ПАРОВОДЯНАЯ  ПЛАЗМЕННАЯ  ЦЕМЕНТАЦИЯ  В  ТВЕРДОЙ  ФАЗЕ  НА  УСТАНОВКЕ  MULTIPLAZ  3500

Ву  Ван  Гюи

аспирант  кафедры  машиностроительных  технологий  и  материалов,

Иркутский  национальный  исследовательский  технический  университет,

РФ,  г.  Иркутск

E-mail: 

Балановский  Андрей  Евгеньевич

д-р  техн.  наук,  кафедры  машиностроительных  технологий  и  материалов,  доцент  иркутского  национального  исследовательского  технического  университета,

РФ,  г.  Иркутск

E-mail: 

STEAM  PLASMA  CARBURIZING  IN  SOLID  PHASE  FOR  THE  INSTALLATION  MULTIPLAZ  3500

Vu  Van  Huy

postgraduate  at  the  department  of  mechanical  engineering  technologies  and  materials,

Irkutsk  National  Research  Technical  University,  Russia,  Irkutsk

Andrey  Balanovskiy

doctor  of  sciences,  associate  professor  at  the  department  of  mechanical  engineering  technologies  and  materials,  Irkutsk  National  Research  Technical  University,  Russia,  Irkutsk

АННОТАЦИЯ

Рассмотрена  методика  выполнения  плазменной  цементации  в  твердой  фазе  с  использованием  паст  и  последовательность  изготовления  коллоидного  графитового  раствора  для  процесса  цементации.  Уточнен  механизм  диффузии  углерода  в  твердой  фазе.

ABSTRACT

The  method  of  performing  plasma  carburizing  in  solid  phase  using  pastes  and  manufacturing  consistency  of  graphite  colloidal  solution  for  the  process  of  carburizing.  Clarifying  the  mechanism  of  carbon  diffusion  in  the  solid  phase.

Ключевые  слова:  плазменное  упрочнение  металлов;  паста;  цементация;  диффузия;  микротвердости.

Keywords:  plasma  hardening  metal;  paste;  diffusion;  carburizing;  micro  hardness.

На  сегодняшний  день  плазменное  поверхностное  упрочнение  широко  используются  для  повышения  износостойкости  поверхности  деталей,  в  том  числе  метод  плазменной  цементации  в  твердой  фазе  с  использованием  паст  недостаточно  изучен.

В  данной  работе  рассмотрены  особенности  механизма  диффузии  углерода  в  процессе  пароводяной  плазменной  цементации  в  твердой  фазе.  Эксперимент  заключается  в  том,  что  на  образец  из  стали  3  наносилось  покрытие,  состоящее  из  графита  (98–99  %),  жидкого  стекла.  После  сушки  образец  подвергается  нагреву  пароводяной  плазмой  на  установке  Multiplaz  3500  до  температуры  900–1000ºС  в  течении  0,1–1  сек  и  закалке.  Пароводяная  плазма  привлекла  широкое  внимание  в  связи  с  ее  уникальными  преимуществами  по  энтальпии  теплового  потока,  экологичности.  Высокая  энтальпия  повышает  кинетику  реакции,  химическую  реактивность  реагентов,  и  обеспечивает  получение  большого  количества  углерода  в  виде  атома  из  плазмы  дугового  разряда,  в  то  время  как  при  всех  процессах  сжигания  остается  в  твердом  остатке  до  30  %  углерода  (в  процессе  цементации  газом).

Сущность  метода  заключается  в  том,  что  после  возникновения  электрической  дуги  в  плазматроне  энергия  от  дуги  разогревает  сопло,  сопло  разогревает  испаритель,  испаритель  разогревает  спирт  и  воду,  превращая  их  в  пар.  Пар  под  действием  внутреннего  давления  (0,4–1,2  атм)  в  сопле  устремляется  к  выходному  отверстию.  Выходя  из  отверстия  в  сопле,  пар  сжимает  электрическую  дугу.  Это  приводит  к  повышению  температуры  дуги.  При  достаточно  высокой  температуре  происходит  процесс  диссоциации  спирта  и  ионизации.

На  начальном  этапе  спирт  диссоциирует  до  водорода  и  монооксида  углерода,  метана.  Далее  идет  процесс  окисление  СО,  образуется  углекислый  газ

На  следующем  этапе  происходит  восстановление  воды

При  температуре  больше  800⁰С  реакция  (2)  смещена  влево,  образуется  монооксид  углерода  и  вода.  В  рассматриваемой  газовой  смеси  помимо  реакций  (1,2,3)  происходят  и  другие  химические  взаимодействия.

При  температуре  в  плазме  3000  ⁰С  вода  диссоциируется,  образуются  Н₂,  О₂,  Н,  ОН.  Диссоциация  водяного  пара  может  быть  выражена  уравнениями:

При  температуре  6000⁰С  окись  углерода  разлагается  на  углекислый  газ  (СО₂)  и  углерод,  образующийся  в  виде  атомов  (атомарный  углерод):

На  поверхности  образца  углерод  соединяется  с  кислородом  и  образуется  окись  углерода  (СО).

Для  определения  концентрации  и  состав  продуктов  диссоциации  авторы  [5]  построили  равновесную  схему  для  смеси  спирта  с  водой  в  паровой  плазме.Диаграмма  диссоциации  приведена  на  рисунке  1  [5].

Рисунок  1.  Равновесная  схема  для  смеси  15,5  моль%  этанола  и  84,5  %  мол  –  вода

Атомный  углерод,  образуя  из  реакций  (7)  и  углерод  расположен  на  поверхности  образца  под  действием  градиент  температуры,  концентрации  и  давления  растворяются  в  γ  –  железе  по  закону  Фика.  Уравнение  диффузии  углерода  по  времени  для  нестационарного  состояния  потока  описывается  вторым  законом  Фика

где:    –  концентрация  диффундирующего  вещества

  –  координата

  –  коэффициент  диффузии  (см².сек^-1)

При  короткой  продолжительности  процесса  можно  считать  концентрацию  углерода  на  поверхности  с₀  постоянной,  тогда  концентрация  в  точке    со  временем  изменяется  в  соответствии  с  выражением

Методика  выполнения  экспериментов.  Плазменную  цементацию  проводили  на  стали  3.Химический  состав  материала  Ст3пс  в  процентах  ГОСТ  380-2005(табл.  1).

Таблица  1.

Химический  состав  материала  Ст3пс  в  процентах

Экспериментальная  часть  работы  состояла  из  нескольких  этапов: 

·     подготовка  поверхности  детали  (очистка  поверхности  до  металлического  блеска);

·     нанесение  покрытия;

·     плазменная  поверхностная  цементация;

·     подготовка  металлографических  шлифов,  измерение  микротвердости.

В  качестве  твердого  покрытия  для  цементации  использовали  пасту  следующего  состава:  графит,  жидкое  стекло,  вода,  масло.  Стекло  растворяется  в  воде  и  после  сушки  образуется  коллоидный  раствор,  масло  способствует  перемешиванию  графита  с  полученного  раствора.  Порядок  подготовки  графитового  покрытия:

·     Смешиваем  воду  с  жидкого  стекла  с  отношением  по  объему  1:10;

·     Добавляем  масло  в  раствор  (объем  равен  объему  жидкого  стекла)  и  смешиваем  на  минуту;

·     Добавляем  графит  до  получения  пастообразный  раствора;

·     Наносим  полученный  раствор  на  поверхность  детали  кисточкой;

·     Сушка  образцов  в  печи  или  газовой  горелкой  при  температуре  50˚С,  в  течение  30мин.

На  рис.  1  представлен  зачищенный  образец  после  нанесения  графитового  покрытия.

Рисунок  1.  Образец  с  графитовым  покрытием

Плазматрон  закреплялся  на  штативе,  оснащенным  зажимными  устройствами,  что  позволяет  менять  угол  и  длину  дугового  промежутка  относительно  поверхности.  Штатив  закреплен  на  столике.  Столик  оснащен  специальными  прижимными  элементами  для  закрепления  на  нем  заранее  приготовленных  фрагментов  образцов.  Движение  столика  осуществляется  с  помощью  электрического  привода,  который  работает  от  источника  питания  24  В.  Регулирование  скорости  передвижения  столика  осуществляется  с  помощью  потенциометра.  Потенциометр  создает  сопротивление  и  снижает  напряжение,  а  соответственно  и  скорость  движения  столика.  Скорость  передвижения  столика  составляет  от  5.4  до  39,6  м/ч. 

Режимы  плазменной  цементации:  погонная  энергия  составляла1,2–1,5  кВт*с/мм,  зазор  между  соплом  и  деталью  5  мм.  В  качестве  плазмообразующего  вещества  используется  этиловый  спирт  90  %.  Для  подготовки  и  изучения  микрошлифов  использовалось  следующее  оборудование:  автоматический  отрезной  станок  Полилаб  Р100А  для  резки  металлографических  и  петрографических  образцов.  Для  запрессовки  образцов  использовался  пресс  «Полилаб  С50А».  Пресс  «Полилаб  С50А»  предназначен  для  запрессовки  металлографических  образцов  с  использованием  любых  видов  термопластичных  и  термоотверждающихсясмол.Для  полировки  поверхности  микрошлифов  использовался  шлифовально-полировальный  станок  «Полилаб  П12М».  Микротвердость  измеряется  на  приборе  ПМТ-3.

Результаты  экспериментов  и  обсуждение  результатов.  В  процессе  плазменного  упрочнения  с  использованием  спирта  на  поверхности  металла  не  было  следов  оплавления.  Но  из  недостаточного  количества  углерода  образующегося  в  процессе  диссоциации  микро  твердость  по  Виккерсу  в  этих  зонах  составила  5000–6000  МПа  (при  нагрузке  2Н).  Нанесение  дополнительно  углеродосодержащей  пасты  на  поверхность  образцов  увеличивает  количество  углерода  в  пятне  нагрева  (участок),  что  позволяет  получить  твердость  в  поверхностном  слое  7000–9000  МПа.  После  травления  шлифов  под  микроскопом  наблюдется  цементированный  слой  глубиной  10–70  мкм  в  виде  белого  не  травящегося  слоя  (Рис.  2,  3),  которая  имеется  высокую  микро  твердость  8000–9000  МПа  (при  нагрузке  2Н).  На  рис.  2  не  травящиеся  белые  слои  располагаются  по  ширине  дорожки  упрочненного  слоя.  На  рис.  3  представлены  результаты  исследования  при  большем  увеличении  и  приведены  замеры  микротвердости.  Видно,  что  отпечатки  в  белой  зоне  (цементированном  слое)  меньше,  чем  в  закаленном  слое.

Рисунок  2.  Микроструктура  стали  Сталь  Ст3  после  цементации  с  увеличением  100  раз

Рисунок  3.  Микроструктура  стали  Сталь  Ст3  после  цементации  с  увеличением  400  раз

Рисунок  4.  Микротвёрдости  стали  Ст3  по  глубине  после  цементации  при  нагрузке  Р.  =  2Н

Распределение  микротвердости  в  стали  3  по  глубине  упроченной  поверхности  приведено  на  рис.  4.  Видно,  что  в  тонком  поверхностном  слое  значения  микро  твёрдости  максимальные.

Таким  образом,  проведенные  эксперименты  доказали  возможность  плазменной  поверхностной  цементации  низкоуглеродистых  сталей,  как  в  режиме  оплавления  поверхности  (из  жидкой  фазы)  так  и  без  оплавления  поверхности.  Показано,  что  за  время  плазменного  нагрева  (от  доли  секунд  и  выше)  углерод  диффундирует  в  γ  –  железо  на  глубину  примерно  100  мкм.  Пароводяная  плазма  дает  хороший  эффект  для  ускорения  процесса  цементации,  а  коэффициент  диффузии  углерода  в  γ  –  железе  в  плазменном  разряде  намного  больше  при  других  процессах  цементации.

Список  литературы:

1. Балановский  А.Е.  Плазменное  поверхностное  упрочнение  металлов.  Иркутск:  Изд-во  ИрГТУ,  2006.  –  180  с.
2. Болховитинов  Н.Ф.  Металловедение  и  термическая  обработка.М.:  Машиностроение,  1965,  –  505  с.
3. Бердников  А.А,  Филиппов  М.А.  Студенок  Е.С.  Структура  закаленных  углеродистых  сталей  после  плазменного  поверхностного  нагрева  //  Металловедение  и  термического  обработка  металлов,  –  1997.  –  №  6.  –  С.  2–4.
4. Чудина  О.В.  Комбинированные  методы  поверхностного  упрочнения  сталей  с  применением  лазерного  нагрева.  Теория  и  технология.  М.:  МАДИ  (ГТУ),  2003,  –  248  с.
5. Shigehiro  Shimbara,  Takayuki  Watanabe.  Water  Plasma  Generation  under  Atmospheric  Pressure  for  Waste  Treatment  //  Ref.  Proceedings  of  Regional  Symposium  on  Chemical  Engineering  –  2003.  –  Vol.  7.  –  P.  1–6.