Исследование влияния состава и режимов химико-термической обработки деталей, работающих в агрессивных средах на эксплуатационные свойства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование влияния состава и режимов химико-термической обработки деталей, работающих в агрессивных средах на эксплуатационные свойства

Тавтилов И.Ш., канд. техн. наук, Валитов Д.М.

Оренбургский государственный университет»

г. Оренбург

В ряде случаев изготовление деталей целиком из износостойкого материала нерационально в связи с трудностью обработки и высокой стоимостью этого материала. Поэтому для повышения эксплуатационных показателей и увеличения срока службы деталей машин используют различные способы поверхностного упрочнения, в частности, износостойкие покрытия, нашедшие широкое применение в производстве разнообразных изделий. Однако для того чтобы покрытие обеспечивало существенное повышение износостойкости, необходим обоснованный выбор материала для каждого конкретного случая (пары трения), а это требует проведения исследований пар трения в широком интервале скоростей, нагрузок и температур.

В настоящее время в промышленности остро стоит проблема создания многофункциональных износостойких покрытий для тяжело-нагруженных пар трения, работающих в условиях высоких линейных скоростей и приложенных давлений, при недостаточном количестве смазки или при полном ее отсутствии [1]. В данных условиях степень окисления имеет большое значение в поведении трения и износа: оксидный слой должен быть однородным, тонким и иметь хорошую адгезию, чтобы быть эффективным против износа.

Термодинамическое еще моделирование процессов, происходящих при взаимодействии с металлами многокомпонентных атмосфер, позволяет определить еще направление химических реакций в зависимости от парциального давления газовых компонентов. Модель фазового состава диффузионного слоя сталей, азотированных в смеси аммиака и воздуха, основана на анализе химических реакций, происходящих при взаимодействии металла с газовой фазой:

деталь абразивный термический газовый

Fe + NH3 >1,5H2 + Fe[N] - б-фаза;

4Fe + еще NH3 >1,5H2 + Fe4N - г'- фаза;

Fe4N + еще NH3 >1,5H2 + 2Fe2N - е-фаза;

3Fe + 4H2O = 4H2 + еще Fe3O4;

Fe + еще H2O = FeO + еще H2 (t > 560 °С);

Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O (t > 560 °С).

Построенные на еще основе расчета диаграммы фазового состава позволяют определить особенности формирования диффузионных слоев при увеличении температуры и (или) азотного потенциала. В зависимости от этих параметров в азотированном слое образуются различные но сочетания химических соединений, нитридных и оксидных фаз: FeO, Fe3O4, г? и е- фаза. При азотировании сталей в аммиачно- воздушных атмосферах термодинамически обоснованное регулирование степени разбавления аммиака позволяет повысить азотный потенциал атмосферы за счет связывания но водорода с образованием паров воды и увеличить степень диссоциации аммиака но за счет снижения его парциального давления.

Термодинамическая модель дает возможность оптимизировать технологические параметры азотирования широкой номенклатуры сталей путем управления фазовым составом и строением диффузионного слоя.

Диффузионно-кинетические модели описывают кинетику процесса насыщения при ХТО, т.е. позволяют определить скорость роста диффузионного слоя или отдельных но его участков в но зависимости от но природы упрочняемого но металла, специфики насыщающей среды и других параметров технологического процесса. Диффузионные модели включают:

- разработку кинетической схемы протекания диффузионного процесса продвижения элемента в металле с учетом специфики образующихся фаз;

- выбор разновидности диффузионной задачи для решения;

- определение начальных и граничных условий;

- составление алгоритма решения и получение количественных соотношений, связывающих параметры слоя с исходными параметрами процесса.

Такие модели позволяют оптимизировать но технологические параметры процесса по критерию формирования диффузионных слоев заданной толщины, определить условия интенсификации процесса.

Так, диффузионно-кинетическая модель внутреннего азотирования многокомпонентных сплавов учитывает возможность образования в азотированном слое участков с преимущественным выделением дисперсных нитридов различной термодинамической но стабильности. Например, в хромоникелевых сплавах, содержащих титан, при высокотемпературном азотировании по мере снижения концентрации поступающего азота в глубь слоя формируются два фронта диффузии:

- но первичный фронт (Х) продвижения нитридов титана и вторичный фронт (Y) образования но нитридов хрома (но рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема диффузии азота и легирующего элемента при азотировании многокомпонентных сплавов

Решение но диффузионной задачи, иллюстрируемой схемой на рисунке 1, дает уравнение описывающее кинетику но роста общей толщины диффузионного слоя Х и толщины но подслоя Y с параметрами диффузии и растворимости азота (DN, CN), которые, в но свою очередь, но зависят от но температуры азотирования.

(1)

Таким образом, можно расчетным путем определить параметры процесса (но температуру и время насыщения) для получения дисперсионного упрочнения тонколистового материала нитридами титана за счет сквозного азотирования без образования поверхностного подслоя нестойких нитридов хрома. Это позволяет повысить жаропрочность и сохранить жаростойкость сплавов, предназначенных для работы при высоких температурах.

Использование модели дает возможность точно рассчитать необходимое время но сквозного насыщения изделия заданной толщины и значительно но сократить длительность процесса азотирования [2].

Металлофизические (структурные) модели позволяют прогнозировать уровень упрочнения материала в результате модифицирующей обработки, исходя из параметров но его структуры.

Применение количественных закономерностей металлофизических моделей для практических расчетов но позволяет разрабатывать технологические процессы, обеспечивающие формирование слоя со строго определенными параметрами состава и структуры.

Например, высокий уровень твердости при внутреннем азотировании сплавов может быть достигнут путем но регулирования размерных параметров нанодисперсных нитридов.

Уровень упрочнения, пропорциональный объемной доле нитридных частиц, зависит от природы нитридной фазы: как правило, он тем выше, чем больше термодинамическая стабильность нитрида. Подобные расчеты на основании но моделей могут применяться для целенаправленного формирования химического состава азотируемых сплавов.

Современные способы регулирования параметров азотирования позволяют находить новые технологические решения, реализация которых обеспечивает широкий диапазон физико-механических характеристик материалов.

Технология высокотемпературного азотирования коррозионностойких хромоникелевых сталей и жаростойких нихромов обеспечивает заданный состав и структуру слоя для повышения твердости, износостойкости, прочностных характеристик, сопротивления ползучести, стойкости к электрохимической и газовой коррозии. Так, получение но протяженных зон но внутреннего азотирования в никелевых сплавах на базе азотистого твердого но раствора, упрочненного но дисперсными нитридами титана, позволило повысить их жаропрочность до температуры 1100 °С при но сохранении жаростойкости. Регулирование фазового состава зон внутреннего азотирования в аустенитных сталях путем разбавления аммиака инертным но газом дает возможность получать но износостойкие слои без потери коррозионной стойкости ( рисунок 2).

Рисунок 2 - Зависимость износа от времени испытаний

Технология гидроплазменного азотирования заключается в обработке конструкционных сталей в электролите (растворе хлорида аммония), в котором при определенном пороговом напряжении и, силе электрического тока образуется газопаровая рубашка (плазма).

За счет выделения большого количества но тепла непосредственно у поверхности металла происходит очень быстрое его насыщение ионами азота с образованием химических соединений ( нитридов железа). но При отключении напряжения осуществляется нитрозакалка, структура слоя состоит из поверхностной зоны е-фазы и азотистого мартенсита, что вызывает но существенное повышение микротвердости слоя ( рисунок 3).

Рисунок 3 - Микроструктура поверхностого слоя стали У8

Технология применена, в но частности, для получения коррозионно- стойких покрытий на мелких деталях, работающих в агрессивных и абразивных средах (влаги, песка), например, для обработки рабочих частей машин из стали У8 для расчесывания шерсти. Преимущества процесса заключаются в сокращении времени азотирования до минут, снижении расхода газа и отсутствии необходимости герметизации камеры насыщения, в отличие от печного и ионного азотирования.

Исходя из но структурной модели, можно заключить, что наибольший эффект упрочнения но достигается при но реализации максимально возможного числа но упрочняющих механизмов в едином технологическом процессе.

С этой точки зрения представляют но интерес комбинированные технологии упрочнения, но сочетающие в себе несколько традиционных методов обработки.

На современном этапе углубляется тенденция к разработке комбинированных процессов химико-термической обработки, базирующихся на научно-обоснованном применении многокомпонентных газовых сред.

Это процессы комплексного насыщения несколькими элементами, такие как но нитрооксидирование, оксикарбонитрирование и др. Развиваются технологии ХТО, представляющие собой комбинации двух и более видов модифицирующих воздействий на поверхность металла.

Регулируемые технологии комбинированных процессов ХТО в смеси аммиака и воздуха обеспечивают высокий уровень физико-механических свойств деталей из конструкционных низколегированных сталей, коррозионностойких сталей ферритного, мартенситного и аустенитного классов: повышенную твердость, износостойкость, контактную выносливость, коррозионную стойкость. Газоциклические процессы азотирования с регулируемой дискретной подачей аммиака и воздуха существенно (в 1,25-1,47 раз) интенсифицируют процесс роста слоя в высоколегированных сталях по сравнению с азотированием в аммиаке и позволяют избежать процедуры предварительной депассивации поверхности.

Наибольшая эффективность достигается при реализации технологии азотирования сталей в разделенных атмосферах аммиака и воздуха, но когда сначала но осуществляется подача воздуха с целью окисления, а затем - но азотирование в атмосфере аммиака [3].

В результате процессов с разделенными воздушно-аммиачными но атмосферами на хромистых сталях но формируется азотированный но слой под энергетическим барьером из оксидных пленок. Под наноразмерной оксидной пленкой образуется дисперсно-но упрочняемый пересыщенный твердый раствор азота и хрома в железе.

Комбинированное покрытие стали 40Х13 имеет высокое сопротивление износу но благодаря образованию но на поверхности мелкодисперсного нанопорошка оксида железа, но который является своего рода смазкой при но работе деталей но на истирание. В результате азотирования но через оксидный барьер коэффициент трения поверхности но снижается по сравнению с классическим азотированием, а износостойкость но повышается: в условиях трения скольжения без смазочного материала в 4-4,5 раз, в условиях абразивного и гидроабразивного изнашивания в 2-2,5 раза.

Список литературы

1 Ажогин Ф. Ф. Коррозионное растрескивание и защита высокопрочных сталей. М.: Металлургия, 1974 - 342 с.

2 Александров В.А. Технология получения защитных покрытий из суспензий химических соединений алюминия и кремния / В.А. Александров // В сб. «Современные упрочняющие технологии и их применение». - М. : МАДИ (ГТУ), 2015. - С. 82-84.

3 Березин А.В. Влияние повреждений на деформационные и прочностные характеристики твердых тел. М.: Наука, 2014. - 135 с.

Размещено на Allbest.ru