СОСТАВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ
COMPOSITION FOR ELECTROLYTE-PLASMA NITROCARBURISING

Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке, в частности, к электролиту для электролитно-плазменной модификации металлов и сплавов, и может быть использовано в машиностроении, приборостроении и других отраслях для повышения эксплуатационных свойств изделий.
В настоящее время для электролитно-плазменной нитроцементации предложены десятки растворов, содержащих различные азот- и углеродсодержащие соединения [1]. Однако использование сложных составов связано с технологическими затруднениями вследствие разных скоростей расхода отдельных веществ.
Известен водный раствор для насыщения сталей азотом и углеродом, содержащий азотную кислоту от 5 до 10 мас.%, хлористый аммоний от 5 до 15 мас.% и глицерин от 10 до 15 мас.%, позволяющий получить диффузионный слой до 190 мкм за 4 мин [2]. Недостатком этого электролита является наличие агрессивной азотной кислоты, способствующей, кроме того, повышенному окислению поверхности детали.
Известен водный раствор для насыщения сталей азотом и углеродом, содержащий 20 мас.% нитрата аммония, 4,5 мас.% аммиака и 7 мас.% ацетона, позволяющий получить упрочненную зону до 240 мкм за 5 мин без использования агрессивных соединений [3]. Недостатком этого электролита является низкий ресурс, связанный с высокими скоростями испарения аммиака и ацетона.
Известен водный раствор моноэтаноламина, позволяющий получить упрочненный слой толщиной до 60 мкм за 1 мин [4]. Однако увеличение продолжительности обработки приводит к появлению трещин в поверхностном слое. Другими недостатками этого электролита являются повышенное окисление обрабатываемого изделия и сравнительно высокая температура кипения насыщающего компонента, равная 170°C. Низкая летучесть этаноламина затрудняет его перенос в насыщающую среду.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является электролит для анодной нитроцементации на основе карбамида [5]. Указанный водный электролит содержит, мас.%: 20 карбамида, 10 хлорида аммония, и позволяет получить упрочненный поверхностный слой на стальной основе, состоящий из карбонитридов, перлита или мартенсита и остаточного аустенита (в зависимости от условий охлаждения). Результатом его применения является повышение микротвердости среднеуглеродистой стали до 6 ГПа при увеличении коррозионной устойчивости в 6 раз без снижения ударной вязкости.
По назначению и наличию сходных существенных признаков данное решение принято в качестве прототипа.
Экспериментальная проверка показала, что недостатком электролита, выбранного в качестве прототипа, является относительно высокое напряжение до 240 В, необходимое для реализации процесса, что влечет за собой повышенные затраты энергии. Причиной этого является сравнительно низкая удельная электропроводность раствора, равная 157±2 мСм/см. Кроме того, наличие нелетучего насыщающего компонента исключает его испарение в парогазовую оболочку в молекулярной форме, поэтому транспорт насыщающих веществ может быть связан только с протеканием дополнительных реакций и образованием промежуточных соединений [6]. Такой массоперенос, с одной стороны, способствует высокой концентрации паров воды (за счет преимущественного испарения молекул воды) в парогазовой оболочке и, как следствие, усилению процесса окисления материала анода с образованием оксидной пленки большой толщины и увеличению шероховатости поверхности. С другой стороны, многостадийность процессов образования активных адсорбирующихся атомов азота и углерода, а также частичное протекание этих процессов в самом электролите снижает долю активных насыщающих веществ в парогазовой оболочке. Для сокращения энергозатрат и увеличения насыщающей способности среды необходим состав электролита с большей удельной электропроводностью, меньшей вязкостью и с наличием летучего насыщающего компонента.
Задачей заявленного изобретения является разработка электролита для электролитно-плазменной нитроцементации, обеспечивающего снижение удельной мощности, требуемой на проведение нитроцементации, увеличение толщины модифицированного слоя и снижения шероховатости поверхности обработанных деталей.
Поставленная задача решается тем, что электролит для электролитно-плазменной нитроцементации, содержащий хлорид аммония и воду, согласно предлагаемому изобретению, содержит в качестве насыщающего компонента ацето-нитрил при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Ацетонитрил
10-15
Хлорид аммония
12,5-15
Вода
Остальное
Концентрация ацетонитрила менее 10 мас.% не позволит получить необходимую концентрацию донора азота и углерода в парогазовой оболочке. При концентрации ацетонитрила более 15 мас.% значительно снижается поверхностное натяжение, приводящее к увеличению толщины парогазовой оболочки и снижению температуры насыщения, также снижается удельная электропроводность раствора.
При содержании хлорида аммония менее 12,5 мас.% уменьшается удельная электропроводность электролита. Содержание хлорида аммония выше 15 мас.% приведет к значительному увеличению скорости анодного растворения.
Техническая сущность предлагаемого решения состоит в следующем.
Применение электролита с низкой вязкостью, большей удельной электропроводностью и высокой летучестью насыщающего вещества, основным компонентом которого является ацетонитрил, позволяет проводить процесс электролитно-плазменной нитроцементации при относительно меньшей затрачиваемой мощности. При увеличении электропроводности электролита по сравнению с прототипом снизится напряжение на электродах и, в целом, удельный расход электроэнергии. Вязкость растворов влияет на эмиссионную способность электролита: чем ниже вязкость, тем выше способность электролита к переносу вещества. При низкой температуре кипения насыщающего компонента увеличивается давление его насыщенного пара и скорость испарения в парогазовую оболочку, что позволит увеличить поверхностную концентрацию диффундирующих атомов азота и углерода, а значит, увеличится и толщина модифицированного слоя.
Ацетонитрил в заявляемом составе электролита является основным насыщающим компонентом. Такой электролит имеет более низкую вязкость (в 1,15-1,2 раза) и более высокую удельную электропроводность (в 1,2-1,5 раза) по сравнению с прототипом при одинаковых температурах. Ацетонитрил, в отличие от карбамида имеет низкую температуру кипения (81,6°C) и, с учетом особенностей массопереноса при электролитно-плазменной обработке, может сам беспрепятственно транспортироваться в молекулярной форме из электролита в парогазовую оболочку. При температуре кипения ниже температуры кипения воды процесс испарения ацетонитрила доминирует над транспортом молекул воды в парогазовую фазу и ингибирует процесс окисления материала анода. Такое преимущество ацетонитрила над карбамидом позволяет получить большие концентрации активных веществ в парогазовой оболочке и, как следствие, большие толщины диффузионных слоев при одинаковых условиях обработки, толщина оксидного слоя при этом будет уменьшаться.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о соответствии решения критериям «новизна» и «существенные отличия».
2
Условия электролитно-плазменной нитроцементации в предложенном электролите: температура обработки от 650 до 950°C, продолжительность - от 2 до 10 мин, плотность тока до 4,5 А/см при рабочем напряжении от 125 до 165 В и температурой электролита до 30°C.
Корректирование электролита по содержанию ацетонитрила и хлорида аммония производится по данным химического анализа.
Возможность осуществления изобретения подтверждается следующими примерами.
Во всех примерах электролитно-плазменная нитроцементация осуществлялась в осесимметричной рабочей камере с проточным электролитом со скоростью 3 л/мин при температуре обработки 850°C в течение 5 мин при анодной полярности шестигранных образцов из стали 20 высотой 10 мм и размером грани 4 мм.
Пример 1 (прототип).
Состав электролита на основе карбамида, параметры процесса и характеристики полученного модифицированного слоя представлены в таблице 1.
Таблица 1
Концентрация (NH<sub>2</sub>)<sub>2</sub>CO, мас.%
Концентрация NH<sub>4</sub>Cl, мас.%
Напряжение, В
Сила тока, А
Потребляемая мощность, Вт
Скорость анодного растворения, г/см<sup>2</sup>·мин)
Толщина модифицированного слоя, мкм
Толщина оксидного слоя, мкм
HRC
Поверхностная шероховатость Ra, мкм
20
10
240
5,6
1344
0,0236
156
48
36,2
0,41
Пример 2.
Состав электролита на основе ацетонитрила, параметры процесса и характеристики полученного модифицированного слоя представлены в таблице 2.
Таблица 2
Концентрация (NH<sub>2</sub>)<sub>2</sub>CO, мас.%
Концентрация NH<sub>4</sub>Cl, мас.%
Напряжение, В
Сила тока, А
Потребляемая мощность, Вт
Скорость анодного растворения, г/см<sup>2</sup>·мин)
Толщина модифицированного слоя, мкм
Толщина оксидного слоя, мкм
HRC
Поверхностная шероховатость Ra, мкм
10
12,5
162
8,0
1296
0,0152
178
26
40,1
0,23
10
15
150
8,7
1305
0,0217
182
21
41,3
0,23
15
12,5
162
6,7
1085
0,0121
188
27
40,8
0,23
15
15
155
7,5
1162
0,0184
191
23
42,3
0,23
Как видно из приведенных примеров, предложенный электролит позволяет обеспечить снижение требуемой удельной мощности, повышение толщины модифицированного слоя, уменьшение толщины оксидного слоя, снижение скорости анодного растворения и шероховатости поверхности при повышении ее твердости.
Источники информации
1. Суминов И.В., Белкин П.Н., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов А.М. Плазменно-электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов. Том I. М.: Техносфера, 2011. 464 с.
2. А.с. 461161 СССР, МКИ С23с 9/10. Способ химико-термической обработки металлов / Лазаренко Б.Р., Дураджи В.Н., Факторович А.А., Брянцев И.В.; БИ 1975. №7.
3. А.с. 618447 СССР, МКИ С23с 9/16. Электролит для цианирования стальных деталей / Дураджи В.Н., Брянцев И.В., Товарков А.К.; БИ 1978. №29.
4. Shen D.J., Wang Y.L., Nash P., Xing G.Z. A novel method of surface modification for steel by plasma electrolysis carbonitriding // Material Science and Engineering A. 2007. V.458. pp.240-243.
5. Мухачева Т.Л., Дьяков И.Г., Белкин П.Н. Особенности двухкомпонентного насыщения конструкционных сталей азотом и углеродом при анодном электролитном нагреве // Вопросы материаловедения. 2009. №2. С.38-45.
6. Белкин П.Н., Кусманов С.А., Дьяков И.Г., Наумов А.Р. Особенности поверхностного насыщения стали азотом и углеродом при анодной нитроцементации в карбамидном электролите // Машиностроение и техносфера XXI века: сборник трудов XVIII Международной научно-технической конференции в г.Севастополе 12-17 сентября 2011 г. В 4-х томах. - Донецк: ДонНТУ, 2011. Т.1. - С.79-81.