Ученые усовершенствовали метод диффузионного насыщения стали и объединили его с полированием в электролизной плазме. Под действием электрического тока в растворах, содержащих азот, бор и углерод, на поверхности образцов формировалась модифицированная структура. Она состояла из оксидной пленки и диффузионного слоя под ней, содержащего 0,8% азота и по 0,87% бора и углерода. Этот слой повысил твердость испытуемых образцов почти в два раза. Кроме того, за счет модифицированной структуры потеря массы при трении уменьшилась в 25 раз. Последующее полирование материала сгладило шероховатости на поверхности образцов и, таким образом, дополнительно снизило коэффициент трения еще в 1,34 раза. Результаты исследования опубликованы в журнале Surface Engineering and Applied Electrochemistry.
Сталь, чугун и титановые сплавы широко используются в различных отраслях промышленности. Однако эти материалы быстро изнашиваются и приходят в негодность, поэтому ученые разрабатывают различные варианты их модификаций, позволяющие повысить их твердость и износостойкость. Одним из таких методов усовершенствования служит электролитно-плазменное диффузионное насыщение атомами легких элементов, например азотом. В результате на поверхности обрабатываемого изделия образуется модифицированный слой, состоящий из соединений железа или титана с модифицирующими компонентами и обеспечивающий большую твердость и повышенную стойкость к коррозии и износу. Однако при некоторых условиях такая обработка материала приводит к увеличению шероховатости и образованию пор на его поверхности, способствующих развитию коррозии.
Ученые из Костромского государственного университета усовершенствовали метод диффузионного насыщения, а полученные материалы обработали с помощью электролитно-плазменного полирования. На первом этапе авторы подвергли стальные образцы электролитно-плазменному диффузионному насыщению бором, азотом и углеродом. В качестве источников этих элементов были использованы растворы хлорида аммония (NH4Cl), борной кислоты (H3BO3) и глицерина (C3H5(OH)3) соответственно. Образцы помещали в нагретые растворы и пропускали через них электрический ток. В парах водного электролита поверхностный слой материала оксидировался, формируя оксидный слой. Под ним образовывался диффузионный слой, состоящий из соединений железа с азотом, бором и углеродом.
Продолжительность насыщения определяла строение оксидного слоя. С помощью микроскопии авторы обнаружили кратеры в оксидной пленке, однако чем дольше образцы подвергались насыщению, тем меньше были кратеры, а поверхность становилась менее шероховатой. Авторы считают, что с увеличением времени обработки разряды сильнее разрушали поверхностную рыхлую оксидную пленку, не затрагивая нижние более плотные оксидные слои.
Затем исследователи изучили, как в результате диффузии азот, бор и углерод распределились в диффузионном слое. Концентрация всех элементов возрастала с увеличением продолжительности насыщения. При этом после 30 минут обработки концентрация азота в поверхностном слое достигла 0,8%, а бора и углерода — 0,87%. В результате диффузионного насыщения твердость образцов увеличилась почти в два раза. При этом с увеличением времени обработки толщина зоны упрочнения увеличивалась.
Кроме того, авторы обнаружили, что при сухом трении о стальной диск полученный материал меньше стирался и изнашивался. Потери по массе уменьшились в 25 раз после диффузионного насыщения. Это было связано с образованием оксидного слоя, действующего при трении как смазка, и твердого диффузионного слоя под ним.
На втором этапе работы ученые использовали электролитно-плазменное полирование, чтобы дополнительно улучшить свойства материала. Для этого они опускали образцы в нагретый раствор электролита под воздействием постоянного тока (до 325 В). В результате через две минуты полирования образцы становились такими же гладкими, как до насыщения. При этом потери материала по массе были незначительны. В процессе полирования удалялись только выпуклые участки поверхностного слоя, а не весь слой целиком. Кроме того, в результате полирования в электролите поверхность дополнительно окислялась. Благодаря этим факторам коэффициент трения образцов снизился в 1,88 раза по сравнению с полностью необработанной сталью и в 1,34 раза по сравнению с материалом, подвергшемся только насыщению.
«Нами впервые (в научных публикациях это точно не встречалось) проведено комбинирование таких разных по назначению и природе процессов, как химико-термическая обработка и полирование в условиях плазменного электролиза. Это позволило решить ряд важнейших задач в области электролитно-плазменных технологий. Планируется в дальнейшем тиражирование принципов метода на другие материалы и разработка технологических процессов промышленного масштаба», — рассказывает Сергей Кусманов, доктор технических наук, доцент, директор Института физико-математических и естественных наук Костромского государственного университета.
Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
