Delist.ru

Низкотемпературное азотирование легрованных сталей через нанооксидный барьер (25.11.2009)

Автор: Шестопалова Лариса Павловна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основе анализа литературных данных определена перспективность азотирования легированных сталей с предварительным окислением, сопровождающимся образованием оксидных пленок малой (наноразмерной) толщины. Теоретически показано, что подобная оксидная пленка может играть роль барьера, снижающего энергию активного азота газовой фазы при последующем азотировании, что позволяет формировать под оксидной пленкой зону внутреннего азотирования с регулируемым строением, а именно, состоящую из обогащенного азотом феррита и дисперсных частиц нитридов легирующих элементов. С другой стороны, наличие на поверхности азотируемой стали оксида железа интенсифицирует процесс ионизации аммиака, что позволяет сократить длительность азотирования по сравнению с классическим азотированием.

Показаны преимущества легированных сталей для упрочнения методом азотирования через оксидный барьер, и, в первую очередь, хромосодержащих сталей, среди которых среднелегированные (20Х3МВФ), высоколегированные коррозионно-стойкие (40Х13), быстрорежущие (Р6М5).

Для прогнозирования строения композиционных покрытий, образующихся в результате азотирования с предварительным окислением, построены физико-химические модели фазового состава, основанные на теориях и количественных закономерностях взаимодействия металлов с газами:

Модель кинетики окисления и последующего азотирования позволяет определить толщину барьерной оксидной пленки в зависимости от содержания хрома в сталях. Показано, что с увеличением концентрации хрома толщина пленки уменьшается и в высокохромистых сталях становится наноразмерной.

Модель формирования оксидной пленки позволяет определить временные интервалы образования барьерного слоя оптимальной толщины на сталях с содержанием 1…13%Cr для получения заданного строения азотированного слоя.

Модель формирования зоны внутреннего азотирования под оксидной пленкой в хромистых сталях позволяет прогнозировать фазовый состав слоя, определить условия для образования в зоне внутреннего азотирования нитридов хрома без выделения нитридов железа.

Модель образования нитридного слоя над оксидной пленкой описывает условия формирования поверхностного слоя нитридов железа при длительном азотировании через оксидный барьер.

На основе построенных моделей разработана схема технологического процесса низкотемпературного азотирования легированных сталей через нанооксидный барьер, позволяющего повысить физико-механические свойства поверхностного слоя деталей машин и инструмента: твердость, износостойкость, в том числе гидроабразивную и абразивную износостойкость, стойкость к электрохимической и питтинговой коррозии при сохранении микрогеометрии поверхности, стабильных размеров и формы изделий.

Разработано оборудование для реализации технологического процесса азотирования через оксидный барьер, которое может быть использовано как для лабораторного эксперимента, так и для обработки промышленных образцов, включающее

автоматизированную систему управления технологическим процессом азотирования с предварительным окислением, предусматривающую автоматическую подачу двух раздельных атмосфер: аммиака и воздуха;

установку с программным управлением процессом ХТО, позволяющую контролировать рост диффузионного слоя непосредственно во время насыщения,

систему контроля кинетики роста оксидного слоя в ходе насыщения путем измерения электрических параметров поверхности обрабатываемого материала;

систему контроля окислительного потенциала атмосферы на основе дифференцированной подачи аммиака и воздуха в систему газообеспечения для поддержания постоянной толщины оксидной пленки в процессе насыщения.

Экспериментально установлено, что азотирование легированных сталей через оксидный барьер позволяет регулировать фазовый состав модифицированного поверхностного слоя в соответствии с требованиями условий эксплуатации. Методами металлографического, электрографического, рентгеноструктурного, микрорентгеноспектрального анализов, электронно-растровой микроскопии определены закономерности строения модифицированного слоя в зависимости от длительности насыщения:

При кратковременном азотировании (мене 1 часа) образуется двухслойное композиционное покрытие: поверхностный слой оксида Fe2O3 и зона внутреннего азотирования, состоящая из легированного азотом феррита и/или дисперсных частиц нитридов легирующих элементов (прежде всего, CrN).

При длительном азотировании (более 1, 5 часа) образуется трехслойное композиционное покрытие: поверхностный слой из нанопорошка ?-фазы, под ним наноразмерный оксидный слой и зона внутреннего азотирования с когерентными выделениями нитридов хрома.

На основании разработанной методики, основанной на различиях в скорости осаждения из жидкой фазы дисперсных частиц разного размера (закон Стокса) определен фракционный состав нанопорошка частиц нитридов железа, образующегося на поверхности при продолжительном азотировании; преобладающий размер частиц составляет 40-60 нм.

Установлено, что обработка сталей по предлагаемой технологии позволяет повысить служебные характеристики изделий. Основной эффект упрочнения поверхностного слоя достигается за счёт формирования под оксидным слоем зоны внутреннего азотирования, состоящей из легированного азотом твердого раствора и мелкодисперсных нитридов легирующих элементов.

Образцы из легированных сталей, азотированные по разработанной технологии, отличаются большей микротвердостью, чем изделия, азотированные по классической технологии.

Повышается износостойкость образцов в условиях трения скольжения без смазки в 4…4,5 раз, в условиях абразивного и гидроабразивного изнашивания в 2…2,5 раза. Наличие оксидной пленки способствует лучшей прирабатываемости, снижает склонность к схватыванию при контакте трущихся поверхностей деталей, образующийся на поверхности нанопорошок нитридов железа играет роль естественной смазки при работе деталей на истирание.

Повышается коррозионная стойкость изделий по сравнению с традиционной обработкой в аммиаке.

Преимуществами разработанной технологии по сравнению с традиционной технологией азотирования являются:

Более высокие характеристики физико-механических свойств изделий;

Сокращение длительности процесса насыщения (продолжительность азотирования не превышает 4,0час);

Сохранение ровной и гладкой поверхности, практическое отсутствие эллипсности обработанных изделий;

Отсутствие необходимости в технологической операции шлифования после азотирования;

Отсутствие необходимости в предварительной депассивации изделий из хромистых сталей.

Для деталей машин и инструмента различного назначения разработаны рекомендации по оптимальным технологическим вариантам азотирования через оксидный барьер, разработаны инструкции по реализации технологического процесса.

Разработанный технологический процесс применен для упрочнения деталей скважинных приборов из стали 40Х13, ресурс работы которых повысился с 45 минут до 9 часов, а также для упрочнения инструмента из быстрорежущей стали Р6М5, стойкость которого увеличилась 2,5 - 3 раза по сравнению с инструментом, прошедшим стандартную термообработку.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Петрова Л.Г. Повышение эксплуатационных свойств легированных сталей в процессе химико-термической обработки в разделенных атмосферах воздуха и аммиака / Л.Г. Петрова, В.А. Александров, Л.П. Шестопалова // Вестник МАДИ (ГТУ), Вып. 3 – М., 2009. - С.48 - 55.

2. Петрова Л.Г. Влияние предварительного окисления на процесс азотирования сталей, содержащих хром / Л.Г. Петрова, В.А. Александров, Л.П. Шестопалова // Вестник ХНАДУ, вып. 46 – Харьков, 2009. – С. 82 – 85.

3. Шестопалова, Л.П. Низкотемпературное азотирование легированных и инструментальных сталей через оксидный барьер / Л.П. Шестопалова, В.А. Александров //Инновации в науке и образовании – 2009: труды. VII международной научной конференции часть 2 – Калининград : КГТУ, 2009. – С.143 – 145.

4. Александров, В.А. Методика определения размера частиц нанопорошка / В.А. Александров, Л.П. Шестопалова //Инновации в науке и образовании – 2009: труды. VII международной научной конференции часть 1 – Калининград : КГТУ, 2009. – С.201 – 202.

5. Александров В.А. Повышение эксплуатационных свойств деталей из конструкционных сталей при циклическом азотировании / В.А. Александров, Л.П. Шестопалова // Современные методы получения и исследования наноструктурных материалов и покрытий: сб. науч. тр. – М.: МАДИ, 2009. – С. 64-72

6. Александров В.А. Формирование упрочненного слоя на поверхности изделий из хромистых сталей в регулируемой воздушно-аммиачной атмосфере / В.А. Александров, Л.П. Шестопалова // Современные методы получения и исследования наноструктурных материалов и покрытий: сб. науч. тр. – М.: МАДИ, 2009. – С. 86 – 99.

7. Александров В.А. Упрочнение прецизионных деталей из легированной стали 30ХМВС / В.А. Александров, Л.П. Шестопалова // Современные методы получения и исследования наноструктурных материалов и покрытий: сб. науч. тр. – М.: МАДИ, 2009. – С. 100 – 105.

8. Шестопалова Л.П. Особенности дисперсного упрочнения хромистых сталей при циклическом оксинитрировании / Л.П. Шестопалова, В.А. Александров // Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред: сб. материалов ХV-ого международного симпозиума т. 1 – М.: Изд. «Типография «ПАРАДИЗ», 2009. - С. 163 – 164.

9. Александров В.А. Определение степени дисперсности наночастиц / В.А. Александров, Л.П. Шестопалова // Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред: сб. материалов ХV-ого Международного симпозиума т. 2 – М.: Изд. «Типография «ПАРАДИЗ», 2009. - С.4 – 5.

загрузка...