CC BY
29
Дослиджено cmaMi феритного (08Х8СЮТч) та аустеттного (12Х18Н10Т) клаЫв тсля юнно - плазмового азотування. Показано, що залежно eid умов експлуата-ци та структурного класу сталей можна свiдомо керувати процесом структуроут-ворення
Ключовi слова: азотування юнно - плаз-
мове, сталь, шар
□-□
Исследованы стали ферритного (08Х8СЮТч) и аустенитного (12Х18Н10Т) классов после ионно - плазмового азотирования. Показано, что в зависимости от условий эксплуатации и структурного класса сталей можно обдуманно руководить процессом структурообразования Ключевые слова: азотирование ионно -
плазменно, слой, сталь
□-□
Investigated ferritic steel (08H8SYuTch) and austenitic (12X18H10T) classes after ion - Plasma nitriding. It is shown that, depending on environmental conditions and structural grade steel can deliberately direct the process of structuring
Keywords: ion- plasm nitriding, layer, steel
■о о
УДК 669.14.018.025
ВИКОРИСТАННЯ 1ОННО - ПЛАЗМОВОГО АЗОТУВАННЯ ДЛЯ П1ДВИЩЕННЯ КОРОЗ1ЙНО - МЕХАН1ЧНО1 ТРИВКОСТ1 ДЕТАЛЕЙ
МАШИН
З.А. Ду р я г i н а
Доктор техычних наук, професор* Контактний тел.: (032) 258 -25-13 Е- mail: zduriagina@ukr.net
О.В. Нестеров
Кандидат техычних наук, доцент Запорiзський нацюнальний техшчний уыверситет Контактний тел: 095-598-46-45
Н.В. Щербовських
Астрант*
Контактний тел.: (032) 258-25-13 Е- mail: shcherbovskyhnat@ukr.net *Кафедра шженерного матерiалознавства та прикладной' фiзики 1нституту математики та фундаментальних наук Нацюнальний уыверситет '^bBiBCb^ пол^ехшка"
1. Вступ
Найб^ьш поширеними причинами ушкодження деталей машин та вузлiв металоконструкцш, що ек-сплуатуються за умов тдвищених температур при одночаснiй дп навантажень та агресивних середовищ е корозiйно-ерозiйне ушкодження поверхнi. Для тдви-щення 1х експлуатацiйних властивостей застосовують рiзнi методи iнженерii поверхнi вщ традицiйних видiв хiмiко - термiчноi обробки до поверхневоi пластичноi деформацп, нанесення покриттiв тощо.
Використання газового шчного азотування ха-рактеризуеться низкою суттевих недолшв: дефор-мацiею деталей в результат великоi тривалостi про-цесу, вiдсутнiстю можливостi одержання дифузшних шарiв заданого складу, низькою продуктившстю та небезпечними санiтарно - гтешчними умовами ви-робництва. Цих недолжв позбавлений метод iонно - плазмового азотування (1ПА) у тлiючому розряд^
фiзична суть якого полягае у збуджент iмпульсного розряду у азотно - водневому середовишд мiж деталями, що азотуються та одночасно виконують роль катоду i стiнками вакуумноi камери, яка е анодом. Хь мiчнi реакцii у плазмi тлiючого розряду вщбуваються за умов рiвноважних концентрацш реагентiв на гра-ницi под^у системи «газове середовище - поверхня конструкцшного матерiалу». Утворенi iони спочатку адсорбуються на мiжфазнiй границi, а поим дифун-дують у поверхневi шари металовиробу. Змiнюючи концентрацiю насичуючих газiв, '¿х тиск, температуру плазми можна регулювати глибину синтезованих дифузшних шарiв, '¿хню структуру, фазовий склад та контролювати рiвень дефектностi. Оптимiзацiя режимiв азотування конкретних матерiалiв дозволяе практично повшстю усунути деформацiю деталей, мiнiмiзувати тривалiсть процесу завдяки високш iнтенсивностi насичення, пiдвищити екологiчну без-пеку виробництва.
2. Матерiали та методика дослщжень
В робот дослiджено сталi феритного (08Х8СЮТч) та аустенiтного (12Х18Н10Т) класiв тсля iонно - плаз-мового азотування на установщ ИОН -20И2 фiрми «ЭФТТОМ-ИОН» (Болгарiя). Основнi технологiчнi характеристики установки наступш робочий газ - амь ак, тиск амiаку - ввд 1 до 6 мбар при витратах 20 л/год, струм в iмпульсi - ввд 0 до 60 А, напруга в iмпульсi - вщ 0 до 800 В, частота iмпульсiв - 10 кГц, максимальна температура процесу - 600°С. Змшюючи тиск амiаку та iнтенсивнiсть тлiючого розряду можна формувати дифузшш шари рiзного фазового складу та функцю-нального призначення. Залежно ввд поставлених задач акцент в 1хнш структурi можна робити або на у' - фазу складу FeMe4N або на £ - фазу складу FeMe2-3N.
Металографiчний аналiз торцевих мiкрошлiфiв здiйснювали на мжроскот МЕТАМ РВ-21. Оцшюю-чи експлуатацшш властивостi дослiджуваних сталей важливо встановити характеристику пластичност 5н синтезованих поверхневих шарiв, що не можливо здшс-нити стандартними методами мехашчних випробувань. Для цього нами використано метод мжрощентування на приладi ПМТ-3. Фiзична суть параметру 8Н полягае у тому, що його можна розглядати як частку пластично! деформацп вiд повно! деформацп, що виникае в результат заглиблення шдентора. Оскiльки сформованi нами шари не володтть високою крихкiстю, то для розра-хунку характеристики пластичностi використовували спрощену модель пружно - пластичного контакту. При цьому ураховаш наступш припущення: пластична де-формацiя алмазного шдентора вщсутня; його форма незмша; величина загально! деформацп усереднена i стала за контактною площею вщбитку у напрямку при-кладення навантаження; форма вiдбитку iдентична формi шдентора. Для тдвищення точностi вимiрювань зд1йснювали по плеть укол1в шдентором при наванта-женш 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1; 1,2; 1,5 Н вщповщно.
Характеристику пластичност1 §н визначали за гли-биною сформованого шару та розраховували за формулою [1]:
^ О)
де Е - модуль пружност1, V - коефщ1ент Пуассона, НУ - мжротвердкть за Вжерсом.
В методицi визначення характеристики пластично-стi передбачено, що величина 8Н змiнюеться вiд 0 (для абсолютно пружного контакту) до 1 (для абсолютно пластичного контакту), хоча на практищ школи не до-сягае вищезгаданих граничних значень.
Оцшка корозшно'! тривкостi дослщжуваних сталей пiсля iонного азотування здшснювалась за результатами прискорених випробувань у камерi «сольового туману». Робоче середовище складалося з 5%-ного розчину NaCl з додаванням 0,25 г/дм3 оцтово'! кисло-ти до рН = 3, - 3,3. При цьому температура у камерi тдтримувалась на рiвнi 35+50С, волопсть 100%, час випробувань - 100 годин.
8н = 1 -14,3 (1 -v-2 v2)—-,
газiв та систем вiдведення використаних газiв рiзного енергетичного обладнання.
Хiмiчний склад сталi забезпечуе утворення на по-верхнi тонких жаростшких плiвок, якi значно знижу-ють швидкiсть корозiйного процесу при температурах вщ 200 до 700°С [2].
Тривалий досвiд експлуатацii глушниюв вихлопу автомобiлiв i газових виходiв хлiбопекарських печей показав достатньо високий рiвень експлуатацiйних характеристик сталi 08Х8СЮТч, що дозволяе вико-ристовувати цю сталь замiсть бiльш дорогих жаростшких сталей аустештного класу. Саме тривалкть спостережень дозволила визначити аспекти, що по-требують покращення будови поверхш виробiв для пiдвищення !х стшкосН до абразивного зношування та корозшного руйнування.
Легувальнi елементи дослiджуваних сталей мають високу спорiдненiсть до азоту, тому активно утворю-ють штриди пiд час 1ПА, що дае можливкть одержу-вати якiснi дифузшш шари. Додатково вивчали вплив основних параметрiв 1ПА (температури процесу, тиску насичуючого газу, часу iзотермiчноi витримки) на характер структуроутворення дифузшних шарiв. Температуру процесу змiнювали в iнтервалi 500 - 580°С, тиск - вщ 3 до 6 мбар, а час iзотермiчноi витримки зразюв - вiд 2 до 6 годин.
Металогафiчний аналiз азотованих шарiв на сталях феритного та аустештного клаив пiдтвердив, що будо-ва цих шарiв рiзна залежно вщ змiни технологiчних параметрiв процесу та хiмiчного складу сталей. Це по-яснюеться перерозподiлом атомiв азоту мiж твердим розчином та штридними фазами, що утворюються в результат реакцiйноi дифузii [3, 4]. 1люстращею про-ведених дослiджень е окремi структури азотованих шарiв, одержанi за умов рiзних параметрiв насичення (рис. 1, 2).
3. Результати експерименту та ¡х обговорення
Сталь 08Х8СЮТч було розроблено для виготов-лення деталей автомобШв з вщведення вихлопних
а) б)
Рис. 1. ММкроструктура азотованого шару сталi 08Х8СЮТч,
одержаного пiсля iонного азотування при тривалосп витримки 6 год, тиску амiаку 3 мбар: а — при температурi 500°С; б — при температурi 580°С, х 400
Чико видно, що з тдвищенням температури азотування вiд 500°С до 580°С розмiри та будова сформо-ваних шарiв змiнюеться. 1х кiлькiсть для обох сталей зростае до трьох (рис. 1, б, 2), а загальна товщина скла-дае 80 - 150 мкм залежно вщ марки сталь Причому вну-тршнш шар мае дендритну будову голчастого типу, а у зовшшньому шарi спостертються свiтлi д^янки, що можуть належати £ - фазi (для температури азотування 500°С) або у' -фазi, коли процес здшснюеться за температур 580°С. Слiд зазначити, що збiльшення тиску плазми розширюе розмiри внутрiшнього шару, голки якого зб^ьшуються за розмiрами та глибоко за-нурюються у основу сталь
Восточно-Европейский журнал передовым технологий
а) б)
Рис. 2. Микроструктура азотованого шару ст^ 12Х18Н10Т, одержаного шсля юнного азотування при тривалосп витримки 2 год, температурi 580°С: а — тиску амiаку 3 мбар; б — тиску амiаку 5,5 мбар
Зокрема тсля iонноi iмплантацii сталi 12Х18Н10Т при температурi 580°С, тиску 3 мбар, та часу витримки 2 години сформувалися азотоваш шари товщиною 78 - 95 мкм.
Оцшку пластичноси цих шар1в зд1йснювали методом мжрощентування. Спочатку граф1чно за експе-риментальними даними було встановлено критичну величину навантаження на алмазну шрамщу Рс, що становить 1 Н, та за яко1 значения мжротвердост1 ста-бШзуються 1 будуть сталими (рис. 3, а). Це необхщно, щоб знiвелювати або мiнiмiзувати вплив масштабного фактору на точшсть вимiрювань. Тому при розрахунку характеристики пластичност за формулою (1) при-ймали до уваги пльки тi вимiрювання, якi були здшс-ненi при навантаженнях, що перевищували чи були рiвнi величинi Fc.
режимами вiдповiдно до стандартiв ГОСТ 9.908-85. При цьому корозшна тривюсть оцiнюeться за част-кою плошд, не ураженоi такими дефектами, як штин-ги, виразки, мiкротрiшини тощо. Встановлено, що за 100 годин випробувань у стандартизованих умовах 80% загальноi площд вихiдних зразкiв (без покриття) були уражеш корозieю (рис. 4, а). В той час як тсля юнно-плазмового азотування за режимом, що сприяе утворенню у поверхневих шарах £ - фази лише на 3-х % ввд загальноi площд виявлено ознаки корозiйних ушкоджень (рис. 4, б). Азотування за режимом, коли левова частка зовшшнього шару складаеться iз у' -фази, показуе пршу корозiйну тривюсть, оскiльки за даних умов практично 40% поверхш зразкiв шддаеть-ся корозп (рис.4, в).
а) б) в)
Рис. 4. Корозшж ушкодження noBepxHi сталi 08Х8СЮТч у вихщному (а) стаж та пiсля юнно-плазмового азотування (б, в) за рiзними режимами
N F I
\ S 1
V
s.
Висновки
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 F, H
а) б)
Рис. 3. Критична величина навантаження на алмазну шрамщу Fc (а), змша характеристики пластичносп 8н та мкротвердосп залежно вщ глибини азотованого шару (б) на стгл 12Х18Н10Т пiсля юнного азотування
Розрахунковi данi дозволили встановити, що характеристика пластичносп азотованих шарiв зб^ьшу-еться вiд 0,43 на глибиш 22 мкм до до 0,81 на глибиш 78 мкм вщповвдно (рис. 3, б). Значення мжротвердосп за глибиною шару при цьому зменшуються вiд 12,24 до 4,06 ГПа вщповщно, що характерно при формуванш градiентних структур.
Виходячи iз цього та враховуючи данi металографii можна вважати, що левова частка зовшшнього вщ поверхш шару iмовiрнiше за все складаеться iз у' - фази. Шд ним розташовуеться шар iз будовою механiчноi су-мiшi легованого аустешту та у' - фази. Далi iде вузька дифузiйна зона, що плавно переходить до структури основи сталь При цьому штегральш значення характеристики пластичносп 8н основи становлять 0,88 - 0,91.
Порiвняльнi корозшш випробування у камерi «сольового туману» здiйснювались на зразках сталi 08Х8СЮТч у вихiдному сташ та пiсля 1ПА за рiзними
Отже, ioHHe азотування на установщ ИОН -20И2 дае можливiсть формувати шари глибиною до 150 мкм з градiентною будовою, що забезпечуватиме оптимiза-щю експлуатацiйних властивостей корозшно тривких сталей рiзних структурних клаив. Проведенi дослщ-ження пiдтвердили можлившть отримання якiсних азотованих шарiв рiзного складу та будови на сталях феритного та аустештного класiв. Це дае можливкть застосовувати iонне азотування для виршення рiзних технiчних задач з використанням таких матерiалiв. Покращення корозiйноi тривкостi деталей, що працю-ють за статичних умов, дощльно забезпечувати шляхом утворення у азотованих шарах £ - фази (рис. 1, а, рис. 2, б). Натомкть тдвищення корозiйно-механiчноi тривкосп деталей, що також працюють за статичних умов, потребуе формування азотованого шару, зовшш-нш з яких складаеться iз сумiшi ( £ + у' ) фаз. (рис. 1, б). Шдвищення ерозiйноi стiйкостi деталей, що працюють за умов динамiчних навантажень, можливе за на-явносп у структурi азотованого шару у' - фази (рис. 1, в), коли спостертеться зб^ьшення характеристики пластичность
Таким чином залежно вщ умов експлуатацп та структурного класу корозшнотривких сталей можна свiдомо керувати процесом структуроутворення у поверхневих шарах шд час 1ПА, щоб одержати наперед означеш властивостi.
Лиература
1. Milman Yu.V., Galanov B.A., Chugunova S.I. Plasticity characteristic obtained through hardness mesurement// Acta. Metall. Mater. - 1993. - Vol. 41, № 9. - 2523-2532.
1С
),E
If
02
00
J,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 L. MM
2. Нестеров А.В. Исследование и разработка экономнолегированной ферритной жаростойкой стали для системы выхлопного
тракта автомобиля: дис. канд. техн. наук: 15.06.2000./ Нестеров Александр Васильевич. - Запорожье, 2000. - 120 с.
3. Ионная химико - термическая обработка сплавов. - Б.Н. Арзамасов, А.Г. Братухин, Ю.С. Алексээв, Т.А. Панайоти. - М.: Изд-во
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. - 400 с.
4. Дуряпна З.А. Фiзика та хiмiя поверхш. Монографiя.-Львiв: Вид-во Нащонального ушверситету «Льв1вська пол^ехшка», 2009.
- 208 с.
У cmammi розглянута проблема визна-чення впливу pi3Hux факторiв на тепловид-дачу зразтв, оброблених юнною iмпланта-щею. За допомогою методу видновлювання одномiрних залежностей (МВОЗ) експери-ментально перевiрена сила впливу кожного вихидного показника на коефщент конвективно! тепловiддачi
Ключовi слова: тепловддача, метод вiд-новлювання одномiрних залежностей, юнна
iмплантацiя
□-□
В статье рассмотренная проблема определения влияния различных факторов на теплоотдачу образцов, обработанных ионной имплантацией. С помощью метода восстановления одномерных зависимостей (МВОЗ) экспериментально проверена сила влияния каждого исходного показателя на коэффициент конвективной теплоотдачи
Ключевые слова: теплоотдача, метод восстановления одномерных зависимостей,
ионная имплантация
□-□
In the article the problem of determination of influence of different factors on heat emission of samples, treated ionic implantation is considered. Through the method of renewal of one-dimensional dependences (MROD) force of influence of every output index on the coefficient of convective heat emission is experimentally tested
Keywords: heat emission, method of renewal of one-dimensional dependences, ionic implantation
-□ □-
УДК 536.24.66.045.2
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ТЕПЛОВ1ДДАЧ1 В1Д СТАЛЕВИХ ЗРАЗК1В, ОБРОБЛЕНИХ 1ОННОЮ 1МПЛАНТАЦ1СЮ
В.В. Гончаров
Асистент
Кафедра загальноТ фiзики i техжчноТ мехашки* Контактний тел.: 050-623-71-78 E-mail: gonch_vit@rambler.ru
Б.В. Ч у к а в i н
1нженер з наладки котлового обладнання
КСТП «РТКЕ» м. Рубiжне, Луганська обл., 93012
М.В. Ненько
Кандидат техычних наук, доцент Кафедра машин та апаралв хiмiчних* Контактний тел.: (06453) 5-98-30 *1нститут хiмiчних технолопй СхщноукраТнського нацюнального унiверситету iменi Володимира Даля пров. Лермонтова, 30, м. Рубiжне, Луганська обл., 93003
1. Вступ
Тепловi процеси е одними з найрозповсюджених процесiв в хiмiчнiй промисловостi, але в багатьох випадках 1х ефективнiсть лiмiтуеться тепловiддачею -складовою частиною гетерогенного процесу (вщ мета-лево! поверхнi до рвдини або газу) теплообмiну. У свою чергу, тепловщдача вiд стiнки до рщини залежить вiд цiлоi низки факторiв: фiзико-хiмiчних властивостей середовища та твердого тша, гiдродинамiчного та теплового режиму процесу, розмiру та характеру поверх-
нi розподiлу, що, безумовно, потребуе застосування складного математичного апарату. Тому, метою роботи було дослщження впливу рiзних факторiв на тепло-вiддачу вiд металевих зразкiв за допомогою модел^ побудовано! за методом вщновлювання одномiрних залежностей (МВОЗ) [1, 2].
В останнш час велико! поширеноси набувають технологii, якi мають значний позитивний ефект впливу на властивосп зразкiв i задовольняють при цьому вимогам еколопчноси, економiчностi та ш. Саме такою е технолопя iонноi iмплантацii [3, 4].
