Технология упрочнения поверхности путем создания неоднородной структуры при азотировании в тлеющем разряде

Раздел 2. Технология машиностроения и материалы.

Комплект ИТО, 2003. № 2, -с.42 10.Петухов Ю.Е., Колесов Н.В. Численные модели режущего инструмента для обработки сложных поверхностей // Вестник машиностроения, №5 ,2003. - с.61-63

Технология упрочнения поверхности путем создания неоднородной структуры при азотировании в тлеющем разряде

к.т.н. Рамазанов К. Н., к.т.н. доц. Агзамов Р.Д.

Уфимский государственный авиационный технический университет

+ 73472730 763

Аннотация. Рассматривается способ упрочнения поверхности путем создания регулярной неоднородной структуры при азотировании в тлеющем разряде. Представлены экспериментальные результаты влияния эффекта полого катода на структуру и микротвердость в различных зонах обрабатываемой поверхности при импульсном режиме обработки.

Ключевые слова: упрочнение поверхности, ионно-плазменное азотирование,полый электрод

Актуальность работы

На современном этапе развития машиностроения актуальным является разработка наукоемких и ресурсосберегающих технологий, позволяющих в одном материале сочетать различные физические свойства (высокая прочность, высокая коррозионная и износостойкость, высокие антифрикционные свойства и др.).

Перспективным направлением является создание регулярных макроскопических градиентов структурно - фазового состояния в результате применения дифференцированных обработок, позволяющих получать чередование в заданной последовательности прочных и пластичных объемов металла. Это достигается воздействием механических, тепловых, энергетических и других полей, локализуемых в отдельных участках или слоях по объему металла [15].

Целью данной работы является упрочнение поверхности различных сталей и сплавов, путем создания регулярной неоднородной структуры при азотировании в тлеющем разряде.

Методика проведения исследований Эксперименты проводились на модернизированной установке ЭЛУ-5 (рисунок 1), которая была переоборудована в установку для проведения процессов создания регулярной неоднородной структуры.

Рисунок 1 - Устройство для реализации способа получения неоднородной структуры: 1 - источник питания; 2 - анод; 3 - катод (деталь); 4 - экран

Раздел 2. Технология машиностроения и материалы.

Для создания регулярной неоднородной структуры в тлеющем разряде используют эффект полого катода (ЭПК). На расстоянии 3 - 5 мм от обрабатываемой поверхности устанавливается специальный экран. Обрабатываемая деталь и экран находятся под отрицательным потенциалом и образуют полость, между ними формируется неоднородная плазма с повышенной концентрацией заряженных частиц (рисунок 2) [6].

1

ь О О с

\\\\\\\\

[А

А-А

ЩЩШ/г

 о

[1 и гша Т.1*иилгГи раф!,!*

TcmiO.1lhiii.4cvl а М >кр>:1 и ГI л и и л л«.111фо СЕГО^а Ды-ПЮО-Й ицфпчкинл ':.1н'И

Рисунок 2 - Схема образования разряда

Результаты исследований

Для создания регулярной неоднородной структуры на поверхности различных сталей и сплавов перспективным является применение ЭПК, что позволяет проводить локальную обработку, обеспечивающую чередование прочных и пластичных участков, и получение естественно-армированных материалов (рисунки 3,4).

Рисунок 3 - Регулярная неоднородная структура на поверхности образца из стали13Х11Н2В2МФ-Ш после упрочнения в тлеющем разряде с ЭПК

Эксперименты проводились в импульсном режиме на образцах из материалов 13Х11Н2В2МФ-Ш, ВТ6 в качестве рабочего газа для стали использовалась смесь азота, аргона и ацетилена (N2 50%, Аг 25%, С2Н2 25%), для титана использовалась смесь азота, аргона (N2 15%, Аг 85%), рабочее давление р = 300 Па.

Результаты замеров микротвердости поверхности образцов 13Х11Н2В2МФ-Ш и ВТ6

Раздел 2. Технология машиностроения и материалы. приведены в таблице 1.

/

экран

обрабатываемая поверхность

' • '  '  Г'_1_

^ ]ГШЖ 1

Н МПл

г

кривая ¡нижняя тзердоеш

Рисунок 4 - Распределение микротвердости в зонах после азотирования с ЭПК с

помощью специального экрана

Таблица 1

Микротвердость поверхности азотированных образцов

Материал Исходная микро  у-у-у-у-у-у-р-у-у-у-уч твердость у-у-у-у-у-уу^-у-у-у-у-у-у-у-у^ Й,, МПа В зоне 1, Н^ Ща В зоне 2, Н^ Ш1а В зоне 3, ПлйтедЕ- НСиГ-Й. ЧЛЛЛЛЛЛЛЛЛ процесса X; МИН Те мп е- vwwww^л ратуша процесса ,

13Х1Ш2Б2МФ-Ш 4730 5860 16700 11500 190 550

ВТ6 5476 12005 14320 12005 240 750

Результаты ренгеноструктурного анализа показали, что после обработки образца из сплава ВТ6 преобладают нитриды титана стехиометрического состава TiN и TiN имеет

кубическую решетку с параметрами a= 4.22500 нм, z=4; Ti2N имеет тетрагональную решетку с параметрами: a=4.14000 нм и c=8.80500 нм, z=4.

Также обнаружено наличие оксидов, нитридов и интерметаллидов основных легирующих элементов (У^ V00.53, AlVO3, Al86V14). Поскольку алюминий является а- стабилизатором с большим сродством к азоту и кислороду, то увеличение электронной концентрации сплава при стабилизации ГПУ решетки а-твердого раствора азота в титане не влияет на растворимость алюминия и не способствует его диффузионному отводу. Высвобождение энергии решетки и энергетическая стабильность системы достигается перераспределением других легирующих элементов сплава. В то же время V относится к Р-стабиллизаторам, то есть при высоких температурах в структуре преобладают оксиды легирующих элементов именно этой фазы. Со временем в нитридных слоях начинается перераспределение алюминия, при этом образуются участки с его повышенной концентрацией, которые будут завершаться установлением ближнего порядка, заканчивая распадом твердого раствора с образованием сверхструктур типа а2-фазы (ТОА1).

При анализе полученных результатов установлено, что, помимо общего упрочнения поверхности, происходит более высокое зонное упрочнение.

Это объясняется тем, что в результате происходит увеличение плотности ионного тока за счет генерации заряженных частиц осциллирующими электронами и, как следствие, интенсификация процесса насыщения обрабатываемой поверхности. При этом образуется фазы с различной концентрацией азота и механическими свойствами (микротвердость).

Анализ распределения микротвердости по поверхности показал, что ионное упрочнение путем создания регулярной неоднородной структуры в тлеющем разряде с ЭПК является эффективным инструментов упрочнения поверхности различных сталей и сплавов.

Исходя из анализа распределения микротвердости следует, что возникающие зоны

Раздел 2. Технология машиностроения и материалы. «разгрузки» положительно сказываются при внешнем силовом воздействии, т. е. способ обеспечивает повышение эксплуатационных характеристик материала.

Выводы

Анализируя полученные результаты можно сделать следующие выводы:

• разработанный способ азотирования в плазме тлеющего разряда с полым катодом позволяет создавать регулярную неоднородную структуру на поверхности стали 13Х11Н2В2МФ-Ш и титанового сплава ВТ6;

• установлено, что, помимо общего упрочнения поверхности, происходит более высокое зонное упрочнение вследствие неоднородности плазмы;

• эффект полого катода, формируемый с помощью специального экрана, является эффективным инструментом создания регулярной неоднородной структуры.

Литература

1. Малинов Л.С., Соколов Б.К. и др. Получение высоких прочностных и пластических свойств двухфазной стали дифференцированной обработкой // МиТОМ. 1980, № 3, с. 3235.

2. Малинов Л. С. Применение дифференцированных обработок для создания в сталях и чу-гунах регулярных макроскопических градиентов структурно-фазового состояния - перспективное направление в повышении свойств // Металл и литье Украины. 2004, № 11, с. 14-18

3. Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Основы лазерного термоупрочнения сталей и сплавов. М.: Высш. школа, 1988. 158с.

4. Спиридонов Н.В., Кобяков О.С., Куприянов И.Л. Плазменные и лазерные методы упрочнения деталей машин. Минск: Высш. школа, 1988. 155с.

5. Электронно-лучевая технология: Пер. с нем./ З. Шиллер, У. Гайзиг, З. Панцер: Энергия, 1980. 528с.

6. Будилов, В.В., Агзамов Р.Д., Рамазанов К.Н. Технология ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом // МиТОМ. 2007. № 7. с. 25 - 29.

Связь дендритной структуры сплава, затвердевающего в условиях двухфазной зоны с диффузионным переохлаждением в ней в модели

ячеистой двухфазной зоны

к.ф.-м.н. доц. Сулимцев ИИ.

МГТУ «МАМИ» (495) 223-05-23, доб. 1338

Аннотация. Теоретически рассмотрены экспериментально полученные результаты по изучению связи диффузионного переохлаждения в двухфазной зоне кристаллизующегося сплава с диффузионным переохлаждением в ней. Рассмотрение основано на использовании модели ячеистой двухфазной зоны и численном решении полученных уравнений. Получено удовлетворительное согласие хода изменения диффузионного переохлаждения в двухфазной зоне в зависимости от ее температуры (отсчитанной от температуры ликвидуса сплава). Подтверждена теоретически полученная связь параметра дендритной структуры с максимальным диффузионным переохлаждением в сплаве при заданной скорости охлаждения.

Ключевые слова: кристаллизация сплава с диффузионным переохлаждением, параметр дендритной структуры, модель ячеистой двухфазной зоны

Ранее [1] в связи с проблемой управления кристаллизацией поковки был рассмотрен метод изучения структурообразования в однородном (физически малом, элементарном) объеме двухфазной зоны бинарных сплавов. Полученные экспериментальные результаты пока-