удельное сопротивление газопаровой оболочки,

d – толщина газопаровой оболочки,

? – коэффициент теплоотдачи металла в окружающую среду,

? – теплопроводность материала детали,

k – коэффициент, учитывающий долю энергии, поступающей из оболочки в электрод.

????????????f?емпература растет при увеличении глубины погружения образца в электролит, повышении напряжения и уменьшении радиуса цилиндрической детали-катода (рис.3), что было подтверждено результатами экспериментальных измерений.

Рис.3. Зависимости температуры нагрева от глубины погружения катода h (а) и его радиуса R (б)

Испытания механических свойств модифицированных слоев на сталях после гидроплазменного азотирования показали существенное повышение твердости различных сталей (до 13-16 ГПа) по сравнению с твердостью необработанных изделий. Износостойкость высокохромистых сталей после ГПА увеличивается в 3 раза (рис. 4). В азотированных хромоникелевых сталях аустенитного класса (40Х12Р8Г8МФБ, Х12Н22Т3МР) наблюдается повышение сопротивления износу при сохранении удовлетворительной коррозионной стойкости.

Рис. 4. Изменение веса образцов стали 20Х13 во времени после стандартных испытаний на износ до и после гидроплазменного азотирования.

В 3 главе рассматривается способ комбинированной обработки, заключающийся в гальванической металлизации изделий с последующим гидроплазменным азотированием. Данный способ, представляющий собой азотирование предварительно легированной поверхности, дает возможность формирования высоколегированного азотированного слоя с требуемым комплексом свойств на дешевых углеродистых сталях.

Поскольку оба процесса – металлизация и азотирование проводятся в одном реакторе и электролите, то для осуществления комбинированной обработки использовали оборудование для ГПА, модернизированное для возможности поддержания малых токов при проведении процесса электролиза, и использования анода заданной конфигурации, в качестве которого использовали пластину из хромоникелевой стали Х18Н10Т.

загрузка...