Применение микродугового нагрева для ванадирования стали Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Dmitri Ivanovich Borisenko, Cand.Econ.Sci.,

Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia, Russia

Shcherbakova Irina Vladimirovna, Cand^echSci.,

Voronezh Institute of the Russian Ministry of the Interior, Russia

EXPERT EVALUATION OF STANDARDS FOR RADIO COMMUNICATIONS USED IN LAW ENFORCEMENT, BY PAIRED COMPARISON METHOD

Abstract. Expert assessment of standards of a radio communication with use of a method of pair comparisons is carried out. The algorithm of assessment of standards of a radio communication according to the established criterion of an optimality is developed.

Keywords: expert assessment, method of pair comparisons, standard of a radio communication, law enforcement agencies, criterion of an optimality.

УДК 621.793

ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОДУГОВОГО НАГРЕВА ДЛЯ ВАНАДИРОВАНИЯ СТАЛИ Степанов Макар Степанович, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Домбровский Юрий Маркович, д.т.н., профессор e-mail: [email protected] Донской государственный технический университет, г.Ростов-на-Дону

Исследован процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали 20 ванадием в режиме микродугового нагрева в порошке каменного угля. В качестве источника диффузанта использовались метаванадат аммония и феррованадий. Проведен термодинамический расчет возможных химических реакций и выявлены наиболее вероятные из них. Подтверждена возможность прямого восстановления ванадия до атомарного состояния. Экспериментально установлено формирование ванадиро-ванного диффузионного слоя толщиной 30-40 мкм при продолжительности насыщения 3 мин.

Ключевые слова: химико-термическая обработка, микродуговой нагрев стали, поверхностное упрочнение, диффузионное насыщение ванадием

Диффузионное ванадирование насыщение поверхностного слоя стальных изделий ванадием проводят с целью повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Ванадирование обычно осуществляют в порошковых смесях на основе ванадия с добавками NH4Cl, Al2O3, TiO2. Температура процесса обычно составляет 950-1100°С, продолжительность - от 4 до 6 часов. При насыщении армко-железа образуется диффузионный слой а - твердого раствора ванадия в железе. При насыщении углеродистых сталей диффузионный слой состоит из карбида VC и далее зоны а - твердого раствора с включениями карбида VC [1,2].

Интенсификация диффузионного насыщения возможна с помощью высокоэнергетического воздействия на поверхность обрабатываемого материала. Такое воздействие может осуществляться с использованием технологии микродуговой химико-термической обработки (МДХТО).

В процессе МДХТО стальное изделие, погруженное в контейнер с порошком каменного угля, нагревается протеканием электрического тока [3]. Протекание тока через порошковую среду приводит к возникновению микродуг, концентрирующихся вокруг изделия с образованием локальной зоны газового разряда, разогревающей поверхность изделия и прилегающую область порошковой среды. Пиролиз угля формирует в контейнере углеродсодержащую атмосферу на основе оксида и диоксида углерода.

Оксид углерода в процессе микродугового нагрева выполняет три функции:

а) формирование «кипящего» слоя частиц каменного угля вокруг изделия - такая среда активизирует процесс диффузионного насыщения за счет перемешивания частиц порошка и принудительного подвода диффузанта к насыщаемой поверхности;

б) выделение тепловой энергии при горении оксида углерода - это обеспечивает дополнительный нагрев изделия;

в) образование атомарного углерода при контакте с поверхностью металла диссоциирует по реакции 2СО = С + СО2. Атомарный углерод позволяет осуществлять процесс цементации стали, а диоксид углерода обеспечивает его непрерывность за счет взаимодействия с углеродом в соответствии с реакцией СО2 + С = 2 СО.

Показано, что при МДХТО достигается значительная интенсификация процесса науглероживания по сравнению с традиционным процессом цементации в твердом карбюризаторе с печным нагревом [3].

Представляла интерес оценка возможности формирования высокотвердых поверхностных покрытий карбидного типа в результате одновременной диффузии углерода и карбидообразующих элементов. При обработке низкоуглеродистых сталей известные технологические процессы диффузионного насыщения карбидообразующими элементами не позволяют создавать поверхностное карбидное покрытие из-за недостатка углерода. При этом следует отметить, что при обработке высокоуглеродистых сталей карбидное покрытие формируется, однако под ним образуется обезугле-роженный подслой. Это объясняется встречной диффузией углерода к поверхности материала.

Применение технологии МДХТО с предварительным нанесением на поверхность обрабатываемого изделия обмазки, содержащей карбидообра-зующие элементы, позволяет формировать покрытия карбидного типа [49].

В данной работе приведены результаты исследования возможности ва-надирования стали с нагревом в микродуговом режиме.

Использовались экспериментальное оборудование и методика, описанные в работе [3]. Обрабатывали цилиндрические образцы из стали 20 длиной 35 мм и диаметром 12 мм. Металлический контейнер заполняли порошком каменного угля с размером частиц 0,4-0,6 мм, и нагревали пропусканием электрического тока. На поверхность образца наносили электро-

проводную обмазку, содержащую в качестве источника диффузанта мета-ванадат аммония NH4VO3. Плотность тока на поверхности изделия составляла 0,53 А/см , максимальная температура процесса 1250°С, общая продолжительность обработки 3 мин. Контроль температуры процесса осуществляли по методике, представленной в работе [10]. Микроструктурный анализ диффузионного слоя осуществляли с помощью микроскопов МИМ-7 и Neophot-21 на поперечных шлифах образцов, протравленных реактивом Ржешотарского. Рентгеновский фазовый анализ проводили на дифрак-тометре ДРОН-8 в базовой конфигурации с рентгеновской трубкой 2.0БСВ-27 Co, диапазон сканирования 2© 3-150 град. Микротвердость измеряли по ГОСТ 9450-76 с помощью прибора ПМТ-3 при нагрузке на ин-дентор 0,49 Н.

При нагревании в диапазоне температур 500-550°С метаванадат аммония разлагается с образованием оксида V2O5 по реакции:

2NH4VO3 ^ 2NH3 + V2O5 + H2O

Для формирования ванадированного слоя на поверхности стали необходим атомарный ванадий, образовавшийся в результате восстановления оксида V2O5 по реакциям:

V2O5 + 5C = 2V + 5CO V2O5 + 3C = 2V + 3CO 2V2O5 + 5C = 4V + 5CO2

Кроме того, возможно восстановление оксида V2O5 до оксида V2O3 по реакции:

V2O5 + 2C = V2O3 + 2CO

Далее возможно восстановление оксида V2O3 по реакциям:

V2O3 + 3C = 2V + 3CO 2V2O3 = 4VO + O2 VO + C = V + CO 2VO = 2V + O2

Для выявление наиболее вероятных химических реакций был предпринят термодинамический анализ возможных химических реакций. Их движущей силой является разность свободных энергий начального и конечного состояний участвующих веществ. Величинами, характеризующими состояние термодинамических систем, являются энтальпия, энтропия, изо-барно-изотермический потенциал (изменение энергии Гиббса).

При термодинамических расчетах определяют тепловой эффект реакции на основании следствия из закона Гесса: тепловой эффект химической реакции равен сумме энтальпий образований ее продуктов за вычетом суммы энтальпий образований исходных веществ.

Изменение ЛGT энергии Гиббса в результате химической реакции в стандартных условиях вычисляется по формуле:

AGT = Ш°т - TAS°

где АНТ - стандартное изменение энтальпии;

Т - стандартное изменение энтропии; Т - абсолютная температура.

Если АОТ меньше нуля, то это указывает на возможность самопроизвольного протекания реакции, если АОТ больше нуля - на ее термодинамическую невозможность, равенство нулю - на равновесное состояние системы. Поэтому для определения температурного диапазона протекания

реакции необходимо решить неравенство

Ав°т <0 относительно температуры.

Для выявления наиболее вероятных реакций в температурном интервале МДХТО целесообразен расчет стандартного изменения энергии Гиббса

АОТ. В данной работе использован метод Темкина-Шварцмана, как наиболее точный и учитывающий зависимость теплоемкости от температуры [11].

Температурная зависимость теплоёмкости веществ, участвующих в химической реакции, описывается формулой:

Ср = а + Ь • Т + с • Т_2,

о

Тогда изменение энергии Гиббса ^Т можно определить из выражения:

АО0 АН0

*Т _ 298

■ А£2°98 " (М0Аа+М1АЬ + М_2 Ас),

Т Т

где Аа, АЬ, Ас - алгебраические суммы коэффициентов а, Ь и с температурного ряда теплоёмкости реакций, вычисленные аналогично расчёту стандартной энтальпии и энтропии, а величины Мо, М\ и М_2 для различных температур вычислены Темкиным и Шварцманом. Величины коэффициентов а, Ь и с приведены в справочной литературе [12].

Изменение энергии Гиббса определяли для температур 1000 и 1500 К, а затем рассчитывали коэффициенты уравнения, исходя из линейной зависимости А0Т от температуры.

о

Температурные зависимости А&Т (Т) рассчитаны для одинакового содержания кислорода в газовой фазе (в кДж/моль О2) и приведены в табл. 1. Соответствующие графические зависимости представлены на рис. 1.

Таблица 1 - Результаты термодинамических расчетов

Зависимость

№ реакции Уравнение (кДж/моль О2) от температуры Т (К)

1 У205 + 5С = 2У + 5С0 АО = 383,88 - 0.333 Т

2 У205 + 3С = 2У + 3С0 да = 462,76 - 0.164 Т

3 2У2О5 + 5С = 4У + 5С02 АО = 215,28 - 0.160 Т

4 У205 + 2С = У203 + 2С0 АО = 41,72 - 0.136 Т

5 У203 + 3С = 2У + 3С0 АО = 570,8 - 0.328 Т

6 У203 + С = 2У0 + С0 АО = 159,64 - 0.103 Т

7 2У203 = 4УО + 02 да = - 131,13 - 0.138 т

8 У0 + С = У + С0 АО = 616,64 - 0.339 т

9 2У0 = 2У + 02 АО = 463,55 - 0.277 Т

ДЩ,, кДж моль С>2

600

400

200

0

200

400

8 1 1 1 1

1 ;> ^ —- -~~~ т --- 2

4 — г;

7 f 1 г 1 г

600 800 1000 1200 1400 Т, К Рисунок 1 - Зависимости АОт (кДж/моль О2) от температуры Т (К)

Анализ результатов расчета показал, что в температурном интервале МДХТО реакции 2, 5, 8 и 9 невозможны. В процессе МДХТО возможно прямое восстановление оксида У205 до атомарного состояния: по реакции (1) при температурах выше 1152 К и по реакции (3) при температурах более 1343 К. Таким образом, метаванадат аммония КИ4У03 может быть использован в качестве источника диффузанта при ванадировании.

Экспериментальную проверку проводили на образцах из стали 20 по указанной выше методике.

На поверхности образцов обнаружено слаботравящееся покрытие толщиной 30-40 мкм, содержащее мелкодисперсные включения. Ниже распо-

ложена науглероженная зона с перлитной структурой и далее ферритно-перлитная структура, характерная для стали 20 в исходном состоянии.

Микротвердость основы составила 8,0-9,0 ГПа, включений - 21,0-25,0 ГПа, что соответствует микротвердости карбидов ванадия.

Рентгеновский фазовый анализ поверхностного слоя образцов подтвердил наличие карбидов ванадия и а - твердого раствора ванадия в железе.

Список литературы

I. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: справочник / Г.В.Борисенок [и др]. - М.: Металлургия, 1981. - 424 с.

3. Ворошнин Л.Г. Теория и технология химико-термической обработки: учеб. пособие / Л.Г.Ворошнин, О.Л.Менделеева, В.А.Сметкин. - М.: Новое знание; Минск: Новое знание, 2010. - 304 с.

3. Домбровский Ю.М. Микродуговая цементация стальных изделий в порошковых средах / Ю.М. Домбровский, М.С.Степанов // Упрочняющие технологии и покрытия, 2013. № 12. С. 25-29.

4. Степанов М.С. Формирование карбидного покрытия при микродуговом хромировании стали / М.С.Степанов, Ю.М. Домбровский // Упрочняющие технологии и покрытия, 2015. № 1. С. 35-38.

5. Степанов М.С. Формирование карбидного покрытия при микродуговом молибде-нировании стали / М.С.Степанов, Ю.М.Домбровский // Упрочняющие технологии и покрытия, 2015. № 10. С. 34-38.

6. Домбровский Ю.М. Новые возможности поверхностного легирования стали в порошковых средах / Ю.М.Домбровский, М.С.Степанов // Вестник машиностроения, 2015. № 8. С. 79-81.

7. Степанов М.С. Термодинамический анализ реакций формирования карбидного слоя в стали при микродуговом насыщении молибденом / М.С.Степанов, Ю.М. // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 2016, №59(2). С. 77-81.

8. Stepanov M.S. Thermodynamic Analysis of Carbide Layer Formation in Steel with Microarc Saturation by Molybdenum / M.S.Stepanov, Yu.M.Dombrovskii // Steel in Translation, 2016, Vol. 46, No. 2, pp. 79-82.

9. Степанов М. С. Химический и фазовый состав поверхностных покрытий при микродуговом диффузионном насыщении стали хромом и молибденом / М.С.Степанов, Ю.М.Домбровский // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвуз. сб. науч. ст. №2(181).-Волгоград, 2016. (Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении»). С. 102-106.

10. Степанов М.С. Кинетика нагрева при микродуговой химико- термической обработке стальных изделий / М.С.Степанов, Ю.М.Домбровский, Ю.А.Корнилов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2016. Том 82. № 3. С. 42-44.

II. Морачевский А.Г. Термодинамические расчеты в металлургии / А.Г.Морачевский, И.Б.Сладков. - М.: Металлургия, 1985. 136 с.

12. Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов. - М.: Металлургия, 1988. 288 с.

StepanovMakarStepanovich, Cand.Tech.Sci, associateprofessor

Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia

(e-mail: [email protected])

Dombrovskii Yuriy Markovich, Doct.Tech.Sci, professor

Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia

e-mail: [email protected]

THE APPLICATION OF MICRO-ARC HEATING FOR STEEL VANADIUM SATURATION

Abstract. Studied the process of diffusion saturation of the surface layer of steel 20 vanadium in the mode of microarc heating in coal powder. As a source of diffusant used metavanadate ammonium and ferrovanadium. Made the thermodynamic calculation of possible chemical reactions and identified the most probable of them. Confirmed the possibility of direct reduction of vanadium to the atomic state. It was experimentally established the formation of vanadium diffusion layer thickness of30-40 /m within 3 minutes.

Keywords: chemical heat treatment, microarc heatimg of steel, surface hardening, diffusion vanadium saturation

УДК 621.357.74:669.141.24

ГАЛЬВАНОТЕРМИЧЕСКОЕ ФОРМИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ Fe-Ni-Cr НА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ Ст3 Тимофеева Надежда Юрьевна, к.т.н., доцент Московская финансово-юридическая академия МФЮА г.Москва, Россия

[email protected] Сушков Олег Данилович, к.т.н., доцент Керченский государственный морской технологический университет,г.Керчь,Крым [email protected] Тимофеева Галина Юрьевна, к.физ.мат.наук, доцент Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), г.Москва, Россия Васильков Григорий Львович, преподаватель

ГБПОУ Колледж автомобильного транспорта №9 г.Москва, Россия

[email protected]

Определены температурно-временные и специальные режимы гальванического осаждения никеля и хрома с последующей термообработкой позволяющей сформировать поверхностные твердые растворы Fe-Ni-Cr на углеродистой стали Ст3.

Ключевые слова : гальваническое осаждение, термообработка, поверхностный твердый раствор, углеродистая сталь, термодиффузионный отжиг.

Гальванотермическое формирование поверхностных твердых растворов Fe-Ni-Cr на углеродистой стали Ст3 состоит из 3 стадий: 1) гальваническое осаждение никеля; 2) гальваническое осаждение хрома; 3) термообработка двухслойного покрытия- термодиффузионный отжиг.

Осаждение никеля осуществляют при катодной плотности тока 1,5^2,0 А/дм2 в течение 1,25^1,75 ч, что необходимо для получения слоя никеля толщиной 20^24 мкм. Осаждение никеля при меньшей катодной плотности тока в течение меньшего времени позволяет получить слои ни-