Исследование структуры, фазового состава и механических свойств поверхности сталей 16Х3НВФМБ-Ш и 38ХМЮА при локальном азотировании в тлеющем разряде с полым катодом Хусаинов Юлдаш Гамирович

Содержание к диссертации

Введение

1. Анализ методов локальной химико-термической обработки поверхностей конструкционных материалов на основе ионно-плазменного структурно-фазового модифицирования 10

1.1 Анализ методов локального поверхностного модифицирования 10

1.2 Азотирование в тлеющем разряде (ионное азотирование) 21

1.3 Методы интенсификации процесса ионного азотирования 29

1.4 Особенности ионного азотирования конструкционных сталей 16ХЗНМВФБ-Ши38ХМЮА 35

2. Объект, методы и методики экспериментальных исследований 43

2.1 Объект исследований, область применения исследованных материалов. 43

2.2 Описание модернизированной установки ЭЛУ-5 для ионного азотирования в тлеющем разряде 45

2.3 Методы структурных исследований

2.3.1. Метод оптической металлографии 47

2.3.2. Метод рентгеноструктурного анализа

2.4 Метод определения микротвердости 48

2.5 Метод зондовых измерений 48

2.6 Методика испытания на износ поверхности 53

2.7 Методика определения хрупкости азотированного слоя 55

3. Исследование тепловых и диффузионных процессов при локальном азотировании в плазме тлеющего разряда с полым катодом 56

3.1 Компьютерное моделирование тепловых и диффузионных процессов при локальном ионном азотировании в тлеющем разряде с полым катодом

3.2 Исследование влияния локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на тепловые и диффузионные процессы в сталях 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА 70

3.3 Распределение параметров плазмы в газоразрядном промежутке при локальном ионном азотировании 78

4. Результаты исследований структурно-фазового состава и механических свойств конструкционных сталей 16хзнвфмб-ш и 38хмюа после локального ионного азотирования в тлеющем разряде С полым катодом 82

4.1 Исследование влияния локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на структуру конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ши38ХМЮА 83

4.2 Исследование влияния локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на фазовый состав конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ши38ХМЮА 89

4.3 Исследование влияния локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на микротвердость поверхности конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА 94

4.4 Исследование влияния локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на износостойкость поверхности конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА 100

5. Разработка технологии локального структурно фазового модифицирования поверхности детали «шестерня» в тлеющем разряде с полым катодом 111

5.1 Обоснование выбора технологических режимов локального ионного

азотирования в тлеющем разряде с полым катодом 112

5.2 Технологический процесс локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом детали «шестерня» 114

5.3 Результаты обработки детали «шестерня» по технологии локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом

Заключение 123

Список литературы

• Методы интенсификации процесса ионного азотирования
• Метод оптической металлографии
• Исследование влияния локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на тепловые и диффузионные процессы в сталях 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА
• Исследование влияния локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на фазовый состав конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ши38ХМЮА

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Известно, что подавляющая часть разрушений деталей машин, работающих в условиях трения и циклических нагрузок, начинается с поверхности материала вследствие образования на ней питтингов и микроскопических трещин. Повысить надежность и долговечность таких деталей позволяют методы поверхностного упрочнения, в частности ионное азотирование.

Проведенный литературный анализ показал, что азотирование в плазме тлеющего разряда является одним из наиболее эффективных методов модифицирования поверхности, который все шире применяется в промышленно развитых странах. Как показывает практика, ионное азотирование применяется для деталей машиностроения, основной причиной разрушения которых является износ поверхности материала. Ионное азотирование имеет ряд преимуществ перед традиционными методами, такими как газовое азотирование, азотирование в жидких средах и др.: возможность получения диффузионного слоя с заданным фазовым составом и высоким классом чистоты поверхности, обработка пассивирующихся материалов без дополнительной депассивирующей обработки, а также экономичность и экологичность процесса.

Зачастую при эксплуатации деталей машин и механизмов интенсивному износу подвергаются только отдельные высоконагруженные участки, к примеру, контактная поверхность зубьев шестерен и зубчатых колес, место посадки под подшипник на валу и др. В этих случаях более целесообразно упрочнить лишь рабочую поверхность детали.

В работах Томских исследователей экспериментально доказано, что проявление эффекта полого катода (ЭПК) в полости обрезных матриц при азотировании в тлеющем разряде позволяет увеличить как толщину, так и микротвердость диффузионного слоя на данных участках.

Однако в литературе слабо освещены вопросы, связанные с локальным упрочнением наиболее подверженных износу участков деталей, при котором на обрабатываемой поверхности за один вакуумный цикл формируются различные по толщине и механическим свойствам диффузионные слои, а также не до конца раскрыт потенциал ЭПК. Поэтому исследование тепловых и диффузионных процессов, структуры, фазового состава, микротвердости и износостойкости поверхности конструкционных сталей после локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом является актуальной задачей.

Цель работы: Исследовать влияние процесса локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на структуру,

фазовый состав и механические свойства поверхности конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА.

Для достижения данной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1. Разработать способ локального ионного азотирования конструкционных сталей, основанного на модифицировании поверхности в тлеющем разряде с полым катодом.

2. Исследовать тепловые и диффузионные процессы при локальном ионном азотировании в тлеющем разряде с полым катодом, а также параметры плазмы в катодной полости, образованной технологическим экраном.

3. Исследовать влияние локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на микроструктуру и фазовый состав диффузионной зоны конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА.

4. Исследовать влияние локального ионного азотирования в
тлеющем разряде с полым катодом на микротвердость диффузионной
зоны и износостойкость поверхности конструкционных сталей
16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА.

5. Разработать новый технологический процесс локального ионного
азотирования в тлеющем разряде с полым катодом детали «шестерня».

Научная новизна:

4. Разработан способ локального ионного азотирования в тлеющем разряде, отличающийся тем, что над участками детали, подверженными интенсивному износу, устанавливают технологические экраны в виде сетки для создания полого катода, при этом происходит локальное увеличение скорости нагрева и диффузионного насыщения.

5. Установлено, что в условиях локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА при давлении 60 Па, температуре поверхности 550С и длительности обработки 12 ч скорость роста диффузионной зоны в 2-2,5 раза выше по сравнению с традиционным ионным азотированием при тех же параметрах процесса вследствие увеличения концентрации заряженных частиц в зоне обработки.

6. Установлено, что в результате локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на поверхности материала образуется две зоны с различной толщиной азотированного слоя вследствие различия скоростей диффузионного насыщения. При этом переход между участками плавный, а максимальный размер переходной зоны для сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА не превышает 3 мм.

7. Установлено, что высокий уровень поверхностного упрочне-

ния при локальном ионном азотировании в тлеющем разряде с полым катодом позволяет повысить износостойкость сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА в 1,6-1,7 раз по сравнению с традиционным ионным азотированием и в 12-14 раз по сравнению с исходным состоянием вследствие формирования в поверхностном слое материала нитридного слоя, состоящего из нитридов как основного металла Fe₄N, так и нитридов хрома CrN, которые помимо значительного повышения твердости способствуют также увеличению износостойкости.

Практическая ценность работы:

Поверхностное распределение температурного поля в детали, зависимости температуры нагрева и охлаждения обрабатываемой поверхности от времени, диаграмма области существования тлеющего разряда с полым катодом, а также кинетика роста диффузионного слоя для сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА могут применяться при назначении технологических режимов локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом.

Разработанный способ локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом позволяет создавать в сталях за один вакуумный цикл различные по толщине диффузионные слои заданного фазового состава и строения. Также данный способ позволяет уменьшить себестоимость операции ионного азотирования вследствие снижения энергозатрат, уменьшения длительности насыщения, простоты схемы обработки, не требующей применения сложных приспособлений или дополнительного дорогостоящего оборудования и оснастки.

Разработанный в рамках диссертационной работы технологический процесс локального ионного азотирования детали «шестерня» в тлеющем разряде с полым катодом рекомендован к внедрению на предприятии ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение».

Положения, выносимые на защиту:

8. Способ локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом, позволяющий получать в поверхностных слоях сталей неоднородную структуру с плавным переходом из одного вида в другой, отличающийся тем, что посредством технологического экрана, установленного над участками поверхности, подверженными интенсивному износу, создают область с повышенной концентрацией заряженных частиц.

9. Результаты исследования тепловых и диффузионных процессов: поверхностное распределение температурного поля детали, зависимости температуры нагрева и охлаждения обрабатываемой поверхности от времени обработки, зависимость изменения концентрации

насыщающего элемента по глубине диффузионного слоя, кинетика роста упрочненного слоя для сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА.

3. Совокупность экспериментальных данных о влиянии локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на структуру и фазовый состав поверхностного слоя конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА.

4. Зависимости изменения микротвердости и износа диффузионного слоя от режимов и способов обработки конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА.

Степень достоверности результатов подтверждается применением комплекса современных методов исследования микроструктуры, фазового состава, физико-механических свойств поверхности материалов, использованием высокоточного современного оборудования, соответствием экспериментальных данных с результатами других исследователей.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были изложены на межрегиональных научно-практических конференциях (Уфа, 2012-2014 гг.); научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника» (Москва, 2013 г., Сочи, 2014 г.); Всероссийской школе-семинаре с международным участием «Современное материаловедение: материалы и технологии новых поколений» (Томск, 2014 г.); Всероссийской конференции с международным участием «Физика низкотемпературной плазмы» (Казань, 2014 г.); International congress on energy fluxes and radiation effects (Томск, 2014 г.); VI Всероссийская конференция по испытаниям и исследованиям свойств материалов «ТестМат» (Москва, 2015 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 научных статей, из них 5 - в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, а также получены 3 патента РФ на изобретения.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач диссертационной работы, выполнении экспериментов, обработке и анализе достигнутых результатов, формулировании выводов, научной новизны, а также положений, выносимых на защиту.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и приложений, изложена на 152 страницах, содержит 88 рисунков, 5 таблиц и библиографический список, включающий 112 наименований.

Методы интенсификации процесса ионного азотирования

Часто термическая обработка не может обеспечить требуемые характеристики поверхности детали, например, высокую износостойкость и др. В этом случае прибегают к методам химико-термической обработки. Из всего многообразия методов химико-термической обработки, азотирование в плазме тлеющего разряда является одним из наиболее эффективных методов модифицирования поверхности, который все более широко применяется в промыш-ленно развитых странах. Как показывает практика, ионное азотирование применяется для деталей машиностроения, основной причиной разрушения которых является износ и усталость поверхности материала. [36, 37, 98]. Нередко при азотировании оказывается необходимым отдельные части изделия предохранить от насыщения азотом. Наибольшее распространение получил метод гальванического покрытия оловом мест, не подлежащих азотированию [9, 66, 79].

Защитное действие олова сводится к тому, что при температуре азотирования оно расплавляется и удерживается на поверхности стали силами поверхностного натяжения в виде тонкой непроницаемой для азота пленки. Толщина оловянного покрытия должна составлять 6-8 мкм. Одним из недостатков метода защиты от азотирования путем лужения детали является растекание олова в процессе насыщения стали азотом на места, подлежащие азотированию. Этот недостаток может быть устранен путем предварительного фосфати-рования деталей, предложенного С. Ф. Юрьевым. Метод фосфатирования основан на том, что жидкое олово не смачивает поверхности, покрытые фосфатной пленкой, и поэтому при азотировании даже случайное попадание олова на эти поверхности не сопровождается образованием мягких пятен [79].

Удобным и простым методом защиты от азотирования, особенно для предохранения внутренних резьб, отверстий, галтелей и т.п., является применение защитных обмазок, например: 1. три части порошка олова, одна часть порошка свинца и одна часть хрома; мелкоистертая смесь разбавляется хлористым цинком до удобной для наложения тонким слоем консистенции; 2. шесть частей SnO, одна часть глицерина и небольшое количество раствора соляной кислоты с нашатырем; покрытые этой пастой изделия просушиваются при 200С, и на покрытие накладывается тонкая алюминиевая фольга [66].

Коррозионностойкие стали защищают от азотирования химическим (толщина 8-10 мкм) или гальваническим (до 30 мкм) никелированием [66, 9]. Для гарантированной защиты необходимо иметь плотный и мелкозернистый слой никеля толщиной не менее 30 мкм. Крупнозернистые осадки не обеспечивают надежной защиты.

При высокотемпературном азотировании (750-800С) аустенитных высокомарганцовистых дисперсионно-упрочняемых сталей изоляция мест, не подлежащих азотированию, оловом не дает хороших результатов. Олово легко стекает. В этом случае для местной защиты от азотирования предложен метод окисления. Нагрев в твердом карбюризаторе или пиролизном газе при температуре 650-750С и длительности 3-12 ч позволяет получить плотную оксидную пленку, непроницаемую для азота. Хорошие результаты получены и при нагреве в атмосфере перегретого пара [66].

Защита оловянированием и обмазками дорога, кроме того, олово дефицитно. На многих заводах, когда не требуется иметь резкой границы между азотированной и неазотированной поверхностью, применяют жидкое стекло. Перед покрытием детали обезжириваются, промываются горячей водой, после чего их погружают в жидкое стекло. Затем детали просушиваются при температуре 90-120С в течение 1,5 ч [98].

При ионном азотировании защита поверхности от насыщения достигается путем экранирования. При этом достаточно применять металлические или диэлектрические экраны с зазором не более 1 мм, так как тлеющих разряд в таких зазорах не возникает. Упорядоченная загрузка деталей в рабочей камере также позволяет достигать эффект экранирования вследствие перекрывания защищаемых поверхностей деталей друг друга. [66, 65].

Вспомогательными средствами для экранирования являются штифты, винты, трубы, специально экранирующие устройства в виде ящиков, колпаков, комплектных экранирующих систем. Резьбы защищаются гайками и винтами, высверленные отверстия - пробками и т.д [65].

Преимуществом таких методов является многократность использования в серийном производстве. Применение гальванических покрытий при азотировании особенно эффективно для единичной или мелкой серии, когда изготовление специальных экранирующих приспособлений экономически нецелесообразно. Примеры защиты поверхности при азотировании с применением специальных экранов показаны на рисунке 1.7 [66].

Учеными из Воронежского государственного технического университета был разработан способ локального поверхностного азотирования [105]. Способ заключается в размещении насыщающей накладки на выбранном участке изделия и проведении диффузионного насыщения поверхности путем нагрева в вакууме при контактном давлении. Накладку прессуют из порошка титана и спекают с проведением последующей термообработки и объемного насыщения в активной среде азота. Одним из недостатков данного способа является сложность и дороговизна изготовления насыщающей накладки.

В Кубанском государственном технологическом университете был разработан способ локального азотирования металлической детали в плазме тлеющего разряда [20]. Вакуумная камера с размещенной в ней деталью герметизируется и в ней создается вакуум с последующей заменой на атмосферу чистого азота (рисунок 1.8). При этом в вакуумной камере создается остаточное давление азота (1,3-0,13)-10-3 Па. Возникновение и стабильное существование плазмы тлеющего разряда в атмосфере чистого азота осуществляется с помощью высоковольтного источника питания и потока электронов от вольфрамовой нити накала, которая нагревается до температуры 2000-2500С. Применение индукционной катушки с током позволяет создать электромагнитное поле, сжимающее потока электронов от вольфрамовой нити, и образовать ограниченный объем плазмы тлеющего разряда в виде диска, с помощью которого выполняется локальное азотирование детали, габариты которой укладываются в размерах диска плазмы тлеющего разряда.

Метод оптической металлографии

Сталь перлитного класса 38ХМЮА (0,35-0,42% С, 1,35-1,65% Сг, 0,15-0,25% Мо и 0,7-1,1% А1) была разработана в Советском Союзе в начале 30-х годов и применяют если главными требованиями, предъявляемыми к азотированному слою, являются высокие твердость и износостойкость. Сталь широко используют для изготовления зубчатых колес, гильз цилиндров, червяков, шпинделей, втулок и других деталей, упрочняемых азотированием. Предварительную термическую обработку - закалку и отпуск проводят в заготовках, а для деталей малого сечения - в прутках (до 50 мм). При проведении термической обработки стали 38ХМЮА необходимо учитывать, что она склонна к обезуглероживанию. Вследствие этого заготовки должны иметь достаточные припуски на обработку (2-3 мм), которые гарантировали бы полное удаление обезуглероженного слоя. Наличие обезуглероженного слоя недопустимо, так как он служит причиной «шелушения» азотированной поверхности. Закалку проводят с 930-950С в воде (для крупных изделий) или масле. Температура отпуска должна на 50-100С превышать максимальную температуру азотирования (обычно составляет 600-650С). Для деталей малой жесткости перед окончательной механической обработкой проводят стабилизирующий отпуск в течение 3-10 ч при 550-600С с последующим медленным охлаждением. Сталь 38ХМЮА обеспечивает наибольшую твердость азотированного слоя до HV 1100-1200. В случае азотирования стали 38ХМЮА при температурах ниже эвтектоидной на поверхности диффузионного слоя образуется є-фаза, которая при охлаждении претерпевает распад с выделением легированной у - фазы (Fe, M)4N. Непосредственно к слою сплошных нитридов, выявляемых под микроскопом в виде белого нетравящегося слоя, прилегает область, в которой рентгеновский анализ фиксирует трехфазное состояние є+ у +а. Одновременное присутствие є- и а-фаз объясняется продвижением s-фазы по границам зерен. Основная часть слоя, выявляемая в виде более сильно травящейся зоны, состоит из азотистой а-фазы, обедненной легирующими элементами, карбидов МзС, избыточной у -фазы (Fe, M)4N и возможно сложного нитрида легирующих элементов. Концентрация азота в а-фазе достигает 0,3-0,5% [66, 65]. Температура и длительность азотирования влияют на толщину азотированного слоя (рис. 1.18, а) и твердость (рис. 1.18, б) [66].

Время азотирования при низкой температуре (500... 520С) практически не влияет на размер, форму и плотность распределения нитриднои фазы. При повышении температуры азотирования до 540С, и особенно до 560С, увеличение времени азотирования оказывает заметное влияние на размер нитриднои фазы и на структуру матрицы. При увеличении времени азотирования от 5 до 30 ч при температуре 560С приводит к увеличению размеров выделений нитридов легирующих элементов и плотности их распределения примерно в 2 раза. Причем наиболее интенсивное изменение размеров и плотности распределения нитридных фаз наблюдается в течение первых 20 ч (рисунок 1.19). При дальнейшем увеличении времени азотирования интенсивность изменений снижается [37].

Коэффициент трения азотированной стали 368ХМЮА снижается с 0,7 при 20С до 0,1 при 600С; износ незначителен и при 560С составляет 1,7 мг/м см2. В результате азотирования значительно повышается задиростой-кость как при комнатной, так и при повышенных (400-500С) температурах. Азотирование стали 38ХМЮА при условии удаления шлифованием с поверхности хрупкой s-фазы значительно повышает кавитационную стойкость [112].

Наличие в стали 38ХМЮА алюминия усложняет технологию производства обработки и азотирования стали. Сталям с высоким содержанием алюминия свойственны следующие дефекты металлургического характера: столбчатый излом, загрязненность неметаллическими включениями, образование мелких трещин и волосовин в прокате, развитие свищей в поковках и т.д. При горячей механической обработке стали типа 38ХМЮА иногда проявляют склонность к перегреву, вызывающему снижение сопротивления хрупкому разрушению. Высокое качество азотированного слоя достигается в стали, не содержащей доэвтек 38

тоидного феррита. При термической обработке стали типа 38ХМЮА весьма чувствительны к изменению состава в пределах марки. В зависимости от соотношения между содержанием углерода, хрома, молибдена и алюминия сталь 38ХМЮА обладает либо недостаточной закаливаемостью и прокаливаемостью, либо проявляет склонность к образованию трещин при закалке в воде. Обусловленные повышенным критическим интервалом высокие температуры нагрева (950-975oQ при термической обработке вызывают интенсивное обезуглероживание, а как следствие этого - увеличение припусков, удаляемых при обработке резанием. Азотированный слой на стали 38ХМЮА, содержащей алюминий на верхнем пределе, обладает большой хрупкостью [65, 66].

Низкоуглеродистые стали мартенситного класса ВКС-5 (16ХЗНВФМБ-Ш) и ВКС-7 (16Х2НЗМФБАЮ-Ш) (таблица 1.1) широко применяются в основном как цементуемые для изготовления деталей машин ответственного назначения, например, высоконагруженных зубчатых колес. Наличие нитридообразу-ющих элементов позволяет применять их в качестве азотируемых главным образом для повышения износостойкости деталей машин. В отличие от сталей перлитного класса, эти стали в улучшенном состоянии имеют более высокий уровень механических свойств. Например, у стали 16Х2НЗМФБАЮ-Ш после закалки и высокого отпуска при температуре 600С условный предел текучести ао,2=1000... 1100 МПа, твердость составляет 35-40 HRC3 [37].

Исследование влияния локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на тепловые и диффузионные процессы в сталях 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА

Компьютерная модель использует более общую формулировку - граничные условия третьего рода: Эта формулировка позволяет явно определять поток теплоты через qo и коэффициент теплоотдачи h относительно искомой температуры Тіп/.

При локальном ионном азотировании, помимо нагрева детали тепловым потоком, происходит одновременный отвод тепла от поверхности в окружающее пространство. Отводом тепла конвекцией и теплопроводностью можно пренебречь, вследствие низкого давления в вакууме (процесс ионного азотирования с полым катодом проходит в интервале давлений 30-60 Па). Поэтому, единственным процессом отвода тепла при локальной обработке в вакууме является излучение [38, 49].

Рассмотрим точку х, которая расположена на непрозрачной поверхности с коэффициентом теплового излучения облучаемого тела s, коэффициентом отражения р, с коэффициентом поглощения а и температурой Т. Тело не прозрачно. Это означает, что никакая энергия через тело излучением не передается, что является истиной для большинства тел.

Полный излучающий поток теплоты, который достигает элементарной поверхности х, называют падающим тепловым потоком G (рисунок 3.1, а) [38].

Поступление тепловой энергии (а), отвод тепловой энергии (б) Полный излучающий поток теплоты, который х отдает, называют эффективным потоком J (рисунок 3.1,6). Эффективный поток - сумма отраженного излучения и собственного испускаемого излучения [38]:

Для расчета отвода тепловой энергии излучением от поверхности в окружающее пространство принимаем следующие допущения:

Окружающая среда, видимая поверхностью, имеет постоянную температуру ТатЪ 2. Окружающая среда имеет свойства черного тела, то есть излучаемая и поглощаемая способности тела равны 1, а коэффициент отражения - нулю. Эти предположения позволяют выразить падающий тепловой поток на поверхность как [38]: G = VTamb (3.11) Вставив (3.11) в уравнение (3.10), получим уравнение излучающего потока теплоты от поверхности в окружающее пространство [38 ,49]: q = E-a-(T4mb4) (3.12) В качестве детали для моделирования процесса нагрева при локальном ионном азотировании с полым катодом была выбрана деталь «шестерня» из стали 38ХМЮА (рисунок 3.2). Выбор обоснован тем, что: 1. Этот тип деталей очень распространен в машиностроении и имеет массовый характер производства. 2. Этот тип деталей работает в условиях локального износа (контактная поверхность зубьев). Рисунок 3.2 - Деталь для моделирования процесса нагрева при локальном ионном азотировании в тлеющем разряде с полым катодом

Схема подвода тепловой энергии от высокоэнергичных ионов насыщающего элемента на поверхность детали (а) и схема отвода тепловой энергии излучением от поверхности в окружающее пространство (б): qi - поток теплоты в тлеющем разряде с полым катодом, q2 - поток теплоты тлеющем разряде вне полого катода, q - поток теплоты от поверхности детали в окружающее пространство Тепловой поток в тлеющем разряде в полости технологического экрана можно выразить как: qi=JiimU (3.13) где jtl - плотность ионного тока под экраном, мА/см2; U - разность потенциала между электродами, В. Тепловой поток в тлеющем разряде вне технологического экрана: где jn - плотность ионного тока в тлеющем разряде вне экрана, мА/см2.

Плотность тока в тлеющем разряде в прикатодной области при ионном азотировании составляет 1-3 мА/см2. Доказано [7], что плотность тока в тлеющем разряде с полым катодом больше в 3 раза, чем в обычном тлеющем разряде, и может достигать до 10 мА/см2.

Для объяснения причины интенсификации процесса ионного азотирования с полым катодом рассмотрим процессы, происходящие на границе металл-газ. Реакции металлов с газами можно разделить на два широких класса -реакции, не приводящие к образованию химических соединений на поверхности (физическая адсорбция), и реакции с образованием этих соединений (хе-мосорбция) [59].

Трепнел [104] приводит следующие критерии отличия физической адсорбции от химической:

1. Физическая адсорбция протекает при более низких температурах чем хемосорбция и обусловлена слабыми Ван-дер-Ваальсовыми силами.

2. Хемосорбция в ряде случаев требует преодоления заметной энергии активации. Физическая адсорбция, если и требует, то весьма небольшой энергии активации, и поэтому обычно легко протекает при весьма низких температурах.

3. Хемосорбция всегда охватывает лишь один слой, так как после этого не остается ненасыщенных связей на поверхности твердого тела. Для физической адсорбции таких ограничений нет, так что при благоприятных сочетаниях давления и температуры образуются адсорбированные слои толщиной во много молекул, при этом первый слой молекул (частиц) газа может быть связан с поверхностью хемосорбцией, а последующие слои молекул (частиц) -силами физической адсорбции.

4. Хемосорбция обладает рядом специфических особенностей, которые зависят, в частности, от чистоты поверхности адсорбента. Для начала хемо-сорбции необходимо принять иногда чрезвычайные меры, чтобы получить достаточно чистую поверхность, в частности, очистить ее от загрязнений, обусловленных взаимодействием с атмосферой. Физическая адсорбция, напротив, при подходящих температурах и давлениях происходит на всех поверхностях.

На рисунке 3.4 приведена зависимость изменения энергии двухатомного газа при физической адсорбции и хемосорбции на поверхности металла [59]. Рисунок 3.4 - Изменение энергии двухатомного газа при физической адсорбции и хемосорбции на поверхности металла

Потенциальная кривая Ph описывает физическую адсорбцию и характеризуется широким потенциальным минимумом небольшой глубины, где AHph - энтальпия. Потенциальная кривая с относится к химической адсорбции диссоциированного газа и характеризуется узким глубоким минимумом, величина которого относительного нулевой линии определяет величину энтальпии хемосорбции АНс (АН D - энергия диссоциации молекулы Г2 2Г). Для перехода газа из физически адсорбированного состояния в химически адсорбированное надо преодолеть энергию активации Ее. Энергии активации хемосорбции зависят от относительного расположения потенциальных кривых Ph и с, в частности, Ее может меняться от нуля до энергии диссоциации АН D. Если за хемосорбцией следует растворение газа в металле, то график надо дополнить кривой S, которая характеризует потенциальную кривую для атома газа, растворяющегося по эндотермической реакции. Здесь AHs - энтальпия растворения, а 2Ер - энергия активации перехода атома газа из хемосорбированного состояния в растворенное [59].

Известно, что при адсорбции газов, т.е. концентрировании компонентов газовой среды на поверхности, образовывается мономолекулярный адсорбционный слой - монослой. Скорость поступления частиц в адсорбированный слой определяется [86, 88]: где р - давление в камере, Торр; Т - температура поверхности, К; М- молекулярная масса, г/моль.

Для молекулярного азота при температуре 7=293 К и давлении р=\ Торр скорость поступления частиц в адсорбированный слой составляет І дс = 3,88 1022 см 2с1. Если же считать, что полностью сформированный монослой включает 1015.. .2-1015 атом/см2, то при коэффициенте прилипания, равном единице, время формирования монослоя по порядку величин составит 3-Ю"6 с [86, 88]. Таким образом можно считать, что адсорбированный монослой на обрабатываемой поверхности формируется мгновенно.

Исследование влияния локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на фазовый состав конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ши38ХМЮА

Анализ зависимостей распределения микротвердости (рисунки 4.12, 4.13) для сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА показывает, что на участке ионного азотирования с технологических экраном толщина диффузионного слоя в 2-2,5 раза больше по сравнению с участком азотированного без экрана при температуре поверхности 7=550С и длительности обработки /=12 ч. Так для стали 16ХЗНВФМБ-Ш толщина упрочненного слоя на участках ионного азотирования с полым катодом составляет 140 мкм, а для стали 38ХМЮА -240 мкм.

На рисунках 4.14-4.15 приведены зависимости распределения микротвердости по толщине диффузионного слоя при различной длительности обработки для сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА. HV

Измерения микротвердости по толщине азотированного слоя при различной длительности процесса локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА показывают, что с увеличением продолжительности обработки с полым катодом распределение микротвердости от поверхности к основе становится более плавным, без резких переходов к сердцевине. Подобное падение величины микротвредости материала по глубине диффузионного слоя объясняется уменьшением в а-фазе концентрации растворенного азота. У конструкционной стали 38ХМЮА с увеличением длительности обработки максимум твердости перемещается с поверхности на глубину 20-60 мкм, это связано с появлением в поверхностной зоне слоя значительных скоплений высокоазотистых фаз є, у [37]. Из рисунков 4.14-4.15 видно, что азотирование при Г=550С практически не влияет на твердость сердцевины образцов.

С целью оценки влияния локального ионного азотирования с полым катодом на хрупкость диффузионной зоны стали 38ХМЮА были исследованы отпечатки индентора на поперечных шлифах образца (рисунки 4.16-4.17).

Анализ отпечатков индентора на поперечном шлифе образца показал, что отпечаток индентора на расстоянии 25 мкм от поверхности, согласно шкале хрупкости разработанного в ВИАМ, можно отнести ко П-ой группе -«слегка хрупкий», а отпечаток сделанный в серцевине материала - к 1-ой группе - «нехрупкий». В обоих случаях приведенные выше отпечатки соответствуют работоспособным пластичным диффузионным слоям и допустимы для деталей авиационной техники, работающих в условиях интенсивного износа.

Исследование влияния локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на износостойкость поверхности конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА Основная цель азотирования деталей, работающих в условиях интенсивного изнашивания и контактных нагрузок - повышение износостойкости.

Трибологические характеристики поверхности образцов из конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА прошедших локальное ионное азотирование с полым катодом исследовали с использованием автоматизированной установки трения Nanovea по схеме испытания «шарик-диск». Величина износостойкости оценивалась по количеству металла, удаленного из испытуемого образца в процессе износа под нагрузкой. В качестве контртела использовали шарик из стали ШХ15 диаметром 3 мм. Испытания проводили в режиме сухого трения при нагрузке на держатель контртела 4 Н и радиусе вращения образца 2,5 мм. Поперечное сечение дорожки износа образца после триболо-гических испытаний измеряли с помощью прецизионного контактного профи-лометра. На основании этих данных определяли среднее значение площади поперечного сечения.

Испытанию на износ подвергали по три образца для каждой из сталей: Образец №1 - в исходном состоянии (закалка + высокий отпуск), образец № 2 - участок ионного азотирования без экрана (зона II) при Г=550С, Р=60 Па, t=\2 ч., образец №3 - участок ионного азотирования с экраном (зона I) при Г=550С, Р=60 Па, t=\2 ч. На рисунках 4.18-4.19 показаны фотографии треков износа образцов из сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА в исходном состоянии после испытания на износ. 101 Рисунок 4.18 - Фотография трека износа образца из стали 38ХМЮА в исходном состоянии Рисунок 4.19 - Увеличенный снимок трека износа в исходном состоянии образца из стали 16ХЗНВФМБ-Ш На рисунках 4.20-4.21 изображены график изменения коэффициента трения от продолжительности изнашивания и профилограмма поверхности после испытания на износ образцов из сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА в исходном состоянии.

Анализ изображений треков износа (рисунок 4.18-4.19) показал, что основным механизмом изнашивания у образца из стали 38ХМЮА в исходном состоянии является абразивное изнашивание со следами пластического течения материала. Это подтверждается образованием на поверхности трения характерных канавок и наплывов, возникающих при пластическом оттеснении материала вследствие воздействия абразива. В результате на диаграмме (рисунок 4.20) наблюдается скачкообразное изменение коэффициента трения. У образца из стали 16ХЗНВФМБ-Ш в исходном состоянии основным механизмом изнашивания является абразивное изнашивание со следами микрорезания трущихся поверхностей (рисунок 4.19). Исследование профилограмм поверхности образцов (рисунок 4.21) показало, что у образца из стали 38ХМЮА максимальная глубина трека износа составила около 10 мкм, ширина трека -1,2 мм, а у образца из стали 16ХЗНВФМБ-Ш максимальная глубина трека износа составила около 8 мкм, ширина 0,9 мм.