Технические науки /3.

д.т.н., проф. Родионов И.В., асп. Ромахин А.Н., к.т.н., доц. Фомин А.А., к.т.н., доц. Пошивалова Е.Ю.

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Россия

Влияние режимов упрочняющей воздушно-термической обработки на микрорельеф поверхности нержавеющей стали 12Х18Н9Т

Введение

В производстве шнековых очистительных центрифуг возникает технически важная проблема повышения эксплуатационной надежности и износостойкости поверхности плоских стальных (12Х18Н9Т) колец. При этом важно, чтобы в условиях гидроабразивного изнашивания, характерных для работы шнековых центрифуг, поверхность колец обладала повышенными прочностными свойствами и обусловливалась параметрами микрорельефа, снижающими ее склонность к износу в процессе очистки загрязненных жидких сред. Поэтому для обеспечения высокой износостойкости на винтовую поверхность стальных колец шнеков целесообразно наносить специальные упрочняющие покрытия из материалов, обладающих повышенными механическими и противоизносными свойствами. К числу материалов таких функциональных покрытий относится высокопрочная металлооксидная керамика, создаваемая на поверхности изделий из нержавеющей хромоникелевой стали методом воздушно-термического оксидирования [1-3].

Термическое упрочняющее модифицирование поверхностей стальных (12Х18Н9Т) образцов с помощью процессов оксидирования позволяет придать им повышенную твердость и износостойкость за счет формирования на поверхности тонкого слоя собственных оксидов металлов, входящих в химический состав металлической основы. Образующиеся на поверхности металлооксидные соединения в виде покрытия отличаются от металла основы повышенными механическими, теплофизическими и антикоррозионными характеристиками, а также способностью длительное время сохранять свои функциональные свойства в условиях газо- и гидроабразивного изнашивания без разрушения металлооксидной матрицы.

В технологических условиях воздушно-термического оксидирования образование покрытия происходит за счет взаимодействия металлической основы с кислородом воздуха при определенной температуре в печи. В результате такого реакционного взаимодействия на обрабатываемой поверхности формируются металлооксидные соединения, которые придают ей комплекс повышенных физико-химических и механических свойств отличных от свойств основного металла. Происходит термоупрочнение модифицированных поверхностных слоев сплава при сохранении химического состава и свойств основной металлической матрицы. За счет термохимических процессов фазообразования осуществляется формирование на поверхности воздушно-термического металлооксидного покрытия без использования дополнительных материалов для получения покрытия. Это характеризует воздушно-термическое оксидирование как высокоэффективный ресурсосберегающий метод технологического воздействия при его использовании в упрочняющей обработке металлоизделий различного назначения. Кроме того, в процессе термомодифицирования стальная поверхность приобретает целый комплекс функциональных характеристик, направленных на обеспечение высоких физико-химических и механических показателей, к которым относятся способность сопротивляться коррозионному разрушению в химически агрессивных средах, способность противостоять абразивному износу, возможность эффективно удерживать на поверхности тонкие слои смазочного материала, повышенные жаропрочность и жаростойкость, высокая электроизоляционная способность.

При оксидировании стали 12Х18Н9Т в той или иной газовой реакционной среде происходит образование металлооксидного керамического покрытия, химический состав, поверхностная структура и механические свойства которого сильно отличаются в зависимости от режимов обработки. Поэтому важным является выбор рациональных режимов и технологических условий оксидирования для получения упрочняющих покрытий с требуемым набором функциональных свойств и эксплуатационных характеристик.

Цель работы заключается в исследовании влияния режимов воздушно-термического оксидирования стали 12Х18Н9Т на изменение микрорельефа получаемых металлооксидных покрытий.

Методика экспериментальных исследований

Опытные образцы представляли прямоугольные пластины площадью рабочей поверхности 2 см² и толщиной 2 мм. Материалом образцов являлась нержавеющая хромоникелевая сталь 12Х18Н9Т (ГОСТ 5632-72). Поверхность пластинчатых образцов подвергалась пескоструйной обработке частицами корундового абразива Al₂O₃ дисперсностью 250 мкм при давлении воздушно-абразивной струи 0,67 МПа в течение 30 сек с целью создания исходной микрошероховатости, обеспечивающей повышенную прочность сцепления формируемого оксидного покрытия с металлической основой. После предварительной пескоструйной обработки стальные образцы проходили ультразвуковую очистку в спиртовом моющем растворе при частоте УЗ-колебаний 22 кГц в течение 3 мин для удаления имеющихся жировых загрязнений (пленок), ухудшающих взаимосвязь создаваемых оксидных слоев с металлом основы.

Воздушно-термическое оксидирование стальных образцов осуществлялось в экспериментальной трубчатой электропечи сопротивления в виде кварцевой трубки диаметром 40 мм с нихромовым спиральным нагревательным элементом и специальной асбестовой теплоизоляцией. Значения напряжения на нихромовом нагревателе задавались с помощью лабораторного автотрансформатора и соответствовали определенным значениям температуры воздушной окислительной атмосферы в рабочей зоне печи. Режим оксидирования предусматривал нагрев образцов в печи до температуры t 250, 300, 350, 400 и 450⁰С с выдержкой τ 0,5, 1,0 и 1,5 ч при каждой температуре.

Шероховатость и микрорельеф поверхности формируемых покрытий исследовались профилометрическим методом измерения параметров микронеровностей R_а, R_z, R_max, S_m по десяти базовым линиям с последующей математической обработкой результатов измерений. При этом изображение профиля измеряемой поверхности регистрировалось в прямоугольных координатах на получаемой профилограмме, которая содержит необходимую информацию о состоянии микрорельефа шероховатой поверхности и дает возможность определить нормируемые параметры. Оборудованием для исследования шероховатости служил микропроцессорный профилограф-профилометр «Калибр-117071», с помощью которого проводилась оценка размерных параметров рельефа поверхности оксидных покрытий, а также мобильный прибор Hommel Tester Т1000 Basic (Hommel Etamic) для контроля микрошероховатости.

Результаты экспериментальных исследований и их анализ

Шероховатость и микрорельеф поверхности стальных образцов после воздушно-термического оксидирования характеризуются параметрами микронеровностей, значения которых существенно изменяются в зависимости от повышения температуры t и продолжительности τ обработки (табл. 1, 2).

Таблица 1

Параметры шероховатости оксидированных поверхностей нержавеющей стали 12Х18Н9Т при различных режимах термообработки на воздухе

τ, ч	Параметры шероховатости, мкм
	Ra					Rz					Rmax					Sm
	Температура оксидирования, ^0С
	250	300	350	400	450	250	300	350	400	450	250	300	350	400	450	250	300	350	400	450
0,5	1,6	1,7	1,7	1,9	2,2	12,6	12,9	13,2	13,9	14,8	24,7	23,9	27,0	28,2	29,4	53,6	54,3	50,9	56,6	54,7
1,0	2,2	2,3	2,5	2,8	2,7	28,7	30,0	29,7	31,3	35,7	38,6	43,9	52,8	49,1	55,3	59,8	63,8	67,8	65,9	96,4
1,5	3,5	3,9	4,0	4,0	4,5	30,5	32,4	34,0	34,8	38,2	46,0	58,0	63,5	69,0	69,6	62,8	75,2	73,8	75,0	138

Таблица 2

Изменение плотности микровыступов термооксидированной поверхности стальных образцов в зависимости от режимов получения оксидных покрытий

Продолжительность оксидирования τ, ч	Температура оксидирования, ^0С
	250	300		350		400	450
	D (плотность микровыступов) 1/см
0,5	133		142		144	121	78
1,0	137		159		176	179	82
1,5	146		165		189	193	68

В ходе профилометрических исследований установлено, что возрастание продолжительности оксидирования с 0,5 ч до 1,5 ч при t=250⁰С приводит к увеличению значений параметра R_a с 1,6 мкм до 3,5 мкм, параметра R_z – с 12,6 мкм до 30,5 мкм, параметра R_max – с 24,7 мкм до 58,0 мкм, параметра S_m – с 53,6 мкм до 62,8 мкм. Подобная кинетика изменения значений параметров микронеровностей наблюдается и при других принятых в эксперименте температурах воздушно-термического оксидирования (рис. 1). Такая закономерность возрастания степени шероховатости оксидированной поверхности стали в зависимости от повышения температуры и продолжительности обработки связана с толщиной создаваемых покрытий, которая при своем существенном увеличении в процессе окисления стальной поверхности создает ее более развитый микрорельеф с наличием множества структурных неоднородностей.

Рис. 1. Кинетика изменения параметров шероховатости металлооксидных покрытий при различных режимах оксидирования стали 12Х18Н9Т:

1 – τ =0,5 ч; 2 – τ =1,0 ч; 3 – τ =1,5 ч

Из представленной зависимости (рис. 1) видно, что с повышением температуры и продолжительности увеличиваются как значения параметров высоты R_а, R_z, R_max, так и значения параметра шага неровностей S_m. Установленная закономерность изменения микрорельефа оксидированной поверхности при различных заданных режимах термообработки свидетельствует о возрастании степени шероховатости упрочняющих металлооксидных покрытий по мере увеличения температуры обработки с 250⁰С до 450⁰С и продолжительности – с 0,5 ч до 1,5 ч.

Эффект возрастания параметров шероховатости покрытий при увеличении температуры и продолжительности оксидирования, в первую очередь, связан с образованием на поверхности нержавеющей стали металлооксидных кристаллов, имеющих дендритную структуру. Кристаллы данной структуры с увеличением температуры обработки разрастаются в объеме покрытия и увеличиваются в своих размерах, что приводит к росту параметров шероховатости поверхности. Поэтому при повышении температуры и продолжительности оксидирования создается более развитый микрорельеф поверхности с наличием гетерогенных металлооксидных микроструктур.

Экспериментально установлено, что профиль термооксидированных микрошероховатых поверхностей стальных образцов имеет различный характер в зависимости от режимов упрочняющей воздушно-термической обработки и обусловлен различными значениями плотности D имеющихся микровыступов. С повышением температуры с t=250⁰С до t=400⁰С и продолжительности оксидирования с τ=0,5 ч до τ=1,5 ч плотность D расположения микровыступов возрастает, что приводит к формированию микрогетерогенной структуры оксидных покрытий. При t=450⁰С плотность D микровыступов заметно снижается из-за образования в покрытии преимущественно крупных частиц оксидов, расположенных на поверхности с меньшей частотой и с большим шагом (рис. 2).

Рис. 2. Кинетика изменения плотности микровыступов металлооксидных покрытий при различных режимах оксидирования стали 12Х18Н9Т

Полученные результаты свидетельствуют, что при повышенных температурах и продолжительности воздушно-термического оксидирования создаются толстослойные покрытия с высоко развитым рельефом и выраженной морфологической структурой поверхности. Существенным недостатком таких покрытий является концентрация в них больших внутренних напряжений, которые могут превосходить предел прочности оксидных слоев и приводить к самопроизвольному микрорастрескиванию (разрушению) покрытия. Поэтому при упрочняющей воздушно-термической обработке стальных колец шнековых очистительных центрифуг целесообразно применять температуры оксидирования t=250-350⁰С и продолжительность процесса τ=0,5 ч.

Литература

1. Родионов И.В., Калганова С.Г., Фомин А.А., Ромахин А.Н. Электропечное технологическое оборудование для газотермического оксидирования металлоизделий // Электрометаллургия. №8, 2013. С. 3-8.

2. Родионов И.В., Ромахин А.Н. Термическое оксидирование как технология упрочняющей обработки поверхности стали 12Х18Н9Т // Наукоемкие технологии в машиностроении. №6 (24), 2013. С. 37-43.

3. Родионов И.В., Ромахин А.Н. Газотермическая обработка в машиностроении как эффективная ресурсосберегающая технология создания упрочняющих металлооксидных покрытий / Материалы 1-й Междунар. научн.-практ. конф. «Технические науки: современные проблемы и перспективы развития». Йошкар-Ола: «Коллоквиум». 2013. С. 161-162.