Совершенствование анодной цементации малоуглеродистых сталей с помощью модификации состава электролита

Непрерывный технический прогресс и развитие новых отраслей промышленности требуют новых высокопрочных и стойких материалов. Эксплуатационные характеристики многих деталей машин связаны с их поверхностными свойствами, поэтому разработка технологий поверхностной модификации является одной из главнейших задач современного металловедения.

За последние годы все большее распространение получила поверхностная термическая и химико-термическая обработка. Нагрев стальных деталей в электролитной плазме при анодном процессе позволяет осуществить высокоскоростную термическую и химико-термическую обработку, что дает возможность сократить время обработки от нескольких часов до нескольких минут. Физико-химические особенности процессов, протекающих в парогазовой оболочке — нагревательном элементе системы, дают возможность осуществить диффузию элементов, входящих в состав электролита в обрабатываемую деталь. Одним из таких элементов является углерод. Цементация стальных изделий — важнейшая область применения электрохимико-термической обработки для упрочнения малогабаритных изделий машиностроения из малоуглеродистой стали. Кроме того, данный способ цементации целесообразно использовать при ремонтных работах для упрочнения единичных деталей, благодаря тому, что подготовка установки закрепление детали и заправка рабочей камеры электролитом, как и сам процесс обработки, составляет несколько минут.

Важными задачами современного машиностроения являются интенсификация и совершенствование процесса химико-термической обработки. Одним из решений данных задач является модификация рабочего раствора электролита. Компоненты электролитов, используемых для анодной цементации, должны обеспечивать достаточную электропроводность раствора и содержать модифицирующее углеродсодержащее соединение. В качестве электролитов для анодного нагрева широкое распространение получили водные растворы на основе хлорида аммония (10% масс.), применяемого в качестве электропроводящего компонента, с добавлением органического вещества в качестве донора углерода в таком же количестве [1]. Предложенные составы изучены недостаточно, немногие из них прошли практическую апробацию без анализа их эффективности, скорости выработки и оптимизации состава. Толщина упрочняемого слоя, получаемого за 10 мин обработки, не превышает 0,1 мм.

Между тем известно, что в процессе анодной обработки происходит изменение состава электролита как вследствие расходования его компонентов для насыщения поверхностных слоёв обрабатываемого изделия, так и испарения летучих составляющих и накопления в растворе продуктов анодного растворения. Химический аспект анодного электролитного нагрева изучен в незначительной степени. Это осложнено такими особенностями протекания химических процессов при анодном электролитном нагреве как полифазность системы, малая толщина парогазовой оболочки (порядка 10″ 5м) и высокими температурами по сравнению с традиционными электрохимическими процессами. Ограничено рассмотрена зависимость выхода железа по току от концентрации электролита и физических параметров системы [2], имеется гипотеза образования оксидной пленки на обрабатываемой поверхности [3].

Целью настоящей работы является совершенствование анодной цементации малоуглеродистых сталей с помощью модификации состава электролита.

Решаемые задачи:

1. Определить влияние состава и концентрации компонентов электролита на теплофизические параметры нагрева и характеристики модифицированного слоя после анодной цементации.

2. Изучить химические и электрохимические процессы, протекающие в растворах электролитов, парогазовой оболочке и на поверхности анода при анодной цементации.

3. Исследовать зависимость механических свойств стальных деталей от режима науглероживания в электролитах различного состава.

4. Определить факторы, влияющие на работоспособность электролитов для цементации. Предложить методы корректировки состава электролитов.

5. Разработать технологические рекомендации по составам электролитов для анодной цементации и их использования для упрочнения изделий из конструкционных сталей.

Защищаемые положения:

1. Закономерности влияния состава электролита на температуру нагрева обрабатываемой детали, плотность тока и углеродный потенциал насыщающей атмосферы, позволяющие управлять характеристиками цементованных слоев.

2. Результаты исследований, доказывающие тормозящее действие поверхностного оксидного слоя и возможность уменьшения его толщины за счет усиления анодного растворения надлежащей модификацией состава рабочего электролита.

3. Комплексный механизм химических процессов в системе раствор — парогазовая оболочка — деталь-анод, позволяющий определить убыль исходных компонентов электролита, его насыщение продуктами растворения детали и разработать рекомендации по корректировке состава для обеспечения его работоспособности.

4. Режимы и составы электролитов, обеспечивающие повышение толщины цементованного слоя и предела прочности малоуглеродистых сталей путем их анодной цементации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Показано, что влияние состава электролита на температуру нагрева и плотность тока связано с изменением его эмиссионной способности, которая определяет удельную электропроводность анодной парогазовой оболочки и величину выделяемой в ней мощности. Определены возможные температуры нагрева в электролитах изученных составов и необходимые для их достижения напряжения.

2. Обнаружено тормозящее диффузию углерода влияние поверхностного оксидного слоя, толщина которого может быть снижена усилением анодного растворения за счет увеличения содержания хлорида аммония и подбора оптимальной концентрации углеродсодержащего компонента.

3. На основании результатов эксперимента предложен механизм химических процессов при анодной цементации сталей, позволяющий определить динамику изменения состава рабочего электролита и разработать рекомендации по корректировке его состава для сохранения работоспособности. Показано, что убыль хлорида аммония в первую очередь связана с его разложением и испарением продуктов разложения из электролита и, во вторую очередь, с адсорбцией на высокодисперсных нерастворимых соединениях железа. Установлено, что присутствие органических веществ в электролите способствует увеличению нерастворимых форм железа (III), предположительно, за счет образования комплексов железа.

4. Изучены свойства различных электролитов для анодной цементации: насыщающая способность, скорость выработки, энергоемкость и стоимость компонентов. Установлено, что лимитирующим фактором выработки является испарение его летучих компонентов, в том числе воды, приводящее к убыли рабочего раствора. Определены оптимальные концентрации электролитов для анодной цементации на основе 10%-ого раствора хлорида аммония с добавлением одного из углеродсодержащих компонентов: ацетона — 9,5%, глицерина -7,1%, сахарозы — 6,1%, этиленгликоля — 7,7%.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Предложены эффективные составы электролитов для анодной цементации малоуглеродистых сталей, позволяющие увеличить продолжительность их эксплуатации и толщины получаемых диффузионных слоев.

2. Выявлены причины снижения работоспособности электролитов и предложены методы корректировки.

3. Разработаны технологические рекомендации по эксплуатации электролитов для упрочнения малогабаритной оснастки машин легкой промышленности.

Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов обеспечивается независимыми методами анализа составов электролитов, современных методов анализа фазового состава и структуры модифицированных сталей, статистической обработкой экспериментальных данных, корректным применением положений теорий анодного нагрева и диффузионного насыщения и подтверждается соответствием полученных результатов ранее опубликованным данным, а также положительным результатом практической реализации результатов исследования.

Реализация результатов работы. Предложенные технологические рекомендации и партия деталей внедрены на предприятии ООО «ТМЗ» (г.Кострома) по результатам испытаний в промышленных условиях.

Выводы к главе 4.

1. Показано, что убыль ионов аммония связана преимущественно с его испарением из раствора и в меньшей степени с адсорбцией на высокодисперсных нерастворимых соединениях железа в растворе с глицерином.

2. Наличие органических веществ в составе электролита способствует увеличению доли растворимых форм железа (III), предположительно, за счет образования комплексов железа.

3. Накопление растворимой и нерастворимой форм железа (III) в растворе при растворении анода, удаление из него ионов аммония, а также изменение рН среды раствора являются взаимозависимыми процессами. Это определяет комплексное влияние химических процессов на анодный процесс.

4. Показано, что лимитирующим фактором выработки электролитов для анодной цементации является испарение его летучих компонентов, приводящее к убыли объема рабочего раствора. Скорость убыли углеродсодержащих компонентов определяется значениями их температуры кипения.

5. Выявлены особенности различных электролитов для цементации, отличающихся по насыщающей способности, скорости выработки, энергоемкости и стоимости компонентов. Определены концентрации электролитов для анодной цементации на основе 10%-го раствора хлорида аммония, обеспечивающие сохранение их работоспособности на протяжении.

10 ч и включающие один из углеродсодержащих компонентов: ацетон — 9,5%, глицерин — 7,1%, сахароза — 6,1%, этиленгликоль — 7,7%.

6. Разработаны метод корректировки растворов электролитов, основанный на добавлении углеродсодержащего компонента и воды до исходного объема и концентрации в установке, и технологические рекомендации по использованию электролитов.

7. Опытно — промышленные испытания цементованных колонок на предприятии ООО «ТМЗ» (город Кострома) подтвердили увеличение их ресурса в 4 раза по сравнению с серийными изделиями. Упрочненная партия колонок внедрена в производство.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе выполнения диссертационной работы получены новые сведения о механизме анодной цементации в водных электролитах и разработаны рекомендации по использованию известных и предложенных составов рабочих электролитов. Полученные результаты можно представить следующими выводами.

1. Показана возможность увеличения толщины упрочненного слоя на стали 10 от 80 до 160 мкм за 10 мин обработки и условного предела прочности от 420±20 до 930±50 МПа в процессе анодной цементации изменением состава электролита и режимов насыщения без снижения ударной вязкости и без увеличения затрат энергии и химреактивов.

2. Обнаружено, что наибольшие цементованные слои на малоуглеродистых сталях образуются в электролитах, содержащих ацетон (углеродный потенциал 0,9%) и глицерин (0,8%). Показана возможность получения упрочненных слоев до 40−80 мкм за 7 мин насыщения в электролитах, содержащих сахарозу (углеродный потенциал 0,7%) и этиленгликоль (0,6%).

3. Обнаружены особенности нагрева деталей в электролитах с различными органическими соединениями, требующие корректировки режимов упрочнения. Установлено, что снижение температуры нагрева и плотности тока связано с уменьшением эмиссионной способности поверхности электролита, электропроводности парогазовой оболочки и, вследствие этого, уменьшением выделяемой в оболочке мощности. Второй возможной причиной может быть увеличение толщины теплового пограничного слоя в электролитах с повышенной вязкостью, что способствует росту доли тепла, поступающего из оболочки в образец-анод.

4. Выявлена специфика анодной цементации в водных электролитах, заключающаяся в одновременном протекании процессов окисления и анодного растворения образца-анода. Установлено, что с повышением концентрации хлорида аммония усиливается интенсивность диффузии углерода в сталь и увеличивается толщина образующегося цементованного слоя благодаря анодному растворению, уменьшающего толщину тормозящего диффузию оксидного слоя. Показано, что наибольшее значение толщины мартенситного слоя после цементации стали 20 с последующей закалкой наблюдается при концентрации углеродсодержащих компонентов 2% масс. Меньшие концентрации не обеспечивают требуемую насыщающую способность электролитов, при больших концентрациях снижается ток, ослабляется анодное растворение, увеличивается толщина оксидного слоя и уменьшается толщина цементованного слоя.

5. Установлено, что в процессе анодной цементации происходит уменьшение количества исходных компонентов раствора электролита и накопление в нем продуктов растворения анода, преимущественно ионов, а также оксии гидроксиформ железа (III). Показано, что убыль хлорида аммония связана преимущественно с его термическим разложением вблизи парогазовой оболочки и испарением продуктов разложения из раствора, а также с адсорбцией хлорида аммония на высокодисперсных нерастворимых соединениях железа. Наличие органических веществ в составе электролита способствует увеличению доли растворимых форм железа (III), предположительно, за счет образования комплексов железа.

6. Выявлены особенности различных электролитов для анодной цементации, отличающиеся насыщающей способностью, скоростью выработки, энергоемкостью, и стоимостью компонентов. Разработаны технологические рекомендации по использованию электролитов различных составов для анодной цементации. Установлено, что лимитирующим фактором выработки электролита является испарение его летучих компонентов, в том числе воды, приводящее к убыли рабочего раствора. Определены оптимальные концентрации электролитов для анодной цементации на основе 10%-го раствора хлорида аммония с добавлением одного из углеродсодержащих компонентов: ацетона — 9,5%, глицерина — 7,1%, сахарозы — 6,1%, этиленгликоля — 7,7%. Предложены корректирующие действия, основанные на добавлении углеродсодержащего компонента и воды до исходного объема и концентрации.

7. Разработана, испытана и внедрена на ООО «ТМЗ» (г. Кострома) технология анодной цементации колонок наклонных для пресс-форм, предназначенных для изготовления напольного покрытия, устанавливаемых на термопласт-автомат марки 3KS-22 000. Цементация колонок в электролите с глицерином (10%) и хлоридом аммония (10%) в течение 5 минут при температуре 850 °C с последующей закалкой в том же электролите обеспечивает твердость поверхности не ниже 65−70 HRC и увеличивает ресурс работы в 4 раза по сравнению с контрольными, упрочненных до 52—55 HRC объемной закалкой с последующим низким отпуском.