Введение к работе
Актуальность темы.
Развитие промышленности в современных условиях диктует повышенные требования к ресурсу машин и механизмов, что, в свою очередь, требует применения все более дорогостоящих материалов и приводит к усложнению технологий обработки деталей. В этой связи проблема разработки экономичных и высокоэффективных технологий упрочнения изделий из конструкционных сталей для придания им требуемых эксплуатационных свойств имеет несомненную актуальность.
В сегодняшнем машиностроении большое внимание уделяется развитию технологий поверхностного упрочнения. Известно, что состояние поверхности во многом определяет уровень прочности и эксплуатационные свойства деталей машин. Именно поверхность изделия испытывает повышенный износ, контактные нагрузки, в наибольшей степени разрушается вследствие коррозии. Технологии поверхностного упрочнения основаны на модифицирующем воздействии на поверхность металла энергетическими или физико-химическими методами, что радикально меняет ее структуру и свойства.
Анализ современного состояния вопроса показывает, что эффективным способом поверхностного упрочнения сталей и сплавов, имеющим перспективы дальнейшего развития, является химико-термическая обработка (ХТО). Многообразие видов и вариантов ХТО дает возможность подбирать оптимальный способ упрочнения, исходя из экономических и эксплуатационных задач. При разработке эффективных технологий ХТО сталей следует учитывать не только необходимость обеспечения заданных свойств поверхности, но и возможность экономии дорогих и редких легирующих элементов.
Среди многих методов ХТО для упрочнения разнообразных сталей и сплавов вот уже более 60 лет широко применяется азотирование. Основное преимущество азотирования заключается в возможности регулирования состава и строения диффузионного слоя путем контроля насыщающей атмосферы, это позволяет упрочнять целую гамму деталей машин и инструментов, работающих в различных условиях эксплуатации. В промышленности активно используется как печное, так и ионное азотирование (азотирование в тлеющем разряде). Эти процессы при всех их достоинствах обладают общим недостатком – большой продолжительностью насыщения (десятки часов), что требует решения проблемы интенсификации технологического процесса.
Таким образом, актуальной является задача разработки таких технологий ХТО, которые обеспечивают заданные эксплуатационные свойства поверхностного слоя изделий, существенное сокращение времени получения диффузионных слоев рабочей толщины и экономию дефицитных металлов путем замены легированных сталей поверхностно упрочненными углеродистыми сталями.
Целью настоящей работы является разработка высокоинтенсивных ресурсосберегающих технологий химико-термической обработки с использованием плазмы гидростатического разряда для формирования функциональных поверхностных слоев и повышения эксплуатационных свойств стальных деталей различного назначения.
Научная новизна работы.
Установлен механизм интенсификации процесса насыщения металла азотом при азотировании в низкотемпературной плазме, возникающей при возбуждении тлеюще-искрового разряда в жидком азотосодержащем электролите, заключающийся в ускорении элементарных процессов, происходящих при формировании диффузионного слоя: диссоциации, приводящей к массированному образованию активных ионов азота, интенсивной адсорбции благодаря ионной бомбардировке поверхности и диффузии азота в металле.
Построена модель температурных условий взаимодействия металла с плазмой гидростатического разряда: получены зависимости температуры изделия при его насыщении азотом от приложенного напряжения, а также размерных характеристик изделия – его поперечного сечения и глубины погружения в электролит.
Экспериментально установлены особенности строения и свойств углеродистых и легированных сталей, азотированных в плазме гидростатического разряда, показан эффект поверхностного упрочнения сталей при осуществлении нитрозакалки и выделении дисперсных нитридов легирующих элементов.
Построена модель поверхностного упрочнения стали при металлизации, совмещенной с азотированием, учитывающая зависимости уровней твердорастворного и дисперсионного упрочнения при одновременном насыщении железа нитридообразующим элементом и азотом от типа металлизирующего элемента и его концентрации в модифицированном слое.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Разработаны технологические варианты и оборудование для химико-термической обработки сталей различного назначения в жидком электролите в плазме гидростатического тлеюще-искрового разряда:
Гидроплазменное азотирование углеродистых и легированных сталей перлитного, мартенситного и аустенитного классов;
Комбинированная ХТО, заключающаяся в гальванической металлизации углеродистых сталей с последующим гидроплазменным азотированием;
Комбинированная ХТО, заключающаяся в одновременной шликерной металлизации и азотировании в одном реакторе и электролите.
Определены рациональные диапазоны технологических параметров обработки (напряжения, силы тока, времени насыщения) для формирования модифицированных поверхностных слоев заданного строения и толщины и обеспечения требуемых свойств поверхности.
Показана возможность применения разработанных технологий для упрочнения небольших деталей различного назначения из углеродистых и легированных сталей. Применение такой обработки обеспечивает повышение твердости, износостойкости поверхности деталей, а также повышение коррозионной стойкости изделий из углеродистых сталей. Способ гидроплазменного азотирования стальных изделий защищен патентом на изобретение № 2362831, приоритет от 02 июля 2007 г.
Технология химико-термической обработки в жидком электролите в плазме тлеюще-искрового разряда внедрена для изделий сельскохозяйственного машиностроения («Завод чесальных машин» г. Иваново) и нефтегазодобывающей отрасли (ОАО НПП «ГЕРС», г. Тверь). Испытания аппаратуры с изделиями, упрочненными по разработанной технологии, на производственных скважинах Нижневартовского нефтеносного региона показали повышение ресурса работы различных деталей при действии ударных и фрикционных нагрузок в 3 … 7,5 раз.
Апробация результатов работы. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 1 патент на изобретение. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 15-м и 16-м Международных симпозиумах «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г.Горшкова, г. Ярополец, 2009, 2010 г.; Международной научно-методической конференции «Современные проблемы технологий конструкционных материалов и материаловедения», 2009г., Харьков, Украина; на научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ, г. Москва:65-й (2007 г.), 66-й (2008 г.), 67-й (2009 г.), 68-й (2010 г.).Результаты работы представлялись на ежегодной выставке научных достижений МАДИ (ГТУ) в 2009 г. Разработанная в рамках диссертационного исследования «Технология формирования композиционных покрытий на стальных деталях погружного модуля для каротажа нефтяных скважин методами химико-термической обработки» номинирована на соискание Российской Молодежной Премии в области наноиндустрии – 2010 (РОСНАНО)
Работа выполнялась на кафедре металловедения и термообработки Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) в соответствии с планами научно-исследовательских работ. Отдельные этапы работы выполнялись в рамках НИР:
«Научные и методологические аспекты исследований в инженерии поверхности металлических материалов» по аналитической ведомственной целевой программе Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» (2006-2008 годы)»,
«Создание научно-методологического комплекса для управления наноструктурой поверхностного слоя металлов методами химико-термической обработки» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Исследования, проведенные в данной работе, базируются на достижениях научной школы Ю.М. Лахтина, в частности, на теоретических основах процесса азотирования, а также на фундаментальных и прикладных научных разработках ведущих ученых в области химико-термической обработки металлов: Б.Н. Арзамасова, Я.Д. Когана, С.А. Герасимова, В.М. Зинченко. Исследования опираются на теоретические и практические разработки Д.И. Словецкого Д.И. и др., посвященные изучению низкотемпературной плазмы, поддерживаемой при атмосферном давлении.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка литературы из 105 источников и приложений. Работа содержит 151 страницу основного текста, 61 рисунков, 9 таблиц. В приложениях содержатся акты о внедрении результатов работы.
