КОРРОЗИОННАЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ПЛАЗМЕННОЙ АЗОТИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

АННОТАЦИЯ

Плазменное азотирование обычно используется в качестве конечной операции для повышения износа, коррозионной стойкости и предела усталости деталей машин. Коррозионная и износостойкость азотированных сталей может быть дополнительно повышена обратным покрытием. В данной работе представлены результаты коррозионных и износных испытаний плазменной азотированной обработки стали.

Ключевые слова: Плазменная обработка, износостойкость, коррозия.

Плазменное азотирование как химико-термический процесс обработки обычно используется для повышения поверхностной твердости, усталостной прочности и коррозионной стойкости [1, 2]. По мнению некоторых авторов, плазменное азотирование повышает износостойкость [3], но также снижает вязкость надреза [4]. После процесса азотирования на поверхности создается составной слой, обычно состоящий из нитридных фаз [5]. Компаундный слой характеризуется повышенной твердостью и хорошей коррозионной стойкостью, которая может быть уменьшена за счет пористости. Приемлемым способом подавления этих пор является процесс пост окисления [5]. Также фосфатирование может применяться для повышения коррозионной стойкости сталей, чугунов или цинка, магния, кадмия, а часто и алюминия [5]. Еще одной целью фосфатного обратного покрытия является улучшение обкатки деталей вращающихся машин и снижение лобового трения. Наиболее часто используемым процессом является фосфатирование цинка.

Данная работа посвящена оценке коррозионной и износостойкости стали 42CrMo4 (AISI 4137/4140), подвергнутой плазменному азотированию и дуплексной обработке (плазменное азотирование и покрытие фосфатом марганца), а также сравнению с закаленной.

Коррозионная стойкость была испытана с помощью коррозионного испытания в соответствии со стандартом ISO 9227, визуально и гравиметрический оценена. После удаления продуктов коррозии поверхности оценивали с помощью лазерной конфокальной микроскопии. Испытание на износ проводили при температуре 21°С, 150°С и 300°С и нагрузке 20Н. Оценивали износостойкость и коэффициент трения при несмазанном скольжении по стандарту ASTM G99-95a. Результаты испытаний на коррозию и износ были дополнительно дополнены рентгенофазовым анализом (РФА), металлографической документацией и измерением толщины слоя компаунда. Толщину и микро-твёрдость создаваемых слоев измеряли методом микро-твёрдости Виккерса в соответствии со стандартом DIN 50190.

Коррозионная стойкость была визуально и гравиметрически оценена вовремя 2, 4, 8, 24, 48, 72, 96, 144 и 196 часов экспозиционных периодов. Коррозионные испытания NSS Exposure в 5 % нейтральном растворе хлорида натрия проводились в соответствии со стандартом ISO 9227 в коррозионной камере VLM GmbH SAL 400-FL. Перед проведением коррозионных испытаний на воздействие образцы были обезжирены этиловым спиртом.

После определенных периодов экспозиции (2, 4, 8, 24, 48, 72, 96, 144 и 196ч) экспонированные образцы высушивали и визуально оценивали с помощью программного обеспечения QuickPHOTO Industrial 2.3 с применением фазового анализа и расчетом корродированной поверхности (в %). Распространение поверхностной коррозии (полная линия) суммируется на рисунке 1. Оценка коррозионной стойкости была дополнена гравиметрической оценкой и скоростями коррозии.

Рисунок 1. Степень коррозии металла

Как видно из графика значительное снижение коррозии металла достигнуто путем плазменно-азотированной обработки. В данном примере можно сравнить плазменную обработкау с азотированной и металлом без обработки вовсе. Последний достигает своего пика в 100% на 144 часу испытания, когда как плазменная обработка на 196 часу имеет значение 71%, плазменно-азотированная обработка имеет степень коррозии на 196 часу всего 56%. Однако, стоит отметить что первые 48 часов плазменная обработка показывает лучший результат чем плазменно-азотированная обработка, возможно в связи особенностью металла, эксперименты и исследования на эту тему еще будут проводиться.

Образцы для испытания на износ были подготовлены в виде круглого диска диаметром 70 мм и толщиной 6,6 мм. Термическая обработка, плазменное азотирование и последующее конверсионное покрытие фосфатом марганца были подготовлены таким же образом, как и для коррозионных испытаний.

Испытание на износ, соответствующее стандарту ASTM G99-95a, проводилось на трибометре BRUKER UMT-3. Параметры измерений были установлены следующим образом: нормальная нагрузка 20 Н, частота вращения 500 об / мин, радиус колеи 20 мм, продолжительность испытания 27 мин, 13500 циклов. Для получения требуемой температуры 21°С, 150 °С и 300 °С образец (диск) нагревали в испытательной камере в течение 25 минут и выдерживали при этой температуре в течение 10 минут до достижения той же температуры, что и для испытательного образца. После испытания на износ образцы охлаждали воздухом, а затем очищали в этиловом спирте с помощью ультразвукового очистителя для оценки и измерения следа износа.

Плазменное азотирование значительно снижает скорость износа при температуре окружающей среды по сравнению с закаленным образцом стали, как, что может быть дополнительно снижено за счет конверсионного покрытия фосфатом марганца. С повышением температуры до 150 °С скорость износа образцов плазменной азотированной стали увеличивается, а дуплексная обработка практически не изменяется, по сравнению со снижением скорости износа образца закаленной стали. При температуре 300 °С скорость износа закаленной стали немного повысилась, но была ниже, чем при температуре окружающей среды.

Для оценки коррозионной и износостойкости были подготовлены закаленные, азотированные плазмой образцы стали. Подготовленные образцы подвергались коррозионным испытаниям до 196 часов, непрерывно визуально и гравиметрически оценивались. Испытания на износ для исследования коэффициента трения и скорости износа проводились при температурах 21°С, 150°С и 300°С. Для испытания на износ использовался индентор из карбида вольфрама диаметром 6,3 мм. Наиболее релевантный вывод заключается в следующем:

• По данным визуальной оценки распространения коррозии [в %], которое было значительно уменьшено после нанесения плазменного азотирования, было дополнительно уменьшено последующим покрытием фосфатом марганца;
• Плазменное азотирование значительно снизило скорость износа при температуре окружающей среды по сравнению с закаленным стальным образцом, которая была дополнительно снижена за счет конверсионного покрытия фосфатом марганца;
• Скорость изнашивания плазменно-азотированных обработанных образцов стали увеличиваться с повышением температуры, но коэффициент трения уменьшался;
• Скорость износа закаленной стали при повышенных температурах ниже, чем при температуре окружающей среды, и ниже, чем у азотированных образцов, но с точки зрения коррозионной стойкости закаленная сталь не может соответствовать требованиям практической эксплуатации деталей машин.

Список литературы:

1. STUDENY, Z. (2015). Analysis of the Influence of Initiating Inclusions on Fatigue Life of Plasma Nitrided Steels. In: Manufacturing Technology, Vol. 15, No. 1, 99-105 pp., ISSN: 1213-2489.
2. MAJ, M., KLASIK, A., PIETRZAK, K., RUDNIK, D. (2015) Modified low-cycle fatigue (lcf) test. In: METALURGIJA. Vol. 54, No. 1, 207-210 pp., ISSN: 0543-5846
3. DOAN, T.V., DOBROCKY, D., POKORNY, Z., KUSMIC, D., NGUYEN, V. T. (2016) Effect Of Plasma Nitriding On Mechanical And Tribological Properties Of 42CrMo4 Steel. In: ECS Transactions, Vol. 74, No. 1,  231-238 pp., ISSN: 1938-5862
4. DOAN, T.V., DOBROCKY, D., POKORNY, Z., KUSMIC, D., NGUYEN, V. T. (2016) Effect Of Plasma Nitriding On Mechanical And Tribological Properties Of 42CrMo4 Steel. In: ECS Transactions, Vol. 74, No. 1,  231-238 pp., ISSN: 1938-5862
5. PYE, D. (2003): Practical nitriding and ferritic nitrocarburizing. 2nd edition, Ohio: ASM International Materials Park 2003, 127-129 pp., ISBN: 0-87170-791-8.