ДЕМИН Петр Евгеньевич

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ В ПЛАЗМЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО РАЗРЯДА

Специальность 05.16.09

«Материаловедение (машиностроение)»

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) на кафедре металловедения и термообработки.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор ПЕТРОВА Л.Г.

Научный консультант: кандидат технических наук,

доцент Александров В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Зинченко В.М.

доктор технических наук,

профессор Помельникова А.С.

Ведущая организация: Научно-производственное

предприятие «НИТРИД», г. Саратов

Защита состоится «21» декабря 2010 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д.212.126.03 в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу: 125319, Москва, Ленинградский просп., 64, ауд.42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Автореферат разослан «19» ноября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.126.03

кандидат технических наук, доцент Д.С. Фатюхин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Развитие промышленности в современных условиях диктует повышенные требования к ресурсу машин и механизмов, что, в свою очередь, требует применения все более дорогостоящих материалов и приводит к усложнению технологий обработки деталей. В этой связи проблема разработки экономичных и высокоэффективных технологий упрочнения изделий из конструкционных сталей для придания им требуемых эксплуатационных свойств имеет несомненную актуальность.

В сегодняшнем машиностроении большое внимание уделяется развитию технологий поверхностного упрочнения. Известно, что состояние поверхности во многом определяет уровень прочности и эксплуатационные свойства деталей машин. Именно поверхность изделия испытывает повышенный износ, контактные нагрузки, в наибольшей степени разрушается вследствие коррозии. Технологии поверхностного упрочнения основаны на модифицирующем воздействии на поверхность металла энергетическими или физико-химическими методами, что радикально меняет ее структуру и свойства.

Анализ современного состояния вопроса показывает, что эффективным способом поверхностного упрочнения сталей и сплавов, имеющим перспективы дальнейшего развития, является химико-термическая обработка (ХТО). Многообразие видов и вариантов ХТО дает возможность подбирать оптимальный способ упрочнения, исходя из экономических и эксплуатационных задач. При разработке эффективных технологий ХТО сталей следует учитывать не только необходимость обеспечения заданных свойств поверхности, но и возможность экономии дорогих и редких легирующих элементов.

Среди многих методов ХТО для упрочнения разнообразных сталей и сплавов вот уже более 60 лет широко применяется азотирование. Основное преимущество азотирования заключается в возможности регулирования состава и строения диффузионного слоя путем контроля насыщающей атмосферы, это позволяет упрочнять целую гамму деталей машин и инструментов, работающих в различных условиях эксплуатации. В промышленности активно используется как печное, так и ионное азотирование (азотирование в тлеющем разряде). Эти процессы при всех их достоинствах обладают общим недостатком – большой продолжительностью насыщения (десятки часов), что требует решения проблемы интенсификации технологического процесса.

Таким образом, актуальной является задача разработки таких технологий ХТО, которые обеспечивают заданные эксплуатационные свойства поверхностного слоя изделий, существенное сокращение времени получения диффузионных слоев рабочей толщины и экономию дефицитных металлов путем замены легированных сталей поверхностно упрочненными углеродистыми сталями.

Целью настоящей работы является разработка высокоинтенсивных ресурсосберегающих технологий химико-термической обработки с использованием плазмы гидростатического разряда для формирования функциональных поверхностных слоев и повышения эксплуатационных свойств стальных деталей различного назначения.

Научная новизна работы.

Установлен механизм интенсификации процесса насыщения металла азотом при азотировании в низкотемпературной плазме, возникающей при возбуждении тлеюще-искрового разряда в жидком азотосодержащем электролите, заключающийся в ускорении элементарных процессов, происходящих при формировании диффузионного слоя: диссоциации, приводящей к массированному образованию активных ионов азота, интенсивной адсорбции благодаря ионной бомбардировке поверхности и диффузии азота в металле.

Построена модель температурных условий взаимодействия металла с плазмой гидростатического разряда: получены зависимости температуры изделия при его насыщении азотом от приложенного напряжения, а также размерных характеристик изделия – его поперечного сечения и глубины погружения в электролит.

Экспериментально установлены особенности строения и свойств углеродистых и легированных сталей, азотированных в плазме гидростатического разряда, показан эффект поверхностного упрочнения сталей при осуществлении нитрозакалки и выделении дисперсных нитридов легирующих элементов.

Построена модель поверхностного упрочнения стали при металлизации, совмещенной с азотированием, учитывающая зависимости уровней твердорастворного и дисперсионного упрочнения при одновременном насыщении железа нитридообразующим элементом и азотом от типа металлизирующего элемента и его концентрации в модифицированном слое.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Разработаны технологические варианты и оборудование для химико-термической обработки сталей различного назначения в жидком электролите в плазме гидростатического тлеюще-искрового разряда: