RU2569623C2 - Состав для электролитно-плазменной нитроцементации - Google Patents
Состав для электролитно-плазменной нитроцементации Download PDFInfo
- Publication number
- RU2569623C2 RU2569623C2 RU2013118518/02A RU2013118518A RU2569623C2 RU 2569623 C2 RU2569623 C2 RU 2569623C2 RU 2013118518/02 A RU2013118518/02 A RU 2013118518/02A RU 2013118518 A RU2013118518 A RU 2013118518A RU 2569623 C2 RU2569623 C2 RU 2569623C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrolyte
- acetonitrile
- plasma
- ammonium chloride
- increase
- Prior art date
Links
Landscapes
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Electroplating Methods And Accessories (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности для повышения эксплуатационных свойств металлических изделий. Электролит содержит, мас.%: 10-15 ацетонитрила, 12,5-15 хлорида аммония, остальное - вода. Изобретение позволяет снизить удельную мощность, затрачиваемую на обработку, повысить толщину модифицированного поверхностного слоя, поверхностную твердость, уменьшить скорость анодного растворения при снижении шероховатости поверхности. 2 табл., 2 пр.
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к химико-термической обработке, в частности, к электролиту для электролитно-плазменной модификации металлов и сплавов, и может быть использовано в машиностроении, приборостроении и других отраслях для повышения эксплуатационных свойств изделий.
В настоящее время для электролитно-плазменной нитроцементации предложены десятки растворов, содержащих различные азот- и углеродсодержащие соединения [1]. Однако использование сложных составов связано с технологическими затруднениями вследствие разных скоростей расхода отдельных веществ.
Известен водный раствор для насыщения сталей азотом и углеродом, содержащий азотную кислоту от 5 до 10 мас.%, хлористый аммоний от 5 до 15 мас.% и глицерин от 10 до 15 мас.%, позволяющий получить диффузионный слой до 190 мкм за 4 мин [2]. Недостатком этого электролита является наличие агрессивной азотной кислоты, способствующей, кроме того, повышенному окислению поверхности детали.
Известен водный раствор для насыщения сталей азотом и углеродом, содержащий 20 мас.% нитрата аммония, 4,5 мас.% аммиака и 7 мас.% ацетона, позволяющий получить упрочненную зону до 240 мкм за 5 мин без использования агрессивных соединений [3]. Недостатком этого электролита является низкий ресурс, связанный с высокими скоростями испарения аммиака и ацетона.
Известен водный раствор моноэтаноламина, позволяющий получить упрочненный слой толщиной до 60 мкм за 1 мин [4]. Однако увеличение продолжительности обработки приводит к появлению трещин в поверхностном слое. Другими недостатками этого электролита являются повышенное окисление обрабатываемого изделия и сравнительно высокая температура кипения насыщающего компонента, равная 170°C. Низкая летучесть этаноламина затрудняет его перенос в насыщающую среду.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является электролит для анодной нитроцементации на основе карбамида [5]. Указанный водный электролит содержит, мас.%: 20 карбамида, 10 хлорида аммония, и позволяет получить упрочненный поверхностный слой на стальной основе, состоящий из карбонитридов, перлита или мартенсита и остаточного аустенита (в зависимости от условий охлаждения). Результатом его применения является повышение микротвердости среднеуглеродистой стали до 6 ГПа при увеличении коррозионной устойчивости в 6 раз без снижения ударной вязкости.
По назначению и наличию сходных существенных признаков данное решение принято в качестве прототипа.
Экспериментальная проверка показала, что недостатком электролита, выбранного в качестве прототипа, является относительно высокое напряжение до 240 В, необходимое для реализации процесса, что влечет за собой повышенные затраты энергии. Причиной этого является сравнительно низкая удельная электропроводность раствора, равная 157±2 мСм/см. Кроме того, наличие нелетучего насыщающего компонента исключает его испарение в парогазовую оболочку в молекулярной форме, поэтому транспорт насыщающих веществ может быть связан только с протеканием дополнительных реакций и образованием промежуточных соединений [6]. Такой массоперенос, с одной стороны, способствует высокой концентрации паров воды (за счет преимущественного испарения молекул воды) в парогазовой оболочке и, как следствие, усилению процесса окисления материала анода с образованием оксидной пленки большой толщины и увеличению шероховатости поверхности. С другой стороны, многостадийность процессов образования активных адсорбирующихся атомов азота и углерода, а также частичное протекание этих процессов в самом электролите снижает долю активных насыщающих веществ в парогазовой оболочке. Для сокращения энергозатрат и увеличения насыщающей способности среды необходим состав электролита с большей удельной электропроводностью, меньшей вязкостью и с наличием летучего насыщающего компонента.
Задачей заявленного изобретения является разработка электролита для электролитно-плазменной нитроцементации, обеспечивающего снижение удельной мощности, требуемой на проведение нитроцементации, увеличение толщины модифицированного слоя и снижения шероховатости поверхности обработанных деталей.
Поставленная задача решается тем, что электролит для электролитно-плазменной нитроцементации, содержащий хлорид аммония и воду, согласно предлагаемому изобретению, содержит в качестве насыщающего компонента ацето-нитрил при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Ацетонитрил | 10-15 |
Хлорид аммония | 12,5-15 |
Вода | Остальное |
Концентрация ацетонитрила менее 10 мас.% не позволит получить необходимую концентрацию донора азота и углерода в парогазовой оболочке. При концентрации ацетонитрила более 15 мас.% значительно снижается поверхностное натяжение, приводящее к увеличению толщины парогазовой оболочки и снижению температуры насыщения, также снижается удельная электропроводность раствора.
При содержании хлорида аммония менее 12,5 мас.% уменьшается удельная электропроводность электролита. Содержание хлорида аммония выше 15 мас.% приведет к значительному увеличению скорости анодного растворения.
Техническая сущность предлагаемого решения состоит в следующем.
Применение электролита с низкой вязкостью, большей удельной электропроводностью и высокой летучестью насыщающего вещества, основным компонентом которого является ацетонитрил, позволяет проводить процесс электролитно-плазменной нитроцементации при относительно меньшей затрачиваемой мощности. При увеличении электропроводности электролита по сравнению с прототипом снизится напряжение на электродах и, в целом, удельный расход электроэнергии. Вязкость растворов влияет на эмиссионную способность электролита: чем ниже вязкость, тем выше способность электролита к переносу вещества. При низкой температуре кипения насыщающего компонента увеличивается давление его насыщенного пара и скорость испарения в парогазовую оболочку, что позволит увеличить поверхностную концентрацию диффундирующих атомов азота и углерода, а значит, увеличится и толщина модифицированного слоя.
Ацетонитрил в заявляемом составе электролита является основным насыщающим компонентом. Такой электролит имеет более низкую вязкость (в 1,15-1,2 раза) и более высокую удельную электропроводность (в 1,2-1,5 раза) по сравнению с прототипом при одинаковых температурах. Ацетонитрил, в отличие от карбамида имеет низкую температуру кипения (81,6°C) и, с учетом особенностей массопереноса при электролитно-плазменной обработке, может сам беспрепятственно транспортироваться в молекулярной форме из электролита в парогазовую оболочку. При температуре кипения ниже температуры кипения воды процесс испарения ацетонитрила доминирует над транспортом молекул воды в парогазовую фазу и ингибирует процесс окисления материала анода. Такое преимущество ацетонитрила над карбамидом позволяет получить большие концентрации активных веществ в парогазовой оболочке и, как следствие, большие толщины диффузионных слоев при одинаковых условиях обработки, толщина оксидного слоя при этом будет уменьшаться.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о соответствии решения критериям «новизна» и «существенные отличия».
Условия электролитно-плазменной нитроцементации в предложенном электролите: температура обработки от 650 до 950°C, продолжительность - от 2 до 10 мин, плотность тока до 4,5 А/см2 при рабочем напряжении от 125 до 165 В и температурой электролита до 30°C.
Корректирование электролита по содержанию ацетонитрила и хлорида аммония производится по данным химического анализа.
Возможность осуществления изобретения подтверждается следующими примерами.
Во всех примерах электролитно-плазменная нитроцементация осуществлялась в осесимметричной рабочей камере с проточным электролитом со скоростью 3 л/мин при температуре обработки 850°C в течение 5 мин при анодной полярности шестигранных образцов из стали 20 высотой 10 мм и размером грани 4 мм.
Пример 1 (прототип).
Состав электролита на основе карбамида, параметры процесса и характеристики полученного модифицированного слоя представлены в таблице 1.
Таблица 1 | |||||||||
Концентрация (NH2)2CO, мас.% | Концентрация NH4Cl, мас.% | Напряжение, В | Сила тока, А | Потребляемая мощность, Вт | Скорость анодного растворения, г/см2·мин) | Толщина модифицированного слоя, мкм | Толщина оксидного слоя, мкм | HRC | Поверхностная шероховатость Ra, мкм |
20 | 10 | 240 | 5,6 | 1344 | 0,0236 | 156 | 48 | 36,2 | 0,41 |
Пример 2.
Состав электролита на основе ацетонитрила, параметры процесса и характеристики полученного модифицированного слоя представлены в таблице 2.
Таблица 2 | |||||||||
Концентрация (NH2)2CO, мас.% | Концентрация NH4Cl, мас.% | Напряжение, В | Сила тока, А | Потребляемая мощность, Вт | Скорость анодного растворения, г/см2·мин) | Толщина модифицированного слоя, мкм | Толщина оксидного слоя, мкм | HRC | Поверхностная шероховатость Ra, мкм |
10 | 12,5 | 162 | 8,0 | 1296 | 0,0152 | 178 | 26 | 40,1 | 0,23 |
10 | 15 | 150 | 8,7 | 1305 | 0,0217 | 182 | 21 | 41,3 | 0,23 |
15 | 12,5 | 162 | 6,7 | 1085 | 0,0121 | 188 | 27 | 40,8 | 0,23 |
15 | 15 | 155 | 7,5 | 1162 | 0,0184 | 191 | 23 | 42,3 | 0,23 |
Как видно из приведенных примеров, предложенный электролит позволяет обеспечить снижение требуемой удельной мощности, повышение толщины модифицированного слоя, уменьшение толщины оксидного слоя, снижение скорости анодного растворения и шероховатости поверхности при повышении ее твердости.
Источники информации
1. Суминов И.В., Белкин П.Н., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов А.М. Плазменно-электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов. Том I. М.: Техносфера, 2011. 464 с.
2. А.с. 461161 СССР, МКИ С23с 9/10. Способ химико-термической обработки металлов / Лазаренко Б.Р., Дураджи В.Н., Факторович А.А., Брянцев И.В.; БИ 1975. №7.
3. А.с. 618447 СССР, МКИ С23с 9/16. Электролит для цианирования стальных деталей / Дураджи В.Н., Брянцев И.В., Товарков А.К.; БИ 1978. №29.
4. Shen D.J., Wang Y.L., Nash P., Xing G.Z. A novel method of surface modification for steel by plasma electrolysis carbonitriding // Material Science and Engineering A. 2007. V.458. pp.240-243.
5. Мухачева Т.Л., Дьяков И.Г., Белкин П.Н. Особенности двухкомпонентного насыщения конструкционных сталей азотом и углеродом при анодном электролитном нагреве // Вопросы материаловедения. 2009. №2. С.38-45.
6. Белкин П.Н., Кусманов С.А., Дьяков И.Г., Наумов А.Р. Особенности поверхностного насыщения стали азотом и углеродом при анодной нитроцементации в карбамидном электролите // Машиностроение и техносфера XXI века: сборник трудов XVIII Международной научно-технической конференции в г.Севастополе 12-17 сентября 2011 г. В 4-х томах. - Донецк: ДонНТУ, 2011. Т.1. - С.79-81.
Claims (1)
- Электролит для электролитно-плазменной нитроцементации, содержащий хлорид аммония в качестве электропроводящего компонента, насыщающий компонент и воду, отличающийся тем, что в качестве насыщающего компонента он содержит ацетонитрил при следующем соотношении компонентов, мас.%:
ацетонитрил 10-15 хлорид аммония 12,5-15,0 вода остальное
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013118518/02A RU2569623C2 (ru) | 2013-04-22 | 2013-04-22 | Состав для электролитно-плазменной нитроцементации |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013118518/02A RU2569623C2 (ru) | 2013-04-22 | 2013-04-22 | Состав для электролитно-плазменной нитроцементации |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013118518A RU2013118518A (ru) | 2014-10-27 |
RU2569623C2 true RU2569623C2 (ru) | 2015-11-27 |
Family
ID=53380538
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013118518/02A RU2569623C2 (ru) | 2013-04-22 | 2013-04-22 | Состав для электролитно-плазменной нитроцементации |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2569623C2 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2725492C1 (ru) * | 2019-09-18 | 2020-07-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Электролит для анодного плазменно-электролитного модифицирования |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU834235A1 (ru) * | 1979-07-13 | 1981-05-30 | Институт Прикладной Физики Ан Молдав-Ской Ccp | Способ химико-термической обработкиМЕТАлличЕСКиХ издЕлий B элЕКТРОлиТАХ |
SU1650767A1 (ru) * | 1988-12-06 | 1991-05-23 | Предприятие П/Я Р-6219 | Состав электролита дл нитроцементации стальных изделий в электролитной плазме |
-
2013
- 2013-04-22 RU RU2013118518/02A patent/RU2569623C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU834235A1 (ru) * | 1979-07-13 | 1981-05-30 | Институт Прикладной Физики Ан Молдав-Ской Ccp | Способ химико-термической обработкиМЕТАлличЕСКиХ издЕлий B элЕКТРОлиТАХ |
SU1650767A1 (ru) * | 1988-12-06 | 1991-05-23 | Предприятие П/Я Р-6219 | Состав электролита дл нитроцементации стальных изделий в электролитной плазме |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
МУХАЧЕВА Т.Л. и др. Особенности двухкомпонентного насыщения конструкционных сталей азотом и углеродом при анодном электролитном нагреве. Вопросы материаловедения. 2009, N 2, с. 38-45. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2725492C1 (ru) * | 2019-09-18 | 2020-07-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Электролит для анодного плазменно-электролитного модифицирования |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013118518A (ru) | 2014-10-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Kusmanov et al. | Features of anode plasma electrolytic nitrocarburising of low carbon steel | |
Belkin | Anode electrochemical thermal modification of metals and alloys | |
US10604832B2 (en) | Enhanced activation of self-passivating metals | |
Kusmanov et al. | Formation of diffusion layers by anode plasma electrolytic nitrocarburizing of low-carbon steel | |
US10156008B2 (en) | Method for altering surface of metal, and metallic product | |
CN102220553B (zh) | 一种用于不锈钢低温盐浴渗氮的氮化盐 | |
Kusmanov et al. | Surface modification of low-carbon steels by plasma electrolytic nitrocarburising | |
RU2011121882A (ru) | Жидкость для химической конверсионной обработки металлического материала и способ обработки | |
Tavakoli et al. | Electrochemical and physical characteristics of the steel treated by plasma-electrolysis boronizing | |
Kusmanov et al. | Effect of plasma-electrolytic polishing on the corrosion resistance of structural steels after their anodic saturation with nitrogen, boron, and carbon | |
RU2569623C2 (ru) | Состав для электролитно-плазменной нитроцементации | |
CN105063325A (zh) | 一种带锯条热处理工艺 | |
Belashova et al. | New nitriding process of high-alloyed maraging steel for cryogenic operation | |
Kusmanov et al. | Modification of low-alloy steel surface by plasma electrolytic nitriding | |
Kusmanov et al. | Anodic electrolytic-plasma borocarburizing of low-carbon steel | |
US20210172046A1 (en) | Chemical activation of self-passivating metals | |
RU2367716C1 (ru) | Способ обработки стальных изделий в газообразной среде | |
Caliari et al. | An investigation into the effects of different oxy-nitrocarburizing conditions on hardness profiles and corrosion behavior of 16MnCr5 steels | |
Zhirov et al. | Effect of glycerine concentration on dissolution and oxidation of mild steel during anodic cementation | |
WO2007018158A1 (ja) | イオン窒化処理方法 | |
CN111809140A (zh) | 一种用于提高不锈钢耐硫化氢腐蚀的低温碳氮氧共渗处理剂 | |
RU2725492C1 (ru) | Электролит для анодного плазменно-электролитного модифицирования | |
Silva et al. | Effect of methane addition on formation of plasma nitrocarburized layers | |
Kusmanova et al. | Anode plasma electrolytic nitrocarburizing of steel in an aqueous electrolyte based on glycerol, ammonium nitrate, and ammonium chloride | |
Belkin et al. | Plasma electrolytic hardening and nitrohardening of medium carbon steels |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160423 |