Разработка комбинированной технологии обработки поверхности стальных изделий электролитно-плазменным химико-термическим упрочнением и полированием

Исследовано структурно-фазовое состояние, морфология и шероховатость поверхности, трибологические и коррозионные свойства высоколегированных сталей 12Х18Н10Т, ХВГ и 9ХС после их диффузионного насыщения азотом, углеродом и бором в условиях катодной и анодной электролитно-плазменной обработки и последующего электролитно-плазменного полирования. Выявлены зависимости условий электролитно-плазменной обработки на состав и структуру диффузионных слоев, морфологию и свойства поверхности. Предложены составы электролитов и режимы комбинированной обработки, обеспечивающее повышение эксплуатационных характеристик поверхности. Показана возможность использования водных электролитов для анодного и катодного диффузионного насыщения, ранее примененных для обработки углеродистых сталей: хлорид аммония и аммиак для азотирования, хлорид аммония и борная кислота для борирования, хлорид аммония и глицерин для анодной цементации. Также были предложены новые составы электролитов для анодного азотирования стали ХВГ и 9ХС. По результатам металлографического, рентгеноструктурного, SEM и EDX анализов выявлены структура, фазовый и элементный состав, микротвердость диффузионных слоев, а также морфология оксидных слоев, образующихся при диффузии атомов насыщающих компонентов и высокотемпературного окисления соответственно. Показано, что морфология поверхности при электролитно-плазменном насыщении определяется природой протекающих на ней физико-химических процессов, которые определяются полярностью обрабатываемого образца и физическими условиями процесса. Выявлены структурные особенности измененной поверхности, которая состоит из поверхностного оксидного слоя и модифицированного слоя, который может включать фазы внедрения, интерметаллиды, остаточный аустенит и мартенсит. Упрочнение поверхности стали 12Х18Н10Т происходит за счет образования соединений включения в виде карбидов и нитридов. При цементации возможным является закалка с образованием мартенсита. Азотирование стали ХВГ и 9ХС приводит к понижению твердости в поверхностном слое за счет повышения содержания остаточного аустенита. После диффузионного насыщения проведено последующее электролитно-плазменное полирование. Показана эффективность полирования в сульфатном электролите азотированной стали 12Х18Н10Т при 650°С. Для азотированной стали ХВГ полирование приводит к формированию более однородной поверхности и снижению шероховатости. Полирование в хлоридно-глицериновом электролите позволяет снизить съем материала. Полирование образцов из стали 9ХС после анодного азотирования, имеющих низкую шероховатость, эффективно только при использовании сульфатного электролита за счет дополнительного окисления поверхности. Определена динамика убыли исходных компонентов электролитов в процессе насыщения и полирования, а также динамика насыщения растворов продуктами анодного растворения стали при полировании. Показана высокая работоспособность электролитов. Установлен электрохимический механизм растворения сталей при полировании. Результаты трибологических испытаний показали наибольшее снижение массового износа после насыщения в оптимальных для интенсификации диффузионных процессов и повышения твердости поверхностного слоя, а также снижения шероховатости поверхности условиях. Кроме этого, на износостойкость образцов после азотирования влияет образование нитридных частиц и формирование низкого уровня микродеформаций решетки. На сталях ХВГ и 9ХС поверхностный слой, содержащий остаточный аустенит, обладает хорошей прирабатываемостью. Это позволяет локализовать пластические деформации в тонком поверхностном слое. Показана корреляция коэффициента трения с критерием Крагельского-Комбалова. Установлено, что фрикционные связи в процессе трения во всех случаях обработки нарушаются в результате пластического оттеснения материала контртела. Вид износа можно охарактеризовать как усталостный износ при граничном трении и пластическом контакте. Результаты коррозионных испытаний образцов из стали 12Х18Н10Т в среде хлорида натрия (3,5%) показали сохранение коррозионной стойкости относительно необработанной стали при образовании менее пористого и дефектного оксидного покрытия, при этом образование модифицированного слоя позволяет сместить потенциал репассивации в катодную область, что уменьшает вероятность возникновения питтинговой коррозии и быстрой репассивации на обработанной поверхности. Показано положительное влияние азотирования сталей ХВГ и 9ХС на повышение коррозионной стойкости, а последующее полирование дополнительно снижает плотность тока коррозии. Разработана установка для реализации катодного и анодного диффузионного насыщения и электролитно-плазменного полирования с цифровыми средствами контроля технологического цикла по электрическим, акустическим и оптическим параметрам. Это позволило разработать систему стабилизации технологических параметров, систему программного управления режимами и автоматизированных систем управления процессом.