Другие журналы
|
научное издание МГТУ им. Н.Э. БауманаНАУКА и ОБРАЗОВАНИЕИздатель 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)
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 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
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
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 литературы1. 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 Тематические рубрики: Поделиться:
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|