CC BY
90
УДК 537.525.7:621.762
А. А. Хубатхузин, И. Ш. Абдуллин, А. А. Башкирцев ПОВЫШЕНИЕ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ С ПОМОЩЬЮ ВЧ-ПЛАЗМЫ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
Ключевые слова: струя, ВЧплазма, температура, пониженное давление.
Получено покрытие на поверхности твердого сплава с помощью высокочастотного разряда пониженного давления при ее взаимодействии с обрабатываемым изделием. В результате формирования покрытия на поверхности металлов получено повышение коррозионной стойкости и физико-механических свойств металлов.
Keywords: RFplasma, stream, temperature, low pressure.
A coating on the surface of solid alloy with high-frequency discharge of low pressure in its interaction with the workpiece. As a result of forming a coating on the surface of the metal produced increasing corrosion resistance and
physical and mechanical properties of metals.
Повышение качества, надежности и долговечности изделий является одной из основных задач промышленности России, особенно в условиях обострения международной конкуренции, вызванной глобализацией экономики. Одним из эффективных способов повышения качества изделий машиностроения является модификация свойств рабочих поверхностей, подвергающихся действию различных сред в процессе эксплуатации. Результаты экспериментальных исследований процессов износа и разрушения различных изделий при их эксплуатации показали, что надежность изделия и срок службы зависят, а нередко и полностью определяются состоянием поверхностного слоя [1, 2].
Экспериментальные исследования показали, что изменения в поверхностном слое материалов приводят к изменению коррозионной стойкости. На рис. 1 и 2 представлены потенциодинамические
кривые для сталей 20Х13 и 40Х13, полученные в результате проведенных коррозионных испытаний в 0,1 Н растворе Na2SO3 .
После обработки плазмой чистого аргона стационарный потенциал смещается вправо (рис. 1).
Рис. 1 - Потенциодинамические кривые стали 20Х13: а - сталь в исходном состоянии, б -обработка ВЧ плазмой с расходом аргона 0,04 г/с, в - расход 0,06 г/с, г - расход 0,08 г/с, д - расход 0,08 г/с в зоне факела
Наиболее значительное смещение отмечено в образце, обработанном при расходе
плазмообразующего газа 0,08 г/с в зоне потемнения от
факела (рис. 1, кривая «д»). Ток коррозии у всех обработанных образцов значительно меньше, чем у исходного во всей исследованной области, что говорит о повышении коррозионной стойкости.
Коррозионная стойкость обработанных по всем режимам образцов выше, чем у исходного.
При добавлении к плазмообразующему газу 30 % N или O2 коррозионная стойкость стали 40X13, в результате обработки ВЧППД, меняется по разному (рис. 2). При добавлении азота происходит увеличение коррозионной стойкости (кривые «в» и «г»). Добавление кислорода существенно увеличивает ток коррозии (кривые «б» и «д»).
Рис. 2 - Потенциодинамические кривые стали 40Х13: а - сталь до обработки; б - образец, обработанный по режиму Аг+02, 0г=0,06 г/с, в - по режиму Аг+№г, 0г=0,06 г/с, г - по режиму Аг+]Ч2, 0г=0,08 г/с, д - по режиму Аг+О2, 0г=0,08 г/с
С целью определения возможности использования данного вида обработки для газонасыщения и ионного азотирования проведены исследования в следующих режимах = 1 - 2 эВ, ^ = 20 - 25 А/м2. Наиболее эффективно для реализации этих значений основных обобщенных параметров использовать ВЧИ разряд пониженного давления [3, 4].
Сравнительный анализ комплекса свойств сталей после "классического" печного и ВЧ плазменного азотирования показал, что процесс плазменного азотирования перспективен, так как
при небольшом времени выдержки (уже при 15 мин.) происходит образование нитридных фаз. Происходит упрочнение поверхностного слоя; твердость поверхности образцов, азотированных в ВЧ индукционной (ВЧИ) плазме, выше, чем при печном азотировании. Глубина проникновения азота в сталь при плазменном азотировании при 1обр = 30 мин. больше, чем при печном азотировании в течение 28 часов.
После ВЧИ плазменного азотирования на поверхности образцов образуется коррозионностойкая -фаза. Ее толщина в 10 раз больше, чем при печном азотировании. Коррозионная стойкость образцов, обработанных при температуре 550°С (^ = 30 мин.), намного выше, чем у исходных.
Детальные исследования взаимодействия титановых сплавов с реакционноспособными газами показали, что проведение азотирования при температуре 300 - 350°С позволяет повысить в 1,3 раза износостойкость и коррозионную стойкость по сравнению с азотированием при более высоких температурах и азотированием традиционными методами. Возможность проведения газонасыщения при пониженных температурах при наличии потока ионов обусловлена взаимодействием атомов углерода и азота с дислокациями.
Установлено, что износостойкость азотированного титанового сплава выше, чем подвергнутых плазменному азотированию сталей. На поверхности титана образуется пленка нитрида титана. Испытания полученных покрытий на солевую коррозию и на термоудар показали, что они могут работать при повышенной влажности, в условиях морского тумана и выдерживают термоудар, по прочности относятся к нулевой группе. В отличие от ионно-плазменных покрытий, пленка нитрида титана на титановых сплавах, полученная в ВЧИ плазме пониженного давления, по плотности приближается к плотности объемного материала. По цвету пленка нитрида титана, получаемая с помощью ВЧИ плазменной обработки, более темного цвета, чем покрытие, напыляемое ионно-плазменным методом. Однако и то, и другое имеют характерный золотистый цвет. Такой оттенок связан с тем, что диффузионное покрытие имеет толщину порядка 10 - 20 мкм, а ионно-плазменные - не более 5-7 мкм. Графики зависимости микротвердости от основных обобщенных параметров при обработке в ВЧИ плазменной струе показаны на рис.3 .
Оптимальное соотношение между
плазмообразующим газом аргоном и реакционноспособными газами: 70% - Аг и 30% -
реакционноспособный газ - установлено по результатам исследования влияния процентного содержания реакционноспособного газа на величину микротвердости. Графики распределения
микротвердости в поверхностном слое образца для обработки с различным содержанием азота в аргоне проведены на рис. 4. Из него видно, что при содержании азота ~ 5 •10-3% изменение
микротвердости происходит незначительно. Повышение концентрации азота выше 30% приводит к снижению Н^. Увеличение энергии ионов, согласно
физической модели взаимодействия, приводит к интенсификации процессов распыления, что ведет к разрушению покрытия.
і_і_____і_____і_____і______і_____а
10 20 30 40 50 60
(Г . эВ
О 1 □2 АЗ
Рис. 3 - Относительное изменение
микротвердости поверхности металла в ВЧИ плазме аргона с 30% азота, 1обр=1800 с:1 - от мощности теплового потока Wm„, 2 - от
плотности ионного тока ^, 3 - от энергии ионов Wi
Л. мкм
О I #2 0 3 ■4 Д5
Рис. 4 - Относительное изменение
микротвердости поверхностного слоя титанового сплава ВТ1 после обработки ВЧ плазмой аргона с добавкой азота в различных пропорциях; содержание азота: 1 - 0,05%, 2 - 0,1%, 3 - 5%, 4 -30%, 5 - 40%
Исследование влияния скорости
охлаждения образцов после плазменного воздействия на предел выносливости показало, что обдув холодным аргоном дополнительно повышает усталостную прочность. В результате исследований разработаны способы плазменного упрочнения, заключающиеся в том, что на изделие воздействуют неравновесной низкотемпературной аргоновой плазмой со следующими входными характеристиками. Скорость потока 100 - 500 м/с, давление 75 - 200 Па, концентрация электронов 1018 - 1019 1/м3, при этом W1 = 30 - 50 эВ, , ^ = 5 - 15 А/м2.
В режиме плазменного упрочнения стали 12Х18Н9Т наблюдается достаточно явная тенденция уменьшения шероховатости по сравнению с исходным состоянием. Существует также тенденция к смещению в положительную область стационарного потенциала от - 0,23 до - 0,085, что
является признаком повышения коррозионной стойкости. Это можно объяснить образованием на поверхности тонкого защитного пленки слоя в результате плазменной обработки и повышением качества поверхности. Ширина линий и твердость поверхности подтверждает, что выбранный режим -упрочняющий.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по госконтракту 16.552.11.7060.
Литература
1. В.В. Савич, Конструкции из композиционных материалов, 4, 114 - 119 (2006).
8. M. Xu, N. Huang, Z. Xiao, Z. Lu, Supramol. Sci., 5, 449 -451 (1998).
2. И.Ш. Абдуллин, А.А. Хубатхузин, Вестник Казанского технологического университета, 11; 625 - 627 (2010).
3. И.Ш. Абдуллин, А.А. Хубатхузин, Вестник Казанского технологического университета, 11; 628 - 629 (2010).
4. Желтухин В.С., Шемахин А.Ю. Расчет газодинамики струй ВЧ-плазмы пониженного давления // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. - 2011. - Е. 153, кн.4. — С. 135-142.
© А. А. Хубатхузин - к. т. н., доц. каф. вакуумной техники электрофизических установок КНИТУ, al_kstu@mail.ru; И. Ш. Абдуллин - д.т.н., проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru; А. А. Башкирцев - асп. той же кафедры.
