автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Улучшение свойств материала за счет усовершенствования процесса пароксидирования

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Г'» м

На правах рукопису

0>' ^

/

Комарова Ганна Леонідівна

УДК 621. 9 047. 7/785.5

ПОЛІПШЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ МАТЕРІАЛУ ЗА РАХУНОК ВДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСУ ПАРООКСИДУВАННЯ

Спеціальність 05. 02. 01 - «Матеріалознавство»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків - 2000

Дисертацією с рукопис.

. Робота виконана у Харківському державному автомобільно-дорожньому університеті Міністерства науки та освіти України.

Науковий керівник

Тимофеева Лариса Андріївна,

доктор технічних наук, старший науковий співробітник,

Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет.

доктор технічних наук, професор, зав. відділом,

Український фізико-технічний інститут НАН Україии, м. Харків.

Афанасьева Ольга Валентинівна, кандидат технічних наук, старший викладач

Харківський військовий університет.

Інститут монокристалів НАН України, м. Харків.

Офіційні опоненти:

Змій Віктор Іванович,

Провідна установа

годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.05301 у Харківському державному автомобільно-дорожньому технічному університеті за адресою: 61002 м. Харків ГСП, вул. Петровського, 25

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету за адресою: 61002 м. Харків, вул. Петровського, 25

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент —‘ О.В Космін

Актуальність роботи. За теперішнього часу у зарубіжній та вітчизняній практиці розроблено ряд методів підвищення триботехнічних властивостей матеріалів: таких як зносостійкість, стійкість до задирів, значення коефиціснта тертя, здатність прироблятися.

Особливу увагу’ в Україні та за кордоном приділяють тим метолам та способам, які забезпечують не тільки досягнення заданих властивостей, але й гарантують екологічну чистоту технологічного процесу.

Серед сучасних методів термохімічної дії на залізовуглецеві сплави найбільш екологічно чистим кінцевим процесом є парооксидування. Під час цього процесу як насичувальне середовище використовують перегріту водяну пару. Однак парооксидування не знайшло належного застосування у промисловості із-за обмеження температурних параметрів.

Сьогодні не розроблені технологічні параметри процесу у діапазоні температур, нижчих ніж 600°С, які забезпечували б підвищення триботехнічних властивостей.

У з’ вязку з цим задача удосконалення процесу парооксидування та широке його використання як екологічно чистого, продуктивного, ресурсозберігаючого методу є актуальною.

Зв’ язвк роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження, які проводилися, спрямовані на вирішення наукових проблем, що розроблюються Харківським державним автомобільно-дорожнім технічним університетом відповідно до наказу Міннауки України від 17.01. 97 № 72 за темою « Дослідження змін фазового складу та

валентно-енергетичного стану елементів композиційних покриттів шпинельного типу при радіаційному, термічному та механічному впливах». Ця тема є складовою частиною фундаментальних досліджень, які проводяться Міннаукою України в галузі « Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології».

Мстою та завданням дослідження є удосконалення процесу парооксидування для інтенсифікації та розширення функціональних можливостей його використання.

Для досягнення поставленої мети треба було вирішити такі завдання:

- вибрати спосіб інтенсифікації процесу парооксидування;

- розробити фізичну модель удосконаленого процесу та провести математичний аналіз впливу елекіричного поля на фізико-хімічні процеси, що відбуваються на межі метал-насичувальне середовище;

- розробити науково обгрунтований принцип вибору оптимальних параметрів процесу парооксидування у поєднанні з дією електричного поля;

- розробити та виготовити лабораторну установку для обробки виробів у середовищі перегрітої пари з накладанням електричного поля;

- розробити технологічний процес парооксидування з накладанням електричного поля;

- дослідити вплив електричного поля на триботехнічні властивості виробів.

Наукова новизна одержаних результатів підтверджується

авторським свідоцтвом на винахід і полягас у наступному:

- запропоновано механізм, що пояснюює інтенсифікацію процесу та управління зміною фазового та елементного складу при накладанні електричного поля;

- розроблено фізичну модель процесу та проведено математичний аналіз впливу електричного поля на фізико-хімічні процеси, що відбуваються на межі метап-насичувальне середовище;

- встановлено закономірності впливу електричного поля на фазовий та елементний склад і на триботехнічні характеристики оксидних покриттів;

- науково обгрунтовано розширення температурних параметрів процесу парооксидування. Встановлено, що застосування електричного поля дозволяє знизити температуру парооксидування виробів до 450° С.

Практичне значення роботи полягас у тому, їло проведені дослідження дозволили:

- удосконалити та інтенсифікувати метод парооксидування за рахунок накладання електричного поля;

- розширити діапазон робочих температур процесу парооксидування та функціональних можливостей його використання;

- розробити дослідно-промислову установку для обробки виробів із залізовуглецевих сплавів у середовищі перегрітої пари під дією електричного поля;

- встановлено, що одержана оксидна плівка мас кращі триботехнічні характеристики ніж оксидна плівка, яка отримана парооксидуванням при температурі 600° С без застосування електричного поля.

Особистий внесок здобувана.

При виконанні дисертаційного дослідження особисто здобувачем:

- досліджено вплив електричного поля на стан насичувального середовища, оксид та межу їх розподілу;

- виготовлено експериментальну установку;

- розроблено технологію нанесення покриттів на сплави заліза у атмосфері перегрітої пари з накладанням електричного поля;

- визначено оптимальні параметри процесу;

з

- розроблено фізичну модель процесу та проведено математичний аналіз впливу електричного поля на фізико-хімічні процеси, що відбуваються на межі метап-насичувальне середовище.

Апробація роботи. Основні результати дисертації були представлені, доповідалися та обговорювалися на:

- міжнародній науково-технічній конференції «Вопросы

проектирования и эксплуатации технических систем металлургии, машиностроения и строительства». - Россия, Старый Оскол, сентябрь 1999;

- міжнародній науково-технічній конференції «Технология ремонта машин, механизмов и оборудования». - Алушта, май 1999;

- міжнародній науково-технічній конференції «Современные материалы, технологии, оборудование и инструменты в машиностроении». -Киев, апрель 1999.

Публікації. Основні результата наукових досліджень по дисертаційній роботі опубліковані в трьох статтях у збірниках наукових праць одержано один патент України.

Структура та об’єм роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку літератури із 116 найменувань.

Дисертаційну роботу викладено на 140 сторінках тексту, в тому числі 34 рисунки (33 сторінки) та 8 таблиць.

Основний зміст роботи

Текст роботи містить основні результати дисертаційного дослідження.

У вступі обгрунтовано актуальність проблеми, сформульовано .мету та завдання дослідження, наведено основні наукові результати, одержані автором, показано їх практичне значення.

У першому розділі проаналізовано механізм окислення залізовуглецевих сплавів при парооксидуванні та сучасні методи обробки виробів під дією електричного поля.

Зниження температури парооксидувашія до 450° С та одержання при цьому за короткий час (1 година) оксидних покриттів необхідної товщини та з певними триботехнічними характеристиками, можливе за рахунок інтенсифікації процесу за допомогою електричного поля.

Показано, що електричне поле неоднозначно впливає на формування оксидних покриттів.

У одних випадках електричне поле інтенсифікує створення оксидних покриттів, у інших - уповільнює і навіть може руйнувати поверхню покриття.

Цей факт свідчить, що для різних насичувальних середовищ, їх фізичного стану, геометрії поверхні виробу існують свої оптимальні параметри електричного поля, що забезпечують інтенсифікацію процесу утворення покриття.

У відомих методах, в яких використовують електричне поле, щоб інтенсифікувати процес, насичувальне середовище, яке знаходиться під низьким тиском, за допомогою електричного поля переводять в стан плазми. При цьому воно сильно (порівняно з тепловою енергіею) підвищує енергію направленого руху іонів насичувального середовища і практично безпосередньо не впливає на потоки іонів в оксидному покритті.

При парооксидуванні цей підхід не придатний, оскільки насичувальне середовище (перегріта пара) знаходиться під тиском, що незначно перевищує атмосферний. Щоб інтенсифікувати процес парооксидування, необхідно використати більш високі рівні енергії електричного поля, при яких дія електричного поля на потоки іонів у оксидному покритті буде більшою, ніж дія теплової енергії на такі ж процеси.

На основі розглянутого сформульовано задачі дисертаційного дослідження.

У другому розділі обгрунтовано вибір досліджуваних матеріалів і методів дослідження структури оксидного покриття, його триботехнічних параметрів;

описано установку для обробки виробів з залізовуглецевих сплавів у середовищі перегрітої пари з накладенням електричного поля.

Об’єктами дослідження було вибрано вуглецеві сталі 20 та 45. Промислові випробування проводилися на сталі Х12.

Насичувальним середовищем було вибрано: повітря (найпростіша модель), перегріту пару та перегріту пару водяного розчину солі NaCl (більш складна модель).

Дослідження морфології та хімічного складу покриттів проводилося за методом скануючої електронної мікроскопії з рентгенівським мікроаналізом на електронному мікроскопі ISM - 820 з системою енергодисперсійного рентгеноспектрального мікроаналізу Link AN 101859.

Дослідження фазового складу отриманих оксидних покриттів здійснювалось методом дифракції рентгенівського випромінювання на їхніх кристалічних решітках за допомогою дифрактометра ДРОН - 3.

Дослідження триботехнічних параметрів оксидного покриття проводилося на машині тертя СМЦ - 2 за схемою диск-колодка. Випробування проводились як в умовах сухого, так і в умовах граничного тертя.

Відтворюваність експериментальних даних було оцінено за критерієм Кохрена. Адекватність теоретичних і експериментальних даних доведено за допомогою критерія Стьюдента нарівні 95 % вірогідності.

Розроблено дослідно-промислову установку для обробки металевих виробів у середовиші перегрітої пари з накладанням електричного поля з напруженістю від 0 доЗ-ІО6 В/м. Установка складається з печі для хіміко-тсрмічної обробки, яка містить футеровану камеру з кришкою з розташованими у ії середині нагрівальними елементами та реторту, яку встановлено на підставку з розташованим усередині металевим виробом. Установка також має термопару, паропровід, розпилювач пари та магістраль її відводу. В кришці камери встановлено ізольований від неї електрод, який одним кінцем з’єднаний через вимірювальні прилади з джерелом електричної напруги, а другим - з провідником усередині реторти. На електроді закріплюється виріб, на який наноситься покриття.

Електричне поле в цьому пристрої утворюється у просторі між металевим виробом та металевим корпусом реторти. У цьому ж просторі розпилюється перегріта пара.

У третьому розділі досліджується вплив електричного поля на фізико-хімічні процеси, які відбуваються у насичувальному середовищі, оксиді та на межі їх поділу у процесі формування оксидного покриття.

Насичувальне середовище є газом, який складається з перегрітих парів. Під дією температур та електричного поля у насичувальному середовищі виникають процеси іонізації та дисоціації. В результаті їх у насичувальному середовищі утворюються іони кисню. Електричне поле надає їм додаткову енергію направленого руху

УУ^д-ЕЛ, (1)

де я - заряд іона; Е - напруженість електричного поля; X - довжина вільного пробігу іона.

Методика вимірювання струму, який проходить крізь насичувальне середовище та вироби, така: плоский конденсатор, що складається з металевих пластин, підключений до електричного ланцюга експериментальної установки, помішувався у піч. Одночасно у піч надходила перегріта пара. Температура у печі реєструвалася за допомогою термопари, а елеюричний струм - мікроамперметра.

Результати дослідження залежності сили електричного струму, що проходить крізь насичувальне середовище у процесі нанесення оксидного покриття, від часу представлені на рис. 1.

І, мкА.....................................■----------

270

180

90

0 ЗО 60 90 х, хвил.

1 -повітря; 2 - водяна пара, З -Н20 (97%) +№С1 (3 %);

температура 450° С.

• Рисунок 1 - Залежність сили електричного струму від часу у процесі нанесення оксидного покриття.

У перші 15 хвилин обробки виробу, сила струму зростає, бо в цей час відбувається підвищення температури насичувального середовища та виробу до 450°С. Після цього в процесі збільшення товщини покриття його електричний опір зростає, а сила струму зменшується.

Дослідження залежності сили струму від температури дозволило визначити концентрацію іонів кисню у насичувапьному середовищі.

Концентрація іонів кисню у насичувапьному середовищі може бути визначена за допомогою формули Ленгмюра-Саха, до якої внесено додатковий множник, що ураховує вплив електричного поля на процес іонізації:

П. Ч. кТ

де па - концентрація атомів у насичувальному середовищі; q¡, qa -питома вага відповідно іонного та атомного станів; А, - робота виходу електрона з металу; 0 - енергія електронної спорідненості до атома; \¥ -енергія, яку набуває іон у електричному полі; к - постійна Больцмана; Т -температура.

Підключення позитивного потенціалу електричного поля на виріб з залізовуглецевого сплаву при парооксидуванні дозволяє:

-підвищити концентрацію іонів кисню у насичувальному середовищі; -забезпечити направлений рух іонів кисню і тим самим збільшити їх кількість, яка досягає поверхні виробу;

-підвищити енергію іонів кисню, які активізують вихід атомів з поверхні заліза, внаслідок чого підвищується концентрація вакансій; -інтенсифікувати дифузійні процеси у оксидному покритті.

Сумарний потік іонів заліза, обумовлений законом Фіка та Кулона у оксидному шарі, можна знайти за допомогою рівняння

(3)

де О].,, - коефіцієнт дифузії іонів заліза; сіпі/сіх - градієнт концентрації іонів заліза у оксиді; П| - концентрація іонів заліза в оксиді; q! - заряд іона заліза; к - постійна Больцмана; Т - температура; є - діелектрична постійна оксиду; Е - напруженість електричного поля.

Сумарний потік іонів кисню у оксиді визначається за допомогою цього ж рівняння з підстановкою відповідних даних для кисню.

Вплив електричного поля на дифузійні процеси в оксиді є суттєвим у тому разі, якщо потік іонів, обумовлений електричним полем, буде більшим, чим потік іонів, обумовлений явищем дифузії. Ця умова, з урахуванням рівняння (3), дає таку нерівність для мінімального значення напруженості електричного поля

Е>І(4) л,<7] ах

З цієї нерівності виходить, що електричне поле суттєво впливає на

процес нанесення покриття на сплави заліза у середовищі перегрітої пари

при напруженості електричного поля більше ніж 106 В/м. Максимальне значення напруженості електричного поля обмежене електричним пробоєм

насичувального середовища і становить 2, 5 106 В/м при температурі 450°С.

Результати дослідження товщини оксидного шару, сформованого у різних насичувальних середовищах на виробах із сталі 20 у залежності від напруженості електричного поля, наведено на рис. 2.

1 - водяна пара; 2 - повітря; 3 -НгО (97%) +ЫаС1 (3 %); час видержки 1 год.; температура - 450° С.

Рисунок 2 - Залежність товщини оксидного шару від напруженості електричного поля

Товщину оксидного шару, сформованого на поверхні сталі 20 у атмосфері перегрітої пари з накладанням електричного поля у залежності від температури, наведено на рис. 3.

1 - напруженість електричного поля: Е = 2-Ю6 В/м;

2 - електричне поле відсутнє; час витримки 1 година.

Рис. З Залежність товщини оксидного шару від температури при обробці

у водяній парі

Застосування електричного поля при парооксидуванні виробів із залізовуглецевих сплавів не тільки інтенсифікус процес, але й впливає на морфологію, відсоткове співвідношення окисних фаз та елементний склад оксидного покриття.

Використання електричного поля (позитивний потенціал на виробі) при парооксидуванні підвищує відсотковий склад кисню у оксидному шарі та змінює кількісне співвідношення фаз у відповідності до діаграми стану залізо-кисень.

Дослідження фазового складу оксидних плівок показує, що вони складаються з Ре203 та Рс-,0.і.

Фазовий склад оксидних плівок, одержаних при конкретних параметрах обробки, приведено у табл. І.

Найсильніший вплив електричного поля на кількісне розподілення оксидних фаз спостерігається при низьких температурах обробки виробів. Із зростанням температури обробки цей вплив уповільнюється. Оксидне покриття, що одержана парооксидуванням виробів з сталі 20 при температурі 450° С, має такий склад: без застосування електричного поля -гематит 7 %, магнетит 93 %, з застосуванням - гематит 15 %, магнетит 85 %. Оксидна плівка, що одержана при температурі 600і’ С без застосування електричного поля, складається з гематиту (10 %), магнетиту (57 %), вюститу (35 %), а з застосуванням - гематиту (12%), магнетиту (56 %), ігюститу (32%).

Застосування електричного поля при парооксидуванні залізовуглецевих сплавів впливає на морфологію покриттів. Оксидний шар стає більш дисперсним та більш щільним. Це обумовлюється проходженням електричного струму через шар гематиту. Гематит є діелектриком, який має питомий опір 5106 Омм. Дія електричного поля сприяє накопичуванню вільних зарядів на поверхні діелектрика (гематиту). Ці заряди викликають електричні мікропробої в тонкому шарі гематиту та утворення струму.

У четвертому розділі описано розроблений технологічний процес нанесення покриття на залізовуглецеві сплави у атмосфері перегрітої пари з накладанням електричного поля, визначено його оптимальні параметри. Досліджено триботехнічні параметри одержаних оксидних покриттів на сталі 45. Промислові дослідження проведено на сталі XI2.

Процес нанесення покриття на поверхню металевого виробу в атмосфері перегрітої пари з накладанням електричного поля залежить від температури, часу обробки, напруженості електричного поля та полярності потенціалу, який подано на виріб.

Розроблену схему технологічного процесу наведено на рис. 4. Параметри технологічного процесу:

напруженість електричного поля - 2 106 В/м (позитивний потенціал на виріб), температура - 450" С, час видержки -1 година.

Результати порівняльних випробувань триботехнічних характеристик оксидних покриттів, одержаних на виробах із сталі 45 у середовищі перегрітої пари з застосуванням та без застосування електричного поля, приведені у табл 1.

Схема випробувань диск - колодка, диск - сталь 45; колодка - сталь 45. Сталь парооксидована.

Умови випробувань: швидкість ковзання -1,04 м/с; навантаження -500 Н; мастило - масло індустріальне 20А.

1 - прогрівання печі; 2 - завантаження виробів; 3 - вихід на

робочий режим; 4 - обробка у робочому режимі; 5 - охолодження у перегрітій парі; 6 - охолодження на повітрі;

А- подача позитивного потенціалу на виріб та подача перегрітої пари;

В - припинення подачі перегрітої пари та відключення напруженості від виробу.

Рисунок 4 - Схема технологічного процесу нанесення оксидного покриття з накладанням електричного поля

Порівняльний аналіз результатів досліджень свідчить про те, що оксидні покриття, утворені на виробах із сплавів заліза у середовищі перегрітої пари з накладанням електричного поля при температурі 450° С, мають вищі триботехнічні характеристики, ніж оксидні покриття, одержані звичайним парооксидуванням при температурі 600° С.

Результати вивчення впливу електричного поля на процес парооксидування деталей з залізовуглецевих сплавів дозволили з одного

боку знизити температуру цього процесу, а з другого - збільшити швидкість формування покриттів у чотири рази при температурі 450" С.

Таблиця 1- Триботехнічні параметри покриттів

Параметри обробки Насич. серед Фазовий склад Тов- щина, мкм Триботехнічні параметри

т, °С Т ХВ. Е, В/м Сум. знос, мг Задирк. 11 Здат. прнр. хв. Коеф. тертя

600 60 0 перегріта пара в юстит - 35% магнстит-55% гематит - 10 % 2,1 3,3 0,6 3,7 1500 80 0,1

450 60 2-Ю6 перегріта пара магнетит*85% гематит • 15 % 3,4 '0,6 3,3 1600 70 0,08

Застосування цієї технології дає можливість розширити діапазон деталей, що обробляються та рекомендувати її для парооксидування не тільки виробів після гартування та високого відпуску, але й після гартування та низького відпуску. При цьому, як показано у табл. 1, триботехнічні властивості покриттів поліпшуються.

Кращі триботехнічні параметри оксидного покриття, одержані з застосуванням електричного поля, у порівнянні з такими ж параметрами оксидного покриття, одержаного без застосування електричного поля, пояснюються зміною дисперсності оксидного покриття.

Результати дослідження залежності сумарного зносу оксидного покриття від напруженості електричного поля наведено на рис. 5.

Рисунок 5 - Залежність сумарного зносу від напруженості електричного поля

Хід кривої, наведеної на рис. 5 , показує, що електричне поле почииає суттєво впливати на зниження зносу формування оксидного покриття при напруженості електричного поля понад 106 В/м. Н

Результати досліджень, які наведені на рис. 5 та 2, підтверджують, що сумарний знос зменшується коли товщина оксидного шару стає більше 2 мкм (див. рис. 2). При товщині шару оксиду 4-6 мкм знос зменшується майже в 2 рази.

В результаті застосування нових технологій нанесення покриттів підвищилися експлуатаційні характеристики виробів.

Результати роботи пройшли випробування на дослідно-промисловому виробництві Харківського Інституту машин та систем.

Економічний ефект складає 100 тис гри. на рік.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1 Аналіз існуючих методів нанесення оксидних покриттів показує, що пошук способів інтенсифікації процесу парооксидування і розширення температурних границь його застосування є актуальним. Встановлено, що інтенсифікація пронесу нанесення оксидного покриття на вироби за відомими методами, де використовується електричне поле, не може бути здійснена при парооксидуванні. Це обумовлено тим, що при парооксидуванні перегріта пара знаходиться під надмірним атмосферним тиском.

2 Проведений аналіз механізмів окислення залізовуглецевих сплавів при парооксидуванні дозволив встановити, що протікання фізико-хімічних явищ, які використовуються у екологічно чистому методі - парооксидуванні, може бути інтенсифіковане електричним полем.

3 Досліджено вплив електричного поля на перегріту пару. Встановлено, що електричне поле підвищує концентрацію іонів кисню у перегрітій парі, підвищує енергію їх направленого руху, внаслідок чого збільшується кількість іонів кисню, які досягають поверхні металу. Це дає можливість керування процесом зміни фазового та елементного складу оксидів.

4 Розроблено фізичну модель формування покриття у середовищі перегрітої пари з накладанням електричного поля. Фізична модель пояснює прискорення дифузійних процесів та можливість зниження температури. Проведено математичний аналіз залежності товщини оксидного покриття від різних технологічних параметрів. Встановлено, що товщина оксидного покриття лінійно зростає із підвищенням напруженості електричного поля.

5 Визначено умови оптимального впливу електричного поля на фізико-хімічні процеси при формуванні покриттів. Встановлено граничні значення

напруженості електричного поля. Нижнє значення позначається тим, що потік іонів, обумовлений дією електричного поля повинен бути більшим ніж потік іонів, обумовлений явищем дифузії. Верхня межа значень напруженості визначається електричним пробоєм насичувального середовища.

6 Виявлено кількісні закономірності кінетики формування покриттів у середовищі перегрітої пари з накладанням електричного поля. Електричне поле з напруженістю 2106 В/м у 4 рази підвищує швидкість формування покриттів при температурі 450° С; формування покриття припиняється при температурі 330° С.

7 Показано, що застосування електричного поля дозволяє знизити температуру формування оксидних покриттів у середовищі перегрітої пари до 450 0 С. Внаслідок цього розширюється температурний діапазон нанесення покриттів, який дозволяє застосовувати удосконалений метод парооксидування не тільки для виробів, які піддаються гартуванню та високому відпуску, але і для виробів після гартування та середнього відпуску.

8 Розроблено технологічний процес, який дозволяє наносити оксидні покриття на різні вироби з залізовуглецевих сплавів у середовищі перегрітої пари з накладанням електричного поля.

9 Встановлено вплив електричного поля на хімічний, фазовий склади, морфологію та триботехнічні характеристики оксидного покриття. Електричне поле підвищує концентрацію кисню у оксидному покритті. Оксидне покриття стає більш дисперсне, більш щільне. Застосування електричного поля при парооксидуванні зменшує сумарний знос, здатність прироблятися, знижує коефіцієнт тертя оксидного покриття та збільшує її стійкість до задирів.

Основні матеріали дисертації опубліковано в роботах

Механизм окисления железа под воздействием электрического поля / Л.А. Тимофеева, Л.А. Солнцев, А.Л. Комарова и др. // Вестник ХГАДТУ. -Вып. 7, 1998.-С. 46-49.

Комарова А.Л. Концентрация ионов при оксилегировании под воздействием электрического поля // Вестник ХГАДТУ. - Вып. 8, 1999. С. 76-78.

Комарова А.Л. Исследование влияния электрического поля на процесс парооксидирования изделий из железоуглеродистых сплавов // ХГТТУ. -Вып. 78, 2000. - С. 40-45.

Пат. № 25737А от 30.10.98 Україна, Тимофеева Л.А., Солнцев Л.О., Комарова Г.Л.. Мартнненко Л.Г. Спосіб нанесення поверхневого шару на вироби з металів та пристрій для його здійснення.

АНОТАЦІЯ

Комарова Г.Л. Поліпшення властивостей матеріалу за рахунок вдосконалення процесу парооксидування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, Харків, 2000.

Дисертацію присвячено удосконаленню процесу парооксидування за допомогою електричного поля для поліпшення триботехнічних якостей виробів з залізовуглецевих сплавів.

В роботі досліджено вплив електричного поля на процес нанесення оксидної плівки на вироби з залізовуглецевих сплавів при парооксидуванні.

Досліджено вплив електричного поля на хімічний, фазовий склади, морфологію та триботехнічні характеристики одержаного оксидного покриття.

Показано, що застосування електричного поля напруженістю 2 10е В/м при парооксидуванні інтенсифікує процес у чотири рази, дозволяє знизити температуру обробки до 450° С, підвищує концентрацію кисню у оксидному покритті, оксидне покриття стає більш дисперсним, більш щільним. В результаті цього зменшується сумарний знос, здатність прироблятися, знижується коефіцієнт терття оксидного покриття та збільшується її задиркостійкість.

Оксидні покриття, які були сформовані на виробах з залізовуглецевих сплавів у середовищі перегрітої пари з накладанням електричного поля при температурі 450° С, мають кращі триботехнічні характеристики, ніж оксидні покриття, одержані звичайним парооксидуванням при температурі 600° С.

Застосування цієї технології дає можливість розширити асортимент деталей, що обробляються та рекомендувати її для парооксидування не тільки виробів після гартування та високого відпуску, але й після гартування

і низького відпуску.

Ключові слова: сплави заліза, оксидні покриття, парооксидування, електричне поле, триботехнічні характеристики.

The abstract

A.L.Komarova. Improvement of materials properties at expense of the vapour-oxydation refinement. - Manuscript.

The thesis in competition for scientific degree of the Candidate of Technical Science in a speciality 05.02.01 - Materials technology. - The Kharkov State Automobile and Highway Technical University. Kharkov, 2000.

The thesis is devoted to the vapour-oxydations refinement through an electrical field for tribotechnical properties of articles of duble-humped iron-carbon alloys improvement.

The influence of an electrical field on the oxide film deposition to articles of iron alloys at the vapour-oxydation is researched in thesis. The influence of an electrical field on element phase structure, morphology and tribotechnical characteristics of the obtained oxide film is investigated.

Is shown the application of an electrical field by strength 2-Ю6 V/m at the vapour-oxydation intensifies the process four times and allows to lower treatment temperature up to 450° C, increases oxygen density in an oxide film. The film becomes more dispersible and dense. As a result the total wear and the wearing-in decreases, the friction coefficient of the oxide film is reduced and its scuffing resistance is increased.

The oxide film generated on articles from duble-humped iron-carbon alloys in the overheated vapour atmosphere with application of an electrical field at temperature 450° С has the best tribotechnical characteristics than oxide film obtained usual the vapour-oxydation at temperature 600° C.

In result the refine the vapour-oxydation method can be used not only for articles are exposed to thermal processing: to quenching temper high tempering, but also for details after quenching temper mean tempering.

Key words: iron alloys, oxide film, vapour-oxydation, electrical field, tribotechnical properties.

Аннотация

Комарова АЛ. Улучшение свойств материала за счет усовершенствования процесса парооксидирования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. - Харьковский

государственный автомобильно-дорожный технический университет. Харьков. 2000.

Диссертация посвящена усовершенствованию процесса парооксидирования при помощи электрического поля для улучшения триботехнических свойств изделий из железоуглеродистых сплавов.

В работе исследовано влияние электрического поля на процесс нанесения оксидных покрытий на изделия из железоуглеродистых сплавов при парооксидировании

Разработана физическая модель формирования покрытия в среде перегретого пара с наложением электрического поля. Проведен математический анализ зависимости толщины оксидного покрытия от различных технологических параметров. Установлено, что толщина оксидного покрытия линейно зависит от напряженности электрического поля в диапазоне от 0 до 2 106 В/м.

Предложен метод определения оптимального влияния электрического поля на процесс парооксидирования. Установлено, что электрическое поле существенно влияет на процесс парооксидирования, когда воздействие электрического поля на потоки ионов в оксидном слое становится больше, чем тепловая енергия на эти же потоки.

Разработана опытно-промышленная установка для обработки изделий из сплавов железа в среде перегретого пара с наложением электрического поля напряженностью от 0 до 3 106 В/м.

В качестве модельных объектов исследования были выбраны сталь 20 и сталь 45. В качестве насыщающей среды использовались: воздух, перегретый пар и перегретый пар водного раствора соли ИаС1.

Исследовано влияние электрического поля на состояние насыщающей среды. Установлено, что электрическое поле повышает концентрацию ионов кислорода в насыщающей среде, увеличивает энергию их направленного движения.

Определены количественные закономерности кинетики формирования покрытий в среде перегретого пара с наложением электрического поля. Электрическое поле с напряженностью 2 106 В/м в четыре раза увеличивает скорость формирования покрытия при температуре 450° С.

Применение электрического поля (положительный потенциал на изделии) при парооксидировании увеличивает процентный состав кислорода в оксидном покрытии и изменяет количественное соотношение оксидных фаз, в соответствии с диаграммой состояния железо-кислород.

Оксидные покрытия, полученные при помощи парооксидирования железо-углеродистых сплавов с наложением электрического поля, состоят из магнетита и гематита. Электрическое поле наиболее сильно влияет на количественное распределение окисных фаз при низких температурах обработки (450" С). С увеличением температуры это влияние ослабевает.

Применение электрического поля при парооксидировании железоуглеродистых сплавов влияет на морфологию покрытия. Оксидное покрытие становится более дисперсным и более плотным. Это объясняется возникновением в наружном слое оксидного покрытия (гематите) электрических микропробоев.

Разработан технологический процесс, позволяющий расширить диапазон обрабатываемых изделий и рекомендовать его для парооксидирования деталей не только после закалки и высокого отпуска, но н после закалки и низкого отпуска.

Основные параметры процесса: напряженность электрического поля

2 106 В/м (положительный потенциал па изделии), температура обработки 450° С, время выдержки 1 час.

Оксидные покрытия, сформированные на изделиях из железоуглеродистых сплавов в среде перегретого пара с наложением электрического поля при температуре 150" С , имеют лучшие триботехнические характеристики, чем оксидные покрытия, полученные обычным парооксидированием при темперетуре 600° С.

Исследовано влияние электрического поля применяемого при парооксидировании, на триботехнические свойства полученных оксидных покрытий. Электрическое поле начинает существенно улучшать триботехнические характеристики оксидного покрытия при напряженностях больше чем 105 В/м.

Усовершенствование процесса парооксидирования при помощи электрического поля позволило повысить эксплуатационные характеристики изделий.

Ключевые слова: сплавы железа, оксидные покрытия,

парооксидирование, электрическое поле, триботехнические свойства.