CC BY
82
УДК 621.793.6-0.34.15
ГИДРОПЛАЗМЕННОЕ АЗОТИРОВАНИЕ
Л.Г. Петрова, профессор, д.т.н., В.А. Александров, доцент, к.т.н., П.Е. Демин, аспирант, МАДИ (ГТУ)
Аннотация. Представлена технология гидроплазменного азотирования мелких деталей из конструкционных сталей с целью получения коррозионно-стойких покрытий, заключающаяся в создании на поверхности детали газопаровой рубашки (плазмы).
Ключевые слова: азотирование, газопаровая рубашка, электрический разряд, плазма, электролит.
Введение
Азотирование позволяет повысить износостойкость деталей, предел выносливости, коррозионную стойкость. Упрочнение при азотировании связано с образованием нит-ридных слоев - твердых растворов и химических соединений.
Если деталь работает в агрессивных средах, то при азотировании необходимо получить е-фазу - зону химических соединений; если от детали требуется высокая твердость наряду с износостойкостью, то достаточно получить у'-фазу - зону твердых растворов. В зависимости от химического состава стали и условий азотирования нитридный слой представляет собой либо у'-фазу (Ре4К), либо е-фазу (Бе2.3К), причём е-нитридный слой является корозионностойким, а у'-слой - износостойким и относительно пластичным.
Анализ публикаций
Классическим способом азотирования является газовое (печное) азотирование, основной недостаток которого - большая продолжительность процесса - 6 - 60 часов.
Вторым по распространенности способом является ионное азотирование, при котором процесс проходит быстрее (2 - 12 часов), в разряженной (р=150 - 1000 Па) атмосфере, которая обеспечивается вакуумной камерой. Основным недостатком данного способа является дороговизна оборудования.
Предлагаемый способ гидроплазменного азотирования (ГПА) уменьшает время процесса до минут. Он заключается в создании на поверхности азотируемой детали газопаровой рубашки, содержащей ионы азота. Впервые такой способ был предложен в 70-х годах прошлого столетия, однако широкого применения он не получил. Основная особенность способа - это возможность обрабатывать только мелкие детали.
Постановка задачи
Проведено азотирование (ГПА) рабочих частей машин для расчесывания шерсти, представляющих собой проволоку длиной 70 мм и диаметром 0,8 мм из стали У8. Поскольку эти детали работают в агрессивных средах -песок, влага, то основные проблемы заключаются в коррозии.
Технология гидроплазменного азотирования
Экспериментальное оборудование для ГПА состоит из трансформатора, выпрямителя с конденсатором, барретора (выполненного на лампе накаливания), амперметра, вольтметра и реактора (рис. 1).
На рис. 2 показана электрическая схема оборудования для гидроплазменного азотирования. Реактор Яи - это емкость, в которой проходит процесс гидроплазменного азотирования.
Рис. 1. Принципиальная схема оборудования для ГПА
Рис. 2. Электрическая схема оборудования для ГПА
Под постепенном увеличении напряжения происходит сначала процесс электролиза (до 100 - 170 В) - участок 0-А (рис. 4). На нем осуществляется изменение силы тока от напряжения по закону Ома. При достижении некоторого порогового значения напряжения на поверхности детали начинают образовываться пузырьки (т. А) - начинает вскипать электролит на поверхности образца. Затем происходит срыв в газопаровую рубашку -участок А-Б. Это кипение дает возможность образовать газопаровую рубашку (плазму) между образцом и жидкостью. Газопаровая рубашка состоит из паров воды и ионов, в частности ионов азота (рис. 5).
I, A 0,9 -
A
/ V* Л
V
0 -
^ Л® # non # # ^ ^ ^ ^ & ^U, B
Емкость открытого типа, в которую погружается образец для азотирования, показана на рис. 3.
Рис. 3. Вид реактора: образец, погруженный в емкость
Для создания газопаровой рубашки (плазмы) образец погружали в электролит - раствор хлорида аммония в воде с концентрацией 3 грамма на литр. К образцу и электролиту подводят выпрямленное напряжение. Образец является катодом, электролит - анодом. Процесс осуществляется при атмосферном давлении.
Рис. 4. Вольтамперная характеристика процесса ГПА
Рис. 5. Схема газопаровой рубашки (плазмы)
Толщина газопаровой рубашки составляет порядка 100 мкм. Поскольку электрическое сопротивление газа больше, чем жидкости -электролита, то наибольшее падение напряжения приходится на газопаровую рубашку.
Кроме того, образовавшаяся газопаровая рубашка менее теплопроводна, чем жидкость, поэтому основное количество энергии выделяется у поверхности образца. Таким образом создается возможность нагрева образца, а также адсорбции ионов азота на поверхности металла за счет сил электрического поля.
Соударение положительно заряженных ионов с поверхностью образца дает возможность вылета с поверхности свободных электронов и распыления ионов железа. Соударение отрицательно заряженных частиц с жидким анодом вызывает образование отрицательно заряженных ионов азота. При контакте ионов азота и железа возможно образование химического соединения FeN, которое может адсорбироваться на поверхности изделия. При диссоциации химического соединения FeN образуются ионы азота, которые диффундируют в глубь металла, в результате получается упрочненная поверхность, состоящая из зон химического соединения, эвтектоида и твердого раствора азота в стали.
Так как процесс проходит в газовой среде, то диффузия азота вглубь осуществляется по принципам газового насыщения, но при этом отпадает необходимость в герметизации и высоком расходе насыщаемого газа.
При отключении напряжения газопаровая рубашка захлопывается, происходит нитро-закалка с получением азотистого мартенсита. Получаемая структура формируется после обработки в течение 2 минут при напряжении 180 В и силе тока 0,5 А.
На фотографии микроструктуры видны химические соединения - е-фаза, зона азотистого мартенсита у'-фаза. Толщина зон составляет 30 мкм (рис. 6).
Рис. 6. Структура стали после проведения процесса ГПА
Выводы
Предложенная технология гидроплазменного азотирования позволяет азотировать мелкие детали из конструкционных сталей с целью получения коррозионностойкого покрытия. Время процесса снижается до минут, в то время как классическое (печное) азотирование длится 6 - 60 ч. При этом в отличие от ионного (плазменного) и печного азотирования не требуется использования герметичных камер.
На данное изобретение была подана заявка на патент №2007 124596/02. от 02.07.2007 г.
Литература
1. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование
стали. - М.: Машиностроение, 1976. -256 с.
2. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-
термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1985. - 256 с.
3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материало-
ведение. - М.: Машиностроение, 1980. -494 с.
4. Словецкий Д.И., Терентьев С.Д., Плеха-
нов В.Г. ТВТ. 1986.
Рецензент: А.П. Любченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 21 июня 2009 г.
