Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор способов химико-термической обработки сталей .
1.1. Основные закономерности химико-термической обработки.
1.1.1. Процессы, происходящие при X ТО.
1.1.2. Механизмы диффузии атомов и формирование диффузионного слоя при
І.І.З. Общая характеристика некоторых видов ХТО .
1.2. Физико-химические закономерности процесса азотирования.
1.2.1. Строение азотированного слоя в чистом железе.
1.2.2. Влияние легирующих элементов на строение азотированного слоя сталей.
1.2.3. Особенности азотирования легированных сталей различных классов.
1.3. Обзор исследований по азотированию в различных насыщающих средах.
1.3.1. Азотирование разбавленным аммиаком.
1.3.2. Мягкое азотирование или тенифер-процесс.
1.3.3. Азотирование с применением депассиваторов.
1.4. Комбинированные способы химико-термической обработки сталей.
1.4.1. Азотирование стали, предварительно легированной алюминием.
1.4.2. Титаноазотирование.
1.4.3. Хромоазотирование.
1.4.4. Свойства комбинированных покрытий. Выводы по 1 главе.
Глава 2. Методы исследования структуры и свойств диффузионных слоев после химико-термической обработки .
2.1. Методы определения фазового состояния металлических систем
путем измерения физических и физико-химических свойств.
2.1.1. Метод термического анализа.
2.1.2. Дилатометрический метод. 2.1.3.Метод измерения электропроводности.
2.1.4.Метод исследования магнитных свойств металлов.
2.1.5. Методы измерения термоэлектрических и электрохимических свойств.
2.2. Методы анализа структуры и фазового состава сплавов после ХТО.
2.2.1. Металлографический анализ микроструктуры.
2.2.2. Метод автоматизированного количественного анализа структуры .
2.2.3. Рентгеноструктурный метод исследования фазового состава материалов.
2.2.4. Электронно-зондовые методы исследования.
2.2.5. Метод лазерного эмиссионного микроспектрального анализа.
2.2.6.Электрографический метод исследования структуры и фазового состава материалов.
2.3. Методы исследования механических свойств упрочненных слоев
2.3.1. Твердость металлов как базовая характеристика их упрочнения.
2.3.2. Связь показателей твердости с фазовым составом сплавов.
2.3.3. Основные методы измерения твердости.
2.3.4. Классификация процессов трения и износа.
2.3.4.1. Исследование износостойкости упрочненных сталей.
2.3.4.2. Устройство для проведения испытаний на износ в коррозионно-активной среде.
Выводы по 2 главе.
Глава 3. Комплекс оборудования для проведения и контроля процессов химико-термической обработки .
3.1. Приборы и методы контроля процессов ХТО
3.1.1. Предпосылки для разработки методов контроля процессов азотирования.
3.1.2. Контролируемые технологические параметры процесса азотирования.
3.1.3. Метод контроля процесса по оценке степени диссоциации аммиака при измерении электрофизических параметров газа. 110
3.1.4. Метод контроля процесса по оценке динамики роста диффузионного слоя и его фазового состава прямым измерением магнитоэлектрических параметров. 112
3.1.5. Автоматизированная система регулирования процесса азотирования. 117
3.2. Дозирующие устройства для проведения процессов ХТО
в многокомпонентных насыщающих средах. 122
3.2.1. Дозатор смеси аммиака и продуктов его крекинга. 122
3.2.2. Дозирующие устройства для приготовления смесей аммиака, воздуха и пропана . 123
3.2.3. Дозирующее устройство для приготовления шликерных суспензий. 124
3.3. Лабораторные и технологические установки для регулируемых и комбинированных процессов ХТО. 126
3.3.1. Лабораторная установка для ХТО с программным управлением технологическим циклом. 126
3.3.2. Технологическое оборудование для проведения процессов ХТО шликерным методом. 128
Выводы по 3 главе. 132
Глава 4. Разработка регулируемых технологий химико-термической обработки конструкционных сталей в атмосфере аммиака и воздуха . 135
4.1. Закономерности формирования диффузионного слоя в сталях при насыщении в смеси аммиака и воздуха. 136
4.1.1. Прогнозирование фазового состава диффузионного слоя на основе термодинамики химических реакций при взаимодействии аммиачно-воздушной атмосферы с железом. 136
4.1.2. Экспериментальные исследования комбинированного процесса ХТО в смеси аммиака и воздуха. 144
4.1.3. Влияние технологических параметров процесса на строение и фазовый состав диффузионного слоя стали после обработки в аммиачно-воздушной атмосфере. 146
4.2. Газоциклические процессы ХТО с переменной подачей аммиака и воздуха. 172
4.2.1. Технологическая схема газоциклического процесса. 172
4.2.2. Влияние газоциклического процесса на кинетику формирования диффузионного слоя. 174
4.3. Разработка технологических процессов ХТО в среде аммиака и воздуха для упрочнения коррозионностойких сталей 177
4.3.1. Влияние газоциклического процесса ХТО на кинетику роста диффузионного слоя коррозионностойких сталей. 177
4.3.2. Строение и фазовый состав диффузионного слоя коррозионностойких сталей после газоциклической обработки в среде аммиака и воздуха. 180
4.3.3. Микротвердость азотированного слоя коррозионностойких сталей упрочненных по газоциклическому режиму. 185
Выводы по 4 главе. 189
Глава 5. Совершенствование регулируемых технологических процессов азотирования инструментальных сталей . 192
5.1. Анализ способов азотирования инструментальных сталей. 193
5.1.1. Номенклатура режущего инструмента, подвергаемого азотированию. 193
5.1.2.Стандартное газовое азотирование. 194
5.1.3. Газоциклическое азотирование с переменной подачей аммиака и инертного газа. 196
5.1.4. Азотирование с добавками углеродосодержащих газовых компонентов. 198
5.2. Разработка технологического процесса азотирования инструментальных сталей в смеси аммиака и продуктов его диссоциации. 199
5.2.1. Прогнозирование фазового состава стали после обработки в среде аммиака и продуктов его диссоциации на основе термодинамических расчётов. 199
5.2.2. Оптимизация режимов обработки быстрорежущей стали по азотному потенциалу. 203
Выводы по 5 главе. 212
Глава 6. Комбинированные технологические процессы ХТО, включающие поверхностное легирование металлами с последующим азотированием . 214
6.1. Общие закономерности получения диффузионных металлических покрытий. 215
6.1.1. Выбор легирующих элементов для диффузионных покрытий на сталях. 215
6.1.2. Анализ способов получения диффузионных металлических покрытий. 218
6.1.3. Шликерный метод получения диффузионных покрытий. 220
6.2. Комбинированная технология <тогганирование+азотирование». 221
6.2.1. Особенности кинетики азотирования титанированных покрытий. 221
6.2.2. Структура и фазовый состав титаноазотированных покрытий. 223
6.2.3. Твердость титаноазотированных покрытий. 229
6.3. Комбинированная технология «ванадирование+азотирование» 231
6.3.1. Особенности строения азотованадированных покрытий. 231
6.3.2. Твердость азотованадированных покрытий. 236
6.4. Комбинированная технология «хромирование+азотирование» 239
6.4.1. Особенности строения хромоазотированных покрытий. 239
6.4.2. Твердость хромоазотированных покрытий. 245
6.5. Комбинированная технология «алитирование+азотирование» 248
6.5.1. Особенности строения алюмоазотированных покрытий. 248
6.5.2. Твёрдость алюмоазотированных покрытий. 255
6.6. Комбинированная технология «гитаноалитирование+азотирование». 258
6.6.1. Особенности технологического процесса. 258
6.6.2. Структура и фазовый состав титаноалитированных покрытий до и после азотирования. 258
6.6.3. Твердость титаноалюмоазотированных покрытий. 262
6.7. Применение комбинированных технологий для модификации
поверхности рабочих органов погружных насосов типа ЭЦНА. 265
6.7.1. Критерии оценки работоспособности рабочих органов
насосов вызывающие необходимость поиска новых технологий упрочнения. 265
6.7.2. Механизм и способы борьбы с солевыми отложениями при работе металлов в водной среде. 268
6.7.3. Выбор композиции для диффузионного насыщения поверхности с получением свойств препятствующих отложению
солей на рабочих органах насоса. 269
6.7.4. Способы повышения коррозионной стойкости поверхности рабочих органов насосов. 273
6.7.5. Предпосылки формирования износостойких поверхностей методами ХТО. 277
6.7.6. Разработка технологий поверхностного легирования сталей и
чугунов шликерным методом, совмещенного с азотированием. 281
Выводы по 6 главе 299
Заключение 301
Список иллюстраций 305
Список использованной библиографии.
- Общая характеристика некоторых видов ХТО
- Метод автоматизированного количественного анализа структуры
- Дозирующие устройства для приготовления смесей аммиака, воздуха и пропана
- Шликерный метод получения диффузионных покрытий.
Введение к работе
Актуальность темы В области машиностроения большое значение имеет разработка новых материалов и технологий их упрочнения Инновационные упрочняющие технологии нацелены на обеспечение заданных эксплуатационных свойств материалов, а, кроме того, должны отличаться экономичностью, эффективностью, экологической безопасностью Особую группу перспективных технологических процессов составляют технологии поверхностного упрочнения сталей и сплавов, поскольку именно состояние поверхности во многом определяет конструкционную прочность и эксплуатационные свойства деталей
Технологии химико-термической обработки давно и успешно зарекомендовали себя для модифицирования поверхностных слоев широкой номенклатуры деталей машин Однако стандартные процессы ХТО (такие как, азотирование, цементация, способы поверхностного насыщения другими элементами) во многом уже исчерпали свои потенциальные технологические резервы с точки зрения повышения эффективности упрочнения Актуальной задачей является разработка технологических процессов ХТО с принципиально новыми возможностями регулирования структуры и фазового состава слоя, и, следовательно, получения заданного комплекса служебных характеристик упрочненного слоя Такие задачи могут быть решены с помощью регулируемых комбинированных и многоступенчатых процессов, представляющих собой либо технологические последовательные комбинации известных видов ХТО, либо сочетание в одном процессе нескольких насыщающих сред Это дает дополнительные возможности для формирования разнообразных по строению модифицированных слоев со сложной многофазной структурой, что обеспечивает высокий уровень упрочнения
Разработка таких процессов, принципов регулирования и оптимизация технологических параметров представляет собой непростую исследовательскую задачу, так как количество параметров обработки и, следовательно, факторов, влияющих на
окончательное строение и свойства слоя, существенно возрастает по сравнению с традиционными процессами Требуются особые способы регулирования основных технологических параметров, позволяющие управлять фазовым составом и строением слоя В первую очередь, это усовершенствованные способы контроля насыщающего потенциала газовой среды Кроме того, многообразие выделяющихся фаз в диффузионном слое требует разработки комплекса методов исследования строения и фазового состава
Целью настоящей работы является создание
исследовательского комплекса для экспериментального изучения процессов химико-термической обработки, включающего
Системы и способы контроля технологических параметров ХТО для формирования модифицированных поверхностных слоев заданного состава,
Технологическое и лабораторное оборудование для исследования и реализации регулируемых процессов ХТО,
Совокупность рациональных методов анализа структуры и свойств металлических материалов и поверхностных слоев,
и разработка на его основе эффективных комбинированных процессов ХТО металлических материалов с оптимальными технологическими параметрами, обеспечивающими требуемые физико-механические характеристики поверхностных слоев
Исследования, проведенные в настоящей работе, опираются на классические основы теории и технологии ХТО, выработанные научной школой Ю М Лахтина, а также на фундаментальные и прикладные разработки ведущих ученых в области упрочняющих технологий Б Н Арзамасова, Я Д Когана, В М Зинченко, С А Герасимова, Тихонова А К
Научная новизна работы состоит
в разработанных способах контроля процессов ХТО по степени диссоциации аммиака, по кинетике роста диффузионного слоя и его фазовому составу путем измерения электрических и магнитных параметрами слоя и газовой фазы,
в предложенном комплексе методов экспериментального исследования структуры и свойств поверхностных слоев, включая
разработанные методы изучения особенностей химического и фазового состава модифицированных слоев с применением лазерного эмиссионного микроспектрального анализа и электрографии, методы количественной металлографии с компьютерным анализом изображений, методы математической обработки профилей твердости упрочненных слоев с использованием дифференциального и интегрального параметров твердости,
в прогнозировании фазового состава железа и сталей после ХТО в многокомпонентных насыщающих средах (аммиак+воздух, аммиак+диссоциированный аммиак) на основе термодинамического анализа химических реакций . взаимодействия металла с компонентами газовой фазы,
в экспериментально установленных закономерностях строения, фазового состава, кинетики роста и уровня упрочнения модифицированных слоев на железе, сталях и чугунах, полученных путем поверхностного легирования элементами (Ті, Сг, V, АІ, Si, их двойными и тройными композициями) из суспензий с последующим азотированием
Практическая значимость работы заключается
- в разработке комплекса технологического и лабораторного
оборудования для исследования и проведения регулируемых и
комбинированных процессов ХТО, включающего
автоматизированную систему управления технологическим циклом
с программным обеспечением, установку для шликерной
металлизации, совмещенной с азотированием, приборы контроля
азотного потенциала среды, дозирующие устройства и системы
газообеспечения процессов насыщения в многокомпонентных
средах, устройства для лазерного эмиссионного и
электрографического анализа, устройства для усовершенствования
трибологических испытаний, в том числе испытаний на износ в
коррозионно активных средах,
-в разработке регулируемых технологий ХТО в смеси аммиака и воздуха, в том числе газоциклических процессов, с рекомендованными технологическими параметрами для
поверхностного упрочнения широкого ряда конструкционных сталей различного назначения низколегированных среднеуглеродистых сталей перлитного класса, высоколегированных сталей мартенситного, ферритного и аустенитного классов,
в разработке технологий азотирования инструмента в смеси аммиака и продуктов его диссоциации, оптимизированных по азотному потенциалу и температуре для различных быстрорежущих сталей в зависимости от типа, размера инструмента и материала обработки,
в разработке комбинированных технологических процессов ХТО углеродистых сталей и чугунов, состоящих из диффузионного насыщения поверхности нитридообразующими элементами шликерным методом (из суспензий) и азотирования, обеспечивающих высокую твердость модифицированных слоев, повышение их износостойкости и коррозионной стойкости в различных агрессивных средах
По результатам работы получено 17 авторских свидетельств и патентов на изобретения
Апробация и внедрение результатов работы Основные положения диссертации доложены и обсуждены на конференциях, совещаниях, семинарах на 5-й международной практической конференции-выставки «Ремонт 2003», г С-Петербург, 2003г, на научно-методической конференции «Современные упрочняющие технологии и их применение», посвященной 95-летию со дня рождения Ю М Лахтина, г Москва, МАДИ(ГТУ), 2005г, на Всесоюзной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии термической обработки металлов» гКиев,1985г, на научно -техническом семинаре «Применение ЭВМ в металловедении и термической обработке металлов» г Пенза, 1985г, на семинаре «Современное оборудование и технологии термической и химико-термической обработки металлических материалов» г Москва, МДНТП, 1986г, на научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ(ГТУ) 35й (1977 г ), 43й (1985 г ), 44й (1986 г ), 47й
(1989 г), 49й (1991 г), 61й (2003 г), 62й (2004 г), 63й (2005 г), 64й (2006 г ), 65й (2007 г)
Результаты работы представлялись на ежегодных выставках достижений МАДИ(ГТУ) в 2003-2006 г г и отмечены дипломами
Разработанные устройства, оборудование и технологии внедрены на предприятиях ГПЗ-3 (г Саратов), п/я А-3595, (г Челябинск), п/я Р-6930, (г Москва), ОАО «ЛивГироМаш» (г Ливны, Орловская обл), ОАО «ФЭД» (г Харьков, Украина), ОАО «СЭПО» (г Саратов), ОАО «Станко-инструментальный завод им Орджоникидзе» (г Челябинск), ОАО «Калибр» (г Москва), п/я М-5996 (г Саратов)
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)"
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка из 80 источников и 3 приложений Работа содержит 305 страниц основного текста, 147 рисунков, 15 таблиц В приложениях помещены инструкции по проведению технологических процессов ХТО
Общая характеристика некоторых видов ХТО
Под процессом диффузии понимается вызываемое рядом причин перемещение атомов или ионов в твёрдых телах. Диффузия элементов в железе может происходить путем образования с железом твердых растворов внедрения или замещения [4],[5].
Азот и углерод, имеющие минимальные по сравнению с большинством элементов атомные радиусы, образуют с железом твердые растворы внедрения. Такой элемент как бор также образует с железом твёрдые растворы внедрения. В этих растворах атомы азота или углерода содержатся в значительно меньшем количестве, чем атомы железа, и располагаются в пустотах решетки между атомами железа. В этом случае перемещение атомов менее затруднено; оно состоит в перескоке атомов азота или углерода из одного межатомного положения равновесия в другое. Чтобы совершить подобный перескок, атомы должны обладать определенным запасом энергии. Чем выше температура, а, следовательно, чем больше общий запас энергии, тем больше вероятность осуществления перескоков атомов, т. е. скорость диффузии с повышением температуры увеличивается [6].
Большинство металлов образует с железом твердые растворы замещения. Скорость диффузии в твёрдых растворах замещения значительно меньше, чем в твердых растворах внедрения. В твердых растворах замещения атомы обоих компонентов распределены в узлах решетки. Если принять, что все узлы решетки заняты атомами, легче всего допустить, что процесс диффузии должен происходить путем обмена местами двух соседних атомов. По этой теории атомы могут совершать главным образом только колебательные движения около своего положения равновесия, и лишь немногие атомы обладают столь большой энергией, чтобы перескочить и обменяться местами с соседними атомами. С повышением температуры число атомов с большой энергией растёт, т. е. растёт число атомов, способных обменяться местами, растёт скорость диффузии. Однако такой элементарный процесс обмена местами, предполагающий одновременное перемещение двух атомов, по законам термодинамики маловероятен.
А. Ф. Иоффе и Я. И. Френкель [6] впервые пытались расчленить элементарный процесс на два и предложили теорию, признанную более совершенной. Согласно этой теории атом, находящийся в правильном (регулярном) положении в узле кристаллической решетки и имеющий достаточно большую энергию, сначала переходит в так называемое неправильное (иррегулярное) положение между узлами кристаллической решетки. Из иррегулярного положения атом может переместиться в любой свободный узел кристаллической решетки (так называемая атомная дыра), в результате чего совершается процесс диффузии. Отсюда следует, что процесс диффузии обусловлен наличием атомов в иррегулярном состоянии и пустых мест (вакансий) в узлах кристаллической решетки. С повышением температуры увеличивается количество блуждающих атомов (в иррегулярном состоянии), а, следовательно, и вакансий в кристаллической решётке, т.е. увеличивается скорость диффузии.
Доказано, что в ряде случаев атомы в кристаллической решетке находятся в ионизированном состояния. Если диффузия в этих компонентах происходит под действием постоянного электрического поля, то имеет место явление электролиза [7]. Диффузия в металлах может происходить в трех направлениях: 1) на поверхности, 2) в зерне, 3) по границам зерен. Схематически направление этих трех диффузионных потоков представлено на рис. 1.2. 1111
Рис. 1.2. Пути диффузионных потоков в кристаллическом теле[9]. В. С. Булгаков и Ф. Рыбалко [8] установили, что диффузия цинка в поликристаллической латуни протекает значительно быстрее, чем в монокристалле. Углерод примерно в 4 раза скорее диффундирует в мелкозернистый вольфрам, чем в монокристалл. В работе Минкевича А.Н. [9] указано на различие в скорости диффузии хрома внутри и по границам зёрен железа. Микроструктура хромированного слоя углеродистой стали, приведена на рис. 1.3. На данной структуре отчётливо видно более интенсивную диффузию хрома по границам зёрен, чем по зерну.
Продвижение хрома по границам зёрен стали марки У10 (А.Н.Минкевич). Таким образом, экспериментально установлено, что скорость диффузии элементов по границам зерен металла больше, чем внутри зерен. Это объясняется тем, что у границ зерен кристаллическая решетка металла сильно искажена и энергия активации значительно снижена.
Скорость процесса диффузии определяется главным образом энергией связи диффундирующего элемента в кристаллической решетке. С повышением величины энергии связи скорость диффузии уменьшается, и наоборот.
Между природой фаз, образующихся при диффузии элемента в металл, и бинарной диаграммой состояния их сплавов существует закономерная связь.
Существуют две теории, согласно которым, в зависимости от природы первичных образований, диффузия может быть чистой или реактивной. Под чистой диффузией понимается диффузия элемента в твердый раствор, изменяющая только его концентрацию, под реактивной диффузией понимается диффузия, которая сопровождается образованием на поверхности нового химического соединения.
Если в двойной системе при температуре насыщения могут образовываться новые фазы (интерметаллидные соединения, нитриды), то механизм образования диффузионного слоя, по мнению Булгакова B.C. [10] и некоторых других авторов, сводится к тому, что уже в самый первый момент взаимодействия происходит реакция с образованием тонкого слоя химического соединения (реактивная диффузия). Этот слой граничит с внутренней стороны с ненасыщенным твердым раствором и является источником поступления диффундирующего элемента вглубь металла.
Согласно другому более широко принятому воззрению (Ю.М.Лахтин, Н. А. Минкевич, Д. А. Прокошкин [1] и др.) образование химического соединения является во всех случаях вторичным процессом. Сначала протекает чистая диффузия до момента достижения на поверхности исходной фазы предельной растворимости, после чего дополнительное насыщение поверхности диффундирующим элементом вызывает перестройку имеющейся решетки твердого раствора в решетку, устойчивую при более высоких концентрациях; в результате, на поверхности появляется новая фаза. Дальнейшее обогащение поверхности диффундирующим элементом может вновь привести к перестройке решетки на поверхности и к последовательному образованию слоев новых фаз. Образующиеся последовательно на самой поверхности и в более глубоких зонах железа диффузионные слои соответствуют фазам диаграммы состояния железо-элемент в области концентраций от нуля до максимального содержания элемента на поверхности. Эксперименты показывают, что при этом исключаются промежуточные состояния, представленные на диаграмме в виде смеси фаз. Зоны со смесью фаз, наблюдаемые часто в микроструктурах, образуются лишь в результате превращений при последующем охлаждении с температуры насыщения.
Метод автоматизированного количественного анализа структуры
В МАДИ (ГТУ) разработано компактное устройство для автоматизированного количественного анализа структуры металлов, основным принципом которого является анализ и подсчет элементов структуры в зависимости от интенсивности их цвета на оцифрованном изображении (рис. 2.14). Элементы структуры, различающиеся интенсивностью цвета, соответствуют разным фазам, располагающимся в структуре материала. В устройстве этого типа изображение передается от светового микроскопа на цифровую фотокамеру, а оцифрованное изображение подается на компьютер.
Рис.2.15. Оцифрованное изображение структуры поверхностно упрочнённого материала. В соответствии с разработанной компьютерной программой отбираются для подсчёта те или иные элементы изображения в зависимости от интенсивности почернения или интенсивности цветовой гаммы. Программа осуществляет измерение яркости изображения и цветовой насыщенности, оценивает оптическую плотность в каждой точке изображения и подсчитывает интегральную яркость. Результаты поступают на системы выдачи и хранения данных, а также на блок супервизора, на экране которого выделяются исследуемые элементы изображения. Все операции выполняются автоматически с помощью простого программного управления, возможна также подача команд на выполнение операций вручную с помощью клавиатуры. В итоге получается наглядное изображение структуры, в которой четко визуализируются участки с преимущественным выделением тех или иных фаз (рис. 2.15). Это изображение может быть достаточно легко обработано компьютерной программой с получением количественных характеристик выделенных фаз. В основе такой компьютерной программы Структуре y. .pO-.heHHO- O Cf.Qk
Выявление структуры и количественного состава алюмосилицированного покрытия. (рис.2.16.,2.17)лежат стандартные статистические методы количественного анализа (метод анализа по площадям, линейный анализ, метод хорд и др.)
Основные возможности количественной металлографии с использованием компьютерного анализа изображений заключаются в следующем: определение геометрических характеристик включений (включений графита, неметаллических включений, дисперсных включений карбидных и нитридных фаз, частиц порошков и т.п.): размеры и расстояние между ними, плотность их распределения, объемную долю, распределение по размерам, факторы формы; определение характеристик зерненой структуры: балла зерна, размерной группы, распределения зерен по размерам; фазовый анализ - определение количественного соотношения фаз в структуре; определение характеристик упрочненных слоев и покрытий: толщины, средней толщины слоя со среднеквадратичным отклонением, оценка количественных показателей несплошности и пористости слоев.
Метод может эффективно использоваться, в частности, при анализе структуры поверхностных слоев, полученных химико-термической обработкой, для определения количественного соотношения фаз, параметров зерненой структуры, толщины слоя и отдельных его участков, объемной доли и геометрических параметров дисперсных выделений вторичных фаз и т.д.
Рентгеноструктурный метод исследования фазового состава материалов. Рентгеноструктурный анализ (РСА) основан на явлении дифракции рентгеновских лучей на объектах, обладающих кристаллическим или частично кристаллическим строением. Одной из важнейших прикладных задач РСА относится идентификация вещества по его кристаллоструктурным характеристикам - качественный фазовый анализ, что особенно важно для многофазных и сложнокомпонентных металлических сплавов и покрытий. В качестве источника излучения рентгеновского аппарата (например, ДРОН-3) используется рентгеновская трубка с остаточным давлением 10"3 Па. Раскаленный вольфрамовый катод излучает электроны, которые ускоряются за счет приложения высокого отрицательного напряжения (-20...-60 кВ). В качестве анода используют различные металлы: Cr, Fe, Со, Ni, Си, Mo, Ag. При ударе электронов об анод кинетическая энергия электронов превращается в рентгеновское излучение, которое изначально является полихроматическим. Излучение с длинами волн ЛКа], ЛКа2 и ХК/з называется характеристическим и определяется атомным номером материала анода. Из рентгеновского спектра выбирают высокоинтенсивное характеристическое излучение К-серии, чаще
Поскольку рентгеновские лучи не воспринимаются непосредственно органами чувств человека, рентгеновские кванты необходимо преобразовать в соответствующие сигналы. В дифрактометрическом методе излучение регистрируется с помощью счетчиков: амплитуда сигнала на выходе этих счетчиков пропорциональна энергии рентгеновских квантов. Регистрация дифракционной картины происходит последовательно при изменении угла между отражающими плоскостями и первичным пучком.
Идентификация вещества, т.е. качественный фазовый анализ, заключается в установлении природы фаз по угловому распределению интенсивности дифракционных максимумов. Каждая кристаллическая фаза обладает характерным набором значений межплоскостных расстояний с1Нкь- Линии рентгенограммы образуются в результате отражения от определенных плоскостей, ориентированных к первичному пучку под углом в. Таким образом, задача заключается в определении углов в для всех линий рентгенограммы и пересчете их в межплоскостные расстояния сінкь- Для идентификации фазы требуется сравнение полученных данных со сборником стандартов, содержащих значения межплоскостньгх расстояний отражающих плоскостей и относительные интенсивности отражений большого количества материалов. Наиболее подробным сборником стандартов является картотека ASTM (Американского общества испытаний материалов), в которой содержатся данные для более 30 тыс. различных веществ. На практике чаще всего бывает известно, из каких элементов может состоять идентифицируемая фаза. Например, при исследовании карбидов в сталях с известным химическим составом всегда можно заранее предположить состав карбидной фазы. В этих случаях поиск по картотеке ASTM сводится к нахождению в алфавитном порядке всех возможных соединений и сравнению с экспериментальными данными (как правило, по трем самым сильным отражениям).
Если вещество состоит из нескольких фаз, то каждая из них дает свою дифрактограмму, и все они накладываются друг на друга. Это затрудняет анализ распределения интенсивностей, поскольку один и тот же пик интенсивности может являться, например, максимальным отражением от второй фазы или вторым по интенсивности отражением первой фазы. Кроме того, происходит перекрытие отражений отдельных фаз. Обработка рентгенограмм от двухфазных образцов дает надежные результаты, при увеличении количества фаз точность идентификации резко уменьшается.
Преимуществом рентгеноструктурного фазового анализа по сравнению с химическими методами определения фаз является возможность различать фазы с аналогичным химическим составом, но разной кристаллической структурой.
Дозирующие устройства для приготовления смесей аммиака, воздуха и пропана
Процессы поверхностного упрочнения особенно эффективны для инструмента, так как именно поверхность металла отвечает за сопротивление износу, усталость и коррозии. Процессы газового азотирования, которые до настоящего времени нашли широкое применение для упрочения деталей машин, теперь все активнее начинают применяться и для обработки инструмента из быстрорежущей стали. Применение газового азотирования для инструмента стало возможным, когда на смену стандартным процессам пришли регулируемые процессы азотирования.
Диаграмма состояния «железо - азот» имеет ту особенность, что позволяет формировать на поверхности стали в зависимости от величины азотного потенциала три различных фазы железа с азотом, причем каждая из них обладает своим, присущим только ему комплексом свойств. При стандартном газовом азотировании на поверхности фиксируется всегда эти фазы, в следующем порядке от границы раздела от поверхности к сердцевине металла: є - фаза (нитрид Fe2-3N), у1 - фаза (нитрид е4К), зона внутреннего азотирования (ЗВА) твердый раствор азота в а железе.
Для деталей машин из сталей, содержащих нитридообразующие элементы, на поверхности фиксируют в результате регулируемого азотирования є - фазу при работе детали на износ или коррозию, у1 - фазу при работе детали на износ в условиях активного изгибающего момента и а - фазу при работе на усталость. При ХТО режущего инструмента из быстрорежущей стали на поверхности формируют азотированный слой только на базе зоны внутреннего азотирования ЗВА. Но если на деталях машин слой на базе ЗВА формируется для повышения усталостной прочности, то на быстрорежущем инструменте - для повышения твердости (т.е. износостойкости) при сохранении высокого уровня пластичности (т.е. малой склонности режущей кромки к скалыванию). Примерно в тоже время, когда начали находить промышленное применение регулируемые процессы газового азотирования инструмента, стали применять ионно-плазменные процессы осаждения нитридов, карбидов и других твердых соединений на стальную подложку на базе КИБ (концентрация с ионной бомбардировкой). Сами по себе наносимые твердые покрытия, например нитрид титана, имеют высокие триботехнические характеристики и хорошо сопротивляются износу. Поэтому метод КИБ [14] поначалу получил широкое распространение для упрочения инструмента, однако затем распространение его замедлилось и даже наметилась тенденция к свертыванию его применения для инструмента. Этот негативный процесс обусловлен в целом следующим обстоятельством: поверхность, на которую наносится нитрид титана, не всегда идеально обезжирена, не всегда является плоской, не всегда работает в условиях постоянства таких технологических факторов как температура, знак изгибающих напряжений. Распределение нагрузки во времени (ударных, импульсных), и повторяемость результатов в условиях промышленного нанесения покрытий оказывалась зачастую ниже требуемой. В условиях, когда были определены ограничения применимости КИБ, постоянное накопление опыта промышленного применения регулируемых процессов азотирования позволило создать библиотеку технологий для упрочнения широкой номенклатуры инструмента из быстрорежущих сталей и других высокохромистых сталей. Кроме того, были определены принципы и найдены необходимые технические решения для реализации регулируемого азотирования для штампового и мерительного инструмента.
Исследование посвящено изучению возможности повышения стойкости инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали. Номенклатура режущего инструмента, подвергаемого азотированию, приведена в таб. 5.1.
Стандартный процесс насыщения поверхности азотом применяют для сталей: Р18, Р9, Р9Ф5, Р9К5, Р6М5, Р2МЗК5, а также для хромистых инструментальных сталей: Х12, Х12Ф, Х12Ф1 и 18ХГТ [58]. Азотирование проводят в шахтной электрической печи серии США 12/6. Мелкий инструмент подвешивают в муфеле печи на мягкой стальной проволоке диаметром 0,5... 1,0 мм, крупный устанавливают на металлическую подставку на дно 194 муфеля. Укладывать и подвешивать изделия следует осторожно, без ударов. Рабочая температура процесса 500-560 С. Продолжительность процесса при азотировании приведена в таблице 5.2.
Важным условием качественного азотирования является правильное проведение термической обработки инструмента, надлежащей очистки его поверхности, отсутствие обезуглероживания. Быстрорежущие стали с высоким содержанием ванадия склонны к выкрашиванию после азотирования в атмосфере чистого аммиака. Наиболее пригодны для стандартного азотирования молибденовые и молибден-ванадиевые стали. Азотирование быстрорежущей стали, повышает твердость до HV 1300; в сталях с высоким содержанием вольфрама до HV1500.
Азотирование инструмента для нарезки резьбы в бакелите в чистом аммиаке повышает его стойкость на 30...70 %. Азотирование инструмента для нарезки резьбы в пластмассе, армированной стекловолокном, повышает его стойкость в 1,2... 1,8 раза. Положительные результаты получены и при обработке легкоплавких цветных сплавов на базе алюминия. Азотирование спиральных сверл, метчиков, плашек, разверток из быстрорежущих сталей, работающих по черному или легированному металлу, не дало положительных результатов.
Шликерный метод получения диффузионных покрытий.
В многочисленных исследованиях отмечалось, что в многофазных материалах не обнаружена корреляция между твердостью и износостойкостью. В некоторых работах отмечается повышение износостойкости материалов по мере возрастания их твердости. В работе Сидорина И.И.[76] изнашивание упрочненных химико-термической обработкой сталей при трении без смазки носит абразивный характер. В этом случае антифрикционные свойства прямо пропорциональны твёрдости слоя и практически независимы от метода химико-термической обработки, структуры и состава. Нам представляется, что точка зрения, высказанная в этой работе , неубедительна. Одно из основных условий антифрикционности материала - получение на его поверхности положктельного градиента механических свойств. Способность к приработке, теплостойкость, энергетическая прочность поверхности - не менее важные факторы. Имеющиеся экспериментальные данные показывают, что и при трении в условиях отсутствия смазки роль структурного фактора остаётся достаточно важной.
Среди исследователей нет единого мнения о том, как влияет твердость на износостойкость. Некоторые отмечают прямопропорциональную зависимость между износостойкостью и твердостью при абразивном изнашивании. Для материалов с поверхностными покрытиями, диффузионными слоями, связь между величинами твердости и износостойкости имеет более сложную зависимость, и роль поверхностного структурного фактора в этих случаях может оказаться решающей.
Большое значение имеет наличие на контактирующих поверхностях защитных поверхностных пленок из химических соединений, предотвращающих схватывание деталей.
Имеются [76] данные, показывающие, что при изменении твёрдости поверхностно легированного чугуна Сч-30 от 300 до 600 HV износостойкость изменяется в 10 раз, в то время как при дальнейшем росте твёрдости от 700 до 1100 HV износостойкость оставалась без изменений. Видимо, при чрезмерно низкой твёрдости поверхности в процессе трения развивается пластическая деформация, ведущая к сдвигу контактирующих участков и последующему разрушению материала. Чрезвычайно высокая твёрдость упрочнённого чугуна предотвращает пластический сдвиг в зоне трения, но не локализует возможные участки хрупкого разрушения. Сочетание определенной твёрдости и запаса пластичности оптимизирует условия эксплуатации пар трения. Высокие антифрикционные свойства упрочненных материалов обеспечиваются определенным строением диффузионного слоя. На поверхности сталей после насыщения присутствует зона химических соединений азота и легирующих элементов, под которой располагается область твёрдых растворов легирующих элементов и азота в матрице материала.
Большое влияние на износостойкость упрочненных сталей оказывают методы и технологические режимы насыщения, вид и режимы трения.
Разработка технологий поверхностного легирования сталей и чугунов шликерным методом, совмещенного с азотированием. Для исследования оптимальных технологических схем поверхностного упрочнения деталей погружных насосов, с целью повышения их коррозионной стойкости и износостойкости в качестве обрабатываемых материалов были выбраны серый чугун (СЧ30), углеродистые стали (10, 20, 45, У8), а также техническое железо. На основании проведенного анализа в качестве элементов для формирования шликерного покрытия выбраны: Cr, Si, А1, В, Ті, V, а также изучали комплексные покрытия - двухкомпонентные (Cr-Al, Cri, Cr-Si, Ti-Al, Ti-Si, Al-Si, Zn-Al) и трехкомпонентные (Cri-Al, Cri-Si, Cr-Al-Si, Ti-Al-Si, Zn-Si-Al). Шликер наносили на поверхность образцов и деталей, покрывая их с суспензией из соответствующих порошков. Например, при осуществлении процесса диффузионного хромирования состав твердой фазы шликера: СгС13-6Н20, А1203, Сг20з и пластификаторы, в качестве связующего использовали цапон-лак.
Азотирование проводили в печи марки США-6.9/8 в изменяющейся во времени атмосфере, состоящей из аммиака и продуктов его крекинга. Технологическая инструкция на проведение процесса поверхностного легирования металлов, совмещенного с процессом азотирования, приведена в приложении 2.
Оценка коррозионной стойкости диффузионных покрытий Коррозионную стойкость оценивали по уменьшению массы с единицы поверхности после испытаний образов свидетелей в открытых стаканах с агрессивной средой по стандартной методике. В качестве эталонов для сравнения использовали образцы из соответствующих материалов без покрытия (в состоянии поставки) и нержавеющей стали 12Х18Н9Т.
По коррозионной стойкости в 10% - ном растворе HNO3 исследованные диффузионные покрытия на сталях и чугуне можно расположить в следующий ряд (в порядке ее уменьшения): SiAl, CrAl, CrSi,TiAl, CrTiAl, CrAl, TiSiAl, ZnAl, BA1, ZnSiAl. Максимальное повышение коррозионной стойкости чугуна по сравнения с исходными состояниями (в 20 ... 50 раз) наблюдается при формировании SiAl, CrAl, CrAl, CrSiTiAl и CrTiAl покрытий. На высокоуглеродистых сталях коррозионная стойкость диффузионных покрытий уменьшается в следующем порядке: Cr, CrSiAl, TiAl, CrTiAl, SiAl. Защита от коррозии в 10% - ном растворе НЫОз с помощью остальных диффузионных слоев для таких материалов малоэффективна. Хромирование, хромоалюмосилицирование и титаноалитирование обеспечивают уменьшение скорости коррозии по сравнению с исходным состоянием в 15... 20 раз.
