Основная цель поверхностной инженерии — улучшить поверхностные механические свойства материалов, сохраняя при этом объемные свойства, такие как механическая прочность, ударопрочность, плотность и т. д. Поверхностные аспекты материалов, которые инженеры учитывают в процессе проектирования, в основном подразделяются на износ, усталость и коррозию. Хотя износ и усталость считаются механическими повреждениями, они часто сочетаются с коррозией.
Когда эти типы повреждений сочетаются, результаты могут быть сложными. Например, усталостное разрушение стальных компонентов предотвращается, когда приложенное циклическое напряжение меньше определенного значения, известного как « предел выносливости ». Знание этой величины важно для инженеров-механиков, которые хотят контролировать усталость. Однако при наличии агрессивной среды предел выносливости материалов значительно снижается, в связи с чем определение предела выносливости становится более затруднительным. Вот почему очень часто повышают коррозионную стойкость материалов, одновременно улучшая износостойкость или усталостную стойкость.
Методы повышения долговечности
Методы, используемые в технологии поверхности для борьбы с износом и усталостными разрушениями, делятся на два типа:
- Нанесение покрытия
Это предполагает нанесение высокоэффективных покрытий на поверхность материала. В некоторых случаях на поверхность наносят очень твердые покрытия, такие как карбид вольфрама, карбиды хрома, карбиды титана или нитриды титана. Эти покрытия обычно обладают хорошей коррозионной стойкостью и высокой износостойкостью. Однако возможны дефекты покрытий, такие как повышенная пористость, которая вызвает проблемы с точки зрения коррозии, подвергая подложку воздействию агрессивной среды. Существует множество различных методов нанесения износостойких и усталостных покрытий, таких как гальваника, физическое осаждение из паровой фазы (PVD) , химическое осаждение из паровой фазы (CVD), электроискровое легирование, плазменное напыление и т. д. - Модификация поверхности.
В этом методе структура и химический состав поверхности материала изменяются без нанесения внешнего покрытия; поверхность металла модифицируется в соответствии с требованиями к поверхности. Модификацию поверхности обычно проводят путем диффузии одного или нескольких элементов в поверхность металла. Например, в процессе цементации атомы углерода проникают в поверхность стали, создавая на поверхности очень высокое содержание углерода и мартенситную структуру высокой твердости , в то время как сердцевина стали представляет собой высокопрочный и пластичный металл. Эти типы процессов часто называют диффузионными покрытиями .
Защита путем модификации поверхности
Поскольку диффузия элементов является функцией времени и температуры, эти процессы происходят при высоких температурах. Элементы, которые выбираются для диффундирования в стальные детали, обычно представляют собой элементы с небольшим атомным радиусом, такие как углерод, азот и бор. Эти типы элементов имеют более высокую скорость диффузии в стали, а небольшие их количества могут резко повысить твердость стали.
Как упоминалось выше, модификация поверхности преимущественно используется для улучшения характеристик поверхности от механических повреждений . Однако некоторые из них также обладают превосходной коррозионной стойкостью. Следовательно, некоторые из этих покрытий могут быть хорошими кандидатами для одновременной защиты как от механических повреждений (износа и усталости), так и от коррозии.
Процесс азотирования
Азотирование, один из наиболее важных и распространенных процессов модификации поверхности, может улучшить стойкость к поверхностной коррозии стальных деталей, а также повысить износостойкость и усталостную стойкость. В этом процессе, изобретенном в начале 1900-х годов, атомарный азот проникает в поверхность стали и вступает в реакцию с атомами подложки (преимущественно железа) с образованием нитридов. Нитриды металлов тверды и повышают износостойкость поверхности. Это хорошо известный процесс термической обработки стальных деталей с целью повышения их износостойкости и усталостной прочности. Твердость азотированного слоя достигает 65 HRC тогда как твердость подложки обычно составляет около 45 HRC. Коррозионная стойкость азотированного слоя превосходна во многих средах.
Можно одновременно ввести в металлическую поверхность атомы азота и углерода. Этот процесс называется нитроцементацией или карбонитрированием, в зависимости от того, какой элемент преобладает при проникании.
Подробности азотирования
Существует множество различных торговых наименований, таких как Arcor, Tenifer, Tufftride, Melonite, Tenoplus, QPQ и т. д., которые запатентованы. Они различаются в зависимости от конкретных условий процесса азотирования. Средой, используемой в качестве источника атомарного азота, может быть плазма, газ или расплавленная соль .
Азотированный налет на стали не является однослойным, а фактически состоит из двух зон:
- Зона соединения, которую называют «белым слоем» и отождествляют со смесью различных фаз нитридов металлов.
- Диффузионная зона, расположенная под белым слоем и состоящая из железа с высоким содержанием азота в сочетании с частицами нитридов металлов.
Поскольку белый слой чрезвычайно твердый, но очень хрупкий, рекомендуется исключить эту зону из-за износа и усталости. Однако белый слой обладает высокой коррозионной стойкостью . Поэтому в тех случаях, когда коррозия является проблемой, белый слой будет полезен. Например, когда смазочные материалы на водной основе используются для защиты от износа, поверхность должна иметь высокую коррозионную стойкость.
В процессе Arcor после нитроцементации в расплавленной соли на поверхности образуется слой черного оксида железа (Fe 3 O 4 ) путем погружения азотированных стальных компонентов в другую расплавленную соль на пару минут. Процесс образования черного оксида , известный как процесс чернения, позволяет повысить коррозионную стойкость поверхности в атмосферных и нейтральных растворах. Слой черного оксида является пористым , и эта особенность не только улучшает характеристики трения поверхности за счет улучшения приработки смазки, но также может служить хорошей подложкой для антикоррозионных покрытий, поскольку открытые поры в оксидном слое могут улучшить сцепление покрытий с поверхностью.
Метод смягчения
Хотя азотирование является хорошо известным процессом термообработки стальных деталей для уменьшения поверхностных механических повреждений, таких как износ, истирание , эрозия, усталость и истирание , этот процесс может быть полезен, когда необходимо контролировать коррозию в системе. Другими словами, инженеры-коррозионщики должны рассматривать азотирование как метод уменьшения коррозии, особенно когда коррозия может сопровождаться механическими повреждениями .