Гидроплазменное азотирование

УДК 621.793.6-0.34.15

ГИДРОПЛАЗМЕННОЕ АЗОТИРОВАНИЕ

Л.Г. Петрова, профессор, д.т.н., В.А. Александров, доцент, к.т.н., П.Е. Демин, аспирант, МАДИ

Аннотация. Представлена технология гидроплазменного азотирования мелких деталей из конструкционных сталей с целью получения коррозионно-стойких покрытий, заключающаяся в создании на поверхности детали газопаровой рубашки (плазмы).

Ключевые слова: азотирование, газопаровая рубашка, электрический разряд, плазма, электролит.

Введение

Азотирование позволяет повысить износостойкость деталей, предел выносливости, коррозионную стойкость. Упрочнение при азотировании связано с образованием нит-ридных слоев - твердых растворов и химических соединений.

Если деталь работает в агрессивных средах, то при азотировании необходимо получить е-фазу - зону химических соединений; если от детали требуется высокая твердость наряду с износостойкостью, то достаточно получить у'-фазу - зону твердых растворов. В зависимости от химического состава стали и условий азотирования нитридный слой представляет собой либо у'-фазу (Ре4К), либо е-фазу (Бе2.3К), причём е-нитридный слой является корозионностойким, а у'-слой - износостойким и относительно пластичным.

Анализ публикаций

Классическим способом азотирования является газовое (печное) азотирование, основной недостаток которого - большая продолжительность процесса - 6 - 60 часов.

Вторым по распространенности способом является ионное азотирование, при котором процесс проходит быстрее (2 - 12 часов), в разряженной (р=150 - 1000 Па) атмосфере, которая обеспечивается вакуумной камерой. Основным недостатком данного способа является дороговизна оборудования.

Предлагаемый способ гидроплазменного азотирования (ГПА) уменьшает время процесса до минут. Он заключается в создании на поверхности азотируемой детали газопаровой рубашки, содержащей ионы азота. Впервые такой способ был предложен в 70-х годах прошлого столетия, однако широкого применения он не получил. Основная особенность способа - это возможность обрабатывать только мелкие детали.

Постановка задачи

Проведено азотирование (ГПА) рабочих частей машин для расчесывания шерсти, представляющих собой проволоку длиной 70 мм и диаметром 0,8 мм из стали У8. Поскольку эти детали работают в агрессивных средах -песок, влага, то основные проблемы заключаются в коррозии.

Технология гидроплазменного азотирования

Экспериментальное оборудование для ГПА состоит из трансформатора, выпрямителя с конденсатором, барретора (выполненного на лампе накаливания), амперметра, вольтметра и реактора (рис. 1).

На рис. 2 показана электрическая схема оборудования для гидроплазменного азотирования. Реактор Яи - это емкость, в которой проходит процесс гидроплазменного азотирования.

Рис. 1. Принципиальная схема оборудования для ГПА

Рис. 2. Электрическая схема оборудования для ГПА

Под постепенном увеличении напряжения происходит сначала процесс электролиза (до 100 - 170 В) - участок 0-А (рис. 4). На нем осуществляется изменение силы тока от напряжения по закону Ома. При достижении некоторого порогового значения напряжения на поверхности детали начинают образовываться пузырьки (т. А) - начинает вскипать электролит на поверхности образца. Затем происходит срыв в газопаровую рубашку -участок А-Б. Это кипение дает возможность образовать газопаровую рубашку (плазму) между образцом и жидкостью. Газопаровая рубашка состоит из паров воды и ионов, в частности ионов азота (рис. 5).

I, A 0,9 -

A

/ V* Л

V

0 -

^ Л # non # # ^ ^ ^ ^ & ^U, B

Емкость открытого типа, в которую погружается образец для азотирования, показана на рис. 3.

Рис. 3. Вид реактора: образец, погруженный в емкость

Для создания газопаровой рубашки (плазмы) образец погружали в электролит - раствор хлорида аммония в воде с концентрацией 3 грамма на литр. К образцу и электролиту подводят выпрямленное напряжение. Образец является катодом, электролит - анодом. Процесс осуществляется при атмосферном давлении.

Рис. 4. Вольтамперная характеристика процесса ГПА

Рис. 5. Схема газопаровой рубашки

Толщина газопаровой рубашки составляет порядка 100 мкм. Поскольку электрическое сопротивление газа больше, чем жидкости -электролита, то наибольшее падение напряжения приходится на газопаровую рубашку.

Кроме того, образовавшаяся газопаровая рубашка менее теплопроводна, чем жидкость, поэтому основное количество энергии выделяется у поверхности образца. Таким образом создается возможность нагрева образца, а также адсорбции ионов азота на поверхности металла за счет сил электрического поля.

Соударение положительно заряженных ионов с поверхностью образца дает возможность вылета с поверхности свободных электронов и распыления ионов железа. Соударение отрицательно заряженных частиц с жидким анодом вызывает образование отрицательно заряженных ионов азота. При контакте ионов азота и железа возможно образование химического соединения FeN, которое может адсорбироваться на поверхности изделия. При диссоциации химического соединения FeN образуются ионы азота, которые диффундируют в глубь металла, в результате получается упрочненная поверхность, состоящая из зон химического соединения, эвтектоида и твердого раствора азота в стали.

Так как процесс проходит в газовой среде, то диффузия азота вглубь осуществляется по принципам газового насыщения, но при этом отпадает необходимость в герметизации и высоком расходе насыщаемого газа.

При отключении напряжения газопаровая рубашка захлопывается, происходит нитро-закалка с получением азотистого мартенсита. Получаемая структура формируется после обработки в течение 2 минут при напряжении 180 В и силе тока 0,5 А.

На фотографии микроструктуры видны химические соединения - е-фаза, зона азотистого мартенсита у'-фаза. Толщина зон составляет 30 мкм (рис. 6).

Рис. 6. Структура стали после проведения процесса ГПА

Выводы

Предложенная технология гидроплазменного азотирования позволяет азотировать мелкие детали из конструкционных сталей с целью получения коррозионностойкого покрытия. Время процесса снижается до минут, в то время как классическое (печное) азотирование длится 6 - 60 ч. При этом в отличие от ионного (плазменного) и печного азотирования не требуется использования герметичных камер.

На данное изобретение была подана заявка на патент №2007 124596/02. от 02.07.2007 г.

Литература

1. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование

стали. - М.: Машиностроение, 1976. -256 с.

2. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-

термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1985. - 256 с.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материало-

ведение. - М.: Машиностроение, 1980. -494 с.

4. Словецкий Д.И., Терентьев С.Д., Плеха-

нов В.Г. ТВТ. 1986.

Рецензент: А.П. Любченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 21 июня 2009 г.