Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Применение спектрометрии ядерного обратного рассеяния протонов для изучения анодной цементации малоуглеродистых сталей.

# 05, май 2012
DOI: 10.7463/0512.0410498
Файл статьи: Косогоров_P.pdf (392.83Кб)
авторы: Белкин П. Н., Борисов А. М., Востряков В. Г., Косогоров А. В., Крит Б. Л., Ткаченко Н. В.

УДК. 621.7; 539.1

Россия, Костромской государственный университет им. Н.А. Некрасова

Россия, «МАТИ» - Российский Государственный Технологический Университет им. К.Э. Циолковского

Россия, НИИ ядерной физики им. Д.В.Скобельцына, МГУ им. М.В. Ломоносова (НИИЯФ МГУ)

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

belkinp@yandex.ru

tompve-2005@yandex.ru

kosogorov.a@yandex.ru

bkrit@mail.ru

nickitatkachenko@gmail.com

Введение

Диффузионное насыщение сталей при нагреве в водных электролитах всегда сопровождается их поверхностным оксидированием, поскольку нагревающей и насыщающей средой является парогазовая оболочка. Оксидный слой, образующийся при кратковременном насыщении сталей азотом, обладает хорошим сопротивлением коррозии в условиях близких к атмосферным [1, 2]. Толщина и качество слоя увеличиваются после дополнительных процессов окисления на воздухе или оксидирования в водном растворе нитрита натрия [3]. Повышение коррозионной стойкости за счет поверхностного оксидирования обнаружено после анодной нитроцементации конструкционных сталей 10, 20 и 45 в карбамидном электролите. Там же показана возможность упрочнения аустенитной стали 12Х18Н10Т с помощью анодной цементации без опасности межкристаллитной коррозии благодаря защитному действию образующегося оксидного слоя [4].

Для проведения цементации в условиях электролитного нагрева предложен и запатентован широкий класс соединений [5], однако их системного изучения не проведено.

Настоящая работа посвящена изучению взаимосвязи между содержанием кислорода в модифицированном слое и распределением концентрации углерода для проверки указанной гипотезы. Образование оксидов железа в поверхностном слое обусловлено высокотемпературным окислением образцов или деталей в парах электролита. Этот процесс протекает параллельно с анодным растворением изделия и его насыщением углеродом [6]. Оксидный слой содержит FeO и γ-Fe2O3, его толщина сильно зависит от условий нагрева и может изменяться от 4–5 мкм после охлаждения в электролите для нитрозакалки [1, 2] до 180 мкм после оксидирования в растворе ацетата аммония с охлаждением на воздухе.

Для послойного измерения концентраций кислорода и углерода в модифицированных образцах использовался неразрушающий метод ядерного обратного рассеяния (ЯОР) протонов [7], позволяющий с высокой точностью определять концентрации легких элементов на тяжелой матрице.

 

Объекты и метод исследований

Образцы подвергались цементации в цилиндрической осесимметричной рабочей камере с продольным обтеканием образцов-анодов электролитом, подаваемым через патрубок, расположенный в дне камеры. В верхней части камеры-катода электролит переливался через край в поддон, откуда далее прокачивался через теплообменник при величине расхода 2 л/мин. В качестве электролитов использовались водные растворы хлорида аммония и одной из углеродсодержащих добавок. Температура электролита поддерживалась равной (25±2) °С на входе в рабочую камеру. Обрабатывались цилиндрические образцы диаметром 10 мм и длиной 14 мм из стали 10 . Температура нагрева варьировалась от 930 до 1020 °С с шагом 30 °С. После насыщения образцы охлаждались в электролите. Во избежание отслаивания части оксидного слоя напряжение нагрева плавно снижалось до величины, обеспечивающей минимальную температуру образца (примерно 300 °С), а затем отключалось.

Параметры образцов приведены в таблице 1.

Для определения концентраций кислорода и углерода использовался метод ядерного обратного рассеяния, который основан на использовании кинематических и статистических закономерностей рассеяния протонов на ядрах мишени. Исследования проводились на циклотроне НИИЯФ МГУ с энергией пучка протонов 7.6 МэВ.

 

Результаты и их обсуждение

Результаты измерений спектров ЯОР для всех образцов, описанных в таблице 1, представлены на рисунках 1-7.

Таблица 1

Параметры образцов

 

обр

%NH4Cl

T,oC

I,A

U,B

t,мин

m/mo*

100%

 

1

6

930

4,2

250

5

2,02

 

2

8

930

5,4

215

5

2,63

 

3

10

930

6,0

205

5

3,24

 
 

4

10

960

5,8

220

5

2,87

 

5

10

990

5,4

245

5

2,15

 

6

10

1020

5,2

250

5

2,04

 

7

12

930

6,4

200

5

2,95

 

   

 

Рисунок 1. Спектр ЯОР от образца № 1

 

Рисунок 2. Спектр ЯОР от образца № 2

 

Рисунок 3. Спектр ЯОР от образца № 3

 

Рисунок 4. Спектр ЯОР от образца № 4

 

Рисунок 5. Спектр ЯОР от образца № 5

 

Рисунок 6. Спектр ЯОР от образца № 6

 

Рисунок 7. Спектр ЯОР от образца № 7

 

Анализ спектров ЯОР показывает, что АХТО приводит к появлению кислорода и углерода в виде отчетливых пиков. Видно, что амплитуда пиков сильно зависит от условий АХТО.

Извлечение информации о толщине и составе модифицированного слоя проводили с помощью программы NBS. Расчётные спектры на рисунках 1-7 сплошной линией. Соответствующие этим расчётам структуры поверхностного слоя сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Результаты измерений

 

обр.

толщина слоя

О %

С%

Fe%

*1016см-2

мкм

1

3000

3.3

5

20

75

2

3000

3.3

7,5

11

81,5

3

2000

2.2

12

13

75

2000

2.2

8

 

92

4

3000

3.3

7,5

11

81,5

5

3000

3.3

10

25

65

6

3000

3.3

6,5

13

80,5

7

3000

3.3

8,5

21

70,5

 

Образцы 1, 2, 3, 7 использовали для установления влияния концентрации хлорида аммония на состав модифицированного слоя. Из рисунка 8 видно, что зависимость содержания  углерода  от концентрации электролита проявляет экстремум при 8 % NH4Cl (минимум), тогда как зависимость содержания кислорода проявляет экстремум при 10 % NH4Cl (максимум).

 

Рисунок 8. Зависимость содержания О и С от концентрации NH4Cl

 

Образцы 3, 4, 5, 6 использовали для установления зависимости состава модифицированного слоя от температуры АХТО. Из рисунка 9 видно, что максимальное количество углерода и кислорода в модифицированном слое содержит образец № 5 обработанный растворе  хлорида аммония  при температуре 990 oC.

Рисунок 9. Зависимость содержания О и С от температуры

 

Чтобы проверить взаимосвязь содержания кислорода и углерода в модифицированном слое, была построена зависимость содержания углерода от содержания кислорода в слое по всем образцам, безотносительно к используемым параметрам АХТО, рисунок 10.

Рисунок 10. Зависимость содержания углерода от содержания кислорода в слое по всем образцам

 

Видно, что явной корреляции между углеродом и кислородом в модифицированном при АХТО слое не выявлено. Скорее содержание углерода в модифицированном слое зависит от концентрации и температуры электролита(NH4Cl), рисунки 8 и 9.

 

Выводы

 

С использованием спектрометрии ядерного обратного рассеяния протонов исследованы закономерности анодной цементации малоуглеродистых сталей при различных концентрациях хлорида аммония и температуры нагрева.

Зависимости содержания как углерода так и кислорода от концентрации электролита проявляют экстремум при 10 % и 8 % NH4Cl соответственно, причем максимум для кислорода и минимум для углерода.

Содержание углерода и кислорода проявляет максимум при температуре около 990 оС.

Явной корреляции между углеродом и кислородом в модифицированном при АХТО слое не выявлено.

 

Список литературы

1. Чернова Г. П., Богдашкина А. Л., Паршутин В. В. и др. Электрохимическое и коррозионное поведение стали 40Х, азотированной в «электролитной плазме» // Защита металлов. 1984. т. 20. № 3. – С. 408 – 411.

2. Ревенко В. Г., Чернова Г. П., Томашов Н. Д. и др. Влияние процесса азотирования в электролите на защитные свойства конверсионных покрытий // Защита металлов. 1988. т. 24. № 2. – С. 204 – 210.

3. Паршутин В. В., Пасинковский Е. А. Повышение коррозионной стойкости сталей химико-термической обработкой в электролитах // Электронная обработка материалов. 2007. № 6. – С. 26 – 28.

4. Белкин П. Н., Крит Б. Л., Дьяков И. Г. и др. Анодное насыщение сталей азотом углеродом в водных растворах, содержащих карбамид // Металловедение и термическая обработка металлов. 2010. № 1. – С. 32 – 36.

5. Белкин П. Н. Электрохимико-термическая обработка металлов и сплавов. – М.: Мир, 2005. – 336 с.

6. Жиров А. В., Дьяков И. Г., Белкин П. Н. Растворение и окисление углеродистых сталей при анодном нагреве в водных электролитах // Химия и химическая технология. 2010. Т. 53. Вып. 2. – С. 89 – 93.

7. Беспалова О. В., Бецофен С. Я., Борисов А. М. и др. Исследование термодиффузного азотирования Fe и Ti методами спектрометрии ЯОР протонов и рентгеновского структурного анализа // Поверхность. 2003. № 4. С. 78 – 84.


Публикации с ключевыми словами: анодная цементация стали
Публикации со словами: анодная цементация стали
Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2019 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)