CC BY
142
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.785.532
К. Н. Рамазанов, Р. К. Вафин
РАЗРАБОТКА СПОСОБА ИОННОГО АЗОТИРОВАНИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ Х12 В СКРЕЩЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ
Исследованы вольт-амперные характеристики тлеющего разряда в магнитном поле и без него. Проанализированы экспериментальные результаты изменения микротвердости поверхности и структурно-фазовых превращений образцов из инструментальной стали Х12 при ионном азотировании в скрещенных электрических и магнитных полях. Ионное азотирование; скрещенные электрические и магнитные поля; фазовый состав и микроструктура азотированного слоя; тлеющий разряд
ВВЕДЕНИЕ
Азотирование является эффективным, но малопроизводительным процессом поверхностного упрочнения сталей и сплавов. Большая длительность технологического цикла определяется относительно низкой диффузионной подвижностью атомов азота в области температур 450-550 °С. В связи с этим, несомненно, актуальными являются исследования, направленные на интенсификацию процесса ионного азотирования. Использование скрещенных электрических и магнитных полей позволяет значительно повысить энергию частиц, воздействующих на обрабатываемую поверхность. В результате процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали ионами и атомами азота значительно ускоряется [1].
Применение магнитного поля при ионном азотировании в тлеющем разряде позволяет также увеличить температуру и скорость нагрева поверхности, что объясняется более высокой плотностью ионного тока, вследствие увеличения генерации заряженных частиц электронами, которые удерживаются магнитным полем [2].
О характере изменения энергии заряженных частиц можно рассуждать, исследуя вольт-амперные характеристики (ВАХ) тлеющего разряда с магнитным полем и без него. ВАХ является одной из основных характеристик тлеющего разряда, существенное влияние на нее оказывают рабочее давление (Р) и индукция магнитного поля (В) [3-6].
Таким образом, целью данной работы является:
• исследование ВАХ тлеющего разряда при различных давлениях с магнитным полем и без него;
• изучение физико-механических свойств образцов из инструментальной стали Х12 после
ионного азотирования в скрещенных электрических и магнитных полях;
• разработка нового способа ионного азотирования в скрещенных электрических и магнитных полях.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Экспериментальная установка для исследования характеристик тлеющего разряда в скрещенных ЕхВ полях была создана на базе серийного оборудования ЭЛУ-5. Используемый импульсный источник питания ApEl-M-5PDC позволяет снизить тепловые нагрузки на электроды и обеспечивает эффективное дугогашение в режиме аномального тлеющего разряда. Образцы из инструментальной стали Х12 предварительно термообработаны (температура отпуска 600 °С).
Вакуумная камера оснащена стандартным магнетроном (450*50*100), с индукцией магнитного поля B = 0,03 Тл, который закрепляется в штатные отверстия вакуумной камеры. В качестве рабочего газа использовались: аргон и смесь, состоящая из азота, аргона и ацетилена (N2 75% + + Ar 20% + C2H2 5%). Давление рабочего газа варьировалось в диапазоне 5...200 Па и контролировалось с помощью вакуумметра ВИТ-3. Рабочая температура (490-510 °С) достигалась за 2.3 минуты. Измерения температуры подложек производились с помощью оптического пирометра Термикс.
Параметры разряда фиксировались с показаний дисплея импульсного источника питания.
Замеры микротвердости поверхности выполнялись на микротвердомере Micromet-5101 при нагрузке 0,49 Н. Рентгеноструктурные исследования проводились с помощью дифрактометра ДРОН-4 -07. Исследование микроструктуры упрочненного слоя - с помощью растрового электронного микроскопа GSM 6390 (JEOL).
Контактная информация: (347) 273-07-63
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате визуального наблюдения за разрядом установлено, что при увеличении давления рабочего газа до 150 Па плазма локализуется у электродов, при этом значительно возрастает интенсивность ее свечения, за счет увеличения числа актов ионизации (рис. 1).
Свечение положительного столба и области отрицательного свечения разряда фиолетовое, катодный слой оранжевый, анодный слой розовый (рис. 1).
личению микротвердости в 6-6,5 раз (с 3300 до 19700.21500 МПа), что обусловлено формированием в приповерхностном слое нитридных фаз
[3,4].
Рис. 1. Тлеющий разряд в магнитном поле при давлении 150 Па
После напуска газа в течение первых 3-5 минут положительный столб распадается на отдельные слои, разделенные темными промежутками, так называемые страты. При давлении рабочего газа 150 Па, яркое свечение плазмы в форме тора практически «ложится» на катод (рис. 1).
На рис. 2 представлены ВАХ тлеющего разряда с магнитным полем и без него.
Анализ ВАХ в режиме ионной очистки (рис. 2, а) показал, что рост тока разряда в присутствии магнитного поля происходит значительно интенсивнее по сравнению с ВАХ без него, это в свою очередь приводит к эффективному распылению оксидной пленки вследствие увеличения концентрации и кинетической энергии заряженных частиц. Сравнение ВАХ при давлении 200 Па (рис. 2, б) показало, что наличие магнитного поля позволило увеличить ток разряда с 1,3 А до 2,3 А при напряжении 300 В, что приводит к значительному ускорению процесса диффузионного насыщения обрабатываемой поверхности ионами и атомами азота.
Анализ результатов замеров микротвердости поверхности показал, что ионное азотирование в магнитном поле привело к значительному уве-
б
Рис. 2. ВАХ тлеющего разряда с магнитным полем (magnetic) и без него (а - режим ионной очистки, б - режим насыщения)
Анализ микроструктуры образцов из стали Х12 после обработки (рис. 3) показал наличие двух зон, между которыми отсутствует четкая граница:
• первая зона представляет собой сплошной слой нитридов железа и легирующих элементов, который на фотографиях микроструктуры выглядит почти бесструктурным;
• вторая зона, диффузионная область, представляет собой азотистый феррит с карбидными и мелкодисперсными нитридными включениями.
К. Н. Рамазанов, Р. К. Вафин • Разработка способа ионного азотирования инструментальной стали...______103
Рис. 3. Микроструктура образца из стали Х12 после ионного азотирования в магнитном поле
(а - х 700; б - х 2000)
20, град.
б
Рис. 4. Дифрактограммы образца из стали Х12 (а - в исходном состоянии, б - после ионного азотирования в магнитном поле)
Известно [3], что выделяющиеся карбиды (Бе3С, Бе5С2) устойчивы против значительного развития коагуляции, что обуславливает сохранение требуемой твердости и предельно возможной теплостойкости. Основной карбидной фазой является цементит - Бе3С.
Для определения фазового состава поверхности проведены рентгеноструктурные исследования. На поверхности образцов после ионного азотирования обнаружены рефлексы е-фазы Бе3К, нитридов легирующих элементов (СК, Сг2К, Мо5К6, ’^К, WN2) и карбидов железа (Ре5С2, Ре3С) (рис. 4). Известно [4], что нитриды железа обладают большей теплоемкостью по сравнению с железом, при этом создаются благоприятные условия для предотвращения температурных вспышек на поверхности инструмента. Высокая твердость поверхности инструмента, не изменяющаяся при нагреве до 500 °С, определяется наличием нитридов хрома (СШ, Сг2К), а износостойкость и низкая склонность к задирам - нитридами вольфрама и молибдена (^, ^2, М05Кб) [1].
ВЫВОДЫ
1. Установлено, что скрещенные электрические и магнитные поля позволяют значительно повысить энергию частиц, воздействующих на обрабатываемую поверхность.
2. Установлено, что в результате ионного азотирования в магнитном поле на поверхности образцов произошло значительное увеличение микротвердости в 6-6,5 раз.
3. Установлено, что микроструктура стали Х12 после обработки состоит из нитридного слоя и диффузионной зоны, между которыми отсутствует четкая граница.
4. Установлено, что на поверхности образцов из стали Х12 после обработки формируется сплошной слой нитридов, состоящий из нитридов железа и легирующих элементов (Бе3К, СгК, Сг2К).
5. Разработан способ азотирования в тлеющем разряде с наложением магнитного поля, ко-
торый позволяет проводить модифицирование поверхности инструментальных сталей и обеспечить высокую кинетическую эффективность процесса диффузионного насыщения [7].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Будилов В. В., Рамазанов К. Н., Вафин Р.
К. Азотирование быстрорежущей стали Р6М5 в тлеющем разряде с наложением магнитного поля // Упрочняющие технологии и покрытия. 2010. № 5. С. 39-42.
2. Плетнев С. В. Магнитное поле, свойства, применение. СПб.: Гуманистика, 2004. 624 с.
3. Пастух И. М. Теория и практика безводо-родного азотирования в тлеющем разряде. Харьков: Изд-во ННЦ ХФТИ. 2006. 364 с.
4. Теория и технология азотирования / Ю. М. Лахтин [и др.]. М.: Металлургия, 1991. 320 с.
5. Чаттерджи-Фишер Р. Азотирование икар-бонитрирование. М.: Металлургия, 1990. 280 с.
6. Исследование характеристик плазмы несбалансированной магнетронной распылительной системы / А. А. Соловьев [и др.]. // Физика плазмы. 2009. Т. 35, № 5.
7. Полож. реш. о выд. пат. № 2009125030, МПК 7, С23С8/36, С23С8/80. Способ азотирования в плазме тлеющего разряда / В. В. Будилов [и др.]. 08.06.2010.
ОБ АВТОРАХ
Рамазанов Камиль Нуруллаевич, доц. каф. технологии машиностроения. Дипл. инженер-
технолог машиностроительн. производств (УГА-ТУ, 2004). Канд. техн. наук (ИФПМ СО РАН, 2009) Иссл. в обл. вакуумных ионно-плазменных методов модифицирования поверхности.
Вафин Руслан Каримович, асп. той же каф. Дипл. инженер-технолог машиностроительн.
производств (УГАТУ, 2010). Иссл. в обл. вакуумных ионно-плазменных методов модифицирования поверхности.
