Delist.ru

Химико-термическая обработка сталей в плазме гидростатического разряда (19.11.2010)

Автор: Демин петр Евгеньевич

Рис. 8. Микроструктура модифицированного слоя на стали 40 после алюмоазотирования, х200

На кривой распределения микротвердости алюмоазотированного слоя наблюдается несколько участков, соответствующих специфике их фазового состава (рис. 9). Максимальная твердость 15000 МПа наблюдается на поверхности в зоне образования оксида алюминия, далее твердость резко понижается до значения 8000 МПа в переходной зоне, затем происходит плавное снижение твердости к сердцевине (до 2000 МПа) на протяжении примерно 100 мкм. Резкий перепад твердости на глубине 20-40 мкм и наличие цементитной сетки являются предпосылками повышенной хрупкости слоя.

Избежать хрупкости возможно, обеспечив плавное изменение микротвердости по всей толщине слоя. Эксперименты показали, что получить достаточно высокую твердость, ее плавное изменение по толщине слоя и сохранить антикоррозионные свойства, достигающиеся алюмоазотированием, можно путем многокомпонентного насыщения. Такое сочетание свойств реализуется при шликерной металлизации совместно алюминием и титаном. Твердость покрытия выше, чем при легировании одним титаном, но ниже, чем алюминием. Но при этом микротвердость слоя имеет равномерное распределение (рис.9), что предполагает благоприятное распределение внутренних напряжений, способствует снижению хрупкости и повышению износостойкости.

Рис.9. Распределения микротвердости по толщине диффузионного слоя после металлоазотирования: Al, Ti, Al+Ti.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Разработанный новый способ азотирования сталей в жидком электролите в плазме гидростатического тлеюще-искрового разряда – гидроплазменное азотирование (ГПА) позволяет получать модифицированные слои на изделиях из углеродистых и легированных сталей с высокими физико-механическими свойствами. Лабораторные эксперименты показали, что при гидроплазменном азотировании происходит насыщение изделия азотом из низкотемпературной плазмы, которая создается вблизи поверхности детали (катода) при подаче напряжения в виде газопаровой рубашки из паров азотосодержащего электролита.

Сконструированное лабораторное оборудование позволяет проводить процессы ГПА мелких изделий, а также предполагает возможность осуществления комбинированных способов обработки. Обоснованы диапазоны основных технологических параметров процесса ГПА: напряжение (170-200В), сила тока (Imax=1.0-1.5 А, Imin=0.10-0.12 А), время азотирования (1,5-3 мин), при которых поддерживается стабильное горение низкотемпературной плазмы с образованием газопаровой рубашки и исключающие образование аномального дугового разряда.

Но основании построенной модели температурных условий процесса ГПА получены расчетные зависимости температуры детали при нагреве в плазме от напряжения, размера (радиуса поперечного сечения) детали и глубины ее погружения в электролит. Зависимости позволяют регулировать температуру детали путем варьирования соответствующих параметров.

Упрочнению методом ГПА подвергаются углеродистые (20, 40, У8) и легированные стали (40Х, 20Х13, 40Х13, 40Х12Н8Г8МФ) перлитного, мартенситного и аустенитного классов. Исследования структуры и фазового состава азотированных слоев после ГПА методами оптической металлографии, электронной микроскопии, дифракционного анализа, электрографии показали различия в строении слоев: на чистом железе наблюдается поверхностная зона ?-фазы и зона внутреннего азотирования, содержащая ?'-нитриды, на углеродистых сталях (У8) под слоем ?-фазы наблюдается слой азотистого мартенсита, на легированных хромистых сталях зона внутреннего азотирования содержит дисперсные нитриды хрома.

Испытания свойств модифицированных слоев на сталях после ГПА показали существенное повышение твердости (до 13-16 ГПа) по сравнению с исходными сталями, износостойкости (в 3 раза) при сохранении стойкости легированных сталей к газовой коррозии.

Преимущество процесса ГПА перед классическими способами печного и ионного азотирования заключается в интенсификации насыщения стали азотом за счет активизации ионов в низкотемпературной плазме – образование слоя толщиной до 150 мкм занимает 1,5-3 мин. Кроме того, при ГПА возможно проведение нитрозакалки за счет охлаждения детали при контакте с окружающей средой после отключения напряжения, что способствует дополнительному повышению твердости слоя.

Показана эффективность применения ГПА в сочетании с металлизацией, разработаны две разновидности комбинированной обработки: последовательные металлизация и азотирование, одновременное металлоазотирование.

Комбинированный способ гальванической металлизации изделия с последующим гидроплазменным азотированием (ГМ+ГПА) позволяет формировать высоколегированное азотированные слои с высоким комплексом свойств на дешевых углеродистых сталях. Так, при использовании в качестве электрода для металлизации пластины из хромоникелевой стали в результате гальванического осаждения и последующего азотирования на образцах стали 40 за короткое время (суммарная продолжительность процесса 9 мин) формируется слой азотистого аустенита (твердого раствора в железе хрома, никеля и азота) толщиной 50 мкм с повышенной твердостью (до 4000 МПа) и коррозионной стойкостью на уровне нержавеющей стали.

Комбинированный способ металлоазотирования заключается в шликерной металлизации совмещенной с гидроплазменным азотированием углеродистых сталей. В результате ГПА изделий из углеродистых сталей с нанесенной на поверхность суспензией, содержащей порошок металла, графит и связующее вещество, происходит одновременное насыщение поверхности металлом (из суспензии), азотом (из электролита) и углеродом (из графита).

Показано, что строение металлоазотированных слоев, их толщина и уровень упрочнения (твердость) зависят от типа металлизирующего элемента. Методами оптической металлографии, электронно-микроскопического, рентгеноструктурного, микрорентгеноспектрального анализов установлено, что при металлоазотировании углеродистых сталей с использованием нитридообразующих элементов (Cr, W, Mo, V, Nb, Ti) формируется зона внутреннего азотирования, состоящая из легированного азотом и металлом твердого раствора и дисперсных нитридов (карбонитридов) легирующих элементов, а в ряде случаев – интерметаллидов.

Металлоазотированные слои обладают повышенной твердостью по сравнению с исходным материалом, обусловленной твердорастворным упрочнением стали легирующим элементом и азотом, а также дисперсионным упрочнением нитридами (интерметаллидами). Максимальной твердостью обладают слои, легированные молибденом (до 16ГПа) и алюминием (до 15 ГПа). Алюмоазотированные, алюмотитаноазотированные и хромоазотированные покрытия обладают повышенной стойкостью к газовой коррозии за счет формирования на поверхности соответствующих оксидных пленок Al2O2 и Cr2O3. Выбор легирующего элемента для металлоазотирования может быть сделан, исходя из эксплуатационных требований к конкретным изделиям, по следующим критериям: наибольшей эффективной толщины диффузионного слоя; наибольшей твердости слоя; равномерной твердости упрочненного слоя, повышенной коррозионной стойкости слоя.

Моделирование упрочнения железной матрицы при металлоазотировании на основе закономерностей дислокационной теории с учетом указанных механизмов упрочнения позволяет прогнозировать твердость модифицированного слоя, исходя из типа легирующего элемента и его концентрации, достигающейся в слое при металлизации. Расчетные значения твердости для слоев, легированных Cr, V, Ti показали хорошую корреляцию с экспериментальными значениями (погрешность от 2,7 до 7,6%).

Разработанные технологии ГПА применимы для упрочнения небольших деталей различного назначения из углеродистых и легированных сталей. Технология гидроплазменного азотирования внедрена для изделий сельскохозяйственного машиностроения и нефтегазодобывающей отрасли. Экономический эффект от внедрения достигается за счет увеличения срока службы упрочненных изделий, существенного сокращения длительности процесса обработки, а также за счет замены дорогостоящих легированных сталей на углеродистые.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Демин П.Е. Азотирование в парах электролита / Петрова Л.Г, Александров В.А., Демин П.Е // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2010. - №4. – С. 21-24;

2. Демин П.Е. Азотирование высокохромистых сталей в гидроэлектролитной плазме / Петрова Л.Г., Александров В.А., Демин П.Е // Сборник научных трудов МАДИ (ГТУ). Современные методы получения и исследования наноструктурных металлов и покрытий. – 2009. – С. 60-63;

3. Демин П.Е. Влияние размеров детали на ее температуру при нагреве гидроэлектролитной плазмой / Петрова Л.Г., Александров В.А., Демин П.Е. // Сборник научных трудов МАДИ (ГТУ). Современные методы получения и исследования наноструктурных металлов и покрытий. – 2009. - С. 73-77;

4 Демин П.Е. Повышение коррозионной стойкости высоколегированных сталей гидроплазменным азотированием / Петрова Л.Г, Александров В.А., Демин П.Е. // 16 международный симпозиум «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова. – 2010. - том 1. - С. 137-139;

5 Демин П.Е. Гидроплазменное азотирование / Петрова Л.Г, Александров В.А., Демин П.Е. // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. Сборник трудов. – 2009. – вып. 46 . - С. 89-92.

6. Патент № 2362831 «Способ азотирования стальных изделий», зарегистрирован 27 июля 2009г.

загрузка...