Микродуговая химико-термическая обработка (МДХТО) является одним из способов диффузионного поверхностного упрочнения с высокоскоростным нагревом [2,4],  однако в отличие от других  аналогичных способов (плазменного, лазерного, ионного) не требует применения специального оборудования. Стальное изделие помещается в контейнер с порошком каменного угля, после чего нагревается пропусканием электрического тока, протекающего через изделие и порошковую среду.

Протекание электрического тока через электропроводную порошковую среду приводит к нагреву и выгоранию частиц порошка в местах межчастичных контактов, что приводит к замыканию и размыканию возникающих проводящих цепочек и образованию микродуговых разрядов, имеющих вид ярких искровых каналов. Увеличением плотности тока по сечению порошковой среды в направлении от контейнера к изделию приводит к концентрации микродуг в локальной зоне вокруг обрабатываемого изделия. Нагревание порошка каменного угля сопровождается интенсивным выделением оксида углерода, который одновременно выполняет три функции: источника атомарного углерода в результате его диссоциации, источника тепловой энергии при его горении, а также средства, обеспечивающего интенсивное перемешивание порошковой среды. Это позволяет осуществлять процесс цементации, характеризующийся ускоренным формированием диффузионного слоя [1].

Углерод каменного угля взаимодействует при высокой температуре с кислородом воздуха с образованием оксида углерода, являющегося источником активного углерода: при контакте с металлической поверхностью он диссоциирует на атомарный углерод и диоксид углерода: 2C + O2 = 2CO; 2CO = С+CO2. Атомарный углерод диффундирует в насыщаемый металл, а диоксид углерода взаимодействует с углеродом, обеспечивая непрерывность процесса за счѐт регенерации монооксида углерода: C + CO2 = 2CO. Кроме того, монооксид углерода на воздухе воспламеняется при температуре 700ºС и горит с образованием диоксида углерода и выделением тепла: 2CO + O2 = 2CO2 + 565 кДж.

Рассмотрим возможность формирования поверхностных покрытий на основе карбида хрома. Существующие процессы диффузионного хромирования характеризуются рядом недостатков, к которым относятся: большая продолжительность традиционного печного хромирования; невозможность создания карбидного слоя на поверхности малоуглеродистых сталей; появление под диффузионным слоем обезуглероженной зоны в средне- и высокоуглеродистых сталях в результате встречной диффузии углерода, что вызывает необходимость предварительной цементации. При осуществлении МДХТО образование углеродсодержащей насыщающей среды позволяет осуществлять формирование карбидных покрытий за счет одновременного диффузионного насыщения стальных изделий углеродом и карбидообразующим элементом.

Для определения возможности хромирования стальных изделий в режиме микродугового нагрева был предпринят термодинамический анализ возможных химических реакций.

Движущей силой химических реакций является разность свободных энергий начального и конечного состояний взаимодействующих веществ. В качестве величин, характеризующих состояние термодинамических систем, используют энтальпию, энтропию, изобарно-изотермический потенциал (изменение энергии Гиббса).

Для выявления наиболее вероятных реакций в температурном интервале МДХТО необходим расчѐт стандартного изменения энергии Гиббса.


Отрицательный  знак DGT указывает  на  возможность  самопроизвольного  протекания  реакции, положительный – на ее термодинамическую невозможность, равенство нулю – на равновесное состояние системы.

Для расчета использовали метод Темкина-Шварцмана, как один из наиболее точных, учитывающий зависимость теплоѐмкости от температуры [3].

Исходным уравнением для расчетов является следующее:

DCp  - разность теплоемкостей продуктов реакции и исходных веществ.

Изменения  энтальпии  и  энтропии  химической  реакции  находили  по  следующим  уравнениям, учитывающим параметры продуктов реакции и исходных веществ:

Величины М0, М1 и М-2 для различных температур вычислены Темкиным и Шварцманом и приведены в справочной литературе.

Значения Δa, Δb, Δc определяли по формулам:

В качестве источника диффузанта использовали мелкодисперсный порошок оксида хрома Cr2O3 Формирование карбидного покрытия осуществляется в результате диффузии атомарного хрома, поэтому рассмотрим возможные реакции восстановления оксида, учитывая, что порошковая среда каменного угля обусловливает присутствие в реакционной среде в качестве восстановителей углерода, монооксида углерода, водорода и метана.

Значения термодинамических параметров продуктов и исходных веществ возможных реакций приведены в Табл.1.

Возможные реакции и результаты расчета изменения энергии Гиббса приведены в Табл.2.

Анализ полученных результатов показал, что наиболее вероятно протекание реакций восстановления оксида метаном и углеродом с образованием атомарного хрома, а также последовательным по мере возрастания температуры нагрева образованием карбидов Cr3C2, Cr7C3 и Cr23C6.

Возможность хромирования в режиме микродугового нагрева подтверждена экспериментально: на образцах из стали 20 получено карбидное покрытие глубиной 20-25 мкм микротвѐрдостью 11,5-13,0 ГПа, под которым расположена науглероженная зона эвтектоидной концентрации, а далее – исходная ферритно-перлитная структура.

 

Список литературы

1.     Домбровский Ю.М., Степанов М.С. Микродуговая цементация стальных изделий в порошковых средах / Упрочняющие технологии и покрытия, 2013, № 12. С. 25-29.

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

3.     Морачевский, А.Г. Термодинамические расчѐты в металлургии / А. Г. Морачевский, И. Б. Сладков. – Москва: Металлургия, 1985. – 136 с.

4.     Теория и технология химико-термической обработки / Л. Г. Ворошнин, О. Л. Менделеева, В. А. Сметкин. – Москва: Новое знание, 2010. – 304 с.