Научная статья на тему 'Прикладное применение моделей химико-термической обработки для разработки технологий поверхностного упрочнения'

Прикладное применение моделей химико-термической обработки для разработки технологий поверхностного упрочнения Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
567
202
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
химико-термическая обработка / азотирование / термодинамические модели / диффузионные модели / металлофизические модели / хіміко-термічна обробка / азотизація / термодинамічні моделі / дифузійні моделі / металофізичні моделі / thermo-chemical treatment / nitriding / thermodynamic models / diffusional models / structural models
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The paper is devoted to the 100th anniversary of the outstanding Russian scientist professor Yuriy Mikhailovich LAKHTIN the founder of the world-famous scientific school of surface strengthening of metals and alloys. Lakhtin"s scientific school is recognized for its contribution into research of processes of thermo-chemical treatment of metals and especially of nitriding. Today the Department of Metal Science and Heat Treatment of MADI continues the traditions of Lakhtin"s scientific school. The development of technologies of surface engineering is based on complex modeling of physical processes occuring during thermo-chemical treatment of metals.

Текст научной работы на тему «Прикладное применение моделей химико-термической обработки для разработки технологий поверхностного упрочнения»

УДК [621.794+621.78] :621.785.5

ПРИКЛАДНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЙ ПОВЕРХНОСТНОГО

УПРОЧНЕНИЯ

Л.Г. Петрова, профессор, д.т.н., МАДИ (ГТУ), г. Москва, Россия

Аннотация. Статья посвящена 100-летию со дня рождения выдающегося российского ученого профессора Юрия Михайловича Лахтина - основателя всемирно известной научной школы поверхностного упрочнения металлов и сплавов. Лахтинская школа получила признание за ее вклад в исследования процессов химико-термической обработки металлов и, в особенности, процессов азотирования. Сегодня кафедра металловедения и термообработки МАДИ продолжает традиции школы Ю.М. Лахтина. Разработка упрочняющих технологий базируется на комплексном моделировании физических процессов, происходящих при ХТО.

Ключевые слова: химико-термическая обработка, азотирование, термодинамические модели, диффузионные модели, металлофизические модели.

ПРИКЛАДНЕ ВЖИВАННЯ МОДЕЛЕЙ Х1М1КО-ТЕРМ1ЧНО1 ОБРОБКИ ДЛЯ РОЗРОБКИ ТЕХНОЛОГ1Й ПОВЕРХНЕВОГО ЗМ1ЦНЕННЯ

Л.Г. Петрова, професор, д.т.н., МАД1 (ДТУ), м. Москва, Рос1я

Анотаця. Стаття присвячена 100-р1ччю з дня народження видатного ростсъкого ученого професора Юр1я Михайловича Лахтта - засновника всесвтнъо в1домог науковог школи повер-хневого змщнення метал1в i сплав1в. Лахттсъкая школа одержала визнання за гг внесок в досл1-дження процеав хiмiко-термiчног обробки металiв i, особливо, процеив азотизацИ. Съогодт кафедра металознавства i термообробки МАД1 продовжуе традицИ школи Ю.М. Лахтта. Розробка змiцнюючих технологт базуетъся на комплексному моделюванм фiзичних процеав, що вiдбуваютъся при ХТО.

Ключов1 слова: хiмiко-термiчна обробка, азотизащя, термодинамiчнi моделi, дифузтт моде-лi, металофiзичнi моделi.

PRACTICAL APPLICATION OF MODELS OF THERMO-CHEMICAL TREATMENT FOR DEVELOPMENT OF TECHNOLOGIES OF SURFACE

STRENGTHENING

L. Petrova, Professor, Doctor of Technical Science, MADI (STU), Moscow, Russia

Abstract. The paper is devoted to the 100th anniversary of the outstanding Russian scientist professor Yuriy Mikhailovich LAKHTIN - the founder of the world-famous scientific school of surface strengthening of metals and alloys. Lakhtin's scientific school is recognized for its contribution into research ofprocesses of thermo-chemical treatment of metals and especially of nitriding. Today the Department of Metal Science and Heat Treatment of MADI continues the traditions of Lakhtin's scientific school. The development of technologies of surface engineering is based on complex modeling of physical processes occuriny during thermo-chemical treatment of metals.

Key words: thermo-chemical treatment, nitriding, thermodynamic models, diffusional models, structural models.

Введение

6 мая 2010 года исполнилось 100 лет со дня рождения выдающегося ученого-металловеда Юрия Михайловича Лахтина. Профессор Ю.М. Лахтин, доктор технических наук, Заслуженный Деятель науки и техники Российской Федерации, Лауреат Государственной Премии, Почетный Президент Ассоциации металловедов России, является основателем всемирно известной научной школы поверхностного упрочнения металлов и сплавов. Более 60 лет своей жизни Ю.М. Лахтин посвятил исследованиям в области химико-термической обработки деталей машин и инструмента с целью повышения их надежности и долговечности; он заслуженно считается основоположником теории и практики процесса азотирования в России.

В 1957 году усилиями Ю.М. Лахтина в Московском автомобильно-дорожном институте (МАДИ) была организована кафедра металловедения и термообработки, на которой под его руководством проводились исследования по ХТО и азотированию. Отличительной особенностью школы Ю.М. Лахтина является синтез теоретических и практических исследований: результаты теоретических разработок имеют прикладное использование при создании и усовершенствовании технологических процессов и оборудования, их внедрении в промышленность и производство.

Исследования школы Ю.М. Лахтина по моделированию процессов ХТО в 70-90 гг.

ХХ века

В конце 1970-х годов на волне бурного развития компьютерной техники и технологий активизировались научные направления, связанные с применением этих методов в металловедении. Ю.М. Лахтин со свойственным ему научным чутьем уловил эти современные тенденции, и на кафедре металловедения и термообработки МАДИ был сформирован коллектив специалистов по компьютерному моделированию процессов ХТО и разработке программного обеспечения технологического процесса.

Первая математическая модель азотирования была построена Ю.М. Лахтиным и его учениками в 1978 г. [1]. Эта модель процессов диффузионного насыщения железа и сталей азотом позволяет прогнозировать

распределение азота по толщине диффузионного слоя, в зависимости от азотного потенциала среды и состава обрабатываемой стали.

Исследование термодинамики и кинетики процессов азотирования в многокомпонентных средах позволило разработать расчетные модели газовых реакций при азотировании в аммиаке с добавками кислородосодер-жащих газов. Термодинамический анализ процессов оксиазотирования позволяет с помощью расчетных диаграмм производить выбор режимов обработки для формирования диффузионного слоя оптимального фазового состава и строения, а также прогнозировать скорость процесса [2].

Модели, связывающие структурные и прочностные характеристики диффузионного слоя при азотировании, позволяют прогнозировать распределение твердости по толщине азотированного слоя на основании экспериментальных данных об особенностях его строения [3].

Математические модели лазерного легирования сталей, сплавов меди, алюминия, титана и других металлов позволяют осуществлять выбор оптимальных параметров лазерного излучения и легирующих элементов для обеспечения высокой износостойкости и коррозионной стойкости. Для различных металлов были получены структурные диаграммы, прогнозирующие структуру зон упрочнения по параметрам лазерного излучения и теплофизическим характеристикам легирующих веществ и основного металла.

Разработанные модели имели очень значительный практический результат: они стали основой для разработки программного управления и комплексной автоматизации процессов азотирования и других видов ХТО

[4].

В конце 70-х годов на кафедре под руководством Ю.М. Лахтина была разработана первая автоматическая система контроля процесса азотирования. Система позволяет вести процесс по программе, в которой задаются технологические параметры процесса (температура, состав атмосферы и ее изменение во времени, продолжительность процесса и отдельных его стадий). Заданная программа обеспечивает получение требуемой глубины

и строения диффузионного слоя. В дальнейшем не только в России, но и во всем мире разрабатывали и совершенствовали оборудование для регулируемых процессов химико-термической обработки на основе модели азотного потенциала, предложенной школой Ю.М. Лахтина.

Исследования Ю.М. Лахтина и его коллег в области моделирования процессов ХТО во многом предопределили широкое применение азотирования с программным управлением в мировой практике. В настоящее время установки для ХТО оснащены компьютеризированными системами управления и программным обеспечением регулирования азотного потенциала атмосферы, приготовления и распределения газовых смесей. Созданы и продолжают совершенствоваться комплексы оборудования для компьютерного моделирования диффузионных процессов при ХТО.

Современные исследования кафедры металловедения и термообработки МАДИ по моделированию процессов ХТО

Большинство научных направлений, сформированных под руководством Ю.М. Лахти-на как основа его научной школы, не потеряли своей актуальности и в настоящее время. На кафедре металловедения и термообработки МАДИ продолжаются исследования в направлении развития теоретической, научно-методологической и экспериментальной базы для создания новых процессов поверхностного упрочнения металлических материалов.

Разработанный научно-методологический комплекс инженерии поверхности металлических материалов реализует единый теоретический подход, объединяющий исследования по созданию на металлах слоев и покрытий с заданной структурой и свойствами [5]. Основой комплекса является методология управления структурообразованием, представляющая собой совокупность логически последовательных теоретических, экспериментальных и технологических исследований, направленных на формирование в поверхностном слое сталей структуры, обеспечивающей заданный уровень характеристик конструкционной прочности.

Признание особой роли поверхностного слоя в обеспечении комплекса механических и

физико-химических свойств изделия проявилось в развитии нового направления в металловедении - инженерии поверхности, т.е. целенаправленном воздействии на поверхностный слой энергетическими или физико-химическими методами. Развитие инженерии поверхности предполагает разработку технологических процессов нового уровня, позволяющих модифицировать поверхностный слой, радикально менять его структуру и свойства. При этом модифицированный слой приобретает специфическое, заранее спланированное структурное состояние на микро-или даже нанометрическом уровне, так что можно говорить о нем, как о качественно новом металлическом материале, обладающем строго заданными свойствами.

Методологический подход построения моделей предполагает моделирование основных физических процессов, происходящих при химико-термической обработке металлов:

- термодинамические модели описывают взаимодействие металла, сплава или отдельных его компонентов с компонентами насыщающей среды;

- диффузионно-кинетические модели описывают кинетику насыщения металлических материалов в различных внешних условиях;

- металлофизические модели устанавливают количественные зависимости между структурным состоянием материала и его механическими свойствами.

Термодинамические модели имеют целью прогнозирование строения и фазового состава диффузионного слоя в зависимости от параметров процесса химико-термической обработки (например, температуры процесса, состава насыщающей среды). Термодинамические модели разрабатываются на основе:

- анализа химических реакций между компонентами металлического сплава и активными компонентами насыщающей среды в диапазоне изменения основных параметров процесса ХТО; определения термодинамических условий и направления протекания химических реакций;

- расчета свободных энергий образования различных фаз и определения термодинамических возможностей образования фаз в модифицированном слое.

На основании таких расчетов могут быть построены диаграммы фазового состава для исследуемых диапазонов параметров ХТО и

определены параметры процесса для формирования слоя заданного фазового состава. Исходя из заданных требований к механическим свойствам обрабатываемого сплава, оптимизируются режимы технологического процесса ХТО для получения соответствующего строения упрочненного слоя.

Особенно широкие возможности открывает создание термодинамических моделей для описания процессов ХТО сложнолегирован-ных сплавов, либо комбинированных процессов ХТО в многокомпонентных газовых средах, когда существенно увеличивается многообразие возможных образующихся фаз и их сочетаний, что дает новые возможности достижения комплекса механических свойств.

Так, для многокомпонентных сталей и сплавов на основе термодинамического анализа разработаны модели образования нитридных фаз при азотировании. Расчетным путем определены степени разбавления азота или аммиака инертным газом, необходимые для получения азотированного слоя того или иного фазового состава в многокомпонентных сталях (рис. 1). Соответствующая оптимизация параметров азотирования обеспечивает требуемый состав и структуру слоя для повышения твердости, прочностных характеристик, сопротивления ползучести, износу, стойкости к электрохимической и газовой коррозии.

>цад о

о-1

о-2

о-3

о-4

о

о

о

о

о

о

о

% *

ч 1++

тш+см СЖ

[N1

боо

7оо

8оо

9оо

1ооо

11оо

Температура, С

Рис. 1. Диаграмма фазового состава азотированной хромоникелевой стали, содержащей титан

Так, при максимальном подавлении образования нитридов железа и нитрида Сг2К, и формировании зоны внутреннего азотирова-

ния на основе СгК и ТШ при азотировании аустенитной стали можно получить покрытие, обладающее одновременно повышенной износостойкостью и коррозионной стойкостью [б].

Термодинамическое моделирование процессов, происходящих при взаимодействии с металлами многокомпонентных атмосфер, позволяет определить 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

Бе + 1ЧНз ^1,5И2 + БерЧ] - а-фаза 4Бе + КНз ^1,5Н2 + Бе4К - у'-фаза Бе4К + КНз ^1,5Н2 + 2Бе2К - е-фаза 3Бе + 4Н2О = 4Н2 + Без04 Бе + Н2О = БеО + Н2 (Г > 5бо °С) Без04 + Н2 = 3Бе0 + Н2О (Г > 5бо °С).

Построенные на 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 сочетания химических соединений, нитридных и оксидных фаз: ЧеО, ЧезО4, у' и е-фаза. При азотировании сталей в амми-ачно-воздушных атмосферах термодинамически обоснованное регулирование степени разбавления аммиака позволяет повысить азотный потенциал атмосферы за счет связывания водорода с образованием паров воды и увеличить степень диссоциации аммиака 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 его участков в зависимости от природы упрочняемого 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 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 стабильности. Например, в хромоникелевых сплавах, содержащих титан, при высокотемпературном азотировании по мере снижения концентрации поступающего азота в глубь слоя формируются два фронта диффузии: первичный фронт (Х) продвижения нитридов титана и вторичный фронт (У) образования нитридов хрома (рис. 2).

X2 =-

2СВ

Зон ВА

Сы, Сь

-1 й 1

81 0 * 1 ■ 1 С0 СЬ2

.С 0 «С ? ' \ \ 8 1 ч

\ я | \ 1

п у\ _ „Сы. \ 1 / СыХ I П X

х=У

х=Х

Рис. 2. Схема диффузии азота и легирующего элемента при азотировании многокомпонентных сплавов

Решение диффузионной задачи, иллюстрируемой схемой на рис. 2, дает уравнение

Г У 1

V 2СЬ2 1-- X

(1)

описывающее кинетику роста общей толщины диффузионного слоя Х и толщины подслоя У с параметрами диффузии и растворимости азота (Бы, Сы), которые, в свою очередь, зависят от температуры азотирования. Таким образом, можно расчетным путем определить параметры процесса (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 сквозного насыщения изделия заданной толщины и значительно сократить длительность процесса азотирования [7].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

Применение количественных закономерностей металлофизических моделей для практических расчетов 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 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 моделей могут применяться для целенаправленного формирования химического состава азотируемых сплавов.

Новые технологии ХТО, разработанные на основе научно-методологического комплекса

Реализация на практике предлагаемого научно-методологического комплекса позволила

X

разработать ряд новых технологий поверхностного упрочнения и усовершенствовать существующие технологии ХТО применительно к изделиям различного назначения, работающим в режиме износа, коррозии, знакопеременных нагрузок, сопротивления ползучести при повышенных температурах.

Современные способы регулирования параметров азотирования позволяют находить все новые технологические решения, реализация которых обеспечивает широкий диапазон физико-механических характеристик материалов. Ниже представлен краткий обзор технологий ХТО, разработанных на кафедре металловедения и термообработки МАДИ за последние годы.

Технология высокотемпературного азотирования коррозионностойких хромо-никелевых 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 протяженных зон внутреннего азотирования в никелевых сплавах на базе азотистого твердого раствора, упрочненного дисперсными нитридами титана, позволило повысить их жаропрочность до температуры 1100 °С при сохранении жаростойкости. Регулирование фазового состава зон внутреннего азотирования в аустенитных сталях путем разбавления аммиака инертным газом дает возможность получать износостойкие слои без потери коррозионной стойкости (рис. 3).

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 тепла непосредственно у поверхности металла происходит очень быстрое его насыщение ионами азота с образованием химических соединений (нитридов железа). При отключении напряжения осуществляется нитрозакал-ка, структура слоя состоит из поверхностной зоны е-фазы и азотистого мартенсита, что вызывает существенное повышение микротвердости слоя (рис. 4). Технология применена, в 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 структурной модели, можно заключить, что наибольший эффект упрочнения достигается при реализации максимально возможного числа упрочняющих механизмов в едином технологическом процессе. С этой точки зрения представляют интерес комбинированные технологии упрочнения, сочетающие в себе несколько традиционных методов обработки.

1200

О 5 10 15 20 25 30

Время испытаний, мин

Рис. 3. Износостойкость стали 10Х18Н10Т после высокотемпературного азотирования с различной степенью разбавления аммиака

Рис. 4. Микроструктура диффузионного слоя на стали У8 после гидроплазменного азотирования

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 нитроок-сидирование, 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, корро-зионностойких сталей ферритного, мартен-ситного 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, когда сначала осуществляется подача воздуха с целью окисления, а затем - азотирование в атмосфере аммиака [8]. В результате процессов с разделенными воздушно-аммиачными атмосферами на хромистых сталях формируется азотированный слой под

энергетическим барьером из оксидных пленок. Под наноразмерной оксидной пленкой образуется дисперсно-упрочняемый пересыщенный твердый раствор азота и хрома в железе. Комбинированное покрытие на стали 40Х13 имеет высокое сопротивление износу благодаря образованию на поверхности мелкодисперсного нанопорошка оксида железа, который является своего рода смазкой при работе деталей на истирание. В результате азотирования через оксидный барьер коэффициент трения поверхности снижается по сравнению с классическим азотированием, а износостойкость повышается: в условиях трения скольжения без смазки в 4-4,5 раз, в условиях абразивного и гидроабразивного изнашивания в 2-2,5 раза. Испытания азотированных по разработанной технологии деталей, предназначенных для работы в агрессивной среде нефтяных и газовых скважин, показали многократное увеличение ресурса их работы.

Возможности регулируемых процессов ХТО в сочетании с компьютерным обеспечением позволили применить целую гамму технологий диффузионного насыщения в различных средах для упрочнения инструмента из быстрорежущих и хромистых сталей. Показано, что азотирование с добавками углеродосо-держащих компонентов формирует на поверхности инструмента зону химических соединений пониженной хрупкости. При азотировании в смеси аммиака с продуктами его диссоциации можно полностью подавить образование поверхностной е-фазы и сформировать твердый, но достаточно пластичный слой на базе зоны внутреннего азотирования. Предусмотрена программа, позволяющая выбирать технологический вариант азотирования с заданным азотным потенциалом в зависимости от типа инструмента (сверла, метчики, плашки) и его размера (кривизны режущей кромки). Для рационального выбора режима ХТО инструмента составлены базы данных по оптимальным технологическим параметрам азотирования, классифицированные по номенклатуре, виду и размеру режущего инструмента, его материалу, а также по обрабатываемому материалу [9].

Технология комбинированной химико-термической обработки сталей и чугунов, сочетающей диффузионную металлизацию с газовым азотированием, заключается в по-

верхностном легировании сталей и чугуна нитридообразующими элементами (А1, Т1, 81, V, Сг), а также двойными и тройными композициями на основе этих элементов шликер-ным методом (из суспензий порошков) с последующим насыщением в аммиаке, диссоциированном аммиаке, смесях аммиака с воздухом. За счет оптимального строения диффузионного слоя путем регулирования насыщающего потенциала достигаются высокие физико-механические характеристики комплексного покрытия: повышение износостойкости, коррозионной стойкости, сопротивления усталости, стойкости режущего инструмента в 2-5 раз. Упрочнение этим методом поверхности материалов для рабочих органов погружных насосов в нефтяном производстве показало повышение их устойчивости против гидроабразивного износа в коррозионно-активных средах. Большинство покрытий на углеродистых сталях и чугунах не уступают по коррозионной стойкости хромоникелевым нержавеющим сталям. Многократное повышение коррозионной стойкости в кислотах, солях и щелочах достигается при легировании хромом, бором, алюминием, кремнием, титаном, а также их двойными, в меньшей степени - тройными комбинациями. Наивысшей износостойкостью обладают азотированные шликерные хромо-алитированные и алюмосилицирован-ные покрытия. По эксплуатационным характеристикам разработанные модифицированные слои превосходят свойства покрытий, полученных другими известными способами, в частности путем обработки поверхности в диффузионно-активном расплаве [10].

Проводятся исследования возможностей технологических комбинаций шликерной металлизации с другими способами модифицирования поверхности. Например, технология металлизации из суспензий, совмещенная с гидроплазменным азотированием, позволяет за короткое время (несколько минут) получить на углеродистых сталях качественное композиционное покрытие с высокой твердостью. Комбинированные технологии поверхностного упрочнения конструкционных и инструментальных углеродистых и низколегированных сталей включают локальное легирование поверхности при лазерном нагреве, металлизацию из порошка легирующего элемента (Сг, Т1, А1 и др.) и азотирование. Предварительное лазерное легирование позволяет снизить температуру металлиза-

ции и в 2 раза увеличить толщину диффузионного слоя. В результате образуется покрытие с более равномерным распределением твердости по толщине упрочненного слоя. Благодаря повышению сопротивления износу обработанной по данной технологии полуоси гоночного автомобиля «Формула Гибрид МАДИ» из стали 40Х бесперебойный срок службы ходовой части автомобиля увеличился с 45 до 600 час.

Вывод

Представлен обзор новых технологий химико-термической обработки, разработанных на кафедре металловедения и термообработки МАДИ на основе научно-методологического комплекса, к которым относятся прогрессивные технологии азотирования, комбинированные способы насыщения в многокомпонентных насыщающих смесях, комбинированные технологии, сочетающие в себе несколько видов ХТО. Показаны преимущества разработанных технологий с точки зрения повышения эксплуатационных свойств деталей машин и инструмента.

Литература

1. Коган Я. Д. Математическая модель про-

цесса азотирования / Я.Д. Коган, Ю.М. Лахтин, Л.П. Фролова // Тез. докл. науч.-техн. симпозиума «Терм. и хими-ко-терм. обраб. в машиностроении» / Центр. и Саратов. обл. правления НТО Машпром. МАДИ. - 19-21 сент. 1978 г. Саратов. - М., 1978. - С. 205-208.

2. Лахтин, Ю. М. Модель прогнозирования

технологических режимов регулируемого процесса низкотемпературного газового азотирования / Ю.М. Лахтин, А.А. Булгач // Новое в металловедении и терм. обраб. металлов : тез. докл. Все-союз. науч.-техн. конф, Тольятти, 18-20 сент. 1979 г. Ч. 1, 2. - М., 1979.

3. Лахтин Ю.М. Прогнозирование распреде-

ления твердости в азотированном слое сталей / Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган, Г.А. Солодкин, Л.А. Глиберман // Металловедение и терм. обраб. металлов. -1986. - № 1. - С. 14-18.

4. Принципы математического моделирова-

ния процессов ХТО / Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган, А.М. Васьковский, А.А. Бул-гач // Металловедение и терм. обраб. металлов. - 1979. - № 8. - С. 43-47.

5. Приходько В.М. Металлофизические ос-

новы разработки упрочняющих технологий / В.М. Приходько, Л.Г. Петрова, О.В. Чудина. - М. : Машиностроение, 2003. - 384 с.

6. Петрова Л.Г. Термодинамический анализ

образования нитридных фаз при азотировании легированной стали / Л.Г. Петрова, Д.М. Зюзин // Вестник МАДИ (ГТУ). - 2004. -Вып. 3. - С. 58-65.

7. Петрова Л.Г. Моделирование кинетики

азотирования многокомпонентных сплавов / Л.Г. Петрова // Металловедение и термическая обработка металлов. -2002.- № 10. - С. 22-23.

8. Петрова Л.Г. Повышение эксплуатацион-

ных свойств легированных сталей в процессе химико-термической обработки в разделенных атмосферах воздуха и аммиака / Л.Г. Петрова, В. А. Александров, Л.П. Шестопалова // Вестник

МАДИ (ГТУ). - 2009. - Вып. 3. -С. 74-76.

9. Александров В.А. Азотирование инстру-

мента из высокохромистых и быстрорежущих сталей / В. А. Александров, К.В. Богданов // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2005. - №5. - С. 14-20.

10. 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), 2005.- С. 82-84.

Рецензент: С.С. Дьяченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 26 августа 2010 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.