автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Химико-термическая обработка стали в плазме гидростатического разряда

ДЕМИН Петр Евгеньевич

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ В ПЛАЗМЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО РАЗРЯДА

Специальность 05.16.09 «Материаловедение (машиностроение)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2010

4843582

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) на кафедре металловедения и термообработки.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор ПЕТРОВА Л. Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Зинченко В.М.

доктор технических наук, профессор Помельникова А.С.

Ведущая организация: Научно-производственное

предприятие «НИТРИД», г. Саратов

заседании диссертационного совета Д.212.126.03 в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу: 125319, Москва, Ленинградский просп., 64, МАДИ, ауд.42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Автореферат разослан «_»_2010 г.

Защита состоится «_».

2010 г. в

час. на

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.126.0 кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Развитие промышленности в современных условиях диктует повышенные требования к ресурсу машин и механизмов, что, в свою очередь, требует применения все более дорогостоящих материалов и приводит к усложнению технологий обработки деталей. В этой связи проблема разработки экономичных и высокоэффективных технологий упрочнения изделий из конструкционных сталей для придания им требуемых эксплуатационных свойств имеет несомненную актуальность.

В сегодняшнем машиностроении большое внимание уделяется развитию технологий поверхностного упрочнения. Известно, что состояние поверхности во многом определяет уровень прочности и эксплуатационные свойства деталей машин. Именно поверхность изделия испытывает повышенный износ, контактные нагрузки, в наибольшей степени разрушается вследствие коррозии. Технологии поверхностного упрочнения основаны на модифицирующем воздействии на поверхность металла энергетическими или физико-химическими методами, что радикально меняет ее структуру и свойства.

Анализ современного состояния вопроса показывает, что эффективным способом поверхностного упрочнения сталей и сплавов, имеющим перспективы дальнейшего развития, является химико-термическая обработка (ХТО). Многообразие видов и вариантов ХТО дает возможность подбирать оптимальный способ упрочнения, исходя из экономических и эксплуатационных задач. При разработке эффективных технологий ХТО сталей следует учитывать не только необходимость обеспечения заданных свойств поверхности, но и возможность экономии дорогих и редких легирующих элементов.

Среди многих методов ХТО для упрочнения разнообразных сталей и сплавов вот уже более 60 лет широко применяется азотирование. Основное преимущество азотирования заключается в возможности регулирования состава и строения диффузионного слоя путем контроля насыщающей атмосферы, это позволяет упрочнять целую гамму деталей машин и инструментов, работающих в различных условиях эксплуатации. В промышленности активно

используется как печное, так и ионное азотирование (азотирование в тлеющем разряде). Эти процессы при всех их достоинствах обладают общим недостатком - большой продолжительностью насыщения (десятки часов), что требует решения проблемы интенсификации технологического процесса.

Таким образом, актуальной является задача разработки таких технологий ХТО, которые обеспечивают заданные эксплуатационные свойства поверхностного слоя изделий, существенное сокращение времени получения диффузионных слоев рабочей толщины и экономию дефицитных металлов путем замены легированных сталей поверхностно упрочненными углеродистыми сталями.

Целью настоящей работы является разработка высокоинтенсивных ресурсосберегающих технологий химико-термической обработки с использованием плазмы гидростатического разряда для формирования функциональных поверхностных слоев и повышения эксплуатационных свойств стальных деталей различного назначения.

Научная новизна работы.

Установлен механизм интенсификации процесса насыщения металла азотом при азотировании в низкотемпературной плазме, возникающей при возбуждении тлеюще-искрового разряда в жидком азотосодержащем электролите, заключающийся в ускорении элементарных процессов, происходящих при формировании диффузионного слоя: диссоциации, приводящей к массированному образованию активных ионов азота, интенсивной адсорбции благодаря ионной бомбардировке поверхности и диффузии азота в металле.

Построена модель температурных условий взаимодействия металла с плазмой гидростатического разряда: получены зависимости температуры изделия при его насыщении азотом от приложенного напряжения, а также размерных характеристик изделия - его поперечного сечения и глубины погружения в электролит.

Экспериментально установлены особенности строения и свойств углеродистых и легированных сталей, азотированных в плазме гидростатического разряда, показан эффект поверхностного упрочнения сталей при осуществлении нитрозакалки и выделении дисперсных нитридов легирующих элементов.

Построена модель поверхностного упрочнения стали при металлизации, совмещенной с азотированием, учитывающая зависимости уровней твердорастворного и дисперсионного упрочнения при одновременном насыщении железа нитридообразующим элементом и азотом от типа металлизирующего элемента и его концентрации в модифицированном слое.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Разработаны технологические варианты и оборудование для химико-термической обработки сталей различного назначения в жидком электролите в плазме гидростатического тлеюще-искрового разряда:

• Гидроплазменное азотирование углеродистых и легированных сталей перлитного, мартенситного и аустенитного классов;

• Комбинированная ХТО, заключающаяся в гальванической металлизации углеродистых сталей с последующим гидроплазменным азотированием;

• Комбинированная ХТО, заключающаяся в одновременной шликерной металлизации и азотировании в одном реакторе и электролите.

Определены рациональные диапазоны технологических параметров обработки (напряжения, силы тока, времени насыщения) для формирования модифицированных поверхностных слоев заданного строения и толщины и обеспечения требуемых свойств поверхности.

Показана возможность применения разработанных технологий для упрочнения небольших деталей различного назначения из углеродистых и легированных сталей. Применение такой обработки обеспечивает повышение твердости, износостойкости поверхности деталей, а также повышение коррозионной стойкости изделий из углеродистых сталей. Способ гидроплазменного азотирования стальных изделий защищен патентом на изобретение № 2362831, приоритет от 02 июля 2007 г.

Технология химико-термической обработки в жидком электролите в плазме тлеюще-искрового разряда внедрена для изделий сельскохозяйственного машиностроения («Завод чесальных машин» г. Иваново) и нефтегазодобывающей отрасли (ОАО НПП «ГЕРС», г. Тверь). Испытания аппаратуры с изделиями, упрочненными

по разработанной технологии, на производственных скважинах Нижневартовского нефтеносного региона показали повышение ресурса работы различных деталей при действии ударных и фрикционных нагрузок в 3 ... 7,5 раз.

Апробация результатов работы. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 1 патент на изобретение. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 15-м и 16-м Международных симпозиумах «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г.Горшкова, г. Ярополец, 2009, 2010 г.; Международной научно-методической конференции «Современные проблемы технологий конструкционных материалов и материаловедения», 2009г., Харьков, Украина; на научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ, г. Москва:65-й (2007 г.), 66-й (2008 г.), 67-й (2009 г.), 68-й (2010 г.).Результаты работы представлялись на ежегодной выставке научных достижений МАДИ (ГТУ) в 2009 г. Разработанная в рамках диссертационного исследования «Технология формирования композиционных покрытий на стальных деталях погружного модуля для каротажа нефтяных скважин методами химико-термической обработки» номинирована на соискание Российской Молодежной Премии в области наноиндустрии - 2010 (РОСНАНО)

Работа выполнялась на кафедре металловедения и термообработки Московского автомобильно-дорожного

государственного технического университета (МАДИ) в соответствии с планами научно-исследовательских работ. Отдельные этапы работы выполнялись в рамках НИР:

• «Научные и методологические аспекты исследований в инженерии поверхности металлических материалов» по аналитической ведомственной целевой программе Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» (20062008 годы)»,

• «Создание научно-методологического комплекса для управления наноструктурой поверхностного слоя металлов методами химико-термической обработки» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Исследования, проведенные в данной работе, базируются на достижениях научной школы Ю.М. Лахтина, в частности, на теоретических основах процесса азотирования, а также на фундаментальных и прикладных научных разработках ведущих ученых в области химико-термической обработки металлов: Б.Н. Арзамасова, Я.Д. Когана, С.А. Герасимова, В.М. Зинченко. Исследования опираются на теоретические и практические разработки Д.И. Словецкого Д.И. и др., посвященные изучению низкотемпературной плазмы, поддерживаемой при атмосферном давлении.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка литературы из 105 источников и приложений. Работа содержит 151 страницу основного текста, 61 рисунков, 9 таблиц. В приложениях содержатся акты о внедрении результатов работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В 1 главе представлен литературный обзор по химико-термической обработке сталей, особое внимание уделено теоретическим основам и технологическим особенностям процесса азотирования, а также свойствам азотированных сталей. Приведенная классификация процессов азотирования свидетельствует о широких возможностях этого вида обработки с точки зрения выбора вида и состава насыщающей среды, температуры насыщения, давления в реакторе, способа нагрева (конвективный, индукционный, электронный, лазерный, нагрев в плазме и т.п.), а также о перспективах разработки комбинированных технологий в сочетании с другими видами поверхностной обработки, такими как закалка ТВЧ, лазерная термообработка, механические виды обработки (ППД) и др. Технологические варианты азотирования применительно к различным сталям позволяют получить диффузионные слои различного строения: композиционный слой, состоящий из нитридной зоны (е- и у-фазы) и диффузионного подслоя, зону внутреннего азотирования, состоящую из а-фазы, избыточной у'-фззы, специальных нитридов и карбидов (карбонитридов) легирующих элементов, беспористую плотную поверхностную нитридную е-фазу, оксикарбонитридный слой

(Ре.Ме) (N1, С, О) и т.д. Каждый из этих слоев выполняет свою функцию в обеспечении физико-механических свойств азотированного изделия. Так, для деталей, работающих в коррозионной среде, на износ при малых контактных нагрузках, требуется азотированный слой с развитой нитридной зоной, от которой зависит приработка трущихся поверхностей и сопротивление коррозии. Для деталей, работающих на износ при больших удельных нагрузках, в условиях усталости, при повышенных температурах, необходим азотированный слой с развитой зоной внутреннего азотирования без хрупкого нитридного слоя. В условиях износа при повышенных удельных давлениях необходимо создание поверхностной нитридной зоны, опирающейся на подслой азотистого мартенсита, либо на высокопрочную сложнолегированную зону внутреннего азотирования.

Таким образом, получение тех или иных структурных и фазовых составляющих в азотированном слое путем целенаправленного выбора технологического процесса позволяет реализовать различные эксплуатационные требования, предъявляемые к изделиям.

Подход к решению проблемы интенсификации процесса азотирования заключается в активизации элементарных процессов, происходящих при формировании диффузионного слоя: диссоциации и образования активного азота в газовой фазе, адсорбции атомов азота на металлической поверхности, диффузии азота в металл. Одним из возможных способов ускорения насыщения азотом при азотировании является применение тлеюще-искрового разряда, который является как мощным источником энергии, так и хорошим активатором поверхности. Использование тлеюще-искрового разряда дает возможность образования активного азота в газовой фазе с повышенной температурой.

Является перспективным создание процесса, сочетающего преимущества печного и ионного азотирования. От ионного азотирования наследуется принцип ионной бомбардировки (образование плазмы тлеющего разряда) и активации ионов азота, а от печного - образование вокруг детали газовой оболочки, содержащей активный азот для проведения процесса азотирования. Для реализации такого процесса необходимо создание условий для поддержания горения низкотемпературной плазмы на поверхности

детали в жидком азотосодержащем электролите в открытом реакторе.

Во 2 главе представлена технология гидроплазменного азотирования (ГПА), заключающаяся в обработке изделий в плазме гидростатического тлеюще-искрового разряда, создаваемого в электролите, являющемся источником активного азота.

Сущность и механизм процесса ГПА заключаются в следующем. Обрабатываемая деталь (катод) погружается в открытый реактор, заполненный электролитом, представляющим собой водный раствор хлористого аммония. При подаче напряжения вблизи поверхности детали создается газопаровая рубашка толщиной 50-120 мкм, состоящая из паров электролита, в котором в большом количестве образуются активные ионы азота. При горении газопаровая оболочка образует низкотемпературную плазму, в которой происходит бомбардировка поверхности детали ионами азота. При соударении ионов азота с поверхностью стальной детали они взаимодействуют с ионами металла и проникают вглубь детали. Поскольку газопаровая оболочка менее теплопроводна, чем жидкий электролит, происходит резкое увеличение температуры детали за счет снижения коэффициента теплоотдачи в жидкости. Это способствует ускоренной диффузии азота в металле и образованию диффузионного слоя в соответствии с закономерностями ХТО.

При отключении напряжения газопаровая рубашка вследствие прекращения ионной бомбардировки захлопывается, деталь охлаждается за счет теплообмена с окружающей средой и происходит нитрозакалка.

Процесс ГПА происходит за минуты, интенсификатором процесса азотирования является плазма, позволяющая ускоренно насыщать поверхностный слой азотом.

Исследовали ГПА применительно к армко-железу, углеродистым сталям с содержанием %С от 0,15 до 0,8% (СтЗ, 20, 40, У8) и легированным сталям перлитного, мартенситного и аустенитного классов (40Х, 20X13, 40X13, 40Х12Н8Г8МФ). Процессы проводили на сконструированной лабораторной установке, элементами которой являются реактор, для проведения процесса азотирования, трансформатор переменного тока, выпрямитель, стабилизатор, следящие устройства (амперметр и вольтметр). Основными

технологическими параметрами процесса являются напряжение, сила тока и время насыщения. Оптимальным для поддержания стабильного горения низкотемпературной плазмы и исключающим образование аномального дугового разряда является напряжение 170...200 В в зависимости от размера детали. Сила тока является максимальной {•тах=1,0-1,5 А) до момента образования газопаровой рубашки, а при стабильном горении плазмы падает до lmin=0,10-0,12 А. Время азотирования составляет 1,5-3 мин.

За время насыщения 1,5 мин на армко-железе образуется азотированный слой, состоящий из зоны химических соединений (е-фазы) толщиной 30 мкм и зоны внутреннего азотирования толщиной 150 мкм с выделениями у'-фазы.

Выявлены различия в строении азотированного слоя на углеродистых и легированных сталях. Так, в стали У8 после азотирования в течение 2 мин на поверхности наблюдается плотная зона е-фазы толщиной 20-30 мкм, под которой находится зона азотистого мартенсита толщиной 20 мкм, полученного в результате нитрозакалки (рис. 1а).

Рис. 1. Микроструктуры сталей У8 (а) и 20X13 (б) после гидроплазменного азотирования

На поверхности хромистой стали формируется слой е-фазы толщиной 15 мкм, под ним расположена зона внутреннего

азотирования толщиной около 100 мкм с выделениями нитридов и карбидов хрома (рис. 16). Карбиды хрома более крупные, они располагаются как внутри зерна, так и по границам зерен, нитриды хрома существенно мельче, их размеры не превышают 100 нм (рис.2).

а) б)

Рис. 2. Морфология карбидов и нитридов хрома в стали 20X13 после ГПА, сканирующий микроскоп HITACHI S-800, а) х 25000, б) х 100000.

Особенностью процесса ГПА является затруднительность достоверного определения температуры насыщения, поскольку температура поверхности детали может существенно отличаться от температуры газопаровой рубашки. Для определения температуры детали расчетным путем построена математическая модель температурных условий процесса ГПА. В качестве входных параметров для расчета выбраны следующие основные факторы, влияющие на температуру нагрева обрабатываемой детали: напряжение и, радиус катода Р (поперечного сечения цилиндрической детали) и глубина его погружения в электролит Ь. На основании анализа количественных закономерностей, связывающих эти параметры, выведена формула для расчета температуры:

г = (1)

Где х - удельное сопротивление газопаровой оболочки,

с! - толщина газопаровой оболочки, а - коэффициент теплоотдачи металла в окружающую среду, Л - теплопроводность материала детали,

к - коэффициент, учитывающий долю энергии, поступающей из оболочки в электрод.

Для проверки этой зависимости в лабораторных условиях реализован полный факторный эксперимент, в котором уровни варьирования входных параметров были обусловлены режимами процесса и возможностями лабораторной установки. В ряду ранжирования факторов значимыми оказались только линейные члены, установлена незначимость парных взаимодействий с доверительной вероятностью 0,95. Это позволяет исследовать зависимость температуры детали от геометрических параметров, варьируя их по одному. Расчеты показали, что температура растет при увеличении глубины погружения образца в электролит, повышении напряжения и уменьшении радиуса цилиндрической детали-катода (рис.3), что было подтверждено результатами экспериментальных измерений.

15

25

5

Рис.3. Зависимости температуры нагрева от глубины погружения катода И (а) и его радиуса Я (б)

Испытания механических свойств модифицированных слоев на сталях после гидроплазменного азотирования показали существенное повышение твердости различных сталей (до 13-16 ГПа) по сравнению с твердостью необработанных изделий. Износостойкость высокохромистых сталей после ГПА увеличивается в 3 раза (рис. 4). В

азотированных хромоникелевых сталях аустенитного класса (40Х12Р8Г8МФБ, Х12Н22ТЗМР) наблюдается повышение сопротивления износу при сохранении удовлетворительной коррозионной стойкости.

-Ф—без упрочнения

а 50

® 40 _ , ......_._.!.......после упрочнения

о

с зо 20 10

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Продолжительность испытаний

Рис. 4. Изменение веса образцов стали 20X13 во времени после стандартных испытаний на износ до и после гидроплазменного азотирования.

В 3 главе рассматривается способ комбинированной обработки, заключающийся в гальванической металлизации изделий с последующим гидроплазменным азотированием. Данный способ, представляющий собой азотирование предварительно легированной поверхности, дает возможность формирования высоколегированного азотированного слоя с требуемым комплексом свойств на дешевых углеродистых сталях.

Поскольку оба процесса - металлизация и азотирование проводятся в одном реакторе и электролите, то для осуществления комбинированной обработки использовали оборудование для ГПА, модернизированное для возможности поддержания малых токов при проведении процесса электролиза, и использования анода заданной конфигурации, в качестве которого использовали пластину из хромоникелевой стали Х18Н10Т.

На первой стадии комбинированной обработки при поддержании постоянного значения тока 0,16А в течение 5 минут происходит процесс электролиза в жидком электролите (МН4С1), что приводит к формированию на поверхности изделия из стали 40 металлизированного покрытия толщиной 10 мкм с четко различимой границей раздела с матрицей, представляющего собой твердый раствор в железе хрома и никеля.

На второй стадии повышают напряжение, что приводит к росту температуры на поверхности образца и вскипанию электролита с образованием низкотемпературной плазмы (газорпаровой рубашки). При насыщении металлизированной поверхности азотом в течение 4 мин происходит образование диффузионного слоя толщиной 50 мкм, представляющего собой азотистый аустенит (твердый раствор в железе хрома, никеля и азота) (рис.5), формирование которого обусловлено повышенным содержанием в слое у-стабилизаторов: никеля (около 8%) и азота, проникающего в раствор в процессе азотирования. Модифицированный слой с аустенитной структурой обладает повышенной твердостью (4000МПа) за счет твердорастворного упрочнения азотом и коррозионной стойкостью на уровне нержавеющей стали.

Рис. 5. Микроструктура стали 40 (а) и строение диффузионного слоя (б) после гальванической металлизации с последующим азотированием

б) хЮОО

В главе 4 рассматривается способ комбинированной обработки -металлоазотирование, заключающееся в шликерной металлизации углеродистых сталей (поверхностном легировании изделия металлом из обмазки), совмещенной с процессом гидроплазменного азотирования. Для металлизации из обмазки требуется более высокая температура, чем для процесса азотирования. Повышение температуры при гидроплазменной ХТО может быть достигнуто уменьшением отвода тепла от поверхности детали, а также увеличением силы тока. Уменьшение теплопроводности электролита обеспечивается при повышении его густоты путем добавления графита. Графит, имеющий высокую электропроводность, дает возможность также увеличить силу тока, кроме того, углерод препятствует окислению поверхности образца. Шликер (суспензия), представляющий собой смесь 50% графита + 30% порошка металла + 20% хлористого аммония, связующее вещество цапон-лак, в виде обмазки наносится на предварительно очищенную деталь тонким слоем (2 мм), после чего она подвергается гидроплазменной обработке в электролите, состоящем из водного раствора хлористого аммония (1\1Н4С1) с добавлением мелкодробленого графита.

Оптимальными параметрами процесса, обеспечивающими эффективный нагрев детали без оплавления являются: напряжение и=35-40В, сила тока 1=13-15А. Наличие в плазме ионов азота и хлора, образующихся как из электролита, так и из обмазки, дает возможность комплексной металлизации и азотирования. Ионы азота обеспечивают диффузионное насыщение азотом, ионы хлора способствуют транспортировке легирующего элемента (металла) к поверхности обрабатываемого изделия. Продолжительность процесса 3 мин, после чего происходило быстрое охлаждение изделия, погруженного в электролит, при этом возможна закалка высоколегированной поверхности на мартенсит.

В результате шликерной металлизации углеродистых сталей переходными металлами (\Л/, V, Сг, Со, 71, N5, Мо) в гидроэлектролитной азотосодержащей плазме в присутствии графита происходит комплексное насыщение поверхности изделия металлом, углеродом и азотом с образованием диффузионных слоев сложного фазового состава толщиной от 40 до 90 мкм в зависимости от типа легирующего элемента (табл.1)

Таблица 1

Толщина модифицированного слоя на стали 40 (у) и его микротвердость (Нюо) после шликерной металлизации в гидроэлектролитной плазме

Ме \Л/ V Мо Со № Сг Т\

у, мкм 40 80 90 85 60 70 65

Нюо, МПа 7700 6400 16000 3500 7300 4400 5300

В модифицированном слое присутствуют, как правило, нитриды, карбиды (карбонитриды) легирующего элемента, интерметаллидные фазы, в некоторых случаях нитриды (карбонитриды) железа, выделившиеся в легированном азотом и металлом твердом растворе: РехМеу+Мех(С,Н)+а(Ме,№). При поверхностном легировании сильными нитридообразующими элементами, например, титаном, образуются, главным образом, нитридные фазы, о чем свидетельствует повышенная концентрация металла и азота в диффузионном слое (рис. 6).

Рис. 6. Распределения титана и азота по толщине диффузионного слоя стали 40 после титаноазотирования

Такая комбинированная обработка может быть классифицирована как металлоазотироваие

(металлокарбонитрирование), а диффузионный слой можно считать зоной внутреннего азотирования 2 рода.

Модифицированные слои отличаются повышенной микротвердостью (табл.1), уровень упрочнения зависит от объемной доли и размерных характеристик нитридов (карбонитридов) легирующих элементов, что, в свою очередь, определяется химическим сродством легирующего элемента к азоту (углероду), а также от концентрации элемента и азота в твердом растворе.

На основании закономерностей дислокационной теории построена модель упрочнения металлоазотированных слоев, учитывающая следующие механизмы упрочнения:

• Твердорастворное упрочнение матрицы легирующим элементом

(Л*т.РМе);

• Твердорастворное упрочнение матрицы азотом (Дат.рм);

• Дисперсионное упрочнение когерентными нитридами

легирующего элемента (ДсдМеМ).

Тогда суммарный прирост предела текучести:

Дстт= Авт.рШ+ Дсттрм+ ДстдМбМ. (2)

Использованные количественные соотношения дислокационной теорией позволили вывести формулу для расчета прироста предела текучести при комбинированной обработке, заключающейся в насыщении нитридообразующим металлом и азотом:

_>/ то , V сл> , °-3зСГекРГес°1еМмс*\(Л~^'"Мс-.У ДЯт—Н-Че-^Мг + Лл'ЧГ + —Л-г... -г-.---Г~« (3)

где КМе и Км - коэффициенты упрочнения матрицы, соответственно, растворенным металлом и азотом;

Сме° - содержание легирующего элемента в модифицированном

слое;

с№ - равновесная концентрация азота в металле;

коэффициент перераспределения легирующего элемента между твердым раствором и нитридной фазой;

умем - коэффициент активности, учитывающий влияние легирующего элемента на растворимость азота;

Сре - модуль сдвига материала матрицы;

К - объемный модуль упругости нитридной частицы,

Е - модуль упругости нитридной частицы;

V - коэффициент Пуассона нитридной частицы;

ММе, Ммеы - молекулярные массы, соответственно, легирующего элемента и его нитрида;

Рмем , рре - удельные веса, соответственно, нитрида и матричного металла.

aмeN и з,=е - параметры решеток нитрида и железной матрицы соответственно.

Таким образом, из соотношения (3) следует, что уровень упрочнения определяется типом и концентрацией легирующего элемента, так как именно эти факторы влияют на степень твердорастворного упрочнения, количество растворенного азота и объемную долю выделяющихся нитридов.

Учитывая, что предел текучести имеет устойчивую корреляционную связь с твердостью, проведены расчеты прироста твердости при легировании азотированного слоя различными нитридообразующими элементами. Проведено сравнение расчетных показателей упрочнения с приростом твердости слоя, достигающимся при обработке различными металлами (рис.7).

16000 14000 12000 10000

«1

Б 8000 6000 4000 2000 о

V Мо п Сг

| □ расчет И эксперимен^

Рис. 7. Сравнение расчетного и экспериментального прироста твердости модифицированных слоев после шликерной металлизации различными элементами и азотирования

Результаты расчетов для таких элементов, как V, Ti, Сг показали высокую степень сходимости с экспериментальными измерениями твердости, расхождение составляет 2,7-7,6%. Существенно более высокие экспериментальные значения твердости

молибденоазотированных слоев по сравнению с расчетными обусловлены тем, что при расчете не учитывали образование интерметалидных фаз Fe7Mo6 и мартенсита.

Исследования показали, что строение модифицированного слоя на стали 40 после шликерной металлизации алюминием, совмещенной с азотированием, в присутствии в обмазке графита имеет специфические особенности (рис. 8). На поверхности наблюдается пленка оксида А1г03 толщиной 25 мкм, далее -переходный диффузионный слой толщиной около 70 мкм с повышенной концентрацией алюминия, углерода и азота и выделениями легированной алюминием у'-фазы, а далее вглубь формируется характерная заэвтектоидная структура с карбидной сеткой по границам зерен, внутри которых видны иглы мартенсита. Общая толщина упрочненного слоя составляет около 150 мкм.

Рис. 8. Микроструктура модифицированного слоя на стали 40 после алюмоазотирования, х200

На кривой распределения микротвердости алюмоазотированного слоя наблюдается несколько участков, соответствующих специфике их фазового состава (рис. 9). Максимальная твердость 15000 МПа

наблюдается на поверхности в зоне образования оксида алюминия, далее твердость резко понижается до значения 8000 МПа в переходной зоне, затем происходит плавное снижение твердости к сердцевине (до 2000 МПа) на протяжении примерно 100 мкм. Резкий перепад твердости на глубине 20-40 мкм и наличие цементитной сетки являются предпосылками повышенной хрупкости слоя.

Избежать хрупкости возможно, обеспечив плавное изменение микротвердости по всей толщине слоя. Эксперименты показали, что получить достаточно высокую твердость, ее плавное изменение по толщине слоя и сохранить антикоррозионные свойства, достигающиеся алюмоазотированием, можно путем многокомпонентного насыщения. Такое сочетание свойств реализуется при шликерной металлизации совместно алюминием и титаном. Твердость покрытия выше, чем при легировании одним титаном, но ниже, чем алюминием. Но при этом микротвердость слоя имеет равномерное распределение (рис.9), что предполагает благоприятное распределение внутренних напряжений, способствует снижению хрупкости и повышению износостойкости.

диффузионного слоя после металлоазотирования: А1, Т|, А!+Т|.

В 5 главе рассмотрено применение разработанных технологий для упрочнения стальных деталей различного назначения. Технология ГПА применена для повышения служебных характеристик рабочих частей машин для расчесывания шерсти, применяющихся в сельскохозяйственном машиностроении. В качестве рабочих органов таких машин используется проволока из стали У8 диаметром 0,8 мм, длиной 80 мм, наиболее существенным требованием является твердость и прочность проволоки. Вместе с тем, рабочие части оборудования работают в агрессивных средах: влага, животные жиры, кислоты, песок, поэтому проблемой данных изделий является недостаточная коррозионная стойкость, что ведет к их преждевременному выходу из строя. Попытки повышения антикоррозионных свойств проволоки традиционными методами ХТО не дают положительных результатов. После проведения печного азотирования с образованием на поверхности детали коррозионно-стойкой е-фазы в слое не достигается необходимая твердость.

Процесс гидроплазменного азотирования происходит при повышенной температуре, которую можно регулировать путем контроля приложенного напряжения и геометрических параметров обрабатываемой детали. При этом реализуется возможность проведения нитрозакалки непосредственно после проведения процесса азотирования. Подобный процесс приводит к образованию структуры, состоящей из поверхностной е-фазы, отвечающей за коррозионную стойкость, и слоя азотистого мартенсита с твердостью, превышающей твердость закаленной стали У8 (до 16 ГПа). Процесс характеризуется высокой эффективностью и малой продолжительностью: оптимальные параметры обработки: сила тока 0,1-0,12А, напряжение 190 В, время азотирования 2 мин.

Технология гидроплазменного азотирования применена в нефтегазодобывающей отрасли для поверхностного упрочнения стальных крепежных деталей погружного модуля «ТВЕРЦА-ПМ-Т», предназначенного для определения диаметров нефтяных и газовых скважин. В процессе эксплуатации детали модуля непосредственно контактируют с буровым раствором и стенкой скважины, подвергаясь гидроабразивному износу и коррозии в агрессивной среде, содержащей воду, нефть, растворы солей, природный газ (метан),

водород, кислоты и щелочи (до 10% ), сероводород (до 25%). Детали модуля испытывают перепады гидростатического давления (0,1...150МПа) и температуры окружающей среды (-45...+450 °С).

Обработке по технологии ГПА подвергаются 20 наименований деталей скважинного модуля: оси, винты, гайки, пальцы, вилки, гильзы, фиксаторы, изготавливаемые из легированных сталей (рис.

Рис. 10. Детали погружного модуля «ТВЕРЦА-ПМ-Т», подвергаемые упрочнению по технологии ГПА

Испытания показали, что характеристики свойств азотированных хромистых сталей существенно превосходят показатели свойств необработанных сталей, а также сталей, упрочненных традиционными методами ХТО, Твердость модифицированного слоя различных сталей в 4,7-5,7 раз выше твердости сталей без обработки, и в 1,4-3 раза выше твердости диффузионных слоев, полученных при помощи классических способов азотирования. Ресурс работы различных деталей в условиях износа и динамических нагрузок в результате обработки по технологии ГПА увеличился в 3 - 7,5 раз.

В 2010 году на Дмитровском Машиностроительном Заводе начато серийное производство модуля «ТВЕРЦА-ПМ-Т», оснащенного деталями, обрабатываемыми по разработанной технологии ГПА. Экономический эффект от внедрения одного модуля с деталями, обработанными по данной технологии, составляет 850 тыс. руб. При выпуске 1000 изделий в год суммарный годовой ожидаемый экономический эффект составляет 850 млн. руб.

10).

1

*

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработанный новый способ азотирования сталей в жидком электролите в плазме гидростатического тлеюще-искрового разряда - гидроплазменное азотирование (ГПА) позволяет получать модифицированные слои на изделиях из углеродистых и легированных сталей с высокими физико-механическими свойствами. Лабораторные эксперименты показали, что при гидроплазменном азотировании происходит насыщение изделия азотом из низкотемпературной плазмы, которая создается вблизи поверхности детали (катода) при подаче напряжения в виде газопаровой рубашки из паров азотосодержащего электролита.

2. Сконструированное лабораторное оборудование позволяет проводить процессы ГПА мелких изделий, а также предполагает возможность осуществления комбинированных способов обработки. Обоснованы диапазоны основных технологических параметров процесса ГПА: напряжение (170-200В), сила тока (1тах=1.0-1.5 А, 1т]п=0.10-0.12 А), время азотирования (1,5-3 мин), при которых поддерживается стабильное горение низкотемпературной плазмы с образованием газопаровой рубашки и исключающие образование аномального дугового разряда.

3. Но основании построенной модели температурных условий процесса ГПА получены расчетные зависимости температуры детали при нагреве в плазме от напряжения, размера (радиуса поперечного сечения) детали и глубины ее погружения в электролит. Зависимости позволяют регулировать температуру детали путем варьирования соответствующих параметров.

4. Упрочнению методом ГПА подвергаются углеродистые (20, 40, У8) и легированные стали (40Х, 20X13, 40X13, 40Х12Н8Г8МФ) перлитного, мартенситного и аустенитного классов. Исследования структуры и фазового состава азотированных слоев после ГПА методами оптической металлографии, электронной микроскопии, дифракционного анализа, электрографии показали различия в строении слоев: на чистом железе наблюдается поверхностная зона е-фазы и зона внутреннего азотирования, содержащая у'-нитриды, на углеродистых сталях (У8) под слоем е-фазы наблюдается слой

азотистого мартенсита, на легированных хромистых сталях зона внутреннего азотирования содержит дисперсные нитриды хрома.

5. Испытания свойств модифицированных слоев на сталях после ГПА показали существенное повышение твердости (до 13-16 ГПа) по сравнению с исходными сталями, износостойкости (в 3 раза) при сохранении стойкости легированных сталей к газовой коррозии.

6. Преимущество процесса ГПА перед классическими способами печного и ионного азотирования заключается в интенсификации насыщения стали азотом за счет активизации ионов в низкотемпературной плазме - образование слоя толщиной до 150 мкм занимает 1,5-3 мин. Кроме того, при ГПА возможно проведение нитрозакалки за счет охлаждения детали при контакте с окружающей средой после отключения напряжения, что способствует дополнительному повышению твердости слоя.

7. Показана эффективность применения ГПА в сочетании с металлизацией, разработаны две разновидности комбинированной обработки: последовательные металлизация и азотирование, одновременное металлоазотирование.

8. Комбинированный способ гальванической металлизации изделия с последующим гидроплазменным азотированием (ГМ+ГПА) позволяет формировать высоколегированное азотированные слои с высоким комплексом свойств на дешевых углеродистых сталях. Так, при использовании в качестве электрода для металлизации пластины из хромоникелевой стали в результате гальванического осаждения и последующего азотирования на образцах стали 40 за короткое время (суммарная продолжительность процесса 9 мин) формируется слой азотистого аустенита (твердого раствора в железе хрома, никеля и азота) толщиной 50 мкм с повышенной твердостью (до 4000 МПа) и коррозионной стойкостью на уровне нержавеющей стали.

9. Комбинированный способ металлоазотирования заключается в шликерной металлизации совмещенной с гидроплазменным азотированием углеродистых сталей. В результате ГПА изделий из углеродистых сталей с нанесенной на поверхность суспензией, содержащей порошок металла, графит и связующее вещество, происходит одновременное насыщение поверхности металлом (из суспензии), азотом (из электролита) и углеродом (из графита).

10. Показано, что строение металлоазотированных слоев, их толщина и уровень упрочнения (твердость) зависят от типа металлизирующего элемента. Методами оптической металлографии, электронно-микроскопического, рентгеноструктурного, микрорентгеноспектрального анализов установлено, что при металлоазотировании углеродистых сталей с использованием нитридообразующих элементов (Сг, \Л/, Мо, V, "П) формируется зона внутреннего азотирования, состоящая из легированного азотом и металлом твердого раствора и дисперсных нитридов (карбонитридов) легирующих элементов, а в ряде случаев - интерметаллидов.

11. Металлоазотированные слои обладают повышенной твердостью по сравнению с исходным материалом, обусловленной твердорастворным упрочнением стали легирующим элементом и азотом, а также дисперсионным упрочнением нитридами (интерметаллидами). Максимальной твердостью обладают слои, легированные молибденом (до 16ГПа) и алюминием (до 15 ГПа). Алюмоазотированные, алюмотитаноазотированные и хромоазотированные покрытия обладают повышенной стойкостью к газовой коррозии за счет формирования на поверхности соответствующих оксидных пленок А1202 и Сг203. Выбор легирующего элемента для металлоазотирования может быть сделан, исходя из эксплуатационных требований к конкретным изделиям, по следующим критериям: наибольшей эффективной толщины диффузионного слоя; наибольшей твердости слоя; равномерной твердости упрочненного слоя, повышенной коррозионной стойкости слоя.

12. Моделирование упрочнения железной матрицы при металлоазотировании на основе закономерностей дислокационной теории с учетом указанных механизмов упрочнения позволяет прогнозировать твердость модифицированного слоя, исходя из типа легирующего элемента и его концентрации, достигающейся в слое при металлизации. Расчетные значения твердости для слоев, легированных Сг, V, "П показали хорошую корреляцию с экспериментальными значениями (погрешность от 2,7 до 7,6%).

13. Разработанные технологии ГПА применимы для упрочнения небольших деталей различного назначения из углеродистых и легированных сталей. Технология гидроплазменного азотирования внедрена для изделий сельскохозяйственного

машиностроения и нефтегазодобывающей отрасли. Экономический эффект от внедрения достигается за счет увеличения срока службы упрочненных изделий, существенного сокращения длительности процесса обработки, а также за счет замены дорогостоящих легированных сталей на углеродистые.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Демин П.Е. Азотирование в парах электролита / Петрова Л.Г, Александров В.А., Демин П.Е // Упрочняющие технологии и покрытия. -2010. - №4.-С. 21-24;

2. Демин П.Е. Азотирование высокохромистых сталей в гидроэлектролитной плазме / Петрова Л.Г., Александров В.А., Демин П.Е // Сборник научных трудов МАДИ (ГТУ). Современные методы получения и исследования наноструктурных металлов и покрытий. -2009. - С. 60-63;

3. Демин П.Е. Влияние размеров детали на ее температуру при нагреве гидроэлектролитной плазмой / Петрова Л.Г., Александров В.А., Демин П.Е. II Сборник научных трудов МАДИ (ГТУ). Современные методы получения и исследования наноструктурных металлов и покрытий. - 2009. - С. 73-77;

4 Демин П.Е. Повышение коррозионной стойкости высоколегированных сталей гидроплазменным азотированием / Петрова Л.Г, Александров В.А., Демин П.Е. И 16 международный симпозиум «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова. - 2010. - том 1. - С. 137-139;

5 Демин П.Е. Гидроплазменное азотирование I Петрова Л.Г, Александров В.А., Демин П.Е. // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. Сборник трудов. - 2009. -вып. 46 . - С. 89-92.

6. Патент № 2362831 «Способ азотирования стальных изделий», зарегистрирован 27 июля 2009г.

Подписано в печать19.II.2010г. Формат60x84/16

Печать офсетная Усл. леч. л. 1,4 Уч.-изд. л. 1,2

Тираж ICO экз. Заказ 425

Ротапринт МАДИ 125319, Москва, Ленинградский просп., 64

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ ХТО ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

1.1. Общие закономерности химико-термической обработки

1.2. Теоретические основы процессов азотирования.

1.2.1. Основные параметры процесса азотирования

1.2.2. Механизм формирования азотированного слоя на железе и сталях

1.2.3. Строение азотированного слоя в сталях

1.2.4. Влияние параметров азотирования на формирование азотированного слоя

1.2.5. Классификация процессов азотирования

1.3. Эксплуатационные свойства азотированных сталей

1.3.1. Твердость азотированного слоя

1.3.2. Износостойкость азотированного слоя

1.3.3. Сопротивление усталостному разрушению

1.3.4. Жаропрочность азотированных сплавов

1.3.5. Коррозионная стойкость

1.4. Стали, подвергаемые азотированию.

1.5. Технология процесса азотирования

1.5.1. Газовое азотирование

1.5.2. Азотирование сталей в плазме тлеющего разряда (ионное азотирование)

1.5.3. Системы контроля и регулирования процессов азотирования. Выводы по 1 главе

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЯ ГИДРОПЛАЗМЕННОГО АЗОТИРОВАНИЯ 2.1. Сущность и механизм гидроплазменного азотирования. 2.2 Обоснование выбора сталей для азотирования

2.3. Оборудование и технологические параметры процесса гидроплазменного азотирования.

2.4. Структура и фазовый' состав азотированного слоя после гидроплазменного азотирования.

2.5. Моделирование температурных условий процесса гидроплазменного азотирования.

2.6. Свойства упрочненного слоя на высоколегированных сталях после гидроплазменного азотирования.

Выводы по 2 главе

ГЛАВА 3. КОМБИНИРОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ: ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ С ПОСЛЕДУЮЩИМ ГИДРОПЛАЗМЕННЫМ АЗОТИРОВАНИЕМ

3.1 Сущность метода и оборудование для его осуществления. 3.2. Структура и свойства металлизированных покрытий. Выводы по 3 главе

ГЛАВА 4. КОМБИНИРОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

МЕТАЛЛОАЗОТИРОВАНИЯ: ШЛИКЕРНАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ, СОВМЕЩЕННАЯ С ГИДРОПЛАЗМЕННЫМ АЗОТИРОВАНИЕМ

4.1. Сущность метода и оборудование для его ¡реализации.

4.2. Структурам свойства модифицированных слоев

4.2.1. Шликерная металлизация- переходными металлами в гидроэлектролитной плазме (металлокарбонитрирование) 4.2.2! Моделирование упрочнения сталей при комбинированной обработке

4.2.3. Особенности металлизации алюминием и многокомпонентного насыщения металлами в сочетании с азотированием Выводы по 4 главе

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

5.1. Применение гидроплазменного азотирования для повышения служебных характеристик рабочих частей машин для расчесывания шерсти

5.2. Упрочнение крепежных деталей оборудования для газонефтяных скважин

Выводы по 5 главе Заключение Список литературы Приложение 1 Приложение

Постоянное развитие промышленности в современных условиях приводит к ужесточению требований к ресурсу машин и механизмов, что, в свою очередь, требует применения все более дорогостоящих материалов и усложнения технологий упрочнения рабочих частей деталей. В настоящее время и в ближайшем будущем наиболее распространенными среди конструкционных материалов остаются металлические материалы [1]. Поэтому проблема совершенствования технологических методов упрочнения конструкционных сталей и сплавов является актуальной.

В сегодняшнем машиностроении большое внимание уделяется развитию технологий поверхностного упрочнения. Известно, что состояние поверхности во многом определяет уровень прочности и эксплуатационные свойства деталей машин. Именно поверхность изделия испытывает повышенный износ, контактные нагрузки, в наибольшей степени разрушается вследствие коррозии. Технологии поверхностного упрочнения основаны на модифицирующем воздействии* на поверхность металла энергетическими или физико-химического методами, что радикально меняет ее структуру и свойства.

В 2003 году Президентом РФ была объявлена экологическая доктрина, в которой особое место отведено инновационным технологиям, в частности разработке новых ресурсосберегающих, безотходных, экологически безопасных технологий. Проблема ресурсосбережения решается в следующих направлениях:

• снижение стоимости материалов путем ограничения применения редких и сложноизвлекаемых элементов и замены дорогостоящих компонентов на более дешевые;

• повышение служебных характеристик материалов с целью увеличения долговечности, надежности и срока службы машин;

• повышение прочностных показателей материалов, что позволяет достичь снижения массы и уменьшения габаритов деталей машин и механизмов;

• снижение затрат на технологические процессы обработки материалов путем совершенствования технологий в направлении экономии энергоресурсов и расходных материалов, автоматизации и сокращения длительности процессов, повышения эффективности обработки.

В этой связи актуальной задачей является разработка простых, доступных, экономичных и высокоэффективных технологий упрочнения металлических материалов для получения-заданных эксплуатационных свойств.

Анализ современного состояния вопроса показывает, что эффективным способом поверхностного упрочнения сталей и сплавов, имеющим перспективы дальнейшего развития^ является химико-термическая обработка [2-3]. Многообразие видов и вариантов химико-термической обработки (ХТО) дает возможность подбирать оптимальный способ упрочнения, исходя из экономических и эксплуатационных задач.

Особо жесткие эксплуатационные требования предъявляются к деталям; работающим в тяжелых условиях, где требуется высокая износостойкость, коррозионная стойкость, наряду с сопротивлением ударным нагрузкам. Зачастую удовлетворить подобным требованиям можно лишь.путем использования комбинированных технологий упрочнения.

Помимо возросших требований к ресурсу деталей, машин и механизмов, повысились требования к экономии дорогих металлов, используемых для легирования сталей. Поэтому при разработке эффективных упрочняющих технологий учитывают не только необходимость обеспечения заданных свойств поверхности, но и возможность экономии дорогих и редких элементов.

Среди многих методов ХТО наиболее широко применяется азотирование для упрочнения разнообразных сталей и сплавов. Основное преимущество азотирования заключается в возможности регулирования состава и строения диффузионного слоя- путем контроля насыщающей атмосферы, это позволяет упрочнять целую гамму деталей машин и инструментов, работающих в различных условиях эксплуатации [4-Т5]. В промышленности активно используется- как печное, так и ионное азотирование (азотирование в тлеющем разряде). Эти процессы при всех их достоинствах обладают общим недостатком - большой продолжительностью насыщения (десятки часов), что требует решения проблемы интенсификации технологического процесса.

Продолжительность насыщения при ХТО определяется необходимостью формирования диффузионных слоев требуемой толщины, скорость роста- которых зависит от интенсивности протекания элементарных процессов: скорости образования активных атомов насыщающего элемента, эффективности их адсорбции на поверхности металла и скорости диффузии атомов элемента в металле. Таким образом, решение задачи по уменьшению времени процесса сводится к поиску такой? насыщающей среды, которая^ являлась бы активным источником насыщающего^ элемента, и* обеспечивала бы максимальную концентрацию элемента на^ поверхности обрабатываемого изделия, что ускорит проникновение элемента* вглубь .металла:

Подобной активной, средой; может, являться.- низкотемпературная плазма,. содержащая- активные ионы насыщающего элемента. Дополнительное преимущество плазмы* как насыщающей среды заключается в возможности поддержания высоких температур насыщения, достаточных для реализации любых видов химико-термической обработки. Целью настоящей работы является разработка высокоинтенсивных ресурсосберегающих технологий химико-термической обработки с использованием плазмы гидростатического разряда для формирования функциональных поверхностных слоев и повышения эксплуатационных свойств стальных деталей различного назначения. Разработанные технологии ХТО должны обеспечить: • заданные эксплуатационные свойства поверхностного слоя изделий;

• существенное сокращение времени получения диффузионных слоев рабочей толщины;

• экономию дорогостоящих легирующих элементов путем замены легированных сталей поверхностно упрочненными углеродистыми сталями.

Для достижения заявленной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

На основе анализа литературных источников изучить состояние вопроса, связанного с проблемой интенсификации упрочняющих технологий, исследовать достоинства и недостатки существующих технологий и определить возможные способы уменьшения времени насыщения при ХТО; выбрать способ интенсификации процессов ХТО;

Разработать и сконструировать оборудование, позволяющее проводить высокоинтенсивные процессы ХТО, включая системы контроля процессов ХТО в плазме электростатического разряда, позволяющие моделировать различные свойства упрочненного слоя;

Определить комплекс методов исследований для изучения строения и свойств полученных при ХТО модифицированных слоев; исследовать взаимосвязь структуры, фазового состава слоев с характеристиками физико-механический свойств;

Разработать технологические варианты* ХТО в низкотемпературной плазме для деталей различного назначения, изготовленных из углеродистых, низколегированных и высоколегированных сталей различных классов.

Исследования, проведенные в данной работе, базируются на достижениях научной школы Ю.М. Лахтина, в частности, на теоретических основах процесса азотирования, а также на фундаментальных и прикладных научных разработках ведущих ученых в области химико-термической обработки металлов: Б.Н. Арзамасова, Я.Д. Когана, С.А. Герасимова, В.М. Зинченко. Использованы теоретические и практические разработки Словецкого Д.И. и др., посвященные изучению низкотемпературной плазмы, поддерживаемой при атмосферном давлении.

Выводы по 4 главе

1. Разработанная комбинированная технология металлоазотирования углеродистых сталей заключается в шликерной металлизации (поверхностном легировании изделия металлом из суспензии), совмещенной с гидроплазменным азотированием. В качестве легирующих элементов использовали хром, вольфрам, молибден, титан, ванадий, ниобий, алюминий, кобальт. Исследовали также процессы многокомпонентной металлизации, например, алюмотитаноазотирование. В результате гидроплазменного азотирования изделия с нанесенной на поверхность суспензией, содержащей порошок металла, графит и связующее вещество, происходит его одновременное насыщение металлом (из суспензии), азотом (из электролита) и углеродом (из графита).

2. Показано, что строение диффузионных слоев, их толщина и уровень упрочнения (твердость) зависят от типа металлизирующего элемента. Методами оптической металлографии, электронно-микроскопического, рентгеноструктурного, микрорентгеноспектрального анализов установлено, что при металлоазотировании углеродистых сталей с использованием нитридообразующих элементов (Сг, Мо, V, №>, И) формируется зона внутреннего азотирования, состоящая из легированного азотом и металлом твердого раствора и дисперсных нитридов (карбонитридов) легирующих элементов, а в ряде случаев — интерметаллидов.

3. Модифицированные слои обладают повышенной твердостью по сравнению с исходным материалом, обусловленной твердорастворным упрочнением железа легирующим элементом и азотом, а также дисперсионным упрочнением нитридами. (интерметаллидами). Максимальной твердостью обладают слои, легированные молибденом (до 16ГПа) и алюминием (до 15 ГПа).

4. Алюмоазотированные и хромоазотированные покрытия обладают повышенной стойкостью к газовой коррозии за счет формирования на поверхности соответствующих оксидных пленок А1202 иСг203.

5. Моделирование упрочнения железной матрицы при металлоазотировании на основе закономерностей дислокационной теории с. учетом указанных механизмов .упрочнения позволяет прогнозировать твердость модифицированного слоя, исходя из концентрации легирующего элемента, достигающейся в слое при металлизации. Расчетные значения, твердости для слоев, легированных Сг, V и Т\ показали хорошую корреляцию с экспериментальными значениями (погрешность от 2,7 до 7,6%).

6. Выбор металлизирующего элемента для упрочнения путем такой комбинированной обработки может быть сделан, исходя из эксплуатационных требований к конкретным изделиям, по следующим критериям: наибольшей эффективной толщины диффузионного ело я; наибольшей твердости слоя; равномерной твердости упрочненного слоя, повышенной коррозионной стойкости слоя.

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ РАЗЛИЧНОГО

НАЗНАЧЕНИЯ

5.1. Применение гидроплазменного азотирования для повышения служебных характеристик рабочих частей машин для расчесывания шерсти

В сельскохозяйственной промышленности используются машины для расчесывания шерсти, рабочим органом которых является проволока диаметром 0,8 мм, длиной 80 мм, изготовленная из стали У8 (рис. 5.1). Рабочие части оборудования работают в агрессивных средах - таких как влага, животные жиры, кислоты, песок. Наиболее существенным требованием к ним является твердость и прочность проволоки. В связи с этим в стандартных условиях проволоку для расчесывания шерсти подвергают закалке для придания требуемой твердости.

Рис. 5.1. Внешний вид рабочих частей машин по расчесыванию шерсти, сталь У8.

Вместе с тем, основной проблемой исследуемых изделий является недостаточная коррозионная стойкость, что ведет к их преждевременному выходу из строя. Использование коррозионностойких высоколегированных сталей для изготовления таких деталей вместо стали У8 существенно удорожает изделие, к тому же подобные стали не обладают требуемой твердостью. Попытки повышения антикоррозионных свойств традиционными методами формирования покрытий, такими как методы ХТО, не дали положительных результатов. Известно, что для повышения коррозионной стойкости технологиями печного или ионного азотирования необходимо формирование на поверхности плотной е-фазы [4].

После проведения стандартного процесса печного азотирования с образованием на поверхности детали е-фазы в слое не достигается необходимая твердость.

Упрочнение слоя путем проведения последующей закалки после азотирования сопровождается растворением при нагреве е-фазы, отвечающей за коррозионную стойкость. Проведение закали непосредственно от температур азотирования неэффективно, поскольку при этом не происходит образования мартенсита, так как традиционное азотирование проводится ниже температур фазовых превращений.

Как было показано, процесс гидроплазменного азотирования происходит при повышенной температуре, которую можно регулировать путем контроля приложенного напряжения и геометрических параметров обрабатываемой детали (глубины ее погружения в электролит) (см. п. 2.5., рис. 2.13). При этом реализуется возможность проведения нитрозакалки непосредственно после проведения процесса азотирования, схема процесса показана на рис. 5.2. ——

-ЗИЕЕгЗ

Рис. 5.2. Процесс ГПА проволоки для рабочих частей машин по расчесыванию шерсти Подобный процесс приводит к образованию структуры, состоящей из поверхностной е-фазы, отвечающей за коррозионную стойкость, и слоя азотистого мартенсита с твердостью, превышающей твердость закаленной стали У8 (до 16 ГПа) (см. рис. 2.7). Процесс характеризуется высокой эффективностью и малой продолжительностью: оптимальные параметры обработки: сила тока 0,1-0,12А, напряжение 190 В, время азотирования 2 мин.

Разработанная технология внедрена на предприятии «Завод чесальных машин» г. Иваново. На данный способ азотирования стальных изделий получен патент на изобретение № 2362831, приоритет от 02 июля 2007г [102].

5.2. Упрочнение крепежных деталей оборудования для газонефтяных скважин

Технология гидроплазменного азотирования применена для поверхностного^ упрочнения стальных деталей, погружного модуля «ТВЕРЦА-ПМ-Т» конструкции «Научно-производственного предприятия по геофизическим< работам, строительству и закачиванию скважин» (ОАО НПП «ГЕРС»).

Погружной модуль предназначен для одновременного определения значений двух взаимно перпендикулярных диаметров нефтяных и газовых скважин, а также среднего диаметра скважины и четырех ее радиусов (рис. 5.3). Прибор рассчитан для проведения каротажа со скоростью'до 1500 м/ч в < скважинах с гидростатическим давлением до 150 МПа и рабочей температурой до +450°С. В процессе эксплуатации детали модуля непосредственно контактируют с буровым раствором и стенкой скважины, подвергаясь гидроабразивному износу и коррозии в агрессивной среде, содержащей воду, нефть, растворы солей, природный газ (метан), водород, кислоты и щелочи (до 10% ), сероводород (до 25%). Детали модуля испытывают перепады гидростатического давления (0,1.150МПа) и температуры (- 45.+450 °С) окружающей среды.

Кабель

Скважина

Прибор

Рычаг

Рис. 5.3. Конструкция и внешний вид погружного модуля «ТВЕРЦА-ПМ-Т»

Для обеспечения необходимой износостойкости и коррозионной стойкости детали модуля подвергаются поверхностному упрочнению по технологии гидроплазменного азотирования. Обработке подвергаются следующие детали скважинного модуля: оси, винты, гайки, пальцы, вилки, гильзы, фиксаторы, всего 20 наименований деталей, изготавливаемых из легированных сталей (табл. 5.1., рис. 5.4, 5.5).

Рис. 5.4. Детали модуля, подвергаемые упрочнению

Рис. 5.5 Составные части оборудования Тверца-ПМ-Т

Заключение

1. Разработанный новый способ азотирования сталей в жидком электролите в плазме гидростатического тлеюще-искрового разряда — гидроплазменное азотирование (ГПА) позволяет получать модифицированные слои на изделиях из углеродистых и легированных сталей с высокими физико-механическими свойствами. Лабораторные эксперименты показали, что при гидроплазменном азотировании происходит насыщение изделия азотом из низкотемпературной плазмы, которая создается вблизи поверхности детали (катода) при подаче напряжения в виде газопаровой рубашки из паров азотосодержащего электролита.

2. Сконструированное лабораторное оборудование, которое позволяет проводить процессы ГПА мелких изделий, а также предполагает возможность осуществления комбинированных способов обработки. Обоснованы диапазоны основных технологических параметров процесса ГПА: напряжение (170-200В), сила тока (1тах=1.0-1.5 А, 1тт=0.10-0.12 А), время азотирования (1,5-3 мин), при которых поддерживается стабильное горение низкотемпературной плазмы с образованием газопаровой рубашки и исключающие образование аномального дугового разряда.

3. Но основании построенной модели температурных условий процесса ГПА получены расчетные зависимости температуры детали при нагреве в плазме от напряжения, размера (радиуса поперечного сечения) детали и глубины ее погружения в электролит. Зависимости позволяют регулировать температуру детали путем варьирования соответствующих параметров.

4. Упрочнению методом ГПА подвергаются углеродистые (20, 40, У8) и легированные стали (40Х, 20X13, 40X13, 40Х12Н8Г8МФ) перлитного, мартенситного и аустенитного классов. Исследования структуры и фазового состава азотированных слоев после ГПА методами оптической металлографии, электронной микроскопии, дифракционного анализа, электрографии показали различия в строении слоев: на чистом железе наблюдается поверхностная зона е-фазы и зона внутреннего азотирования, содержащая у'-нитриды, на углеродистых сталях (У8) под слоем е-фазы наблюдается слой азотистого мартенсита, на легированных хромистых сталях зона внутреннего азотирования содержит дисперсные нитриды хрома.

5. Испытания свойств модифицированных слоев на сталях после ГПА показали существенное повышение твердости (до 13-16 ГПа) по сравнению с исходными сталями, износостойкости (в 3 раза) при сохранении стойкости легированных сталей к газовой коррозии.

6. Преимущество процесса ГПА перед классическими способами печного и ионного азотированиея заключается в интенсификации насыщения стали азотом за счет активизации ионов в низкотемпературной плазме — образование слоя толщиной до 150 мкм занимает 1,5-3 мин. Кроме того, при ГПА возможно проведение нитрозакалки за счет охлаждения детали при контакте с окружающей средой после отключения напряжения, что способствует дополнительному повышению твердости слоя.

7. Показана эффективность применения ГПА в сочетании с металлизацией, разработаны две разновидности комбинированной обработки: последовательные металлизация и азотирование, одновременное металлоазотирование.

8. Комбинированный способ гальванической металлизации изделия с последующим гидроплазменным азотированием (ГМ+ГПА) позволяет формировать высоколегированное азотированные слои с высоким комплексом свойств на дешевых углеродистых сталях. Так, при использовании в качестве электрода для металлизации пластины из хромоникелевой стали в результате гальванического осаждения и последующего азотирования на образцах стали 40 за короткое время (суммарная продолжительность процесса 9 мин) формируется слой азотистого аустенита (твердого раствора в железе хрома, никеля и азота) толщиной 50 мкм с повышенной твердостью (до 4000 МПа) и коррозионной стойкостью на уровне нержавеющей стали.

9. Комбинированный способ металлоазотирования заключается в шликерной металлизации совмещенной с гидроплазменным азотированием углеродистых сталей. В результате ГПА изделий из углеродистых сталей с нанесенной на поверхность суспензией, содержащей порошок металла, графит и связующее вещество, происходит одновременное насыщение поверхности металлом (из суспензии), азотом (из электролита) и углеродом (из графита).

Ю.Показано, что строение металлоазотированных слоев, их толщина и уровень упрочнения (твердость) зависят от типа металлизирующего элемента. Методами оптической металлографии, электронно-микроскопического, рентгеноструктурного, микрорентгеноспектрального анализов установлено, что при металлоазотировании углеродистых сталей с использованием нитридообразующих элементов (Сг, W, Мо, V, №>, Тл) формируется зона внутреннего азотирования, состоящая из легированного азотом и металлом твердого раствора и дисперсных нитридов (карбонитридов) легирующих элементов, а в ряде случаев — интерметаллидов.

11 .Металлоазотированные слои обладают повышенной твердостью по сравнению с исходным материалом, обусловленной твердорастворным упрочнением стали легирующим элементом и азотом, а также дисперсионным упрочнением нитридами (интерметаллидами). Максимальной твердостью обладают слои, легированные молибденом (до 16ГПа) и алюминием (до 15 ГПа). Алюмоазотированные, алюмотитаноазотированные и хромоазотированные покрытия обладают повышенной стойкостью к газовой коррозии за счет формирования на поверхности соответствующих оксидных пленок А1202 и Сг2Оз- Выбор легирующего элемента для металлоазотирования может быть сделан, исходя из эксплуатационных требований к конкретным изделиям, по следующим критериям: наибольшей эффективной толщины диффузионного слоя; наибольшей твердости слоя; равномерной твердости упрочненного слоя, повышенной коррозионной стойкости слоя.

12.Моделирование упрочнения железной матрицы при металлоазотировании на основе закономерностей дислокационной теории с учетом указанных механизмов упрочнения позволяет прогнозировать твердость модифицированного слоя, исходя из типа легирующего элемента и его концентрации, достигающейся в слое при металлизации. Расчетные значения твердости для слоев, легированных Сг, V, Тл показали хорошую корреляцию с экспериментальными значениями (погрешность от 2,7 до 7,6%).

13.Разработанные технологии ГПА применимы для упрочнения небольших деталей различного назначения из углеродистых и легированных сталей. Технология гидроплазменного азотирования внедрена для изделий сельскохозяйственного машиностроения и нефтегазодобывающей отрасли. Экономический эффект от внедрения достигается за счет увеличения срока службы упрочненных изделий, существенного сокращения длительности процесса обработки, а также за счет замены дорогостоящих легированных сталей на углеродистые.

1. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов / Ю.М. Лахтин. М.: ООО «ТИД «аз-book», 2009. 448 с.

2. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов / А.Н. Минкевич. М.: Машиностроение, 1965. - 331 с.

3. Лахтин Ю.М. Химико-термическая обработка металлов / Ю.М. Лахтин, Б.Н. Арзамасов. М.: Металлургия, 1985. - 256 с.

4. Лахтин Ю.М. Азотирование стали / Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган. — М.: Машиностроение, 1976. 256 с.

5. Лахтин Ю.М. Структура и прочность азотированных сплавов / Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган. -М.: Металлургия, 1982. 160с.

6. Лахтин Ю.М. Газовое азотирование деталей машин и инструмента / Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган М.: Машиностроение, 1982. - 60 с

7. Лахтин Ю.М. Азотирование в машиностроении /Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган, A.A. Булгач // Сб. науч. трудов МАДИ. М., 1986. - С. 42 - 49

8. Герасимов С.А. Прогрессивные методы азотирования / С.А. Герасимов -М.: Машиностроение, 1985. 32 с

9. Лахтин Ю.М. Перспективы развития процесса азотирования/ Ю.М. Лахтин // Металловедение и термическая обработка металлов. 1980. — №7. - С.39-45

10. Лахтин Ю.М. Современное состояние процесса азотирования / Ю.М. Лахтин // Металловедение и термическая обработка металлов. 1993. — №7-С. 6-11

11. Лахтин Ю.М. Теория и технология азотирования / Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган, Г.-И. Шпис, 3. Бёмер // М.: Металлургия, 1991.-320 с.

12. Лахтин Ю.М. Диффузионные основы процесса азотирования/ Ю.М. Лахтин // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1995. — №7. С.14-17.г

13. Развитие азотирования в России / O.A. Банных и др. — М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. 67 с.

14. Белл Т. Первая Лекция Лахтинских мемориальных чтений / Т. Белл // Металловедение и термическая обработка металлов. 1999. — №7. — С.6-16

15. Шпис Г.-Й. Вторая лекция Лахтинских мемориальных чтений / Г.И. Шпис // Металловедение и термическая обработка металлов. 2000. -№5. - С.4-17

16. Лахтин Ю.М. Регулирование фазового состава и содержания азота в нитридном слое при азотировании стали 38Х2МЮА / Ю.М. Лахтин //Металловедение и термическая обработка металлов. 1996. — №1. — С.6-11

17. Лахтин Ю.М. Структура и свойства азотированных бинарных сплавов Fe-Al, Fe-V, Fe-Ti / Ю.М. Лахтин, H.B. Силина, В.А. Федчун // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1977. — №1. — С. 2-7.

18. Лахтин Ю. М. Внутреннее азотирование металлов и сплавов / Ю.М. Лахтин, Я. Д. Коган // МиТОМ: 1974. - № 3. - С. 20—28

19. Гаврилова А. В. Исследование тонкой структуры азотированных сталей/ А. В. Гаврилова, С. А. Герасимов, Г. Ф. Косолапов, Ю. Д1 Тяпкин // МиТОМ. 1974. - № 3. - С. 14—21

20. Лахтин Ю. М. Природа высокой твердости легированного феррита после азотирования/ Ю.М. Лахтин, Н. В. Силина // МиТОМ. — 1977. -№ 6.-С. 23—31.

21. Барабаш Р. И. Технология и организация производства / Р. И. Барабаш, А. В. Белоцкий, В. Г. Пермяков // Научно-производственный сборник.:, 1971. № 6. - С. 42-44

22. Белоцкий А. В. Металлофизика / A.B. Белоцкий // Киев: Наукова думка. 1969. - вып. 28. - с. 98—105

23. Белоцкий A.B. О растворимости азота в легированном феррите / A.B. Белоцкий, О.Г. Пахаренко, В.Г. Пермяков, И.М. Самсонюк // Украинский физический журнал, 1968. т.13. - №10. - с. 1749-1751

24. Константы взаимодействия металлов с газами / Я.Д. Коган и др.. М.: Металлургия, 1987. - 368 с.

25. Жизнь и научно-педагогическая деятельность: биобиблиогр. указ. / Л.Г. Петрова и др.; под ред. Л.Г. Петровой. МАДИ. - Серия Выдающиеся ученые МАДИ; вып. 3. - М. - 2010. - 180 с.

26. Приходько В.М. Металлофизические основы разработки упрочняющих технологий / В.М. Приходько, Л.Г. Петрова, О.В. Чудина. М.: Машиностроение, 2003. - 384 с.

27. Петрова Л.Г. Принципы разработки упрочняющих технологий на основе структурной теории прочности / Л.Г. Петрова, О.В. Чудина // Упрочняющие технологии и покрытия. 2005. - № 1. - С. 7-13

28. Новиков» И.И. Теория, термической обработки металлов / И.И. Новиков. М.: Металлургиздат, 1978. - 390 с.

29. Pope M. Nitride Precipitation in Ferritic Iron-Vanadium Alloys / M. Pope, P. Grievson, К. H. lack // Scand. J. of Metallurgy. 1973. - v. 2. - No 1. - p. 29—34'

30. Mortimer B. Precipitations of Nitrides in Ferritic Iron Alloys / B. Mortimer, P. Grievson, К. H. Jack // Scand. J. of Metallurgy. 1972. - v. 1 - №15. - p. 203—209

31. Kubalek E. Harterei technische Mitteilungen. 1968. - Bd 23. - H, 3, S. 178—196.

32. Зюзин Д.М. Повышение износостойкости нержавеющей стали путем высокотемпературного азотирования / Д.М. Зюзин, Л.Г. Петрова // Вестник МАДИ(ГТУ). вып. 2. - 2004. - С. 30-36

33. Повышение износостойкости на основе избирательного переноса при трении. / Под ред. Д. Н. Гаркунова. М.: Машиностроение, 1977. -211 с.

34. Гаркунов Д. Н. Повышение износостойкости сталей конструкций самолетов. / Д.Н. Гаркунов, A.A. Поляков. М.: Машиностроение, 1974. -198 с.

35. Крагельский И. В. Трение, изнашивание, смазка / под ред. И.В. Крагельского, В. В. Алисина. Справочник. - Т. 1. - М.: Машиностроение, 1978. - 397 с.

36. Крагельский И. В. Основы расчета на трение и износ / И.В. Крагельский., М.Н. Добычин, B.C. Комбалов. М.: Машиностроение, 1977. -525 с.

37. Костецкий Б.И. Поверхностная прочность материалов при трении / Под ред. Б. И. Костецкого. Киев: Техшка, 1976. - 290 с.

38. Костецкий Б.И. Надежность и долговечность машин / Под. ред. Б. И. Костецкого. Киев: Техшка, 1975. - 405 с.

39. Голего H. JI. Схватывание в машинах и методы его устранения / H.JI. Голего. Киев: Техшка, 1965. - 231 с.

40. Костецкий Б. И. Трение, смазка и износ в машинах / Б.И. Костецкий. Киев: Техшка, 1970. - 395 с.

41. Лахтин Ю.М. Кратковременные процессы азотирования сталей / Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган, И.М. Томашевская, И.И. Земскова // М.: изд. НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1976. обзор 13—76— 17. - С. 1—5

42. Лахтин Ю.М. Новые материалы в азотировании / Ю. М. Лахтин, Я. Д. Коган, Г. С. Новикова // М., изд. НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1977, обзор 14—77—16, с. 1—5

43. Лахтин Ю.М. Высокотемпературное азотирование / Ю.М. Лахтин // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1991. №2. — С. 2529

44. Лахтин Ю.М. Повышение жаропрочности никелевых сплавов методом внутреннего азотирования / Ю.М. Лахтин, Д.П Шашков, Л.Г.

45. Петрова // Материалы семинара «Методы повышения конструктивной прочности металлических материалов», Москва. 1988. - С. 122-125

46. Повышение жаропрочности сплавов на никелевой основе с помощью азотирования / Ю.М. Лахтин и др.. Металловедение и, термическая обработка металлов. - № 6. - 1989. - С. 19-24

47. Петрова Л.Г. Повышение жаропрочности сплавов на основе кобальта внутренним азотированием / Л.Г. Петрова // Металловедение и термическая обработки металлов. №12. - 1994. - С.7-11

48. Петрова Л.Г. Принципы формирования жаропрочных сплавов с нитридным упрочнением / Л.Г. Петрова // Тез.докл. 3 Собрания металловедов России. Рязань. - 1996. - С.46-48

49. Петрова Л.Г. Влияние технологических параметров азотирования на структуру и свойства жаропрочных сплавов / Л.Г. Петрова // Новые материалы и технологии на рубеже веков. Сб. материалов Международной-научно-техн. конф. ч.1. - Пенза. — 2000. - С. 191-193

50. Петрова Л.Г. Внутреннее азотирование жаропрочных сталей и сплавов / Л.Г. Петрова // Металловедение и термическая обработка металлов. -№1.-2001.- С. 10-17

51. Петрова Л.Г. Азотирование многокомпонентных сталей и сплавов с целью повышения их жаропрочности / Л.Г. Петрова // Строительные и дорожные машины. № 5. - 2001. - С.32-33

52. Коган Я.Д. Влияние азотирования на жаропрочность и температурный порог хрупкости молибденовых сплавов / Я:Д. Коган, Ю.М. Лахтин, Д.П. Шашков // Металловедение и термическая обработка металлов. 1968. - №9. - С.20-26.

53. Кипарисов С.С. Азотирование тугоплавких металлов / С.С. Кипарисов, Ю.В. Левинский // М.: Металлургия. - 1972. - 160 с.

54. Лахтин Ю.М. Влияние азотирования на свойства жаропрочных сплавов / Ю.М. Лахтин // Структура и свойства жаропрочных металлических материалов. -М.: Наука, 1973. С. 225-228.

55. Лахтин Ю.М. Азотирование хрома и его сплавов при 1000-1200°С / Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган, О.Г. Голубева, Е.П. Данелия // Металловедение и термическая обработка металлов. 1985. - №1. - С. 2-5

56. Коган Я.Д. Влияние деформации с последующим азотированием на свойства сплавов ниобия / Я.Д. Коган, Д.П. Шашков, Т.Е. Лихачева // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1983.-№10.-С.35-37

57. Панайоти Т.А. Влияние закалки и старения на сопротивление малым пластическим деформациям азотированного ниобия и его сплава МН-1/ Т.А. Панайоти // Металловедение и термическая обработка металлов. -1996.- №7. -С. 33-36

58. Беломытцев М.Ю. Исследование влияния давления газовой фазы на процесс внутреннего азотирования сплавов молибдена /М.Ю. Беломытцев, Б.Г. Беляков // Изв. вузов. Черная металлургия. — 1986. Вып.8. - №5. - С. 681-688

59. Беньковский О.И. Дисперсное упрочнение сплавов ванадия нитридами / О.И. Беньковский, В.Ф. Моисеев, В.И. Трефилов // Порошковая металлургия. — 1981. — №9. — С.51

60. Прокошкин Д.А. Влияние азотирования на жаропрочные свойства ниобиевого сплава / Д.А. Прокошкин, Е.В. Васильева, Т.А. Воронова // Изв. АН СССР. Металлы. 1981. - №2. - С. 208-215

61. Петрова Л.Г. Высокотемпературное азотирование жаропрочных сплавов / Л.Г. Петрова // Металловедение и термическая обработка металлов. -№ 1.-2004. С. 18-24

62. Лахтин Ю. М. Азотирование стальных деталей в тлеющем разряде и технология производства, научная организация труда и управления / Ю.М. Лахтин, Я. Д. Коган, В. Н. Шапошников // М.: изд. НИИМАШ, 1976. -вып. 7. С. 29—37

63. Ларина О.Д., Количественный анализ оксидных и нитридных включений в сталях и сплавах / О.Д. Ларина, Н.Н. Тимошенко // М.: Металлургия, 1978. 175 с.

64. Wagner С. Reaktionstypen bei der Oxydation von Legierungen//Z. Electrochem. 1959. - Bd.63. - №7. - S.772-782.

65. Щербединский Г.В. Физические аспекты формирования многофазных покрытий на металлических материалах / Г.В. Щербединский //Температуроустойчивые функциональные покрытия. Тула: Изд. ТГПУ, 2001.-4.1.-С.29-33

66. Самсонов Г. В. Нитриды / Г.В. Самсонов // Киев: Наукова думка, 1969. 380 с.

67. Коган Я.Д. Высокотемпературное азотирование хромистых и хромоникелевых сталей / Я.Д. Коган, В.Н. Букарев // Металловедение и термическая обработка металлов, 1971. №2. - с. 19-22

68. Петрова Л.Г. Регулируемые процессы азотирования коррозионностойких сталей / Л.Г. Петрова, В.А. Александров, Д.М. Зюзин // Вестник МАДИ(ГТУ), вып. 1, 2003, С. 20-26

69. Петрова Л.Г. Физико-механические свойства азотированных хромо-никелевых сталей / Л.Г. Петрова, Д.М. Зюзин // Вестник МАДИ(ГТУ), вып. 4, 2005. С. 43-50

70. Петрова Л.Г. Высокотемпературное азотирование аустенитной стали / Л.Г. Петрова, Д.М. Зюзин // Упрочняющие технологии и покрытия. -№ 3. 2005. - С.29-36

71. Петрова Л.Г. Повышение эксплуатационных свойств легированных сталей в процессе химико-термической обработки в разделенных атмосферах воздуха и аммиака / Л.Г. Петрова, В. А. Александров, Л.П. Шестопалова // Вестник МАДИ(ГТУ), вып. 3 (18), 2009, с. 48-55

72. Шестопалова Л.П. Закономерности взаимодействия контролируемых окислительных атмосфер с металлами и сплавами и их влияние на формирование модифицированного слоя при азотировании/ Металловедение и термическая обработка металлов № 5, 2010, с. 46-52

73. Цырлин Э.С. Ионное азотирование прецизионных деталей машин/ Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 2. С. 47-53

74. Будилов В.В. Технология ионного азотирования деталей ГТД в тлеющем разряде с полым катодом / В.В. Будилов, К.Н. Рамазанов // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. -2008.-Т. 10. -№1.- С. 82-86

75. Рамазанов К.Н. Ионное азотирование деталей ГТД в тлеющем разряде с полым катодом / К.Н. Рамазанов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2009. - № 9. - С. 47-51

76. Будилов В.В. Ионное азотирование в тлеющем разряде с эффектом полого катода / В.В. Будилов, Р.Д. Агзамов, К.Н. Рамазанов К.Н. // Металловедение и термическая обработка металлов. 2007. № 7. - С. 33-36

77. Токарев А.В. Ионное азотирование стали в импульсном тлеющем разряде / А.В. Токарев // Вестник Кыргызско Российского славянского университета. 2009. - Т. 9. - № 11. - С. 51-57

78. Baggio-Scheid V.H., de Vasconcelos G., Oliveira M.A.S., Ferreira

79. B.C. Duplex surface treatment of chromium pack diffusion and plasma nitriding of mild steel/Surface and Coatings Technology. 2003. T. 163-164. C. 313-317

80. Wang L., Li Y., Wu X. Plasma nitriding of low alloy steels at floating and cathodic potentials/ Applied Surface Science. 2008. T. 254. № 20. C. 65956600

81. Pinedo C.E., Monteiro W.A. Surface hardening by plasma nitriding on high chromium alloy steel/ Journal of Materials Science Letters. 2001. T. 20. № 2.1. C. 147-150

82. Wang L., Nam K.S., Kwon S.C. Effect of plasma nitriding of electroplated chromium coatings on the corrosion protection C45 mild steel/ Surface and Coatings Technology. 2007. T. 202. № 2. C. 203-207

83. Liang W., Juncai S., Xiaolei X. Low pressure plasma arc source ion nitriding compared with glow-discharge plasma nitriding of stainless steel/ Surface and Coatings Technology. 2001. T. 145. № 1-3. C. 31-37.

84. Esfandiari M., Dong H. Improving the surface properties of A286 precipitation-hardening stainless steel by low-temperature plasma nitriding/Surface and Coatings Technology. 2007. T. 201. №<14. C. 6189-6196.

85. Berg M., Budtz-j0rgensen C.V., Reitz Hi, Schweitz K.O., Chevallier J., Kringhoj P., B0ttiger J. On plasma nitriding of steels/Surface and Coatings Technology. 2000. T. 124. № 1. C. 25-31.

86. Александров В.А. Комбинированный технологический способ ХТО для поверхностного упрочнения сталей / В.А. Александров // Металловедение и термическая обработка металлов № 5. 2010. - с. 27-31

87. Райзер Ю.П. Распространение разрядов и поддержание плотной плазмы электромагнитными полями / Райзер Ю.П. // Успехи физических наук 1972. - том. 108. - вып. 3. - С. 429-461

88. Словецкий Д.И. Механизмы неравновесных плазмохимических реакций / Д.И. Словецкий // Новосибирск.: Наука. Химия плазмы. — Т. 3. — серия «Низкотемпературная плазма». — 1991. — гл. 3. — С. 94-100

89. Словецкий Д. И. Механизм плазменно электролитного нагрева металлов / Д. И. Словецкий, С.Д. Терентьев, В. Г. Плеханов // Теплофизика высоких температур, 1986. - Т.24. - №2. -С.353 - 363

90. Попилов Л.Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов / Л.Я. Попилов // Справочник. М. Машиностроение. 1982.-400с.

91. Ясногородский И.З. Нагрев металлов и сплавов в электролите / И.З. Ясногородский //М. Машгиз. 1949. 124 с.

92. Файзулин Ф.Ф. Анодирование металлов1 в плазме / Ф.Ф. Файззулин, Е.Е. Аверьянов // Казань. Изд-во КГУ. 1977. - 128с.

93. Аверьянов Е.Е. Плазменное анодирование в радиоэлектронике / Аверьянов Е.Е. // М. Изд. Радио и связь. 1983. 80с.

94. Плеханов И.Ф. Расчет и конструирование устройств длянанесения гальванических покрытий / И.Ф. Плеханов // М. Изд.

95. Машиностроение. — 1988г. 221 с.

96. Петрова Л.Г. Методика прогнозирования твердости азотированных сплавов / Л.Г. Петрова // «Современные методы получения наноструктурных материалов и покрытий» Сб. науч. трудов, М. -МАДИ(ГТУ). — 2009. с. 120-131

97. Гольдшмидт Х.Д. Сплавы внедрения / Гольдшмидт Х.Д. М., Мир.-1971.-т.1,-464 с

98. Самсонов Г.В. Тугоплавкие соединения: Справочник / Г.В. Самсонов, И.М. Виницкий // М., Металлургия, 1976. 556 с.

99. Петрова Л.Г. Методы повышения конструктивной прочности сталей и сплавов / Л.Г. Петрова, О.В.Чудина// Прогнозирование твердости сплавов после химико-термической обработки. Учебное пособие, М., МАДИ(ТУ). 2000. - 49 с.

100. УТВЕРЖДАЮ» Руководитель предприятия: Генеральныадриректор ОАО НПП «ГЕРС»1. УТВЕРЖДАЮ»1. Н.В. Беляков1. АКТ О ВНЕДРЕНИИ

101. РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ

102. Комиссия в составе представителей Московского автомобильно-дорожного института (государственный технический университет) доцента, к.т.н. Александрова В.А. и

103. УТВЕРЖДАЮ» РуковЬдитель^тредприятия-заказчика: ГенералШь1н директор ОАО НПП «ГЕРС»t' lib ' jH.B. Беляков\\ 2010 г.1. МЛ.

104. УТВЕРЖДАЮ» Проректор МАДГТУ (МАДИ) по научной работе док. теэдг/£Ь&к профессор / A.M. Ивановщ2010 г.1. АКТ ВНЕДРЕ

105. РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОИ РАБОТЫ

106. Проведены успешные производственные испытания аппаратуры нано электрического каротажа с деталями, азотированными по приведённой технологии, в Нижневартовском регионе в 12 производственных скважинах.

107. АДГТУ (МАДИ) гОт МАДИ (ГТУ)1. Александров П.Е. Демин15