CC BY
13
УДК 541.138:543.253
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ ТЕРМООБРАБОТКИ
1ТРУБАЧЕВ А. В., 2ТРУБАЧЕВА Л. В.
1Удмуртский научный центр УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
2
Удмуртский государственный университет, 426034, г. Ижевск, ул. Университетская, 1
АННОТАЦИЯ. Исследовано электрохимическое поведение карбидов различного состава, формирующихся в поверхностных слоях высоколегированных сталей в процессе закалки при различных температурах с последующим отпуском, получены экспериментальные зависимости между значениями потенциалов растворения карбидов (МС, М3С, М6С) и соответствующими анодными токами. Установлены оптимальные условия электрохимического контроля содержания карбидных фаз в поверхностных слоях быстрорежущей стали Р12Н3К8Ф2 и показана возможность его реализации при отработке режимов закалки и отпуска для формирования соответствующих свойств металла.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: высоколегированная сталь, карбиды, электрохимический контроль.
ВВЕДЕНИЕ
Термообработка (ТО) сталей является одним из наиболее эффективных технологических регламентов, позволяющих формировать необходимый спектр их свойств, при этом изменение качественного и количественного состава поверхностных слоев металла, в т.ч. образующихся карбидных фаз, в результате ТО оказывает существенное влияние на эксплуатационные характеристики соответствующих изделий. Большинство существующих физических и физико-химических методов анализа позволяют определять общее содержание углерода в сталях и сплавах независимо от того, в какой форме он присутствует в анализируемом объекте. Весьма эффективным инструментом для изучения элементного и фазового состава поверхностных слоев металлов являются электрохимические методы анализа [1, 2]. Способ потенциостатической анодной поляризации металлического образца при потенциалах перепассивации в 4-8%-ном растворе №ОИ предложен для исследования состава и толщины слоев карбидов хрома в карбидно-хромовых материалах [3], известен метод вольтамперометрического определения валентного состояния титана в поверхностном слое его карбидов, нитридов и карбонитридов [4], локальный электрохимический анализ применен для контроля качества термообработки металлических материалов [5]. В данной работе предложены оптимальные условия вольтамперометрического определения карбидов различного состава, образующихся в поверхностных слоях высоколегированных сталей при отработке различных режимов их закалки с последующим отпуском.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Электрохимические измерения проводили на потенциостате ПИ-50-1 в стеклянной ячейке ЯСЭ-2 с разделенным катодным и анодным пространством. В качестве вспомогательного электрода использовали платиновый электрод, потенциалы измеряли относительно насыщенного хлорсеребряного электрода. Исследуемые стальные образцы размером 10,0*10,0*2,0 мм армировали пластмассой протакрил-М, оставляя рабочую поверхность площадью 100,0 мм . Поверхность рабочего электрода шлифовали, промывали дистиллированной водой и обезжиривали этиловым спиртом. Исследовалась сталь марки Р12Н3К8Ф2 с содержанием углерода более 1 % после закалки при 1210, 1230 и 1250 оС с последующим отпуском (560 оС три раза по 1 часу). Рабочие растворы ортофосфорной кислоты и едкого натра готовили растворением их соответствующих количеств
в дистиллированной воде. Все реактивы, используемые в работе, имели квалификацию «ч.д.а.». Для съемки вольтамперограмм образцы помещали в ячейку, устанавливали необходимую область сканирования потенциала с соответствующей скоростью анодной развертки и фиксировали изменение анодного тока в автоматическом режиме. Идентификацию карбидных фаз проводили по известным значениям потенциалов растворения соответствующих карбидов.
ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ КАРБИДОВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ СТАЛИ Р12Н3К8Ф2 ПОСЛЕ ТЕРМООБРАБОТКИ
Найдено, что на вольтамперограммах образцов стали в 40%-ном растворе едкого натра при изменении потенциала от -1,0 до +0,2 В и скорости анодной развертки уа = 1,0 мВ/с образуются три пика, соответствующие окислению карбидов М3С, М6С и МС (рис. 1), при этом наилучшим образом проявляется пик карбида М3С (Еп = -0,50 ^ 0,60 В), пик карбида М6С (Еп = -0,20 ^ -0,30 В) выражен незначительно, а карбид МС образует лишь волну (Е = -0,15 ^ 0,05 В), т.к. находится в области интенсивного растворения поверхности.
1 - металл без термообработки; 2 - закалка при 1210 оС, отпуск;
3 - закалка при 1230 оС, отпуск; 4 - закалка при 1250 оС, отпуск
Рис. 1. Вольтамперограмма стали Р12Н3К8Ф2 на фоне 40%-го раствора ^ОН, у3=1,0 мВ/с
В условиях лучшего формирования аналитического сигнала М3С наличие карбидов иного состава не оказывает заметного влияния на его форму и величину, следовательно, пик карбида М3С в данных условиях съемки можно использовать для количественной оценки его содержания в поверхностном слое стали. С целью получения хорошо выраженного аналитического сигнала карбида М6С изменяли скорость сканирования потенциала. Установлено, что при V = 80 мВ/с сигнал данного карбида четко выражен, пик М3С менее выражен, а сигнал МС отсутствует (рис. 2).
1 - закалка при 1210 оС, отпуск; 2 - закалка при 1230 оС, отпуск; 3 - закалка при 1250 оС, отпуск Рис. 2. Вольтамперограмма стали Р12Н3К8Ф2 на фоне 40%-го раствора ^ОН, уа=80,0 мВ/с
Для определения содержания карбида МС растворение проводили в 10%-ном растворе ортофосфорной кислоты в области потенциалов от -0,4 до +1,4 В со скоростью анодной развертки 80 мВ/с, при этом на вольтамперограмме образуются два пика (рис. 3).
1 - металл без термообработки; 2 - закалка при 1210 оС, отпуск; 3 - закалка при 1230 оС, отпуск; 4 - закалка при 1250 оС, отпуск
Рис. 3. Вольтамперограмма стали Р12Н3К8Ф2 на фоне 10%-го раствора Н3РО4, уа=80,0 мВ/с
Пик тока, находящийся в области потенциалов +1,2 - +1,3 В, соответствует карбиду МС; для пика в области потенциалов +0,1 - +0,2 литературных данных нет, однако наличие большой разности потенциалов между указанными пиками тока позволяет использовать пик карбида МС для оценки его содержания в поверхностном слое. Образцы, закаленные при 1250 оС, не дают аналитического сигнала, характерного для карбида МС, хотя в области потенциалов от +1,4 до +1,6 В наблюдается площадка предельного тока, характерная для растворения дисперсных карбидов М2С и М23С6.
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы: соединения углерода типа МС не регистрируются для образцов без термической обработки, здесь происходит преимущественное растворение дисперсных карбидов М2С и М23С6. С ростом температуры закалки содержание карбида МС в поверхностном слое стали уменьшается, что можно объяснить образованием М2С из МС при этом. Количество МС в сталях различного способа производства становится одинаковым только после отпуска, причем количество его уменьшается для образцов, закаленных при более высокой температуре. Рост температуры закалки приводит к сдвигу потенциала анодного максимума в более положительную область и уменьшению предельного тока. Содержание карбида М3С наибольшее в стали без термообработки; с ростом температуры закалки его количество возрастает, причем значительно при переходе от 1210 к 1230 оС. С дальнейшим ростом температуры содержание карбида М3С увеличивается незначительно. Аналогичная зависимость наблюдается и для карбида М6С. Потенциал растворения М3С с ростом температуры закалки смещается в более положительную область, а М6С - в более отрицательную, хотя предельные токи растворения в этом ряду увеличиваются. Таким образом, для вольтамперометрического определения качественного и количественного состава карбидов в поверхностных слоях высоколегированных сталей можно рекомендовать режимы, представленные в таблице:
Таблица
Оптимальные режимы для электрохимического контроля содержания карбидных фаз в поверхностных слоях высоколегированных сталей
Карбид Электролит Скорость развертки, Рабочий интервал Потенциал
мВ/с потенциалов, В растворения, В
МС 10% Н3РО4 80,0 -0,4 - +1,8 +1,2
М23С6 10% Н3РО4 80,0 -0,4 - +1,8 +1,6
М2С 10% Н3РО4 80,0 -0,4 - +1,8 +1,6
М3С 40% №ОН 1,0 -1,0 - +0,1 -0,6
М6С 40% №ОН 80,0 -1,0 - +0,1 -0,3
ВЫВОДЫ
Установлены оптимальные условия вольтамперометрического определения карбидов различного состава в поверхностных слоях высоколегированных сталей (на примере стали Р12Н3К8Ф2) после термической обработки, получены экспериментальные зависимости между значениями потенциалов растворения карбидов в щелочных (40%-ный раствор №ОН) и фосфорнокислых (10%-ный раствор Н3РО4) электролитах и соответствующих анодных токов, проанализирована динамика изменения качественного и количественного состава карбидов в поверхностных слоях стали при отработке различных режимов закалки и отпуска.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Брайнина Х. З., Нейман Е. Я., Слепушкин В. В. Инверсионные электроаналитические методы. М. : Химия, 1988. 240 с.
2. Слепушкин В. В., Рублинецкая Ю. В. Локальный электрохимический анализ. М. : Физматлит, 2010.
312 с.
3. Новаковский В. М., Стояновская Т. Н., Уголькова Т. А., Герасимова О. М. Электрохимический способ анализа карбидно-хромовых материалов // Патент РФ № 2089895, 1997.
4. Курбатов Д. И., Булдакова Л. Ю., Жиляев В. А. О возможности вольтамперометрического определения валентного состояния титана в поверхностном слое его карбидов, нитридов и карбонитридов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1999. Т. 65, № 6. С. 10-13.
5. Рублинецкая Ю. В., Расщепкина А. А., Слепушкин В. В. Контроль качества термообработки металлов методом локального электрохимического анализа // В сборнике научных трудов «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов. Харьков : ХГУ, 2007. Т. 1. С. 186-188.
ELECTROCHEMICAL INVESTIGATION OF THE SURFACE LAYERS COMPOSITION OF HIGHLY ALLOYED STEELS AFTER HEAT TREATMENT
Trubachev A. V., *Trubacheva L. V.
Udmurt Scientific Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia Udmurt State University, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The heat treatment of steels is one of the effective technological process allowing to form its necessary properties. In this case the changing of qualitative and quantitative composition of surface layers during heat treatment results in significant effect on performance characteristics of relevant products. The electrochemical behavior of carbides of different composition (MC, M3C, M6C) formed in the surface layers of highly alloyed steels (as an example, the steel grade C105W1) in the process of heat treatment at different temperatures with following drawing back process has been investigated. It has been established that on anodic voltammograms, formed in 40% NaOH solution (at scan potentials area from -1.0 V to +0.2 V and v=1 mV/s) the clear peak current of M3C carbide at -0.60 ^ -0.50 V is recording. In these conditions the peak current of M6C carbide (E=-0.30 ^ -0.20 V) appears little and MC carbide forms only small wave in the potential area from -0.15 V to -0.05 V, which can be used for quantitative determination of M3C carbide containing. It has been shown that clear expressed analytical signal of M6C carbide is formed at v=80 mV/s, in this case peak current of M3C carbide appears little and signal of MC carbide is eliminated. It has been found that in 10% H3PO4 solution at v=80 mV/s in the potential area from +1.3 V to +1.2 V only one peak current of MC carbide appears. On the basis of received results it is concluded that in steel samples without processing heat treatment the MC carbide phase does not occur, and in hot quenching samples the quantity of formed MC carbides become similar after drawing back process. The containing of M3C carbide increases with heat treatment temperature rising, and analogous dependence for M6C carbide has been observed. Therefore, the optimal conditions of electrochemical control of carbide phase containing in surface layers of highly alloyed steels have been established and the possibility of its realization for development of steel heat treatment and drawing back processes for corresponding metal properties forming has been shown.
KEYWORDS: highly alloyed steel, carbides, voltammetry.
REFERENCES
1. Braynina Kh. Z., Neyman E. Ya., Slepushkin V. V. Inversionnye elektroanaliticheskie metody [Contrails electroanalytical methods]. Moscow: Khimiya Publ., 1988. 240 p.
2. Slepushkin V. V., Rublinetskaya Yu. V. Lokal'nyy elektrokhimicheskiy analiz [Local electrochemical analysis]. Moscow: Fizmatlit Publ., 2010. 312 p.
3. Novakovskiy V. M., Stoyanovskaya T. N., Ugol'kova T. A., Gerasimova O. M. Elektrokhimicheskiy sposob analiza karbidno-khromovykh materialov [The electrochemical method of analysis of chromium carbide materials]. RF Patent, no. 2089895, 1997.
4. Kurbatov D. I., Buldakova L. Yu., Zhilyaev V. A. Use of voltammetry for determining the valence state of titanium in the surface layer of titanium carbides, nitrides, and carbonitrides. Industrial Laboratory, 1999, vol. 65, no. 6, pp. 352-353.
5. Rublinetskaya Yu. V., Rasshchepkina A. A., Slepushkin V. V. Kontrol' kachestva termoobrabotki metallov metodom lokal'nogo elektrokhimicheskogo analiza [Quality control of the heat treatment of metals by local electrochemical analysis]. Oborudovanie i tekhnologii termicheskoy obrabotki metallov i splavov [Equipment and technology of heat treatment of metals and alloys]. Kharkiv: KhGU Publ., 2007, vol. 1, pp. 186-188.
Трубачев Алексей Владиславович, кандидат химических наук, доцент, главный ученый секретарь УдНЦ УрО РАН, тел (3412)20-76-58, e-mail: udnc@udman.ru
Трубачева Лариса Викторовна, кандидат химических наук, зав. кафедрой фундаментальной и прикладной химии УдГУ, тел (3412)91-64-37, e-mail: trub12@mail.ru
