книги / Плазменная химико-термическая обработка

Рис. 2.22. Зависимость растворимости азота в стали 38Х2МЮА от температуры и концентрации легирующих элементов: СαNmin – растворимостьазотаприминимальнойконцентрациилегирующихэлементов; CαNmax – растворимостьазотапримаксимальнойконцентрациилегирующих элементов; Сα–Fe – растворимостьазотавнелегированномжелезе

Рис. 2.23. Изменение плотности потока азота при разогреве образцов до температуры Т = 500 ºС: 1 – 25 %; 2 – 50 %, 3 – 75 % N2

Изменение плотности потока азота при разогреве образцов до температуры 500 и 550 ºС представлено на рис. 2.23 и 2.24.

На рис. 2.25, 2.26 представлено распределение микротвердости для образцов после нагрева их до температуры 500 и 550 ºС.

121

На рис. 2.27 представлено распределение микротвердости для образцов после нагрева их до 550 ºС в средах, содержащих азот в соотношении 25, 50, 75, 0 % и затем проазотированных в одинаковых условиях (содержание азота 25 %).

По данным ренгенофазового анализа установлено, что все образцы, разогревавшиесядо500 ºС, имелинаповерхностиγ'-фазу.

Рис. 2.24. Изменение плотности потока азота при разогреве образцов до температуры Т = 550 ºС: 1 – 25 %; 2 – 50 %; 3 – 75 % N2

Рис. 2.25. Распределение микротвердости образца, нагретого до 500 ºС в среде с различным содержанием азота: 1 – 25 %; 2 – 50 %; 3 – 75 %

122

Рис. 2.26. Распределение микротвердости образца, нагретого до 550 ºС в среде с различным содержанием азота: 1 – 25 %; 2 – 50 %; 3 – 75 %

Рис. 2.27. Распределениемикротвердостиобразцов, нагретыхдо550 ºС

всредесразличнымсодержаниемазота: 1 – 50 %; 2 – 75 %; 3 – 0 %; 4 – 25 %

ипроазотированныхвтечение6 чвсредессодержаниемазота25 %

Однако образцы, разогревавшиеся в смеси 50 % (N2) и 75 % (N2), после азотирования имели в два раза меньшую глубину упрочнённой зоны по сравнению с образцами, разогревавшимися в смеси 25 % (N2) и 0 % (N2) (см. рис. 2.27).

Из полученных данных можно заключить, что во время разогрева садки при плотности потока азота в разряде ПN+2 разр > 2 (л/ч·м2), возможно, происходит формирование нитридной зоны на поверхности металла, что в значительной степени препятствует дальнейшему формированию диффузионного слоя.

123

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе рассмотрены основные аспекты одного из широко используемых видов плазменной химико-термической обработки – ионного азотирования. Перед авторами стояла задача изучить ионно-плазменные процессы с точки зрения конструктивного исполнения рабочих камер установок, которые могут быть с «холодными» и «горячими» стенками (с внутренними и наружными нагревателями). В работе проведен анализ характеристик тлеющего разряда при ионном азотировании: рассмотрены элементарные процессы в катодной части разряда; проанализированы характеристики разряда, при которых возможно распыление поверхности обрабатываемых материалов; приведены данные о влиянии давления при обработке на величину плотности тока тлеющего разряда, при котором он должен существовать в аномальном виде, что гарантирует однородность получения азотированного слоя на всех деталях садки. Большое внимание в работе уделено исследованию взаимосвязи основных характеристик обрабатываемого материала (растворимости азота и коэффициента его диффузии) с характеристиками тлеющего разряда (плотностью тока при обработке).

Показано, что параметры обрабатываемого материала: растворимость азота и коэффициент его диффузии в материале (зависящие от температуры, количества и типа легирующих элементов), а также время обработки определяют задание в процессе обработки необходимой величины плотности потока азота. Именно эту величину должен обеспечить тлеющий разряд, чтобы формировался диффузионный слой без преждевременного образования слоя нитридов железа. В работе введен термин «плотность потока азота», под которым понимается произведение плотности тока тлеющего разряда на долевое участие молекулярного азота в составе рабочей газовой смеси. На примере обработки конструкционных сталей показана эффективность использования данного параметра для управления процессом ионного азоти-

124

рования с точки зрения получения нужного профиля твердости по глубине упрочненного слоя, а также его роль в формировании азотированного слоя стадии разогрева садки, предшествующей стадии изотермической выдержки.

Содержание работы по исследованию процесса ионного азотирования и применению оборудования для ионного азотирования в существенной степени отличается от имеющихся публикаций по данной тематике, поскольку представляет комплексное рассмотрение темы: оборудование, энергетические и газодинамические характеристики тлеющего разряда, принцип формирования режима обработки в зависимости от характеристик обрабатываемого материала, что, бесспорно, будет востребовано не только студентами, магистрантами и аспирантами, но и заводскими специалистами, работающими с оборудованием ионного азотирования.

125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов: учеб. пособие для вузов. – М.: Металлургия, 1985. – 256 с.

2.Мозберг Р.К. Материаловедение: учеб. пособие. – М.: Высшая школа, 1991. – 448 с.

3.Kuwahara H., Tomii Y., Takada Y. Plasma Processing of Iron Alloys-(III) Plasma Carburizing of an Iron Alloy // J. Jap. Soc. Power and Powder Met. – 1992. – Vol. 39, no. 4. – P. 322–325.

4.Characteristics of carbon mass transfer and its use in gas grouting / P. Si, Y. Zhang, S. Qin, Y. Kong // Jinshurechuli, Heat. Treat. Met. – 1992. – № 6. – P. 51–55.

5.Способ цементации стальных изделий [Электронный ре-

сурс]: пат. № 4619618/02; А.С. 1640202 СССР, МКИ5 С 23 С 8/22 / Ю.Н. Гапонов, В.М. Игонина; опубл. 07.04.1991. – URL: http://pa- tents.su/3-1640202-sposob-cementacii-stalnykh-izdelijj.html (дата обращения: 21.05.2019).

6.Sposob impulsewego borowania dyfuzyjnego metaliiurzadzeniedo impulsowego borowania metaliiich stopow: pat. 137127 / Pelczynski Tadeusz (Польша); Politechnika Lubelska; publ. date 31.10.87.

7.Файншмидт Е.М., Беляева Г.И. Энергосберегающий процесс борирования штампового инструмента // Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химикотермической обработки деталей машин и инструмента: тез. докл.

конф. – Пенза, 1990. – С. 81.

8.Иванов Р. Низкотемпературное твердое борирование среднеуглеродистой стали // Машиностроение. – 1992. – Сер. 41,

№7. – С. 212–215.

9.Шубин Р.П., Гринберг М.Л. Нитроцементация деталей машин. – М.: Машиностроение, 1975. – 207с.

10.Состав для алитирования металлических деталей [Электронный ресурс]: пат. № 3777297/02 СССР, МКИ5 С 23 С 10/48 / Е.Г. Иванов, А.С. Шкурат, Б.И. Пономаренко; опубл. 30.10.91. –

126

URL: http://patents.su/4-1221936-sostav-dlya-alitirovaniya-metalli- cheskikh-detalejj.html (дата обращения: 21.05.2019).

11.Протосевич В.Ф., Кухарев Б.С. Фазовый состав и строение порошковых сред для диффузионного хромирования // Ме-

таллургия. – 1988. – № 22. – C. 17–18.

12.Митрохович Н.Н., Некрасов Н.Г. Использование обмазок для диффузионного хромирования сталей // Термическая химикотермическая и лазерная обработка сталей и титановых сплавов:

тез. докл. конф. – Пермь, 1989. – С. 95–96.

13.Дубинин Г.Н., Воробьева А.А., Коваленко В.Г. Газовое хромирование электротехнических сталей с применением хлорного хрома // Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки в машиностроении и металлургии: тез. докл. конф. – Новокузнецк, 1991. – С. 81.

14.Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник / Г.В. Борисенок, Л.А. Васильев, Л.Г. Ворошнин [и др.]. – М.: Металлургия, 1981. – 424 с.

15.Шапочкин В.И. Исследование и разработка технологий высокотемпературной нитроцементации с повышенным насыщением слоев азотом // Поверхностный слой, эксплуатационные свойства деталеймашиниприборов: материалысеминара. – М., 1991. – С. 3–8.

16.Семенов М.Ю. Методология разработки технологий хи- мико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов и анализа эксплуатационных свойств зубчатых передач: автореф. дис. … д-ра техн. наук. – М., 2015. – 34 с.

17.Otto F.J., Herring D.H. Vacuum carburizing of aerospace and automotive materials // Heat Treating Progress. – 2005. – Vol. 5, no. 1. – С. 33–37.

18.Edenhofer B. An overview of advances in atmosphere and vacuum heat treatment // Heat Treatment of Metals. – 1999. – Vol. 26, no. 1. – P. 1–5.

19.Grafen W., Edenhofer B. Acetylene low-pressure carburising – a novel and superior carburizing technology // Heat Treatment of Metals. – 1999. – Vol. 26, no. 4. – P. 79–85.

127

20.Kula P., Olejnik J., Kowalewski J. New vacuum carburizing technology // Heat Treatment Progress. – 2001. – Vol. 1, no. 1. – P. 57–65.

21.Atena H., Schrank F. Neiderdruck-Aufkohlung mit Hochdruck Gasabsschreckung // HTM. – 2002. – Vol. 4, no. 57. – P. 247–256.

22.Niskociśnieniowewęglo azotowanieiwysokowy dajne niskociśnieniowenawęglanie – nowemożliwościtechnologii FINECARB / P. Kula [et al.] // Inżynieriamateriałowa. – 2006. – Rocz. 27, no. 5. – S. 1092–1095.

23.Hitoshi I. Advanced acetylene vacuum carburizing // IHI Engineering Revive. – 2005. – Vol. 38, no. 2. – P. 83–88.

24.Herring D.H., Pierre J.C.St. Vacuum Carburizing of P/M Steels // Industrial Heating. – 1987. – No. 9. – P. 30–33.

25.Salabová P., Prikner O. Low pressure carburizing – practical experiences // Официальный сайт фирмы SECO/WARWICK S.A. – 2010. – URL: http://www.secowarwick. com/assets/Documents/Art- icles/Vacuum-Furnaces (дата обращения: 28.06.2014).

26.Рыжов Н.М., Смирнов А.Е., Фахуртдинов Р.С. Особенности вакуумной цементации в ацетилене теплостойкой стали // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2004. –

№ 6. – С. 10–15.

27.Управление характеристиками диффузионного слоя при вакуумнойцементациитеплостойкихсталей/ Н.М. Рыжов, А.Е. Смирнов, Р.С. Фахуртдинов [и др.] // Металловедение и термическая об-

работкаметаллов. – 2004. – №8. – С. 22–27.

28.Лашнев М.М. Повышение несущей способности высоконагруженных зубчатых колес из стали 13Х3Н3М2ВФБ-Ш способом вакуумнойцементации: дис. … канд. техн. наук. – М., 2018. – 161 с.

29.Смирнов А.Е., Родионов А.В., Рыжов Н.М. Контролируемое диффузионное насыщение при ионной химико-термичес- кой обработке // МиТОМ. – 1994. – № 4. – С. 2–6.

30.Смирнов А.Е., Рыжов Н.М. Система управления активностью атмосферы при ионной цементации и нитроцементации // Четвертое собрание металловедов России: сб. материалов. – Пенза, 1998. – Ч. 1. – С. 88–89.

128

31.Теория и технология азотирования / Ю.М. Лахтин [и др.]. – М.: Металлургия, 1991. – 320 с.

32.Берлин Е.В., Коваль Н.Н., Сейдман Л.А. Плазменная хи- мико-термическая обработка поверхности стальных деталей. –

М.: Техносфера, 2012. – 464 с.

33.Пастух И.М. Теория и практика безводородного азотирования в тлеющем разряде; ННЦ ХФТИ. – Харьков, 2006. – 364 с.

34.Ионная химико-термическая обработка сплавов / Б.Н. Арзамасов[идр.]. – М.: Изд-воМГТУим. Баумана, 1999. – 400 с.

35.Чаттерджи-Фишер Р., Эйзелл Ф. Азотирование и карбонитрирование. – М.: Металлургия, 1990. – 280 с.

36.Thermochemical Surface Engineering of Steels Improving Materials Performance / ed. E.J. Mittemeijer, M.A.J. Somers. – Denmark: Germany Technical University of Denmark, 2014. – 792 р.

37.Roliński E.G. Controlling Plasma Nitriding of Ferrous Alloys // Materials Performance and Characterization. – 2017. – No. 4. – P. 698–716.

38.Eltropuls Plasma – Nitrieren von Stahlen mit nidriger Anlagen temperatur // Fachber. Huttenprax. Metallweitervc – rarb. – 1987. – Vol. 25, no. 12. – P. 1227.

39.ELTRO GB Ltd. Nitriding Plants [Электронный ресурс]. – 2018. – URL: http://www.eltropuls.de/en/products/plant-engineering/ nitriding (accessed 17 March 2020).

40.Plasma Nitriding Equipment For South America [Электронный ресурс]. – URL: https://www.secowarwick.com/en/news/plasma- nitriding-equipment-for-south-america (accessed 21 May 2019).

41.RÜBIG Industrial Furnaces. Nitriding and Coating Systems [Электронный ресурс]. – URL: https://www.rubig.com/fileadmin/ user_upload/AT/Downloads/AT_Folder_Anlagentechnik_A4_EN_20 170321_Einzelseiten.pdf (accessed 19 March 2020).

42.Ionitech Ltd. Products [Электронный ресурс]. – URL: http://www.ionitech.com/products/coldwall-equipment.html (accessed 21 March 2020).

43.ФТИ НАН Беларуси. Упрочняющая ионная химикотермическая обработка [Электронный ресурс]. – URL: http://phti.by/

129

product/Hardening-ion-chemical-heat-treatment (дата обращения: 21.05.2019).

44.PVA Industrial Vacuum Systems [Электронный ресурс]. – URL: https://www.pvatepla-ivs.com/ (accessed 21 May 2019).

45.Plasma Nitriding Equipment [Электронный ресурс]. – URL: www.ionitech.net/ru/ (accessed 21 May 2019).

46.Промышленное применение упрочняющей обработки деталей машин и механизмов методом ионного азотирования / М.Н. Босяков, Д.В. Жук, О.И. Назарова, И.Л. Поболь // Сварщик. – 2011. – № 5. – С. 28–33.

47.Босяков М.Н., Козлов А.А. Энергетические и газодинамические характеристики установок ионного азотирования промышленного типа // Весці Нацыянальнай акадэміі навук Беларусі.

Серыя фізіка-тэхнічных навук. – 2018. – T. 63, № 3. – C. 342–350.

48.Научные основы разработки промышленных технологических процессов плазменной химико-термической обработки изделий машиностроения. Исследование и оптимизация параметров процесса / М.Н. Босяков [и др.] // Современные методы и технологии создания и обработки материалов:  сб. науч. тр.: в 2 кн. Кн. 1. Новые технологии и материалы; ФТИ НАН Беларуси. – Минск, 2021. – С. 60–80.

49.Смирнов А.Е., Рыжов Н.М. Массоперенос при ионной цементации // Металловедение и термическая обработка металлов. – 1993. – №9. – C. 2–7.

50.Система управления установкой ионно-плазменного азотирования ОАО «МАЗ» / М.Н. Босяков [и др.] // Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка: сб. докладов 8-го Междунар. симпозиума. Ч. 2. г. Минск, Беларусь, 10–12 апреля 2013 г. – Минск: Беларуская навука, 2013. – С. 30–34.

51.Grun R. Pulsed DC–glow discharge for plasma heat treatment // Plasma Heat Treat. Sci. and Technol.: Int. Semin, Senlis. – 1987. – P. 417–423.

130