CC BY
36
Оригинальная статья / Original article УДК 621.785
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-10-22
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЗМЕННОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ДЕТАЛЕЙ НА ПРИМЕРЕ ВТУЛКИ ШПИНТОНА ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА
1 9
© Ву Ван Гюи1, А.Е. Балановский2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ данной работы - рассмотрение физических основ метода плазменной поверхностной цементации и технологии восстановления изношенных втулок, подвергающихся механическому износу. МЕТОДЫ. Для определения пятна контакта применены оптические методы. Определение состава пасты и плазмообразующего газа осуществлено на основе эмпирического научного метода. Проведены металлографические исследования структуры цементированного слоя. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Рассмотрена новая технология упрочнения деталей типа втулки плазменной цементацией в твердой фазе с использованием паст. Представлены физические основы механизма насыщения поверхностного слоя углеродом в процессе плазменного нагрева. Изучены микроструктуры цементированного слоя, микротвердость поверхности после плазменной цементации. ВЫВОДЫ. Разработанная технология плазменной поверхностной цементации деталей железнодорожного транспорта, подвергающихся интенсивному износу, позволяет насыщать поверхность деталей углеродом в течение нескольких секунд, при этом сильного оплавления поверхности не наблюдается. Цементируемый слой на поверхности изношенной втулки из стали 45 и восстановленной наплавкой проволокой Св-08Г2С достигает толщины от 30 до 200 мкм с микротвердостью 8000-11000 МПа.
Ключевые слова: плазменное упрочнение металлов, паста, плазменная цементация, диффузия, микротвердость.
Формат цитирования: Ву Ван Гюи, Балановский А.Е. Физические основы технологии плазменной поверхностной цементации деталей на примере втулки шпинтона пассажирского вагона // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 3. С. 10-22. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-10-22
PHYSICAL PRINCIPLES OF PLASMA SURFACE CARBURIZING OF PARTS AS EXEMPLIFIED BY AN ANTIRATTLE BUSHING OF A PASSENGER COACH Vu Van Huy, A.E. Balanovsky
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. PURPOSE. The purpose of the paper is to analyze the physical basis of plasma surface carburizing and restoration of worn bushings subjected to mechanical wear. METHODS. Optical methods for determining the contact spot were used. Paste and plasma gas composition were determined using an empirical research method. Metallurgical studies of the structure of cemented layer were carried out. RESULTS AND DISCUSSION. The article considers new technology of hardening bushings by plasma carburizing in solid phase using pastes. The physical basis of the mechanism of carbon saturation of the surface layer in the plasma heating is presented. The microstructure and the surface microhardness of the cemented layer followed by plasma carburizing were studied. CONCLUSIONS. The developed method of plasma surface carburizing of railway transport parts subjected to heavy wear allows saturating the surface of the carbon parts with carbon for a few seconds, and there is need in melting on the surface. Cementable layer on the surface of the worn bushing made of steel 45 and restored by hardfacing with wire Sv-08G2S gets a thickness of 30-200 microns with a micro-hardness of 8000-11000 MPa.
Keywords: plasma hardening metal, paste, plasma carburizing, diffusion, micro-hardness
For citation: Vu Van Huy, Balanovsky A.E. Physical principles of plasma surface carburizing of parts as exemplified by an antirattle bushing of a passenger coach. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 3, pp. 10-22. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-3-10-22
Ву Ван Гюи, аспирант, e-mail: huy241989@gmail.com Vu Van Huy, Postgraduate, e-mail: huy241989@gmail.com
2Балановский Андрей Евгеньевич, доктор технических наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов, e-mail: fuco.64@mail.ru
Andrey E. Balanovsky, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Engineering Technology and Materials, e-mail: fuco.64@mail.ru
Введение
Плазменное поверхностное упрочнение широко используется для повышения износостойкости поверхности деталей машин и инструментов [1]. В работах [2-4] представлены теоретические основы использования плазменного источника нагрева для поверхностной обработки металла, в том числе рассмотрены методы химико-термического насыщения поверхностного слоя металла. В работе [5] приведены первые результаты плазменной цементации поверхностного слоя металла в твердой фазе. Данный способ обработки имеет ряд достоинств перед другими способами цементации: формирование полезно-сжимающего напряжения на поверхности, отсутствие деформации, высокая производительность. Кроме того, не требуется дополнительной термической обработки детали после упрочнения.
Плазменная цементация с использованием паст впервые рассмотрена в работах [1, 6, 7]. Сущность данных методов заключается в нанесении на поверхность деталей углеродосодержащей обмазки или
покрытия, которое оплавляется под воздействием плазменной струи. Под действием газодинамической силы плазменной струи (дуги) происходит интенсивное перемешивание жидкого металла с углеродом, при последующей кристаллизации образуется легированный слой с большим количеством углерода. В этих работах показано, что плазменная цементация металла в твердой фазе возможна только с оплавлением поверхности, то есть на поверхности металла образуется жидкая ванна, вследствие чего упрочненную деталь необходимо подвергнуть дополнительной механической обработке.
В данной работе рассмотрены физические основы технологии плазменной поверхностной цементации, что позволяет объяснить механизм насыщения поверхности металла углеродом без образования жидкой сварочной ванны. В предлагаемой технологии углерод диффундирует в металл через тонкую жидкую пленку, образующуюся на поверхности в результате окисления.
Материалы и методы исследования
В качестве твердого покрытия для цементации использовали пасту следующего состава: графит, жидкое стекло, вода, масло. Данный состав пасты был подробно описан в работе [5]. Использование в качестве основного насыщающегося компонента графита, ввиду его высокой электропроводности, позволяет снизить электрическое сопротивление на границе контакта пятна нагрева плазменной дуги и покрытия. Механическая прочность покрытия достигается тем, что в качестве связующего используется клеящаяся масса на основе жидкого стекла. Это в несколько раз повышает механическую прочность покрытия и увеличивает сцепление с основой [1]. Для оценки влияния толщины покрытия на глубину цементированного слоя рассчитывали удельный вес покрытия, 6, г/см2:
б=т^,
где т - масса покрытия как разница масс детали до нанесения пасты и после, г; Э -площадь нанесения, м2.
Для отработки режимов плазменной цементации использовались образцы из стали Ст3 размером 80x40x10 мм. В дальнейшем полученные нами результаты были перенесены на конкретную деталь, а именно, втулку шпинтона пассажирского вагона. Для создания источника плазмы использована электрическая дуга, горящая в среде аргона и углекислого газа. Углекислый газ применяется для создания окислительной плазменной среды3 [8-14] и повышения теплосодержания плазмы [1], что приводит к ускорению процесса насыщения поверхности углеродом [9,14]. Плазменная цементация с применением электрической дуги
Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов: учеб. пособие для вузов. М.: Металлургия, 1985. 256 с. / Lahtin Y.M., Arzamas B.N. Chemical heat treatment of metals. Moscow, Metallurgiya Publ., 1985, 256
выполнялась на установке, которая включает источник питания Kempi PSS 5000, осциллятор TU50, пульт дистанционного управления C110D, цифровой анализатор MU10 (для снятия значений силы тока и напряжения), систему охлаждения WU10, баллонную установку с плазмообразующи-ми газами (аргон, углекислый газ), горелку-плазмотрон и штатив. Для фотографирования использовались цифровые зеркальные камеры á SONY 350, Canon 550d-18-50 (процедура работы с камерой была подробно изложена в работах [15, 16]). Для исследования быстропротекающих процессов использовалась скоростная кинокамера Pco.dimax, оснащенная 12-битной высокочувствительной матрицей КМОП. Время экспозиции составляло от 2 мкс до 40 мс. Электронно-микроскопические исследования поверхности металлических образцов проведены на базе Иркутского национального исследовательского технического университета (ИРНИТУ) с помощью растрового электронного микроскопа JIB-4501 JEOL с многолучевой системой, оснащенного электронной и ионной пушкой JIB-4501 в комплекте с безазотной системой энергоРезультаты и
На рис. 1 представлены фото, демонстрирующие отличия плазменной обработки поверхности металла без углеродо-содержащего покрытия (рис.1, а) и с нанесенным покрытием (рис.1, b). На снимках отчетливо видно, что в процессе плазменного нагрева на поверхности металла образуется пленочный слой, что связано с окислением поверхности при высоких температурах. При этом температура плавления поверхности с пленочным слоем снижается, что позволяет через образовавшийся пленочный слой насыщать поверхность металла углеродом. Более детальная сьемка показывает, что на поверхности металла в процессе нагрева возникают зоны повышенного нагрева, а именно, в местах образования жидкого пленочного слоя (рис. 2).
дисперсионного микроанализа, а также просвечивающего электронного микроскопа Tecnai G2 20F S-TWIN FEI. Полученные фотографии обрабатывались при помощи компьютерной программы ACDSee-7.C.
Втулка шпинтона крепилась в патрон токарного станка 1К62. Плазмотрон крепился на место резцедержателя. Выставлялась скорость вращения втулки шпинтона, соизмеримая с линейным перемещением в диапазоне 4-50 мм/с. Для подготовки и изучения микрошлифов использовалось следующее оборудование: автоматический отрезной станок Полилаб Р100А - для резки металлографических и петрографических образцов; пресс Поли-лаб С50А - для запрессовки образцов; шлифовально-полировальный станок По-лилаб П12М - для полировки поверхности микрошлифов. Микротвердость измерялась на приборе ПМТ-3, шероховатость - на профилометре Taylor Hobson Form Talysurf i200 и оптическом профилометре Bruker Contour GT-K1. Визуализация процесса осуществлялась согласно методике, изложенной в работах [15, 16].
их обсуждение
В начале процесса плазменная дуга горит стабильно, на поверхности вольфрамового электрода следов эрозии не наблюдается. В конце процесса (рис. 2, b) на поверхности вольфрамового электрода образуется нарост из продуктов конденсации, располагающийся на конце электрода. Причиной образования данного нароста является взаимодействие кислорода и углерода в плазме столба дуги [1]. Атомы кислорода и углерода соединяются с вольфрамом, образуется оксид вольфрама (WO3) и карбид вольфрама (WC), которые имеют более низкие температуры плавления по сравнению с температурой плавления вольфрама: WO3 - 1473оС, WC - 2870оС. Для устранения данного явления при плазменной цементации обработку желательно выполнять короткой дугой малой мощности [1, 4].
а b
Рис. 1. Визуализация процесса поверхностного насыщения углеродом: а - плазменный нагрев чистой поверхности с образованием окисной пленки; b - плазменный нагрев углеродосодержащего покрытия Fig. 1.Visualization of a surface carbon saturation process: a - plasma heating of the pure surface with forming an oxide film; b - plasma heating of the carbonaceous coating
а b
Рис. 2. Тепловая обстановка в пятне нагрева при плазменной цементации в процессе упрочнения: а - начало процесса; b - окончание процесса Fig. 1. Thermal conditions in the heating spot during the plasma carburizing : а - beginning of the process; b - end of the process
При изучении шлифов металлических образцов в поперечном сечении после их плазменной цементации под микроскопом зафиксирован цементированный слой (белый слой), который имеет высокую микротвердость - 8000-11000 МПа (при нагрузке 2Н), и располагается по ширине дорожки упрочнения (рис. 3).
На рис. 4 представлены результаты
электронно-микроскопических исследований цементированного слоя. На рис. 4, а показаны отпечатки пирамидки при измерении микротвердости. Видно, что отпечатки в упрочненной зоне (в цементированном слое) меньше, чем в закаленном слое. На рис. 4, Ь показана структура цементируемого слоя под электронным микроскопом, где наблюдается игольчатый и пластинчатый
мартенсит и остаточный аустенит. Анализ результатов микроскопических исследований поверхностного слоя показывает, что структура в основном представлена мартенситом с остаточным аустенитом. Доля остаточного аустенита в цементированном слое зависит от скорости охлаждения этого слоя. Характер распределения микротвердости по глубине поверхностного слоя, по-
казанный на рис. 5, совпадает с результатами работ [1, 4, 7]. Максимальное значение микротвердости - 9900 МПа, наблюдается на определенной глубине поверхностного слоя, при этом непосредственно у поверхности значение микротвердости снижается до 6850 МПа, что связано с большим содержанием остаточного аустенита в этой зоне.
Рис. 3. Упрочненная дорожка с белым слоем Fig. 3.Strengthened track with white sand
а b
Рис. 4. Микроструктура упрочненного слоя с увеличением в 500 (а) и 1300 (b) раз Fig. 4. The microstructure of the hardened layer a - 500 times increase; b - 1300 times increase
« £
S
« Я
^ 5Й
H ж
О И
S а
4 -а а С Ü «
5 -а
н о
0 i.
а а
1 §
12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
A
♦ v
h
0
200
400
600
Расстояние от поверхности, мкм / Distance from the surface, ^m Рис. 5. Распределение микротвердости по глубине упрочненной дорожки Fig. 5. Distribution of microhardness according to the depth of a strengthened track
На основе проведенных ранее исследований [1, 5] и анализа работ других авторов нами выдвинута следующая гипотеза поверхностного насыщения металла углеродом в процессе плазменного нагрева. Физическая сущность предлагаемого нами технологического процесса заключается в том, что углерод легко диффундирует в железо в атомном виде через жидкий металл [8-14]. При этом углекислый газ используется, с одной стороны, как источник дополнительного углерода, с другой - как активатор диффузионных процессов на поверхности раздела «газ (плазма) - твердое тело» для ускорения процесса образования атомного углерода и создания жидкой пленки на поверхности за счет окисления железа [2, 3].
На рис. 6 представлен механизм диффузии углерода в процессе плазменной поверхностной цементации, который состоит из нескольких стадий.
Стадия 1 - начальная стадия возбуждения и формирования плазменной дуги:
СО2= СО + 1/2 О2. (1)
В результате ионизации молекул газов (в реакции (1) углекислый газ) образуется плазма, состоящая из смеси атомов и молекул (атом углерода, кислорода, атом аргона; угарный газ, углекислый газ).
Далее происходят следующие процессы:
- углерод на поверхности металла соединяется с кислородом и образуется окись углерода (СО):
2С + О2 = 2СО; (2)
- окись углерода разлагается на углекислый газ (СО2) и углерод, образующийся в виде атомов (атомарный углерод):
2СО = СО2 + Сат. (3)
Стадия 2 - взаимодействие плазмы с покрытием и металлом. Под действием высоких температур углерод, находящийся
в покрытии, превращается в пар:
С + О = СО. (4)
После соединений части атомов углерода с кислородом (4) образуется угарный газ, и идут реакции (2), (3) с образованием атомарного углерода.
Одновременно с этим процессом происходят реакции взаимодействия кислорода с металлом на поверхности. При этом вначале образуется закись железа:
Ре + О = РвО; (5)
2Ре + О2 = 2РеО, (6)
которая в дальнейшем при соответствующих условиях (температуре, определенном соотношении кислорода и железа в сварочной ванне) может переходить в окись железа:
2Ре + 3/2О2 = Рв2Оз , (7) или закись-окись железа:
3Ре + 2О2 = РезО4. (8)
о
Известно3 [8-10], что при окислении железа в процессе цементации основное значение имеет закись железа, так как только она имеет низкую температуру плавления - 1400оС, и способна растворяться в жидком металле. Сформировавшийся на поверхности металла слой закиси железа имеет температуру плавления ниже, чем температура плавления железа. Образованный в плазме атомарный углерод проникает в поверхностный слой металла через данную жидкую пленку. Известно, что закись железа ухудшает свойства металлов. Растворимость данного оксида в стали зависит главным образом от содержания углерода и температуры металла. Растворимость оксида железа снижается с увеличением содержания углерода в стали. При высокой температуре стали растворимость оксида железа выше, чем при низкой температуре.
Процесс раскисления происходит в результате взаимодействия железа с окси-
дом кремния:
2Ремет + Э1О2покр. =
= РеОмет + Б1мет. (9)
В дальнейшем образуется силикат: ЭЮ2 + РеО = РеО.Э1О2. (10)
Кроме того, при обработке данным способом могут происходить реакции железа с СО и СО2:
Ре + СО = РеО + С; (11)
Ре + СО2 = РеО + СО. (12)
Выгорание углерода стали при высоких температурах протекает по реакциям:
РезС + 1/2О2 = 2Ре + СО; (13) РезС + О2 = 3Ре + СО2. (14)
Стадия 3. На заключительной стадии происходит охлаждение насыщенного
поверхностного слоя металла. В зависимости от условий охлаждения и состава покрытия образуются различные типы структур поверхностного слоя. Например, на рис. 6 показана микроструктура поверхностного слоя, состоящего из мартенсита при высоких скоростях обработки, покрытии с 20% графита, малом диаметре пятна нагрева.
Дополнительно были проведены исследования изменения шероховатости поверхности металла после плазменной цементации (рис. 7). Шероховатость поверхности после обработки находится в пределах Ра 0,8-5 мкм. На рис. 7, а отчетливо видны выступы, образовавшиеся в процессе механической обработки. После плазменной обработки выступы исчезли (рис. 7, Ь). Это объясняется тем, что в процессе плазменной обработки пленка из закиси железа сначала образуются на выступах, которые в дальнейшем оплавляются, а впадины оплавляются позже и в меньшей степени.
Рис. 6. Предлагаемый механизм диффузии углерода в процессе плазменного упрочнения Fig. 6. The suggested mechanism of carbon diffusion during plasma hardening
b
Рис. 7. 3D-изображение поверхности упрочненной дорожки: а - до плазменной обработки;
b - после плазменной обработки Fig. 7. 3D-image of the strengthened surface: а - before plasma treatment; b- after plasma treatment
Разработка технологии плазменной поверхностной цементации втулки шпинтона
Проведенные выше исследования позволили разработать технологию восстановления и поверхностного упрочнения изношенной втулки, которая входит в состав
фрикционного гасителя колебаний тележки пассажирского вагона. Известно, что в процессе движения вагонов по периодическим неровностям пути (стыкам рельсов) могут
возникать большие амплитуды колебаний
А Я
кузова на рессорах (резонанс)4 Для гашения резонансных колебаний в систему рессорного подвешивания вводят гасители, которые позволяют уменьшить амплитуду и ускорение колебательного движения. В буксовом узле тележек типов КВЗ-5, КВЗ-ЦНИИ, ТВЗ-ЦНИИ-М пассажирских вагонов установлены фрикционные гасители, размещенные внутри наружных пружин буксового рессорного подвешивания. Во время работы данных гасителей главным элементом, подвергающимся сильному изнашиванию, является втулка шпинтона45 При колебании вагона и рамы тележки на буксовых пружинах происходит перемещение фрикционных сухарей, между втулкой и сухарями возникает большая сила трения, что ведет к износу наружной цилиндрической поверхности 1 и внутренних поверхностей заплечиков 2 (рис. 8).
В соответствии с ГОСТ 1050-886 фрикционные втулки шпинтонов изготовлены из стали 45, закаленной до твердости 45
HRC. Согласно «Инструкции по сварке и наплавке узлов и деталей при ремонте пассажирских вагонов»7, втулки с износом более 1 мм на сторону или 2 мм по диаметру должны быть восстановлены. Наплавка может производиться, если износ по наружному диаметру составляет не более 30% от толщины стенки втулки. При большем износе втулки ремонту не подлежат. Изношенная втулка наплавляется проволокой Св-08Г2С диаметром 0,8 мм в среде двуокиси углерода с аргоном. Наплавка осуществляется с предварительным подогревом втулки до температуры 300°С. Поверхностная твердость восстановленной втулки после наплавки составляет всего 10-15 HRC, тогда как твердость новой втулки - 45 HRC. Дальнейших технологических операций, повышающих твердость восстановленной втулки шпинтона, в настоящей инструкции не предусмотрено. Очевидно, что срок службы такой детали ниже нормативного.
Рис. 8. Поверхности износа втулки шпинтона Fig. 8. Surfaces of an antirattle bushing worn
4Соколов М.М, Варава В.И., Левит Г.М. Гасители колебаний подвижного состава: справочник. М.: Транспорт, 1985. 216 с. / Sokolov M.M., Varava V.I., Levit G.M. Absorbers of rolling vibrations. Moscow, Transport Pibl., 1985, 216 p.
5Шадур Л.А., Челноков И.И., Никольский Л.Н., Никольский Е.Н., Котуранов В.Н., Проскурнев П.Г., Казанский Г.А., Спиваковский А.Л., Девятков В.Ф. Вагоны: учебник для вузов ж/д транспорта; 3-е изд., перераб. идоп. М.: Транспорт, 1980. 439 с. / Shadura L.A. etc. Wagons. Moscow, Transport Publ., 1980, 439 p.
6ГОСТ 1050-88. Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2010. 19 с. / GOST 1050-88. Profiles with specific surface finishing with carbon quality structure steel. General Technical Specifications. Moscow, Standartinform Publ., 2010. 19 p.
7ЦЛ-201-2011. Инструкция по сварке и наплавке узлов и деталей при ремонте пассажирских вагонов (взамен РТС 32 ЦВ 201-88 в части пассажирских вагонов). М.: ВНИИЖТ, 2011. 126 с. / Welding and surfacing of parts when repairing passenger coaches. Moscow, VNIIZhT Publ., 2011, 126 p.
Для повышения срока службы втулки после восстановительного ремонта наплавкой (рис. 9) необходимо повысить твердость наплавленного слоя как минимум до твердости нового изделия. Однако низкое содержание углерода в проволоке Св-08Г2С, которая используется при наплавке, не позволяет получить наплавленный слой, близкий по химическому составу к новой втулке, изготовленной из стали 45. Следовательно, возникают проблемы при поверхностной закалке данного изделия [1, 2]. С целью устранения этого недостатка предлагается насыщать поверхностный слой углеродом при помощи плазменной цементации [1, 5]. Разработка технологии поверхностной плазменной цементации состояла из нескольких технологических этапов:
• подготовка покрытия и нанесение его на втулку (определяется оптимальный состав пасты, способ нанесения, прочность сцепления с поверхностью детали);
• плазменная поверхностная цементация (варьируется мощность плазменной дуги, скорость перемещения, дистанция обработки);
• подготовка металлографических шлифов, измерение микротвердости поверхностного слоя.
На рис. 10 показаны образцы восстановленных наплавкой втулок шпинтона,
а
прошедших операцию поверхностного упрочнения при помощи плазменной цементации. На представленных фото видно, что разработанный состав углеродосодер-жащего покрытия (см. [5]) хорошо наносится на поверхность и обладает высоким сцеплением с основой. Покрытие не разрушается даже после плазменной обработки (рис.10, Ь). После удаления остатков покрытия на поверхности металла видны характерные для плазменного поверхностного упрочнения дорожки (рис.10, с) [1].
После отработки плазменной поверхностной цементацией в условиях пассажирского депо г. Иркутска экспериментальная партия упрочненных втулок шпин-тонов и контрольных неупрочненных была поставлена на вагон в поезд, следующий по маршруту Иркутск - Москва. Техническое обслуживание вагона после пробега 150 тыс. км показало, что износ втулок шпинтона, прошедших плазменную цементацию, составил 0,10 мм, на упрочненной поверхности втулок дефектов типа сколов, выкрашиваний, задиров и местных выработок не обнаружено. Контрольные неупроч-ненные втулки шпинтона имели износ 1,55 мм и локальные выработки на поверхности глубиной 1 мм. Таким образом, преимущества плазменной цементации для упрочнения деталей очевидны. В настоящий момент испытания втулок продолжаются.
b
Рис.9. Восстановленная наплавкой втулка шпинтона: а - непосредственно после наплавки; b - после механической обточки наплавленной поверхности Fig. 9. Restored antirattle bushing: a - after hardfacing; b - after machining
f?
а b c
Рис. 10. Втулка шпинтона после плазменной цементации: а - после нанесения покрытия; b - после плазменной поверхностной цементации; c - после удаления остатков покрытия: Fig. 10. Antirattle bushing subjected to plasma carburizing a - after coating; b - after the plasma surface carburizing; c - after removal of coating
Заключение
В заключении отметим, что проведенные исследования позволили отработать параметры плазменной цементации втулки шпинтона. Авторами дано объяснение механизма ускоренного насыщения углеродом поверхностного слоя металла в процессе плазменной цементации. Благодаря положительным свойствам разработанного покрытия (высокая электропроводность, механическая прочность, термостойкость [1, 5]) и высокому теплосодержанию плазмы (в среде аргона и углекислого газа) дуга горит стабильно и устойчиво на поверхности системы «покрытие - металл», что увеличивает коэффициент диффузии углерода в поверхностный слой металла. При обработке данным способом появляется граничное состояние поверхности де-
Библиогра
1. Балановский А.Е. Плазменное поверхностное упрочнение металлов: монография. Иркутск, Изд-во ИрГТУ, 2006. 180 с.
2. Балановский А.Е. Основные вопросы теории плазменного поверхностного упрочнения металлов (Обзор. Часть 1) // Упрочняющие технологии и покрытия. 2015. № 12. С. 18-30.
3. Балановский А.Е. Основные вопросы теории
талей, где поверхностные микро-слои оплавляются без образования ванны жидкого металла. В таком состоянии процесс диффузии углерода в металл значительно ускоряется.
Таким образом, разработанная технология плазменной поверхностной цементации позволяет насыщать поверхность деталей углеродом в течение несколько секунд, при этом сильного оплавления поверхности металла не происходит. Цементируемый слой на поверхности стали 45 достигает толщины 200 мкм с микротвердостью 8000-11000 МПа. Цель дальнейших исследований - уточнение особенностей поверхностной цементации для различных сталей и сплавов.
кии список
плазменного поверхностного упрочнения металлов (Обзор. Часть 2) // Упрочняющие технологии и покрытия. 2016. № 1. С. 25-34.
4. Балановский А.Е. Основные вопросы теории плазменного поверхностного упрочнения металлов (Обзор. Часть 3) // Упрочняющие технологии и покрытия. 2016. № 2. С. 20-30.
5. Ву Ван Гюи. Плазменная цементация углероди-
стых сталей с использованием паст в твердой фазе // Вестник науки и образования Северо-Запада России. 2015. Т. 1. № 1. С. 205-211.
6. Скрипкин А.А., Нецветаев В.А., Щербаков В.Е., Миненко Н.Ю. Получение теплостойких слоев на стали 20 с использованием плазменного нагрева // Сварочное производство. 1992. № 11. С. 15-17.
7. Бердников А.А, Филиппов М.А. Студенок Е.С. Структура закаленных углеродистых сталей после плазменного поверхностного нагрева // Металловедение и термическая обработка металлов. 1997. № 6. С. 2-4.
8. Поут Д. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками. М.: Машиностроение, 1987. 424 с.
9. Чудина О.В. Комбинированные методы поверхностного упрочнения сталей с применением лазерного нагрева. Теория и технология. М.: Изд-во МАДИ (ГТУ), 2003. 248 с.
10. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: монография; 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1965. 492 с.
11. Арзамасов Б.Н., Братухин А.Г., Елисеев Ю.С.,
Панайоти Т.А. Ионная химико-термическая обработка сплавов: монография. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 400 с.
12. Grafen W., Edenhofer B. Acetylene low-pressure carburising - a novel and superior carburizing technology // Heat treatment of metals. 1999. Vol. 26. No. 4. Р. 79-85.
13. Kula P., Olejnik J., Kowalewski J. New vacuum carburizing technology // Heat treatment progress. 2001. Vol. 1. No. 1. Р. 57-65.
14. Мордовин А.И., Смирнов А.Е., Фомина Л.П., Рыжов Н.М. Анализ эффективности газовых сред при вакуумной цементации // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 11. С. 31-35.
15. Балановский А.Е. Визуализация процесса нагрева и плавления металла в анодной области при дуговом разряде с неплавящимся электродом // Теплофизика высоких температур. 2016. Т. 54. № 5. С. 663-668. DOI: 10.7868/S0040364416050069
16. Балановский А.Е Возможности цифровой визуализации процесса нагрева и плавления металла при дуговом разряде с неплавящимся электродом // Сварочное производство. 2016. № 6. С. 31-40.
References
1. Balanovskii A.E. Plazmennoe poverkhnostnoe up-rochnenie metallov [Plasma surface hardening of metals]. Irkutsk, IrGTU Publ., 2006, 180 p. (In Russian)
2. Balanovskii A.E. Osnovnye voprosy teorii plazmen-nogo poverkhnostnogo uprochneniya metallov (Obzor. Chast' 1) [The main problems in the theory of plasma-surface hardening of metals (Review Part 1)]. Up-rochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya [Strengthening Technologies and Coatings]. 2015, no. 12, pp. 18-30. (In Russian)
3. Balanovskii A.E. Osnovnye voprosy teorii plazmen-nogo poverkhnostnogo uprochneniya metallov (Obzor. Chast' 2) [Key questions of the theory of plasma surface hardening of metals (Review Part 2.)]. Uprochnya-yushchie tekhnologii i pokrytiya [Strengthening Technologies and Coatings]. 2016, no. 1, pp. 25-34. (In Russian)
4. Balanovskii A.E. Osnovnye voprosy teorii plazmen-nogo poverkhnostnogo uprochneniya metallov (Obzor. Chast' 3) [The main problems in the theory of plasma-surface hardening of metals (Review Part 3)]. Up-rochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya [Strengthening Technologies and Coatings]. 2016, no. 2, pp. 20-30. (In Russian)
5. Vu Van Gyui. Plazmennaya tsementatsiya uglero-distykh stalei s ispol'zovaniem past v tverdoi faze [Plasma carburizing carbon steels using pastes in the solid phase]. Vestnik nauki i obrazovaniya Severo-Zapada Rossii [Bulletin of Science and Education of the North-West of Russia]. 2015, vol. 1, no. 1, pp. 205-211. (In Russian)
6. Skripkin A.A., Netsvetaev V.A., Shcherbakov V.E., Minenko N.Yu. Poluchenie teplostoikikh sloev na stali 20 s ispol'zovaniem plazmennogo nagreva [Getting the heat-resistant layers on steel 20 using plasma heating].
Svarochnoe proizvodstvo [Welding industry]. 1992, no. 11, pp. 15-17. (In Russian)
7. Berdnikov A.A, Filippov M.A. Studenok E.S. Struktura zakalennykh uglerodistykh stalei posle plazmennogo poverkhnostnogo nagreva [The structure of hardened carbon steel after plasma surface heating]. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov [Metallurgy and heat treatment of metals]. 1997, no. 6, pp. 2-4. (In Russian)
8. Pout D. Modifitsirovanie i legirovanie poverkhnosti lazernymi, ionnymi i elektronnymi puchkami [Modification and laser surface alloying, ion and electron-electron beam]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1987, 424 p. (In Russian)
9. Chudina O.V. Kombinirovannye metody poverkh-nostnogo uprochneniya stalei s primeneniem lazernogo nagreva. Teoriya i tekhnologiya [Combined methods of surface hardening of steels with prima neniem laser heating. Theory and technology]. Moscow, MADI (GTU) Publ., 2003, 248 p. (In Russian)
10. Minkevich A.N. Khimiko-termicheskaya obrabotka metallov i splavov [Chemical heat treatment of metals and alloys]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1965, 492 p. (In Russian)
11. Arzamasov B.N., Bratukhin A.G., Eliseev Yu.S., Panaioti T.A. Ionnaya khimiko-termicheskaya obrabotka splavov [The ion chemical heat treatment of alloys]. Moscow, MGTU im. N.E. Baumana Publ., 1999, 400 p. (In Russian)
12. Grafen W., Edenhofer B. Acetylene low-pressure carburising - a novel and superior carburizing technology. Heat treatment of metals. 1999, vol. 26, no. 4, pp. 79-85.
13. Kula P., Olejnik J., Kowalewski J. New vacuum carburizing technology. Heat treatment progress. 2001,
vol. 1, no. 1, pp. 57-65.
14. Mordovin A.I., Smirnov A.E., Fomina L.P., Ryzhov N.M. Analiz effektivnosti gazovykh sred pri vakuumnoi tsementatsii [Analysis of gas media efficiency under vacuum carburizing]. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya [Strengthening Technologies and Coatings]. 2008, no. 11, pp. 31-35. (in Russian)
15. Balanovskii A.E. Vizualizatsiya protsessa nagreva i plavleniya metalla v anodnoi oblasti pri dugovom razryade s neplavyashchimsya elektrodom [Visualization of spark discharged heating and melting of metals
Критерии авторства
Ву Ван Гюи, Балановский А.Е. имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 09.01.2017 г.
in the anode region]. Teplofizika vysokikh temperatur [Thermophysics of high temperatures]. 2016. vol. 54, no. 5, pp. 663-668. (In Russian) DOI: 10.7868/S0040364416050069 16. Balanovskii A.E Vozmozhnosti tsifrovoi vizualizatsii protsessa nagreva i plavleniya metalla pri dugovom razryade s neplavyashchimsya elektrodom [Possibilities of digital visualization of spark discharged heating and melting of metals]. Svarochnoe proizvodstvo [Welding]. 2016, no. 6, pp. 31-40. (In Russian)
Authorship criteria
Vu Van Huy, Balanovskiy A.E. have equal authors' rightsand bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of inter-estsregarding the publication of this article.
The article was received on 09.01.2017
