CC BY
81
Surface hardening of steel products with high-speed heating by microarc chemical heat treatment
Подставляя сюда значения Ц и k2, а также со=55,54 моль/л, получаем:
ю = (2k1k2co)1/2 = (2 • 2,6 • 10-5 -1,3 • 1011 • 55,54)1/2 = 19,38кГ^
Из результатов (10) и (20) большей потенциальной энергии (большей потенциальной яме) соответствует частота 19,38 кГц, и тогда эволюция системы (H 2O ^ H + OH) иАет по частоте 19,38 кГц, что согласуются с данными М. А. Мар-гулиса [3, 67-69].
Таким образом, результат, полученный на основании кинетического анализа процесса равновесия, свидетельствует, что сольватированные ионы, совершающие колебательные движения, дают возможность использования силы вязкости для получения уравнения электропроводности через подвижность b и повышение физико-химической активности среды гидратации является фактором снижения энергетических затрат на процесс ускоренного твердения вяжущих веществ и бетонов.
Регулирование процесса гидратации вяжущих воздействием электромагнитной активации происходит за счет образования активных форм воды (радикалов). Воздействие этих радикалов при смешивании вяжущего с водой способствует увеличению удельной поверхности вяжущих или уменьшению их размеров. Образование парогазовых пузырьков воды, т. е. возникновение кавитации в порах зерен вяжущего происходит за счет резонансного поглощения энергии электромагнитного поля с собственными ча-
стотами воды f «20 кГц, при этом в порах растет объем воды и происходит схлопывание кавитационных пузырьков и разрыв межмолекулярных (водородных, Ван-дер-ваальсовых) связей зерен вяжущих веществ, что приводит увеличению удельной поверхности их и ускорению реакции гидратации. Далее диспергация частиц зерен вяжущих веществ происходит за счет воздействия активных форм молекул воды (радикалов H2O22-, HO23-, OH-), образующихся при резонансном поглощении водой электромагнитных колебаний в области частот 13-20 кГц определяемых соотношениями:
а = (k1k2Co)ш и <а = (2k1k2Co)ш
Механизм разложения (расщепления) воды на свободные радикалы заключается в кинетике диссоциации молекул воды. В скрытый или индукционный период также оказывается воздействие электромагнитной активации, когда образуется гелевая оболочка, ускорение диффузии приводит к разрушению гелевых оболочек и ускорению гидратации. Воздействие электромагнитной активации также приводит к термодиффузии и снижению энергетических затрат. Целенаправленное регулирование диффузионных процессов при воздействии электромагнитной активации приводит к упорядочению столкновений супермолекул (кластеров), число которых остается прежним если температура не изменилась и число которых увеличивается с повышением температуры, отсюда ускорение диффузии и соответственно гидратации вяжущего.
Список литературы:
1. Гленсдорф П. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктаций/П. Гленсдорф, И. Пригожин. - М.: Мир, 1973.
2. Мищенко К. П. Краткий справочник физико-химических величин. - Л.: Химия, 1967.
3. Маргулис М. А. Основы звукохимии (химические реакции в акустических полях). - М.: Высш. шк., 1984.
Stepanov Makar Stepanovich, Don State Technical University, candidate of technical sciences, associate professor E-mail: stepanovms@yandex.ru Dombrovskiy Yuriy Markovich, Don State Technical University, doctor of technical sciences, professor
Surface hardening of steel products with high-speed heating by microarc chemical heat treatment
Abstract: The article presented various methods of intensification of processes of chemical heat treatment of steel products. Proposed microarc chemical heat treatment processing which enables acceleration of diffusion processes. Keywords: surface hardening of steel products, microarc chemical heat treatment.
37
Section 5. Materials Science
Степанов Макар Степанович, Донской государственный технический университет, кандидат технических наук, доцент E-mail: stepanovms@yandex.ru Домбровский Юрий Маркович, Донской государственный технический университет, доктор технических наук, профессор
Поверхностное упрочнение стальных изделий с применением высокоскоростного нагрева с помощью микродуговой химико-термической обработки
Аннотация: В статье рассматриваются различные методы интенсификации процессов химико-термической обработки стальных изделий. Предложена микродуговая химико-термическая обработка, позволяющая достичь ускорения диффузионных процессов.
Ключевые слова: поверхностное упрочнение стальных изделий, микродуговая химико-термическая обработка.
Для поверхностного упрочнения стальных изделий широко используется химико-термическая обработка (ХТО), сочетающая химическое и термическое воздействие на обрабатываемый материал. В зависимости от агрегатного состояния насыщающих сред различают диффузионное насыщение в твердых, газовых и жидких средах, насыщение из паст и суспензий, насыщение в низкотемпературной плазме тлеющего разряда, ХТО в среде электролита [1, 6-8; 2, 84-86]. Одним из наиболее широко применяемых методов ХТО является насыщение в твердых средах, в качестве которых обычно используют порошковые среды. Они являются многокомпонентной смесью различных материалов, основными из которых являются: порошки, содержащие насыщающий элемент (диффузант); восстановители, предназначенные для восстановления насыщающего элемента из его соединений; активаторы, образующие газообразные летучие соединения, достигающие поверхности обрабатываемого изделия. В результате протекания химических реакций на границе раздела образуются атомы или ионы диффузанта, а также балластные добавки — химически инертные соединения для предотвращения спекания насыщающей смеси, сохранения высокого качества поверхности упрочняемого металла, снижения при необходимости активности насыщающей смеси [2, 86-88].
При исследовании физической природы диффузионного насыщения в твердых средах установлено, что оно основывается на двух основных процессах, протекающих в насыщающей смеси. Первый — это твердофазная диффузия, которая осуществляется при соприкосновении порошковой смеси, содержащей
насыщающий элемент, с обрабатываемым металлическим изделием. Второй — насыщение через газовую фазу. Насыщающий элемент, входящий в состав порошковой среды, при нагреве реагирует с газом, находящимся в межчастичном пространстве, в результате чего образовавшиеся соединения заполняют это пространство, обеспечивая перенос активных атомов диффузанта во всем объеме смеси, в том числе, в объеме, прилегающем к металлическому изделию. Здесь в результате каталитического действия поверхности металла происходит выделение активных атомов насыщающего элемента, которые диффундируют в глубь изделия.
Наиболее распространенным процессом ХТО в порошковых насыщающих средах является диффузионное насыщение в герметизируемых контейнерах [2, 88-90]. Данный способ предусматривает помещение порошковых насыщающих сред в металлические контейнеры вместе с упрочняемыми изделиями. Контейнеры после герметизации загружают в термическую печь, нагретую до температуры процесса, и выдерживают до получения требуемой толщины диффузионного слоя. По истечении времени выдержки контейнеры выгружают из печи и охлаждают на воздухе, после чего из них извлекают обработанные изделия.
ХТО в порошковых насыщающих средах характеризуется рядом недостатков, основным из которых являются большая продолжительность процесса. Рассмотрим возможные способы его интенсификации.
При диффузионном насыщении одновременно протекают несколькио составляющих процессов,
38
Surface hardening of steel products with high-speed heating by microarc chemical heat treatment
основными из которых являются [2, 15]: реакции в насыщающей среде; подвод насыщающего элемента к поверхности насыщаемого материала; реакции на границе раздела фаз и удаление продуктов этих реакций; диффузия в насыщаемом материале; реакции в насыщаемом материале с образованием фаз диффузионного слоя. Суммарная скорость ХТО лимитируется скоростью протекания наиболее медленного из данных процессов, которым в общем случае может быть любой из них.
Анализ опубликованных работ показывает, что, по мнению большинства исследователей, достижение существенной интенсификации ХТО возможно с помощью комплексного одновременного воздействия на протекание сразу нескольких из перечисленных процессов. В этой связи можно выделить три направления проводимых исследований.
К первому относятся методы, основанные на оптимизации состава и физико-химических свойств насыщающих порошковых сред с применением различных активаторов и катализаторов, оказывающих влияние на интенсивность протекания отдельных стадий процесса насыщения. Активаторы ускоряют доставку насыщающего элемента к поверхности обрабатываемого изделия, испаряются при нагреве, вытесняя воздух из реакционного объема, удаляют окисные пленки с насыщаемой поверхности. Однако влияние активаторов ограничивается только начальной стадией процесса, и они не оказывают воздействия на скорость диффузии насыщающего элемента в стали.
Ко второму направлению исследований относятся методы, оказывающие влияние на физические свойства насыщающих сред. При ХТО около насыщаемой поверхности образуется газообразный барьер из продуктов реакций. Это снижает длину свободного пробега активных атомов диффузанта и затрудняет их доступ в зону реакций. Поэтому необходима интенсификация диффузионного насыщения за счет принудительного подвода активной среды к насыщаемой поверхности и принудительного отвода продуктов реакции. Основным методом реализации этой идеи является использование кипящих (псевдокипящих) порошковых сред. Такая среда представляет собой слой мелкозернистого порошкового сыпучего материала, который при определенных условиях приобретает ряд свойств, присущих жидкостям (интенсивное перемешивание частиц, текучесть) [4, 4]. При этом порошковая среда выполняет роль как теплоносителя, так и источника насыщающего элемента. Однако такой способ характеризуется выносом из рабоче-
го пространства мелких частиц порошковой среды, а также высокой энергоемкостью. Кроме того, вибрация оборудования может негативно воздействовать на условия труда: Поэтому такой способ пока не получил широкого распространения.
Третье направление исследований объединяет методы диффузионного насыщения с использованием различных видов скоростного электронагрева. Такие способы обработки позволяют: резко сократить время нагрева изделия до температуры обработки; существенно ускорить процесс формирования диффузионного слоя; открывают возможность локальной обработки для местного упрочнения из-за отсутствия необходимости нагрева всего изделия.
Например, возможна ХТО с применением индукционного нагрева. Его особенностью является генерирование тепловой энергии непосредственно в самом нагреваемом изделии. Металлическое изделие помещается в индуктор, в котором с помощью специального генератора наводятся мощные токи, генерирующие сильное электромагнитное поле, которое наводит в изделии вихревые токи, разогревающие поверхность изделия под действием Джоулева тепла. Установлено, что при индукционном нагреве стали в активных насыщающих средах скорость проникновения диффузанта в глубь увеличивается в несколько раз. Это объясняется повышенной активностью процесса насыщения аустенита, близкого к зародышевому состоянию. Чем выше скорость нагрева, тем более мелкозернистым оказывается аустенит и меньше величина блоков при достижении температуры диффузионного насыщения, а, следовательно, тем больше протяжённость границ зёрен и блоков, обеспечивающих ускоренное продвижение диффузанта.
Предложены процессы диффузионного насыщения с использованием других способов скоростного нагрева: электроконтактного, лазерного, плазменного, ионного, электронно-лучевого и целого ряда других [5-8]. Такие способы реализуются с использованием различных источников диффузанта: газовой насыщающей среды (например, тлеющий разряд), специальных обмазок (для лазерной или электроннолучевой обработки), растворов электролитов (электрохимико-термическая обработка).
Возможно проведение ХТО в токопроводящих порошковых средах [2, 101-103]. Принцип действия заключается в способности электропроводных насыщающих смесей разогреваться в процессе прохождения через них электрического тока. Обрабатываемое изделие располагают в контейнере с порошковой на-
39
Section 5. Materials Science
сыщающей смесью между двумя электродами, между которыми пропускается электрический ток. Это приводит к разогреву токопроводящей среды и обрабатываемой детали, сопровождаемому электрическими микроразрядами в порошковой среде. При таком способе обработки скорость диффузионного насыщения выше, чем в способе с использованием индукционного нагрева, но остаётся недостаточно высокой из-за необходимости нагревания всего объема токопроводящей смеси, приводящей, к тому же, к высоким энергетическим затратам.
Предложен способ диффузионного насыщения в виброкипящих порошковых средах, в которых нагрев осуществляется пропусканием тока через порошковый токопроводящий материал, находящийся в виброкипящем состоянии, и погруженную в него деталь [3, 103-105]. Такой способ позволяет достичь дополнительного ускорения диффузионного насыщения за счет испарения и активации компонентов порошковой смеси, а также влияния воздействия электрического поля и электрических микроразрядов в порошковой среде. Однако при реализации данного способа возможна неравномерность образующегося диффузионного слоя, обусловленная более сильным прогревом образца со сторон, обращенных к электродам. Кроме того, способ предполагает высокие энергетические затраты, вызванные необходимостью создания виброкипящего слоя, использованием инертного газа либо вакуумированием контейнера. Вибрация контейнера может негативно влиять на здоровье персонала.
Широкие возможности для интенсификации диффузионных процессов открывает микродуговая ХТО в порошковых средах [9]. Упрочняемое изделие помещается в порошковую среду, заполняющую металлический контейнер, после чего после чего через контейнер, среду и изделие пропускается электрический ток. При прохождении тока в порошковой среде наблюдается образование микродуговых разрядов, нагревающих изделие до температуры, при которой протекает процесс диффузионного насыщения. В таком процессе порошковая среда выполняет функции как проводника электрического тока, так и источника диффузанта для протекания диффузионного насыщения. Исследование возможности применения различных углеродсодержащих сред для осуществления цементации стальных изделий показало, что наиболее целесообразно использование порошка каменного угля. При нагревании угольного порошка происходит интенсивное выделение оксида углерода СО, при
контакте которого с металлической поверхностью происходит реакция: 2 СО^С+СО2 Атомарный углерод диффундирует в насыщаемый металл, а диоксид углерода взаимодействует с углеродом каменного угля, обеспечивая непрерывность процесса цементации: СО2+С^2 СО. Выделение газообразного оксида углерода определяет и оптимальный размер частиц порошковой среды, который экспериментально установлен в интервале 0,3-0,6 мм. Нагрев в порошке с более мелким размером частиц приводит к выдуванию мелких фракций из зоны контакта порошка с образцом в результате воздействия интенсивного потока оксида углерода. Использование порошка с размером частиц более 0,6 мм приводит к увеличению размера и интенсивности образующихся микродуг и сопровождается выбросом отдельных частиц диффузанта из зоны нагрева, а также возрастанием тока в цепи источника питания вследствие уменьшения сопротивления порошковой среды.
Существенную роль в данном процессе играет интенсивное выделение оксида углерода, т. к. он одновременно выполняет три функции: источника атомарного углерода в результате диссоциации, источника тепловой энергии при горении, а также средства, обеспечивающего интенсивное перемешивание порошковой среды.
Особенностью процесса является образование микродуг в порошковой среде при протекании электрического тока. Причиной микродугообразования является протекание электрического тока в порошковой среде каменного угля, сопровождающееся замыканием и размыканием проводящих цепочек, состоящих из частиц порошка, под влиянием их нагрева и выгорания в местах межчастичных контактов. После образования микродуг происходит их концентрация в локальной зоне вокруг образца. Показано [9], что это обусловлено увеличением плотности тока в направлении от наружного контейнера к поверхности образца, вызванного соответствующим уменьшением сечения порошковой среды.
В целом процесс микродуговой цементации состоит из нескольких этапов. На первом этапе возникает равномерное микродугообразование в порошковой среде. Второй этап характеризуется концентрацией микродуг в локальной зоне вокруг образца с образованием светящегося ореола. На третьем этапе происходит интенсивный нагрев указанной зоны. Четвертый этап характеризуется воспламенением в зоне нагрева и дальнейшим нагревом образца и окружающей его зоны. Следующий этап — расширение зоны
40
Surface hardening of steel products with high-speed heating by microarc chemical heat treatment
нагрева, достижение образцом температуры цементации и протекание диффузионного насыщения образца углеродом.
Концентрированное энергетическое воздействие в непосредственной близости от поверхности образца приводит к испарению и активации диффузанта и созданию в этой зоне высокой концентрации активного углерода. Процессы адсорбции и диффузии интенсифицируются под влиянием электрического поля, а выделение большого количества тепла суще-
ственно сокращает продолжительность нагрева образца до температуры цементации и повышает скорость диффузии. Экспериментально установлено, что цементация образцов из стали 20 в порошке каменного угля в режиме микродугового нагрева в течение 3 мин приводит к формированию науглероженного слоя эвтектоидной концентрации глубиной до 0,3 мм, что подтверждает достижение значительной интенсификации диффузионного насыщения в результате совместного действия указанных факторов.
Список литературы:
1. Лахтин, Ю. М. Химико-термическая обработка металлов/Ю. М. Лахтин, Б. Н. Арзамасов. - Москва: Металлургия, 1985. - 256 с.
2. Ворошнин, Л. Г. Теория и технология химико-термической обработки/Л. Г. Ворошнин, О. Л. Менделеева, В. А. Сметкин. - Москва: Новое знание, 2010. - 304 с.
3. Кидин, И. Н. Электрохимико-термическая обработка металлов и сплавов/И. Н. Кидин, В. И. Андрюшеч-кин, В. А. Волков. - Москва: Металлургия. 1978. 320 с.
4. Заваров, А. С. Химико-термическая обработка в кипящем слое/А. С. Заваров, А. П. Баскаков, С. В. Грачев. -
М. «Машиностроение». 1985. 160 с.
5. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками/Под ред. Дж. М. Поута. М.: Машиностроение, 1987. 424 с.
6. Григорьянц, А. Г. Технические процессы лазерной обработки/А. Г. Григорьянц, И. Н. Шиганов, А. И. Ми-сюров. Изд-во МГТУ им. Н. Баумана. 2006. 664 с.
7. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки/Г. Л. Амитан, И. А. Байсу-пов, Ю. М. Барон и др./Под общ ред. В. А. Волосатова. Л. Машиностроение, Ленингр. отделение. 1988. 719 с.
8. Белкин П. Н. Электрохимико-термическая обработка металлов и сплавов.-М.: Мир. 2005. 336 с.
9. Домбровский Ю. М., Степанов М. С. Микродуговая цементация стальных изделий в порошковых сре-дах/Упрочняющие технологии и покрытия, 2013, № 12. С. 25-29.
41
