22 февраля 2016г.
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.