Кинетика формирования диффузионных слоев при хромировании порошковых сталей в расплавах солей с нагревом токами высокой частоты Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

УДК 621.762

КИНЕТИКА ФОРМИРОВАНИЯ ДИФФУЗИОННЫХ СЛОЕВ ПРИ ХРОМИРОВАНИИ ПОРОШКОВЫХ СТАЛЕЙ В РАСПЛАВАХ СОЛЕЙ С НАГРЕВОМ ТОКАМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

© 2014 г. А.В. Скориков, Ю.Е. Климов, Э.В. Ульяновская

Скориков Александр Валентинович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. Тел. (8635)25-54-86.

Климов Юрий Евгеньевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. Тел. (8635)25-54-86.

Ульяновская Элеонора Владимировна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. Тел. (8635) 25- 54-86.

Skorikov Alexandr Valentinovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Technology of Mechanical Engineering, Technological Machines and equipment», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). Ph. (8635)255486.

Klimov Yuriy Evgenievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Technology of Mechanical Engineering, Technological Machines and equipment», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). Ph. (8635)255486.

Ulyanovskaya Eleonora Vladimirovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Technology of Mechanical Engineering, Technological Machines and equip-ment», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). Ph. (8635) 25-54-86.

Рассматривался процесс формирования диффузионного слоя при жидкофазном хромировании с нагревом ТВЧпорошковых сталей. Показано, что кинетика процесса хромирования в значительной степени обусловлена особенностями структуры порошковых материалов. Установлено, что предложенный способ хромирования с учетом свойств порошковых материалов позволяет значительно уменьшить время и энергозатраты процесса.

Ключевые слова: порошковые материалы; хромирование; диффузионный слой; расплав солей; токи высокой частоты.

Considered the process of formation of the diffusion layer at the liquid phase chromium plating with heating HFC powder steels. It is shown that the kinetics of the chromium plating process is largely due to the peculiarities of the structure of powder materials. It is established that the proposed method of chromium plating taking into account the properties of powder materials allows to reduce considerably time and energy consumption of the process.

Keywords: powder materials; chromium plating; diffusion layer; molten salts; high-frequency currents.

Введение

Одним из путей улучшения качества изделий из порошковых сталей является применение химико-термической обработки (ХТО), в частности диффузионного хромирования (ДХ), которое особенно оправдано в том случае, когда повышенные требования предъявляются к поверхностным слоям материала детали (коррозионно- и износостойкость, несущая способность поверхности и др.). Традиционные способы ДХ с применением твердых насыщающих сред и печного нагрева, как известно, недостаточно эффективны.

Более высокого эффекта следует ожидать от применения интенсивных методов ДХ (применение жидких насыщающих сред в виде расплавов солей и скоростного нагрева заготовок токами высокой частоты), которые позволяют в полной мере использовать такие качественные особенности поверхностных слоев порошковых материалов, как развитость межзеренных границ и остаточная открытая пористость [1].

Цель работы - повышение производительности и уменьшение энергозатрат процесса путем выявления закономерностей формирования

диффузионного слоя при химико-термичнской обработке порошковых сталей в хромосодержа-щих расплавах солей с нагревом токами высокой частоты.

Методика экспериментальных исследований

Метод, в дальнейшем именуемый как диффузионное хромирование в расплавах солей с применением нагрева ТВЧ (ДХТВЧ), заключается в следующем. Заготовка помещается в изготовленный из магнитопроницаемого материала контейнер с плавким затвором, содержащим расплав солей следующего состава, % по массе:

56ВаС£2 + 24ШС£ + 20[87,5СгС1 + 12,5СгОД.

Такой состав имеет температуру плавления 900 оС, хорошую жидкотекучесть. Контейнер помещается в индуктор и дальнейший нагрев заготовки в контейнере осуществляется посредством ТВЧ (рабочая частота 66 кГц) с поддержанием в насыщающей среде температуры 1050 -1150 °С [2].

Результаты и их обсуждение

При ДХТВЧ образцов из порошкового железа диффузионная зона представляет собой твердый раствор хрома в а-железе. Металлографически она выявляется в виде светлой не травящейся полосы. При травлении 4 %-м раствором Н№03 в этиловом спирте граница диффузионного слоя выявляется в виде темной полосы. Эта полоса представляет собой переходную зону и располагается в том месте, где протекали у ^ а превращения по окончании процесса хромирования (рис. 1).

х100

Рис. 1. Микроструктура диффузионного слоя образца из порошкового железа ^ = 1100 °С, % = 30 мин, Ую = 150 °С/с)

Далее за пределами границы слоя расположена диффузионная зона твердого раствора хро-

ма в а-железе (хромистый феррит), а ниже -фаза а-железа, образовавшаяся в результате у ^ а превращения при охлаждении. Это подтверждается результатами рентгеноструктурного анализа: параметр кристаллической решетки составляет 2,865 нм, что приблизительно соответствует концентрации хрома 15 - 16 ± 1,6 % по массе.

На рис. 2 представлен диффузионный слой порошкового железа в рентгеновском СгК-а излучении.

ШШШШШ

ящт

ч^л?? trSriS»

тзщ

Шт

ННМ

ЁЩр тт

шш

х400

Рис. 2. Микроструктура диффузионного слоя образца

из порошкового железа во вторичных электронах ^ = 1100 °С, % = 30 мин, Уо = 100 °С/с)

После хромирования в течение 30 мин при t = 1100 ± 25 °С глубина слоя с концентрацией Сг около 15 - 16 % по массе составила 120 мкм. На границе диффузионного слоя происходит резкое падение концентрации Сг с 12,5 до 1 - 2 % по массе.

Результат объясняется тем, что при интенсификации процесса образуются диффузионные слои с неравновесной структурой [ 3].

При ДХТВЧ порошковых сталей с содержанием углерода 0,2 % по массе диффузионный слой представляет собой высоколегированный аустенит, претерпевающий мартенситное превращение даже при медленном охлаждении.

Ниже этой зоны располагается переходная область, металлографически выявляющаяся в виде темной полосы. Содержание хрома в ней уменьшается от 12 - 13 до 1 - 2 % по массе, а углерода содержится более 1 % по массе. При охлаждении переходная зона претерпевает эвтек-тоидное превращение с образованием перлитной структуры. Толщина этой зоны составляет 6 - 20 мкм (рис. 3). За ней располагается обезуг-лероженная область с ферритной структурой. Далее следуют зоны, не участвующие в образовании диффузионного слоя.

Результаты рентгеноспектрального анализа позволили установить, что максимальное содержание Сг в диффузионном слое составляет 16 -17 % по массе. Такая концентрация наблюдается и на глубине 60 - 70 мкм от поверхности образца. Далее содержание Сг плавно уменьшается до 12 - 13 % по массе, что соответствует границе диффузионного слоя. Глубина зоны с содержанием Сг > 12 % по массе составляет около 120 мкм. Затем происходит резкое уменьшение концентрации Сг до 2 - 3 % по массе. Протяженность переходной зоны - 10 - 15 мкм. Далее содержание хрома уменьшается до 1 - 3 % по массе, распространяясь на глубину, в 1,5 - 2,0 раза превосходящую глубину диффузионного слоя.

х100

Рис. 3. Микроструктура диффузионного слоя стали ПК20 ^ = 1100 °С, т = 30 мин, У,о = 150 °С/с)

Увеличение С в стали до 0,4 - 0,6 % по массе несколько меняет свойства образующегося диффузионного слоя, но его фазовый состав не изменяется (рис. 4). Преимущественно он представляет собой хромистый феррит с включениями карбидов (С^е)23С6, (С^е)7С3, которых больше, чем в материале с С = 0,2 % по массе.

Диффузионные слои на среднеуглероди-стых ПС, как и на низкоуглеродистых, представляют собой высоколегированный хромом аусте-нит, претерпевающий мартенситное превращение даже при малых скоростях охлаждения. В слое также имеется остаточный аустенит, что подтверждается данными рентгеноструктурного анализа.

При увеличении содержания углерода до 0,8 - 1,2 % по массе (рис. 5) механизм образования диффузионного слоя по сравнению с мало- и среднеуглеродистой порошковой сталью почти не изменился. Сплошных карбидных слоев также не образуется вследствие недостаточной концентрации хрома.

х100

Рис. 4. Микроструктура диффузионного слоя стали ПК60 ^ = 1100 °С, т = 30 мин, У,о = 100 °С/с)

х100

Рис. 5. Микроструктура диффузионного слоя стали ПКУ8 ^ = 1100 °С, т = 30 мин, У,о = 100 °С/с)

Анализ показал наличие в диффузионном слое следующих фаз: а-фазы твердого раствора Сг и Fe, мартенситной фазы и карбидных фаз (С^е)23С6, (Сг^е)7С3, (Сг^е)3С2. Максимальная равновесная концентрация Сг в диффузионном слое 30 ± 3 % по массе. Ее глубина 150 мкм, что выше, чем у среднеуглеродистой стали, на 50 %. Увеличение С с 0,4 - 0,6 до 0,8 - 1,2 % по массе приводит к повышению микротвердости диффузионного слоя с 7050 до 8790 - 9920 МПа.

Процесс ДХТВЧ можно представить следующим образом. Влияние расплава солей (? = 850 - 950 °С) и магнитного поля индуктора способствуют интенсивному нагреву образца до t = 1000 - 1150 °С (за 7 - 20 с). При этом активно протекает процесс взаимной диффузии хрома и железа. Еще раньше (при t = 500 - 600 °С) начинается диффузия углерода к поверхности образ-

ца. Так как скорость нагрева сравнительно высока, то обезуглероживания практически не происходит. За десятки секунд образцы нагреваются до температур, при которых начинается активная диффузия хрома, «запирающего» выход углерода к поверхности. При этом на диффузионные процессы оказывают влияние сразу несколько интенсифицирующих факторов.

Во-первых, это специфика порошковых материалов: большая протяженность границ зерен и блоков; исходная мелкозернистость структуры; повышенная плотность дислокаций и вакансий на границах зерен, блоков и поверхностях пор.

Во-вторых, скоростной индукционный нагрев способствует высокой диффузионной восприимчивости мелкоблочного аустенита.

В-третьих, жидкая среда (расплав) начинает кипеть вокруг образца при его нагреве до 1050 - 1150 °С, срывая барьеры из продуктов реакций, возникающие вокруг изделия в процессе насыщения. Это способствует постоянному притоку атомов Сг к поверхности образца.

Все перечисленные факторы интенсификации процесса диффузионного хромирования, обусловленные данным методом насыщения, способствуют более быстрому и глубокому проникновению атомов Сг в образец, чем при хромировании с печным нагревом. Таким образом, значительное увеличение толщины диффузионного слоя при скоростном нагреве компенсируется снижением в нем концентрации Сг и углерода. Толщина слоев, по сравнению с печным нагревом, возросла в среднем с 30 - 140 до 190 - 240 мкм,

Поступила в редакцию

достигая при определенных условиях 1075 мкм. При этом время насыщения уменьшилось в среднем в 4 - 30 раз в зависимости от режима хромирования, значительно уменьшаются энергетические затраты и трудоемкость процесса [4, 5].

Литература

1. Скориков А.В., Веропаха Д.Н., Климов Ю.Е., Козлов Е.В., Шишка В.Г. Обеспечение заданного качества порошковых изделий и рекомендации по их практической реализации / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск, 2006. 263 с.

2. Скориков А.В., Климов Ю.Е. Параметры индукционного нагрева при диффузионном хромировании порошковых сталей в расплавах солей // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2011. Спец. вып. : Актуальные проблемы машиностроения. С. 73 - 75.

3. Попова Н.В., Климов Ю.Е., Ильинов М.А. Структура и свойства железоуглеродистых порошковых материалов для деталей машин, полученных по технологии диффузионного хромирования с нагревом токами высокой частоты. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2011. Спец. вып. : Актуальные проблемы машиностроения. С. 49 - 53.

4. Скориков А.В., Попова Н.В., Климов Ю.Е. Технология изготовления порошковых материалов на основе железа для деталей машин, работающих в условиях коррозионного воздействия и высоких температур // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2011. Спец. вып. : Актуальные проблемы машиностроения. С. 9 - 14.

5. Ульяновская Э.В. Теоретические предпосылки обеспечения качества изделий машиностроительного производства. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2009. Спец. вып. : Актуальные проблемы машиностроения. С. 45 - 48.

18 ноября 2013 г.