18_Kaplun.doc Дослідження впливу технологічних параметрів процесу зміцнення металів методом карбоазотування в тліючому розряді ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 117 Каплун В.Г., Паршенко К.А., Паршенко А.В. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ПРОЦЕСУ ЗМІЦНЕННЯ МЕТАЛІВ МЕТОДОМ КАРБОАЗОТУВАННЯ В ТЛІЮЧОМУ РОЗРЯДІ НА ЗНОСОСТІЙКІСТЬ Важливе значення у забезпеченні високого темпу зростання продуктивності праці і ефективності використання виробничого обладнання має створення і впровадження нових технологій виробництва та нових методів обробки деталей та інструменту. Одним з найбільш ефективних методів поверхневого зміцнення деталей та інструменту є дифу- зійні процеси хіміко-термічної обробки в рідких, газових і твердих вуглецевих та азотних середовищах. Для оцінки ефективності методу хіміко-термічної обробки особливо важливі такі характеристики як тех- нологічність, оперативність, простота устаткування, температура та час процесу, економічність, надій- ність результатів, екологічна чистота процесу. Хіміко-термічну обробку застосовують для деталей та ін- струменту, які підлягають інтенсивному зношуванню, корозії і знакозмінним напруженням. Для виробів, які працюють в умовах контактного тертя, важливе значення має точність розмірів після хіміко- термічної обробки і кращим є той метод зміцнення, після якого не потрібна механічна обробка. Висока міцність і точність розмірів деталей - важлива умова, яка забезпечує високу якість, надійність і довговіч- ність устаткування, машин, механізмів і пристроїв. Для підвищення якості виробництва машинобудування важливе значення мають дифузійні ме- тоди карбонітридного зміцнення стальних виробів: процеси обробки в розплавах нетоксичних солей - ка- рбонітрація, процес нітроцементації, а також процеси карбонітридного зміцнення з використанням тлію- чого розряду. Карбоазотування в тліючому розряді – це процес одночасного насичення поверхні металу азотом і вуглецем при низьких температурах (від 500 °C до 600 °C). Результати деяких досліджень щодо цього процесу наведені в роботах [1, 2]. В цих роботах одночасне насичення металу вуглецем і азотом розгля- далося не як самостійний метод поверхневого зміцнення, а досліджувався вплив вуглецю на структуру і властивості азотованих шарів при гартуванні в аміачній плазмі з добавками газів, що містять вуглець. В роботі [1] встановлено, що при азотуванні в аміачній плазмі з добавками пропану, утворюється шар із розвинутою карбонітридною поверхневою зоною, яка міститься в зоні внутрішнього азотування карбонітридну сітку по межах аустенітних зерен. При чому, введення в аміачну плазму пропану зменшує швидкість утворення зони внутрішнього азотування. Залежність товщини карбонітридної зони [ ])(32 NCFe − від концентрації цементуючого газу, наприклад, пропану, носить екстремальний характер. Максимальний розвиток карбонітридна зона отри- мує при вмісту пропану в суміші від 8 % до 12 %. При цьому її товщина в 1,5 рази більша глибини нітри- дної зони, яку отримують при азотуванні в аміачній плазмі. При вмісті пропану біля 40 % подавляється ріст азотованого шару, очевидно, внаслідок утворення на поверхні карбонітридної або карбографітної плівки [1]. В роботі [1], також досліджували зносостійкість сталі 38Х2НЮА, азотованої при 520 °C і 650 °C на протязі 1,3 год в аміаці і в сумішах аміаку з пропаном і аргоном. Крім того, були проведені комбіно- вані процеси по двохстадійній схемі: на першій стадії (1,5 год) на поверхні сталі утворювалась зона внутрішнього азотування при обробці в аміачно − аргонній (10 % аміаку + 90 % аргону) плазмі, а на дру- гій стадії (1,5 год) утворювалась карбонітридна зона на базі ε − карбонітриду [ ])(32 NCFe − . Авторами встановлено, що введення в аміачну плазму пропану, дозволяє додатково підвищувати зносостійкість азотованої поверхні (крива 3) за рахунок утворення карбонітридної ε − фази [1]. Додатковим резервом підвищення властивостей поверхневих шарів азотованих сталей являється застосування комбінованих процесів [1, 2]: І стадія – утворення зони внутрішнього азотування по режи- му катодного розпилення в плазмі аргону (від 85 % до 95 %) і аміаку (від 5 % до 15 %); ІІ стадія – наве- дення на поверхні дифузійного шару карбонітридної зони в плазмі аміаку (90 %) і пропану (10 %) при оптимальному тиску. Такі режими дозволяють інтенсифікувати насичення і забезпечують отримання ма- ксимальної зносостійкості [2]. Таким чином, аналіз літературних джерел показує, що питання дослідження впливу технологіч- них параметрів карбоазотування в тліючому розряд на зносостійкість матеріалів до кінця не вивчене і є актуальним. Технологічні параметри процесу карбоазотування в тліючому розряді значно впливають на фізи- ко–механічні характеристики, структуру, фазовий склад і зносостійкість карбонітрідного шару, тому ви- вчення цього впливу є важливим завданням. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Дослідження впливу технологічних параметрів процесу зміцнення металів методом карбоазотування в тліючому розряді ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 118 Дослідження проводилися на інструментальних сталях марок У8 та ХВГ. Завданням досліджень було визначення залежності характеристик карбоазотованого шару (глибини, твердості, структури, фазо- вого і хімічного складу) від основних параметрів технологічного процесу (тиску, складу насичуючого середовища, температури і тривалості процесу). У якості робочих газів застосовувалися суміші азоту і аргону (75 % 2N + 25 % Ar ) і пропану 83HC , температура насичення змінювалася від 480 ºС до 600 ºС, тиск газової суміші в процесі дифузійного насичення – від 80 Па до 400 Па, тривалість процесу – від 20 хв до 240 хв. В процесі дослідження використовувалися методи металографії, рентген-структурного і хімічно- го аналізів, в результаті застосування яких визначалися наступні характеристики карбоазотованого шару: структура і товщина із застосуванням мікроскопів ММР–2Р, «Neophot–21»; мікротвердість із застосуван- ням мікротвердоміра ПМТ–3; фазового складу із застосуванням рентгенівського приладу ДРОН– 3М. Дослідження на зносостійкість проводились на установці торцевого тертя. З метою раціонального проведення дослідів і отримання достовірної інформації застосовувались математичні методи планування експериментів (плани першого і другого порядку) і статистичні методи обробки результатів експериментів. Дослідження впливу технологічних параметрів процесу азотування на експлуатаційні характери- стики азотованих зразків показали, що всі залежності нелінійні. Тому при розв’язанні поставленої задачі прогнозування для математичного описання цих залежностей і раціонального проведення досліджень за- стосований метод планування експериментів – план другого порядку Хартлі [3, 4]. Плани Хартлі відріз- няються від інших планів другого порядку великою економічністю. Наприклад, при чотирьох факторно- му експерименті по ортогональному центрально–композиційному плані потрібно провести 25 дослідів, по уніформному рототабельному центрально–композиційному плані – 31 дослід, по композиційному плані Хартлі – 17 дослідів. Однак, опрацювання результатів експериментів більш важка і потребує засто- сування програмного забезпечення. Математичне описання досліджуваного явища здійснювалося регресивною моделлю у вигляді квадратичного полінома [3]: ∑∑∑∑ − === +++=ϕ 1n 1i jiij n 1i 2 iii n 1i ii0 xxβxβxββ(x) (1) де (x)ϕ – функція відклику (вихідна змінна); ijβ ,β ,β ,β iii0 – коефіцієнти рівняння регресії; ji x,x – незалежні змінні величини (фактори). Параметри карбоазотування в тліючому розряді по плану Хартлі для чотирьохфакторного експе- рименту наведені в табл. 1. Таблиця 1 Параметри карбоазотування в тліючому розряді по плану Хартлі Параметри режиму карбоазотування Номер режиму температура T , °С тиск P , Па тривалість τ , хв вміст пропану 83 HC , % 1 2 3 4 5 1 570 320 185 9 2 510 320 185 9 3 570 160 185 3 4 510 160 185 3 5 570 320 75 3 6 510 320 75 3 7 570 160 75 9 8 510 160 75 9 9 480 240 130 6 10 600 240 130 6 11 540 80 130 6 12 540 400 130 6 13 540 240 20 6 14 540 240 240 6 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Дослідження впливу технологічних параметрів процесу зміцнення металів методом карбоазотування в тліючому розряді ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 119 Продовження таблиці 1 1 2 3 4 5 15 540 240 130 0 16 540 240 130 12 17 540 240 130 6 18 540 240 130 6 19 540 240 130 6 20 540 240 130 6 На рис. 1 - 4 наведені основні результати дослідження впливу технологічних параметрів процесу карбоазотування на товщину зміцненого шару та мікротвердість досліджуваних зразків. Із графіків видно, що для всіх сталей товщина карбоазотованого шару збільшується із збільшен- ням температури. Із підвищенням температури процесу вище 600 ºС при певному співвідношенні інших параметрів процесу можливе зменшення дифузійного шару внаслідок виникнення термоелектронної емі- сії на катоді. При цьому в загальному струмі розряду переважає електронний струм, доля іонного струму зменшується, що викликає зменшення кількості атомів іонів, які рухаються до катоду і зменшується гра- дієнт концентрації по азоту і вуглецю в шарі. Значний вплив на товщину азотованого шару має склад насичуючого середовища, а саме об’ємне співвідношення азоту, аргону та пропану. На рис. 1 - 2 наведені залежності товщини азотованого шару від процентного вмісту пропану (в об’ємних одиницях) в насичуючому середовищі для різних ста- лей при різних температурах. Встановлені залежності показють, що товщина азотованого шару зміню- ється в залежності від вмісту пропану в суміші однаково для всіх сталей: із збільшенням вмісту пропа- ну товщина зміцненого шару зменшується. Це пояснюється тим, що при наявності вуглецю в насичую- чому середовищі подавляється ріст зони внутрішнього азотування внаслідок утворення на поверхні ме- талу карбонітридної плівки. При цьому, залежність товщини карбонітридної зони [ ])(32 NCFe − від кон- центрації цементуючого газу (пропану) носить екстремальний характер. Максимальний розвиток карбо- нітридна зона отримує при вмісту пропану від 6 % до 10 % в суміші. При цьому її товщина в 1,5 рази бі- льша, ніж товщина нітридної зони, отриманої при іонному азотуванні в азотаргонному середовищі. На товщину карбоазотованого шару значний вплив має тиск насичуючого середовища в період дифузійного насичення. Із графіків ( рис. 1 - 2) видно, що для сталей ХВГ і сталі У8 існують певні зна- чення тиску в розрядній камері, при якому досягається максимальна товщина зміцненого шару. Аналізуючи графіки залежності товщини зміцненого шару від тривалості процесу, можна зроби- ти висновок, що вони мають параболічний характер. При цьому крутизна параболи збільшується із під- вищенням температури процесу. Зміна тиску насичуючого середовища впливає на дану залежність, але зберігає її параболічний характер. Однак цей вплив не однозначний по абсолютній величині для різних сталей. Таким чином, проведенні дослідження показали, що параболічний характер залежності товщини азотованого шару від тривалості процесу зберігається для різних марок сталей і різних режимів зміцнення. Рис. 1 − Залежність товщини зміцненого шару сталі ХВГ від технологічних параметрів карбоазотування в тліючому розряді Рис. 2 − Залежність товщини зміцненого шару сталі У8 від технологічних параметрів карбоазотування в тліючому розряді PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Дослідження впливу технологічних параметрів процесу зміцнення металів методом карбоазотування в тліючому розряді ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 120 Другою важливою фізико–механічною характеристикою карбоазотованого шару є його твердість (рис. 3 - 4). Встановлено, що для кожної марки сталі існує оптимальне значення температури (інтервал температур), при якій (якому) досягається максимальна твердість. Наприклад, для сталі У8 – це інтервал температур від 510 ºС до 540 ºС, для сталі ХВГ − інтервал температур від 540 ºС до 580 ºС. Залежність зміни мікротвердості поверхні різних сталей від тривалості процесу показує, що ди- фузійний шар по мікротвердості в основному сформувався в початковий період процесу карбоазотування в тліючому розряді і в подальшому при збільшенні тривалості процесу майже не збільшувалася. При цьому із збільшенням кількості пропану в насичуючому середовищі мікротвердість із збільшенням ви- тривалості процесу знижувалася (рис. 3 - 4). Значний вплив на мікротвердість поверхні азотованого шару має тиск і склад насичуючого сере- довища. Їх вплив неоднозначний для різних марок сталей і залежить від співвідношення інших техноло- гічних параметрів процесу, так для сталей ХВГ і У8 оптимальним є вміст пропану від 3 % до 6 . Оптима- льний тиск для сталі ХВГ складає 320 Па, тоді як для сталі У8 він знаходиться у межах від 240 Па до 320 Па. Тобто, на мікротвердість азотованого шару впливають всі технологічні фактори. Оптимальними технологічними режимами карбоазотуваня в тліючому розряді для забезпечення максимальної мікротве- рдості досліджуваних сталей є: для сталі ХВГ − температура азотування від 560 ºС до 580 ºС, тиск 320 Па, тривалість насичення 180 хв, вміст пропану від 3 % до 5 %; для сталі У8 − температура азоту- вання від 510 ºС до 540 ºС, тиск від 240 Па до 320 Па, тривалість насичення 240 хв, вміст пропану від 3 % до 6 %. Рис. 3 − Залежність мікротвердості зміцненого шару сталі ХВГ від технологічних параметрів карбоазотування в тліючому розряді Рис. 4 − Залежність мікротвердості зміцненого шару сталі У8 від технологічних параметрів карбоазотування в тліючому розряді Таким чином, дослідження кінетики процесів карбоазотування в плазмі тліючого розряду в азо- таргонному середовищі з добавленням пропану показали, що змінюючи технологічні параметри процесу (склад середовища, тиск, температуру і тривалість насичення), можливо змінити в широких межах тов- щину, твердість на поверхні і по глибині, структуру, фазовий склад карбоазотованого шару і концентра- цію вуглецю в ньому. Наявність пропану в насичуючому середовищі позитивно впливає на кінетику про- цесу і фізико−механічні характеристики карбоазотованого шару. Результати досліджень зносостійкості зразків із сталей ХВГ та У8, зміцнених методом карбоа- зотування в тліючому розряді по різних режимах із застосуванням плану 2−го порядку Хартлі, наведені на рис. 5 - 8. Характер кривих зносу показує, що у всіх експериментах існує період припрацювання (рис. 5 - 8), який характеризується більшою інтенсивністю зносу, і період нормальної роботи із незначною інтен- сивністю зносу. Із порівняння величин зносу в період припрацювання і в період нормальної роботи вид- но, що перший значно впливає на процес зношування пари тертя, а як наслідок, і на довговічність дета- лей. На величину зношування в цей період значний вплив мають такі фактори як структура поверхневого шару, його хімічний склад, шорсткість поверхні та експлуатаційні параметри (питоме навантаження, швидкість, середовище). Змінюючи ці всі параметри, можливо добитися значного зменшення інтенсив- ності зносу в період припрацювання. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Дослідження впливу технологічних параметрів процесу зміцнення металів методом карбоазотування в тліючому розряді ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 121 Дослідженнями встановлено, що зносостійкість карбоазотованих зразків по деяких режимах зна- чно вища порівняно із азотованими зразками. Великий вплив на зносостійкість має режим карбоазоту- вання в тліючому розряді, особливо в період припрацювання. Так величина зносу зміцненої сталі ХВГ по режиму 6 в початковий період припрацювання в 4 рази більша порівняно з режимом 3. Із збільшенням шляху тертя величина зносу зменшувалась і досягала сталої величини в кінці періоду припрацювання. При цьому різниця в інтенсивності зношування зміцнених по різних режимах зразків зменшувалася і майже не відрізнялася в період нормального зношування. Аналогічний характер зношування карбоазото- ваних зразків отримано і для інших сталей. Це пояснюється тим, що при зміцненні методом карбоазотування в тліючому розряді по різних технологічних режимах на поверхні зразків утворюються шари із різним фазовим складом, твердістю, пластичністю та іншими фізико-механічними властивостями. При оптимальному їх співвідношенню для даних умов зношування отримуємо мінімальну інтенсивність зношування пари тертя як в період при- працювання, так і в період нормального зношування. Рис. 5 − Кінетика зношування зразків із сталі ХВГ, зміцне- них методом карбоазотування Рис. 6 − Кінетика зношування зразків із У8, зміцнених методом карбоазотування На рис. 7 - 8 наведені результати комплексних досліджень впливу основних технологічних фак- торів на зносостійкість сталей ХВГ та У8 із застосуванням планування експериментів (план Хартлі, табл. 1), які дозволяють визначити оптимальні технологічні режими карбоазотування в тліючому розряді для забезпечення максимальної зносостійкості досліджуваних сталей. Такими режимами є: - для сталі ХВГ: температура карбоазотування від 540 ºС до 580 ºС, тиск − 400 Па, тривалість на- сичення − 20 хв, вміст пропану − 6 %; - для сталі У8: температура карбоазотування − 540 ºС, тиск − 400 Па, тривалість насичення − 240 хв, вміст пропану від 3 % до 6 %. Рис. 7 − Залежність зносу сталі ХВГ від технологічних параметрів карбоазотування в тліючому розряді Рис. 8 − Залежність зносу сталі У8 від технологічних параметрів карбоазотування в тліючому розряді PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Дослідження впливу технологічних параметрів процесу зміцнення металів методом карбоазотування в тліючому розряді ... Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 122 Аналіз отриманих залежностей показує, що підвищена твердість матеріалу не завжди позитив- но впливає на його зносостійкість. Значення технологічних параметрів процесу зміцнення, які забезпе- чують максимальну мікротвердість поверхні та товщину зміцненого шару не завжди співпадає із зна- ченнями технологічних параметрів процесу по критерію максимальної зносостійкості. Величина зносу поверхонь тертя залежить не тільки від технологічних параметрів процесу, але і від експлуатаційних умов (тиску на поверхні тертя, швидкості ковзання і середовища). Тому з метою підвищення зносостій- кості пар тертя для різних матеріалів і режимів карбоазотування в тліючому розряді необхідно знаходити не тільки оптимальні значення технологічних параметрів процесу, але і оптимальні експлуатаційні умови тертя. Література 1. Лахтин Ю.М. Регулируемые процессы азотирования в тлеющем разряде / Ю.М. Лахтин, Я.Д. Коган, В.Н. Шапошников // В кн. Прогрессивные методы химико-термической обработки. − М. : Маши- ностроение, 1979. − 184 с. 2. Арзамасов Б.Н. Ионная химико–термическая обработка сплавов/ Б.Н. Арзамасов, А.Г. Брату- хин, Ю.С. Елисеев, Т.А. Панайоти. – М. : Изд−во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1999. – 400 с. 3. Каплун В. Г. Оптимизация технологии ионного азотирования в безводородных средах по па- раметрам прочности. / В. Г. Каплун, Н. Ф. Семенюк, А. В. Паршенко. // "Управление триботехническими и прочностными свойствами механических систем". - Киев.: УМКВО, 1990. - С. 113-118. 4. Вплив метастабільної структури залишкового аустеніту на контактну витривалість і довговіч- ність сталі при дії циклічного навантаження / В. Г. Каплун, П.В. Каплун, К.А. Паршенко // Машиностро- ение и техносфера 21−го века : зб. праць 13−ї міжнародної науково–технічної конференції. – Донецьк, 2006. – Т. 2. – С. 98 – 103. Надійшла 27.07.2012 Ч И Т А Й Т Е журнал “P r o b l e m s o f T r i b o l o g y” во всемирной сети I N T E R N E T ! http://www.tup.km.ua/science/journals/tribology/ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.tup.km.ua/science/journals/tribology/ http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com