автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование структуры, фазового состава и механических свойств поверхности сталей 16Х3НВФМБ-Ш и 38ХМЮА при локальном азотировании в тлеющем разряде с полым катодом

9 15-5/591

На правах рукописи %

Хусаинов Юлдаш Гамирович

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ, ФАЗОВОГО СОСТАВА И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЕЙ 16ХЗНВФМБ-Ш И 38ХМЮА ПРИ ЛОКАЛЬНОМ АЗОТИРОВАНИИ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ С ПОЛЫМ КАТОДОМ

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2015

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Рамазанов Камиль Нуруллаевич

Официальные оппоненты Макаров Алексей Викторович, доктор

технических наук, старший научный сотрудник, ФГБУН Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрОРАН, заведующий отделом материаловедения и лабораторией механических свойств

Соколов Александр Алексеевич, кандидат технических наук, ОАО «Магнитогорский метизно-металлургический завод «ММК-МЕТИЗ», начальник центральной заводской лаборатории

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана»

Защита состоится 22 сентября 2015 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.05 на базе ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. ГЛ. Носова», 455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», www.magtu.ru.

Автореферат разослан « 22 » июпй_2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Л I) Полякова Марина Андреевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Известно, что подавляющая часть разрушений деталей машин, работающих в условиях трения и циклических нагрузок, начинается с поверхности материала вследствие образования на ней питтингов и микроскопических трещин. Повысить надежность и долговечность таких деталей позволяют методы поверхностного упрочнения, в частности ионное азотирование.

Проведенный литературный анализ показал, что азотирование в плазме тлеющего разряда является одним из наиболее эффективных методов модифицирования поверхности, который все шире применяется в промышленно развитых странах. Как показывает практика, ионное азотирование применяется для деталей машиностроения, основной причиной разрушения которых является износ поверхности материала. Ионное азотирование имеет ряд преимуществ перед традиционными методами, такими как газовое азотирование, азотирование в жидких средах и др.: возможность получения диффузионного слоя с заданным фазовым составом и высоким классом чистоты поверхности, обработка пассивирующихся материалов без дополнительной депассивирующей обработки, а также экономичность и экологичность процесса.

Зачастую при эксплуатации деталей машин и механизмов интенсивному износу подвергаются только отдельные высоконагруженные участки, к примеру, контактная поверхность зубьев шестерен и зубчатых колес, место посадки под подшипник на валу и др. В этих случаях более целесообразно упрочнить лишь рабочую поверхность детали.

В работах Томских исследователей экспериментально доказано, что проявление эффекта полого катода (ЭПК) в полости обрезных матриц при азотировании в тлеющем разряде позволяет увеличить как толщину, так и микротвердость диффузионного слоя на данных участках.

Однако в литературе слабо освещены вопросы, связанные с локальным упрочнением наиболее подверженных износу участков деталей, при котором на обрабатываемой поверхности за один вакуумный цикл формируются различные по толщине и механическим свойствам диффузионные слои, а также не до конца раскрыт потенциал ЭПК. Поэтому исследование тепловых и диффузионных процессов, структуры, фазового состава, микротвердости и износостойкости поверхности конструкционных сталей после локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом является актуальной задачей.

Цель работы: Исследовать влияние процесса локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на структуру.

фазовый состав и механические свойства поверхности конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА.

Для достижения данной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1. Разработать способ локального ионного азотирования конструкционных сталей, основанного на модифицировании поверхности в тлеющем разряде с полым катодом.

2. Исследовать тепловые и диффузионные процессы при локальном ионном азотировании в тлеющем разряде с полым катодом, а также параметры плазмы в катодной полости, образованной технологическим экраном.

3. Исследовать влияние локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на микроструктуру и фазовый состав диффузионной зоны конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА.

4. Исследовать влияние локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на микротвердость диффузионной зоны и износостойкость поверхности конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА.

5. Разработать новый технологический процесс локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом детали «шестерня».

Научная новизна:

1. Разработан способ локального ионного азотирования в тлеющем разряде, отличающийся тем, что над участками детали, подверженными интенсивному износу, устанавливают технологические экраны в виде сетки для создания полого катода, при этом происходит локальное увеличение скорости нагрева и диффузионного насыщения.

2. Установлено, что в условиях локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА при давлении 60 Па, температуре поверхности 550°С и длительности обработки 12 ч скорость роста диффузионной зоны в 2-2,5 раза выше по сравнению с традиционным ионным азотированием при тех же параметрах процесса вследствие увеличения концентрации заряженных частиц в зоне обработки.

3. Установлено, что в результате локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на поверхности материала образуется две зоны с различной толщиной азотированного слоя вследствие различия скоростей диффузионного насыщения. При этом переход между участками плавный, а максимальный размер переходной зоны для сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА не превышает 3 мм.

4. Установлено, что высокий уровень поверхностного упрочне-

ния при локальном ионном азотировании в тлеющем разряде с полым катодом позволяет повысить износостойкость сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА в 1,6-1,7 раз по сравнению с традиционным ионным азотированием и в 12-14 раз по сравнению с исходным состоянием вследствие формирования в поверхностном слое материала нитридного слоя, состоящего из нитридов как основного металла Ре^, так и нитридов хрома СгЫ, которые помимо значительного повышения твердости способствуют также увеличению износостойкости.

Практическая ценность работы:

Поверхностное распределение температурного поля в детали, зависимости температуры нагрева и охлаждения обрабатываемой поверхности от времени, диаграмма области существования тлеющего разряда с полым катодом, а также кинетика роста диффузионного слоя для сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА могут применяться при назначении технологических режимов локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом.

Разработанный способ локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом позволяет создавать в сталях за один вакуумный цикл различные по толщине диффузионные слои заданного фазового состава и строения. Также данный способ позволяет уменьшить себестоимость операции ионного азотирования вследствие снижения энергозатрат, уменьшения длительности насыщения, простоты схемы обработки, не требующей применения сложных приспособлений или дополнительного дорогостоящего оборудования и оснастки.

Разработанный в рамках диссертационной работы технологический процесс локального ионного азотирования детали «шестерня» в тлеющем разряде с полым катодом рекомендован к внедрению на предприятии ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение».

Положения, выносимые на защиту:

1. Способ локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом, позволяющий получать в поверхностных слоях сталей неоднородную структуру с плавным переходом из одного вида в другой, отличающийся тем, что посредством технологического экрана, установленного над участками поверхности, подверженными интенсивному износу, создают область с повышенной концентрацией заряженных частиц.

2. Результаты исследования тепловых и диффузионных процессов: поверхностное распределение температурного поля детали, зависимости температуры нагрева и охлаждения обрабатываемой поверхности от времени обработки, зависимость изменения концентрации

насыщающего элемента по глубине диффузионного слоя, кинетика роста упрочненного слоя для сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА.

3. Совокупность экспериментальных данных о влиянии локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на структуру и фазовый состав поверхностного слоя конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА.

4. Зависимости изменения микротвердости и износа диффузионного слоя от режимов и способов обработки конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА.

Степень достоверности результатов подтверждается применением комплекса современных методов исследования микроструктуры, фазового состава, физико-механических свойств поверхности материалов, использованием высокоточного современного оборудования, соответствием экспериментальных данных с результатами других исследователей.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были изложены на межрегиональных научно-практических конференциях (Уфа, 2012-2014 гг.); научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника» (Москва, 2013 г., Сочи, 2014 г.); Всероссийской школе-семинаре с международным участием «Современное материаловедение: материалы и технологии новых поколений» (Томск, 2014 г.); Всероссийской конференции с международным участием «Физика низкотемпературной плазмы» (Казань, 2014 г.); International congress on energy fluxes and radiation effects (Томск, 2014 г.); VI Всероссийская конференция по испытаниям и исследованиям свойств материалов «ТестМат» (Москва, 2015 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 научных статей, из них 5 - в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, а также получены 3 патента РФ на изобретения.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач диссертационной работы, выполнении экспериментов, обработке и анализе достигнутых результатов, формулировании выводов, научной новизны, а также положений, выносимых на защиту.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и приложений, изложена на 152 страницах, содержит 88 рисунков, 5 таблиц и библиографический список, включающий 112 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении доказана актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования. Отражена научная новизна и положе-

ния, выносимые на защиту, обоснована практическая значимость работы.

В первой главе проведен анализ различных способов локального поверхностного упрочнения, которые описываются в работах таких ученых, как Быстриков В.А., Каталов Р.В., Подшивалов А.В., Бледне-ва Ж.М., Чаевский М.И., Сафронов А.В., Кавалев В.Ю., Крейндель Ю.Е., Лемешев Н.М., Слосман А.И., Синявский А.Ф., Харланова ЕЛ., Грачев В.В., Асташкевич Б.М., Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. и др.

Приводится обзор научных работ, посвященных особенностям ионного азотирования конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА. Рассмотрены существующие способы интенсификации процесса ионного азотирования. Проведенный литературный анализ показал, что ионное азотирование в тлеющем разряде с полым катодом является одним из эффективных способов локальной интенсификации, которое ведет к увеличению степени ионизации и, как следствие, градиента концентрации насыщающего элемента, что сказывается на длительности процесса диффузионного насыщения упрочняемой поверхности азотом.

На основании вышеизложенного была сформулирована цель работы и поставлены задачи исследования.

Во второй главе приведены описания стандартизованных методик, используемых в работе: оптической металлографии, определения микротвердости, рентгеноструктурного анализа, зондовых измерений параметров тлеющего разряда с полым катодом в полости технологического экрана, испытания на износ поверхности, а также хрупкости азотированного слоя.

На рисунке 1 приведена схема модернизированной установки ЭЛУ-5М которая использовалась для локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом.

Рисунок 1 - Схема установки ЭЛУ-5М: 1 - образец, 2 - технологический экран, 3 - анод, 4 - катод, 5 - зонд, 6 - вакуумная камера, 7 - источник питания тлеющего разряда, 8 - источник питания зонда

В процессе локального ионного азотирования часть образца находилась под технологическим экраном (рисунок 1) и обрабатывалась в тлеющем разряде с полым катодом.

Объектом для проведения исследований влияния локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на структуру, фазовый состав и механические свойства были выбраны конструкционные стали 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА.

В третьей главе представлены результаты исследования тепловых и диффузионных процессов на поверхности обрабатываемой детали при локальном ионном азотировании в тлеющем разряде с полым катодом, а также параметров плазмы в полости технологического экрана.

С целью выбора режимов обработки при локальном ионном азотировании в тлеющем разряде с полым катодом было проведено компьютерное моделирование на примере детали «шестерня» из стали 38ХМЮА.

В результате расчетов компьютерной модели было получено распределение температурного поля в детали «шестерня» при локальном ионном азотировании в тлеющем разряде с полым катодом. На рисунке 2 показано распределение температуры поверхности детали после 8 ч локальной обработки. При этом температура поверхности зубьев не превышала -823К (550°С).

•>624,03*

820 В15 810 805 В00 795 790 785 • 783,56

Рисунок 2 - Расчетное распределение температуры

на поверхности детали «шестерня» при локальном

ионном азотировали в тлеющем разряде с полым катодом

Рисунок 3 - Зависимость температуры нагрева поверхности детали «шестерня»

от времени при локальном ионном азотировании: 1 -теоретическая кривая (точка А); 2 - теоретическая кривая (точка В);

3 - экспериментальная кривая (точка А);

4 - экспериментальная кривая (точка В); расположение точек А и В см. рисунок 2

Установлено, что для детали «шестерня» диаметром 200 мм максимальная разность температуры между двумя крайними участками, азотированными в тлеющем разряде с полым катодом и без, составляет ~ 35К (см. рисунок 2). Такая разность температур объясняется различной скоростью нагрева на данных участках.

На рисунке 3 приведены зависимости температуры нагрева поверхности обрабатываемой детали в двух крайних точках А и В, соответствующих максимальной и минимальной температуре поверхности (см. рисунок 2), полученные путем моделирования и физического эксперимента.

Анализ полученных зависимостей показал, что время нагрева обрабатываемой поверхности в точке А до температуры диффузионного насыщения составило около 40 мин (скорость нагрева при этом составила 0,2 К/сек). Далее в течение всего процесса азотирования на обрабатываемой поверхности сохраняется одинаковая температура Т= 823 К (550°С). Это связано с установившимся равновесием между подводом тепловой энергии от ионов газа и ее отводом от поверхности в окружающее пространство.

На рисунке 4 изображены расчетные и экспериментальные зависимости температуры в точке А от времени при охлаждении обрабатываемой детали в вакуумной камере.

т, К С.10'а.иал1/и!

температуры обрабатываемой поверхности детали от времени при охлаждении (точка А): 1 - теоретическая кривая; 2 - экспериментальная кривая

\Упрочнемный ■

\ слой

- Основа ^^__

О.ОО 0.05 0,10 0,1S 0J0 0,25 0,30 0,35 0.40 0,45 0.50 >1, мм

Рисунок 5 - Расчетное изменение концентрации насыщающего элемента (азота) по глубине диффузионного слоя для стали 38ХМЮА при Г= 550°С и t = 8 ч

Зависимость температуры охлаждения обрабатываемой поверхности детали от времени (см. рисунок 4) имеет практическое значение и позволяет выбрать время выдержки садки после завершения процесса локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом. Анализ зависимости показал, что время охлаждения обрабатываемой поверхности детали до температуры 523К (250°С) составляет 30 мин.

Полученная в результате расчетов зависимость изменения концентрации насыщающего элемента (азота) по глубине диффузионного слоя для локально азотированного в тлеющем разряде с полым катодом участка представлена на рисунке 5. Анализ полученной зависимости показал, что глубина упрочненного слоя составляет ~ 200 мкм. Для проверки адекватности расчетов компьютерной модели был азотирован образец в тлеющем разряде с полым катодом при следующих режимах: Т= 550°С, Р = 60 Па, U= 500 В, t = 8 ч. Измерение распределения микротвердости по глубине азотированного слоя показало, что величина упрочненного слоя не превышает ~ 220 мкм. Таким образом, результаты, полученные в ходе моделирования, имеют хорошую сходимость с результатами экспериментов.

На рисунках 6 и 7 приведены кинетики роста упрочненной зоны для сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА при локальном ионном азотировании в тлеющем разряде с полым катодом.

Рисунок 6 - Кинетика роста локального упрочненного слоя в тлеющем разряде с полым катодом для стали 16ХЗНВФМБ-Ш

Рисунок 7 - Кинетика роста локального упрочненного слоя в тлеющем разряде с полым катодом для стали 38ХМЮА

Повышенное значение скорости диффузионного насыщения у стали 38ХМЮА по сравнению со сталью 16ХЗНВФМБ-Ш связано с большей растворимостью насыщающего элемента в а-фазе, легированном переходными металлами.

С целью исследования параметров плазмы (концентрации ионов, температуры электронов и др.) в полости технологического экрана были проведены зондовые измерения. Результаты зондовых измерений показали, что в области отрицательного свечения тлеющего разряда наблюдается падение температуры электронов из-за потери энергии в процессах возбуждения и ионизации. Установлено, что максимум концентрации ионов в катодной полости составляет л,= 3,5><1016 м"3. В тлеющем разряде без полого катода концентрация ионов составила п,~ 2><1016 м"3. Таким образом, ионное азотирование в тлеющем разряде с полым катодом позволило повысить концентрацию ионов насыщающего элемента в полости технологического экрана.

В четвертой главе представлены результаты исследования влияния локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на структуру, фазовый состав, микротвердость и износостойкость диффузионного слоя конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА.

На рисунках 8 и 9 представлены фотографии микроструктур образцов из сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА после локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом при Т= 550°С, Р = 60 Па, С/= 500 В, I = 12 ч, А = 5 мм.

Исследование микроструктур показало наличие двух темных диффузионных зон различной толщины: I - зона, находившаяся под технологическим экраном; П - зона, находящаяся вне технологического экрана. Установлено, что на участках ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом толщина темного сильно травящегося слоя в 2-2,5 раза больше по сравнению с участками ионного азотирования, находившимися вне технологического экрана. Максимальный размер переходной зоны для сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА достигал 3 мм. Переход между двумя зонами плавный, о чем свидетельствует постепенное изменение толщины темной диффузионной зоны.

Рис. 8 - Микроструктура стали 16ХЗНВФМБ-Ш после локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом при Т— 550°С, /= 12 ч,/> = 60 Па, [/=500 В: I -азотирование с экраном; II - азотирование без экрана

Рис. 9 - Микроструктура стали 38ХМЮА после локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом при Г=550°С, / = 12 ч, Р = 60 Па, [/= 500 В: I -азотирование с экраном; II - азотирование без экрана

В случае локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом стали 38ХМЮА основная часть азотированного слоя при малом увеличении соответствует ориентированной по мартенситу сорбитовой структуре. При температуре азотирования ниже эвтекто-идной на поверхности диффузионного слоя образуется е-фаза, имеющая несомненно карбонитридную природу, поскольку процесс локального ионного азотирования проводили в среде рабочего газа с содержанием 5% ацетилена, а также из-за большого содержания в стали 38ХМЮА углерода. При охлаждении е-фаза претерпевает распад с выделением у'-фазы (Ре^).

Детальное исследование фазового состава поверхности материала образцов из конструкционной стали 38ХМЮА показало, что на участках ионного азотирования с технологическим экраном (рисунок 10, 6) обнаружены рефлексы е-фазы Ре2.3(М), Ре2-зСМ, С), у'-фазы Ре+Н Ре4(Ы, С), а также фазы, состоящие из нитридов и карбонитридов хрома Сг1М, Сг(С, 14), отличающиеся большей величиной интенсивности, чем на участках ионного азотирования без экрана (рисунок 10, а).

Counts 600

260 200 160 100

—•—1—■—1—■—'—'— - ЗВХМЮА -

• Fe

■ FeN. F«(N.C)

• F«N. Fej(M,C)

» CrN, Cf(C.N)

' Fo.N. Fft-(N.C)

О

L "A". . •

alt .-VS. ,

100 110 120 130

Count« 600-,

-38ХМЮА

• Fe

■ FejN, F«<N.C)

• FMN. F«(N.C). " CrN, Cf(C,NJ

« Fe*N, Fe^N.C).

° * " A WW,?', Л ^ ,-JS.

so to 2Theta

100 110 120 130

Рисунок 10 - Дифрактограммы с поверхности образцов из стали 38ХМЮА: а -азотирование без экрана, б -азотирование с экраном

Исследование фазового состава поверхности образца из стали 16ХЗНВФМБ-Ш показало, что на участках ионного азотирования с технологическим экраном (рисунок 11,6) обнаружены рефлексы е-фазы Ре2.3(М), Ре2-з(Ы, С), у'-фазы Ре4Ы, Ре4(Ы, С), а также фаз, состоящих из нитридов и карбонитридов хрома (СгЫ, Сг(Ы,С), С^Ы, Сг2(М,С)). При этом на участках ионного азотирования с экраном интенсивность линий е-фазы, у'-фазы, а также нитридов и карбонитридов хрома выше, чем на участках ионного азотирования без экрана (рису-

нок 11, а), что указывает на увеличение объемной доли данных фаз на поверхности стали.

Образование карбонитридов как железа, так и легирующего элемента хрома при локальном ионном азотировании в тлеющем разряде с полым катодом связано с присутствием в смеси рабочего газа ацетилена. Образованные карбонитриды Рег-зО^, С) обладают хорошим сопротивлением износу и меньшей хрупкостью, чем чистый цементит БезС или нитриды Ре2-зМ.

— 1вХЗНВФМ&чи

• т»

■ С)

• РЫ^ЫКС) " С/Н, Сг(С.М)

• ГвЧН.С)

• СпЫ, Сп(С,М)

-г-^Ч-

СоипИ

1Н00 —

100 110 120 IX

— 16ХЗНВФМБ-Ш

• Г»

• РвЛ. РеХЧС)

• СЛ, Сг(С,Щ

• ГоЛ. Гв^ЧС)

• СгЛ. Со(С,М)

\ . . . '{' ■" I Ае I ъ Л 'I

&0 90 100 110 120 130 2Т1»|»

а б

Рисунок 11 - Дифрактограммы с поверхности образцов из стали 16ХЗНВФМБ-Ш: а - азотирование без экрана, б- азотирование с экраном

В таблице 1 представлены значения поверхностной микротвердости сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА до и после азотирования.

Таблица 1 - Поверхностная микротвердость образцов

Материал образцов Исходное состояние, НУ]оо Азотирование без экрана, НУюо Азотирование с экраном, НУ юо

16ХЗНВФМБ-Ш 400±20 915±20 940±20

38ХМЮА 370±20 990±20 980±20

Измерения микротвердости на поперечных шлифах азотированных образцов из конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМ10А позволили оценить глубину диффузионного слоя при локальном ионном азотировании в тлеющем разряде с полым катодом. На рисунке 12 приведены распределения микротвердости по глубине диффузионного слоя для стали 16ХЗНВФМБ-Ш при локальном ионном азотировании в тлеющем разряде с полым катодом.

Анализ зависимостей изменения микротвердости по толщине диффузионного слоя (см. рисунок 12) показывает, что на участке ионного азотирования с технологическим экраном толщина диффузион-

ного слоя в 2-2,5 раза больше по сравнению с участком без экрана при

а б

Рисунок 12 - Зависимости распределения микротвердости по толщине диффузионного слоя при локальном ионном азотировании в тлеющем разряде с полым катодом для сталей 16ХЗНВФМБ-Ш (а) и 38ХМЮА (б) при Т= 550°С, Р = 60 Па, {/= 500 В, /= 12 ч: 1 - азотирование без экрана, 2 - азотирование с экраном

Величина износостойкости поверхности конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА оценивалась по количеству металла, удаленного из испытуемого образца в процессе износа под нагрузкой. Установлено, что ионное азотирование в тлеющем разряде с полым катодом позволяет повысить износостойкость поверхности сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА в 1,6-1,7 раз по сравнению с традиционным ионным азотированием и в 12-14 раз по сравнению с исходным состоянием вследствие большей толщины упрочненного слоя и формирования в поверхностном слое материала нитридного слоя, состоящего из нитридов как основного металла РечН так и нитридов хрома СгИ, которые помимо значительного повышения твердости способствуют также увеличению износостойкости.

В пятой главе по результатам экспериментальных исследований выбраны оптимальные технологические параметры ионного азотирования, при этом установлено, что для поддержания рабочей температуры детали 550°С в процессе ионного азотирования с полым катодом давление в рабочей камере должно составлять 60 Па. При увеличении давления выше 60 Па существует опасность перегрева деталей и появления на их поверхности оплавленных микрократеров.

В рамках диссертационной работы разработан перспективный технологический процесс локального ионного азотирования детали «шестерня» в тлеющем разряде с полым катодом, который позволил

сократить время обработки в 1,5 раза, а также снизить энергозатраты и расход рабочих газов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан способ локального ионного азотирования в плазме тлеющего разряда с полым катодом, отличающийся тем, что посредством технологических экранов в материале создаются участки с разнородной структурой с плавным переходом от одного вида к другому.

2. Установлено, что распределение температурного поля детали и увеличение концентрации ионов азота в 1,5-2 раза в катодной полости, образованной технологическим экраном, приводит к локальному увеличению скорости диффузии в 2-2,5 раза по сравнению с традиционным ионным азотированием.

3. Установлено, что на поверхности материала после локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом при давлении 60 Па и длительности процесса 12 ч образуется слой сплошных нитридов - е-фаза, выявляемая под микроскопом в виде белого нетра-вящегося слоя. Толщина нитридного слоя составляет порядка 2 мкм. Под слоем сплошных нитридов расположена диффузионная зона, выявляемая в виде темной полосы и состоящая преимущественно из а-фазы, обедненной легирующими элементами, карбидов типа МэС, избыточной у'-фазы и сложных нитридов легирующих элементов.

Установлено, что после локального ионного азотирования в тлеющем разряде с полым катодом на поверхности конструкционных сталей выявляются рефлексы нитридов и карбонитридов как основного металла, так и нитридообразующих легирующих элементов (Ре3М, Реэ(Ы, С), Ре4(К С), Ре4Ы, Сг(С, К), СгЫ, Сг2(С, К), Сг2К При этом на участках ионного азотирования с технологическим экраном наблюдается некоторое увеличение интенсивности е- и у'- фаз, связанное с относительно высокой концентрацией азота на поверхности материала.

4. Установлено, что локальное ионное азотирование в тлеющем разряде с полым катодом является эффективным способом поверхностного упрочнения конструкционных сталей. При этом на участке ионного азотирования с технологическим экраном микротвердость поверхности достигает 940 НУ для стали 16ХЗНВФМБ-Ш и 980 НУ для стали 38ХМЮА.

Установлено, что ионное азотирование в тлеющем разряде с полым катодом при давлении 60 Па и длительности процесса 12 ч ведет к повышению износостойкости поверхности конструкционных сталей 38ХМЮА и 16ХЗНВФМБ-Ш в 1,6-1,7 раза по сравнению с традици-

онным ионным азотированием ив 12-14 раз по сравнению с исходным состоянием. Повышение износостойкости после обработки в тлеющем разряде с полым катодом объясняется не только формированием пит-ридного слоя, состоящего из нитридов основного металла Ре^, но и образованием в нем нитридов хрома Сг]Ч, которые помимо значительного повышения твердости способствуют также увеличению износостойкости.

5. Разработан технологический процесс локального ионного азотирования с полым катодом деталей типа «шестерня», который ведет к сокращению времени обработки в 1,5 раза, энергозатрат и расхода насыщающих газов, а за счет регулирования процесса распыления при обработке поверхности детали позволяет не применять финишной шлифовальной операции после азотирования.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации:

1. Будилов, В.В, Перспективы использования эффекта полого катода при локальном азотировании деталей из стали 16ХЗНВФМБ-Ш [текст] / В.В. Будилов, К.Н. Рамазанов, Ю.Г. Хусаинов, И.В. Золотов // Вестник УГАТУ. - Уфа, 2014. - №1. - С. 32-36. (рецензируемое издание из перечня ВАК РФ)

2. Будилов, В.В. Применение эффекта полого катода для локального ионного азотирования конструкционной стали 16ХЗНВФМБ-Ш [текст] / В.В. Будилов, К.Н. Рамазанов, Ю.Г. Хусаинов, И.В. Золотов // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2014. - №12. - С. 27-30. (рецензируемое издание из перечня ВАК РФ)

3. Будилов, В.В. Применение эффекта полого катода при локальном ионном азотировании деталей машиностроения [текст] / В£. Будилов, К.Н. Рамазанов, Ю.Г. Хусаинов, И.В. Золотов // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2014. - № 10(3). - С. 109-112. (рецензируемое издание из перечня ВАК РФ)

4. Хусаинов, ЮЛ". Перспективы использования ионного азотирования с эффектом полого катода для упрочнения рабочих пар скважинных насосов [текст] / Ю.Г. Хусаинов, И. С. Копейкин, А.Е. Тихонов // Нефтегазовое дело. - 2015. - №1. - С. 137-140. (рецензируемое издание из перечня ВАК РФ)

5. Будилов, В.В. Моделирование процесса локального ионного азотирования с эффектом полого катода на примере детали «зубчатое колесо» [текст] / В.В. Будилов, К.Н. Рамазанов, Ю.Г. Хусаинов, И.В. Золотов // Вестник УГАТУ. - 2015. -№2. - С. 1-6. (рецензируемое издание из перечня ВАК РФ)

6. Пат. № 2534906 Российская Федерация, МПК7 С23С8/36. Способ локальной обработки материала с эффектом полого катода при ионном азотировании [текст] / Будилов ВВ., Рамазанов КН., Хусаинов Ю.Г., Рама-занов И.С., Золотов ИВ.; патентообладатель ФГБОУ ВПО «УГАТУ». -№2013117842; заявл. 17.04.2013; опубл. 10.122014, Бюл.№ 34 е.: ил.

7. Пат. № 2534697 Российская Федерация, МПК7 С23С8/36. Способ локальной обработки материала с эффектом полого катода при ионном азотировании [текст] / Будилов ВВ., Рамазанов К.Н., Хусаинов ЮГ., Золотов ИВ. Рамазанов И.С.; патентообладатель ФГБОУ ВПО «УГАТУ». -№2013116338; заявл. 09.042013; опубл. 10.12.2014, Бюл. № 34 е.: ил.

8. Пат. № 2534907 Российская Федерация, МПК7 С23С8/36. Способ локальной обработки материала при азотировании в тлеющем разряде [текст] / Будилов В.В., Рамазанов К.Н., Хусаинов Ю.Г., Рамазанов И.С., Золотов И.В.; патентообладатель ФГБОУ ВПО «УГАТУ». -№2013115736; заявл. 08.04.2013; опубл. 10.12.2014, Бюл. № 34 е.: ил.

9. Рамазанов, К.Н. Ионное азотирование деталей ГТД из конструкционной стали 16ХЗНВФМБ-Ш с использованием эффекта полого катода [текст] / К.Н. Рамазанов, Ю.Г. Хусаинов, И.С. Рамазанов, И.В. Золотов // ХП Королевские чтения: международная молодежная научная конференция. - Самара, 2013.- Т.1. - С. 216-217.

10. Рамазанов, К Л. Исследование физических процессов в плазме тлеющего разряда в условиях проявления эффекта полого катода [текст] / К.Н. Рамазанов, И.В. Золотов, Ю.Г. Хусаинов // Вакуумная наука и техника: материалы юбилейной научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов. -Москва, 2013. - С. 161-165.

11. Рамазанов, К.Н. Создание макронеоднородных структур на поверхности конструкционных материалов в тлеющем разряде с эффектом полого катода [текст] / К.Н. Рамазанов, Ю.Г. Хусаинов // Сборник материалов зимней школы аспирантов. - Уфа, 2012. - С. 349-351.

12. Будилов, В.В. Локальное ионное азотирование с эффектом полого катода конструкционных сталей 16ХЗНВФМБ-Ш и 38ХМЮА [текст] / Будилов В.В., К.Н. Рамазанов, Ю.Г. Хусаинов // Вакуумная наука и техника: материалы XXI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов. - Москва, 2014. - С. 140-144.

13. Рамазанов, К.Н. Диагностика плазмы тлеющего разряда в условиях проявления эффекта полого катода [текст] / К.Н. Рамазайов, И.В. Золотов, И.С. Рамазанов, Ю.Г. Хусаинов // Физика низкотемпературной плазмы: материалы всероссийской конференции с международным участием. - Казань, 2014 - С. 247-250.

Хусаинов Юлдаш Гамирович

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ, ФАЗОВОГО СОСТАВА И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЕЙ 16ХЗНВФМБ-Ш И 38ХМЮА ПРИ ЛОКАЛЬНОМ АЗОТИРОВАНИИ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ С ПОЛЫМ КАТОДОМ

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 03.07.2015. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Тайме. Усл. печ.л. 1,0. Усл.кр.-отг. 1,0. Уч.-изд. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 410.

ФГБОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Редакционно-издательский комплекс УГАТУ 450000, Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12

'5 83JI

2015674625

2015674625