CC BY
33
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
УДК 624.793.6 DOI: 10.17213/0321-2653-2018-3-134-139
КИНЕТИКА ПРОЦЕССА ПОВЕРХНОСТНОГО АЛИТИРОВАНИЯ
ПОРОШКОВЫХ СТАЛЕЙ
© 2018 г. А.В. Скориков, Э.В. Ульяновская
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
KINETICS OF THE PROCESS OF SURFACE ALOTING OF POWDER STEELS
A.V. Skorikov, E.V. Ulyanovskaya
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Скориков Александр Валентинович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Технология машиностроения», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: tm.mi2015@yandex.ru
Ульяновская Элеонора Владимировна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология машиностроения», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: tm.mi2015@yandex.ru
Skorikov Alexandr Valentinovich - Doctor of Technical Sciences, Professor, department «Technology of Mechanical Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: tm.mf2015@yandex.ru
Ulyanovskaya Eleonora Vladimirovna - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, department «Technology of Mechanical Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: tm.mf2015@yandex.ru
Рассматривается процесс диффузионного алитирования порошковых сталей в ваннах с расплавленным алюминием. Выбраны последовательность технологических операций (прессования и алитирования) и режимы алитирования (температура и время выдержки), обеспечивающие образование сплошного диффузионного слоя. Установлено, что кинетика процесса алитирования в значительной степени обусловлена особенностями структуры порошковых материалов, в частности, наличием открытой поверхностной пористости, способствующей проникновению в поры насыщающей среды. Установлено, что варьированием пористости стальной заготовки, можно регулировать глубину и сплошность диффузионного слоя. Определены фазовый состав и свойства диффузионного слоя порошковой стали, али-тированной по принятому температурному режиму.
Ключевые слова: порошковые стали; химико-термическая обработка; алитирование; расплав алюминия; диффузионный слой; фазовый состав; кинетика процесса.
The process of diffusion aluminizing ofpowdered steels in molten aluminum baths is considered. A sequence of technological operations (pressing and aluminizing) and aluminizing regimes (temperature and holding time), which ensure the formation of a continuous diffusion layer, are chosen. It is established that the kinetics of the aluminizing process is largely due to the peculiarities of the structure of the powder materials, in particular, by the presence of an open surface porosity that facilitates penetration of the saturating medium into the pores. It is established that by varying the porosity of the steel billet, it is possible to control the depth and continuity of the diffusion layer. The phase composition and properties of the diffusion layer ofpowder steel aluminized according to the adopted temperature regime are determined.
Keywords: powder steel; chemical-thermal treatment; aluminizing; aluminum melt; diffusion layer; phase composition; process kinetics.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
Введение
Одним из путей улучшения качества изделий из порошковых сталей является применение химико-термической обработки (ХТО). Диффузионное насыщение позволяет при относительно небольших затратах формировать в поверхностных слоях изделий необходимую фазовую структуру, соответствующую требуемым свойствам, и представляет собой одну из главных задач в общей системе мер по защите металла от коррозии, повышения его жароустойчивости и износостойкости [1 - 4].
По сравнению с другими способами ХТО (такими, как хромирование), алитирование привлекательно как наименее затратное.
Порошковые стали (ПС) и диффузионные поверхностные слои (ДПС) могут быть получены по различным технологическим схемам. Наибольший интерес представляют технологические схемы получения высокоплотных ПС (практически беспористых) для высоконагруженных деталей машин конструкционного назначения.
Известно [5], что такие ПС могут быть получены по одной из технологических схем, включающей операции холодного статического прессования (СХП) металлических порошков с получением пористой формовки, в сочетании с ее последующей горячей штамповкой (ГШ). При этом пористость можно регулировать варьированием технологических параметров на любой из операций.
Учитывая это, предпочтение отдано жидкой насыщающей среде (расплав алюминия) [6], которая может проникать в поверхностный слой по поровым каналам на определенную глубину. При этом диффузионное насыщение может осуществляться как после СХП, так и после ГШ, и на различных глубинах формироваться ДПС различного фазового состава.
Не менее важным технологическим фактором, влияющим на процесс диффузионного алитирования (ДА), является температура расплава, при которой происходит насыщение.
При сравнительно низких температурах насыщения (800 - 900 °С), дольше сохраняется мелкозернистая структура материала с множеством дефектов, меньше обезуглероживается поверхность изделий. Но с другой стороны, понижение температуры ведет к увеличению продолжительности насыщения, а образующийся слой характеризуется сильно развитой пористостью во внешней и переходной частях слоя [6].
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
Повышение температуры ДА до 950 °С приводит к получению беспористых диффузионных слоев. Повышение температуры насыщения до 1050 - 1100 °С и выше нецелесообразно, так как при этом появляются локальные оплавления поверхности, изменяются форма и размеры изделия [7].
На качественные параметры алитирован-ного слоя оказывает также время выдержки. Наиболее интенсивно процесс протекает в первые 1,5 ч. Выдержка сверх этого времени не приводит к заметному росту толщины диффузионной зоны, а следовательно, нецелесообразна [6, 7].
Исследования эксплуатационных свойств алитированных высокоплотных порошковых сталей показали, что износостойкость при сухом трении увеличивается 2,5 - 3,0 раза, а коррозионная стойкость в 5 %-ном растворе азотной кислоты возрастает в 3,0 - 3,5 раза [6]. Таким образом, предлагаемая технология в ряде случаев может успешно заменить более дорогое диффузионное хромирование [8].
Учитывая многообразие сочетаний технологических операций и режимов обработки, процесс этот недостаточно изучен, и дальнейшие исследования, проводимые в этом направлении, являются, безусловно, актуальными.
В представленной работе ставилась задача определить влияние последовательности технологических операций и их режимов при диффузионном алитировании высокоплотных порошковых сталей в жидких насыщающих средах (расплав алюминия), а также выявить его фазовый состав и свойства. При этом выдвигалось требование получения сплошного диффузионного слоя (обязательное условие высокой коррозионной стойкости) на заданную глубину.
Методика экспериментальных исследований
Диффузионное алитирование осуществлялось в ваннах с расплавленным алюминием в насыщающей среде следующего состава: 96 % по массе: алюминия технической чистоты А85 ГОСТ 11069 - 2001 с добавлением в ванну железного порошка (4 % по массе) марки ПЖР2.200.28 ГОСТ 9849-86, для предотвращения сильного разъедания изделий.
Алюминий расплавляли в печи до рабочей температуры (t = 950 °С), добавляли железо, перемешивали и выдерживали в печи по времени (т = 1,5 ч). Образцы загружались в расплав так, чтобы они не выступали над зеркалом ванны.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
Для предотвращения окисления расплава на зеркало ванны наносили слой флюса, состоящего из 50 % NaCl и 50 % KCl.
Изготовление стальных порошковых образцов осуществлялось по рекомендациям работы [5]. Микроструктурный анализ проводился на оптическом металлографическом микроскопе «NEOPHOT-21» (Германия) при увеличении в диапазоне 50 - 1000 раз. Здесь же измерялись общая глубина алитированного слоя h и глубины отдельных фаз.
Исследование состояния поверхности, распределения элементов по глубине и поверхности материалов были проведены на растровом электронном микроскопе-микроанализаторе «CAM-EBAXMICRO» (Франция), диапазон анализируемых элементов которого с № 5 по 92.
Рентгенофазовый анализ образцов проводился на рентгеновском дифрактометре общего назначения ДР0Н-2,0. Концентрацию алюминия определяли по изменению параметра кристаллической решетки твердого раствора алюминия в железе [9].
Микротвердость HV измеряли на приборе ПМТ-3 согласно ГОСТ 9450-76 при нагрузке 20...100 г.
Результаты и их обсуждение
Как отмечалось выше, диффузионное насыщение может осуществляться по двум технологическим схемам. Рассмотрим первую из них:
СХП - ДА - ГШ.
На первой стадии эксперимента, для выявления особенностей структуры и фазового состава диффузионных зон пористых порошковых сталей (сталь ПК40), диффузионному алитиро-ванию в ванне с расплавленным алюминием подвергались холоднопрессованные образцы с пористостью 20, 30 и 35 % (образцы с большей плотностью на этой стадии изготавливать нецелесообразно по причине значительного износа штамповой оснастки).
Результаты представлены на рис. 1 (режим ДА: t = 950 °C, в течение времени т = 30 мин)
При диффузионном алитировании образцов с пористостью 35 % в течение 20 мин и более происходит сквозная пропитка материала алюминием по поровым каналам и последующая диффузия в металлическую основу материала, поэтому получаемую толщину слоя проконтролировать практически невозможно. На рис. 1 в представлена микроструктура поверхностной зоны и сердцевины образца пористостью 35 %, насквозь пропитанной алюминием.
в
Рис. 1. Микроструктура диффузионного слоя и сердцевины образцов: а - П = 20 % (х100); б - П = 30 % (х100); в - П = 35 % (х800) / Fig. 1. The microstructure of the diffusion layer and core samples: а - П = 20 % (х100); б - П = 30 % (х100); в - П = 35 % (х800)
Из приведенных результатов следует, что в данной технологической схеме применять хо-лоднопрессованные заготовки с пористостью более 20 % нецелесообразно.
На заготовках пористостью 20 и 30 % получен несплошной слой пропитки, имеющий различные дефекты и неравномерный по толщине (от 40 до 4000 мкм соответственно). На основании этого для второй стадии эксперимента выбрана заготовка с пористостью П = 20 %. Заготовка подверглась горячей обработке давлением при кратковременном нагреве до температуры: t = 950 °C.
Микроструктура диффузионного слоя полученных образцов представлена на рис. 2 а. По предложенной технологической схеме удалось сформировать поверхностный диффузионный слой, однако качество этого слоя можно считать неудовлетворительным. Слой неравномерен по толщине и плотности, имеет дефекты в виде не-сплошностей и разрывов, остаточная пористость диффузионного слоя составляет 7 - 10 %, что делает невозможным рассматривать его как надежную антикоррозионную защиту. Эти дефекты наглядно просматриваются при увеличении х800 (рис. 2 б).
ISSN 0S21-265S IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No S
а б
Рис. 2. Микроструктура диффузионного слоя после
горячей штамповки алитированной порошковой заготовки: а - П = 20 % (х200); б - П = 20 % (х800) / Fig. 2. The microstructure of the diffusion layer after hot stamping aluminum plated powder blanks: а - П = 20 % (х200); б - П = 20 % (х800)
Таким образом, утверждение о возможности управлять качеством диффузионного слоя путем варьирования пористостью холоднопрес-сованной порошковой заготовки не нашло убедительного подтверждения.
Была рассмотрена вторая технологическая схема:
СХП - ГШ - ДА.
Эксперимент проводился при следующих условиях: материал порошковой формовки -сталь ПК40, пористость - П = 20 %, температура ГШ - t = 950 °C, процесс осуществлялся при величине удельной приведенной работе уплотнения, обеспечивающей остаточную пористость заготовки не более 3 - 5 %.
Диффузионное алитирование осуществлялось по следующим режимам: температура -t = 950 °C, время - т = 1,5 ч. Микроструктура диффузионного слоя полученных образцов представлена на рис. 3. На поверхности образца формируется равномерная по толщине бездефектная диффузионная зона достаточной глубины, причем наблюдается эффективное «залечивание» поверхностной пористости.
Рис. 3. Микроструктура диффузионного слоя образца из порошковой стали ПК40 (х 100), схема: СХП - ГШ - ДА. Режим ДА: t = 950 "С, т = 1,5 ч / Fig. 3. Microstructure of the diffusion layer of the
sample of powder steel ПК40 (х 100), scheme: СХП - ГШ - ДА. Mode YES t = 950 "С, т = 1,5 ч
В отличие от ранее рассматривавшейся технологии, создаются предпосылки формирования поверхности, устойчивой к коррозионному воздействию.
Таким образом, технологический процесс, построенный по технологической схеме СХП -ГШ - ДА в дальнейшем будет рассматриваться как основной.
Анализ диаграммы состояния сплавов А1-Fe [10] и рентгенографические исследования диффузионной зоны (рис. 4) показали, что диффузионный слой состоит преимущественно из кристаллов фазы Бе2А15, Непосредственно на поверхности находится оксидный слой, главная составляющая которого - оксид алюминия А1203 в а- и у-состоянии [6].
I / 1о , о. е.
20 40 60 80 2®, град
Рис. 4. Дифрактограмма диффузионного слоя образца из стали ПК40. Схема: СХП - ГШ - ДА. Режим ДА: t = 950 °C; т = 1,5 ч о - a-Fe; □ - Fe2Al5; V - Al2O3 / Fig. 4. Diffractogram of the diffusion layer of the sample of steel ПК 40. Scheme: СХП - ГШ - ДА. Mode YES: t = 950 °C; т = 1,5 ч о - a-Fe; □ - Fe2Al5; V - Al2O3
При металлографических исследованиях диффузионный слой представляет собой светлую нетравящуюся зону. Диффузионный слой приобретает своеобразную форму: межфазная граница между ним и подложкой имеет вид «языков» или «зубьев», глубоко проникающих в сердцевину (рис. 5). Толщина слоя составляет: H = 1000 --1600 мкм и h = 630 - 780 мкм, в то время как на компактных материалах h = 20 - 800 мкм [11]. Такая разница объясняется наличием поверхностной пористости у порошковых материалов.
Рис. 5. Схема диффузионного слоя алитированной порошковой стали / Fig. 5. Scheme of the diffusion layer aluminised steel powder
Концентрационные кривые распределения алюминия (кривая 1) и железа (кривая 2) в диффузионном слое порошковой стали ПК40
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
представлены на рис. 6 а. Они имеют два участка, отражающих характер образования диффузионного слоя. Первый участок характеризуется большим содержанием алюминия (50 - 55 %, здесь и далее указываются массовые проценты по массе), что соответствует фазе Fe2Al5, и остается постоянным по всей толщине диффузионного слоя, что подтверждает однофазное строение диффузионного слоя. Толщина участка с содержанием алюминия 50 - 55 % составляет 630 мкм. Далее происходит резкое падение концентрации алюминия до 0 %. Протяженность переходной зоны составляет 60 - 70 мкм.
При дальнейшем увеличении содержания углерода в материале до 1,2 % уменьшение толщины диффузионного слоя происходит более интенсивно, и четко просматривается тенденция к полному отсутствию диффузии при дальнейшем увеличении содержания углерода.
Заключение
Выявлена возможность диффузионного алитирования порошковых сталей в расплаве алюминия. Установлено влияние последовательности технологических операций и их режимов при диффузионном алитировании высокоплотных порошковых сталей в ваннах с расплавленным алюминием. Установлено влияние поверхностной пористости порошкового материала на кинетику диффузионного алитирования. Определены фазовый состав и свойства диффузионного слоя порошковой стали, алитированной по принятому температурному режиму.
Нц, МПа
12000 -
100 200 300
400 б
500 600 700 800
Рис. 6. Распределение концентрации алюминия и железа (а) и изменение микротвердости (б) в диффузионном слое порошковой стали ПК40. Схема: СХП - ГШ - ДА. Режим ДА: t = 950 °С, т = 1,5 / Fig. 6 The distribution of the concentration of aluminum and iron (a) and the change in microhardness (б) in the diffusion layer of powder steel ПК40. Scheme: СХП - ГШ - ДА. Mode YES: t = 950 °С, т = 1,5
Микротвердость диффузионного слоя порошковой стали находится на уровне 9500 --10500 МПа на глубину 600 - 610 мкм от поверхности, что соответствует фазе Fe2Al5. Микротвердость в переходной зоне снижается до 3300 - 3800 МПа на глубину 20 - 45 мкм и 2350 - 2600 МПа на глубину 15 - 20 мкм. Переходная зона переходит в феррито-перлитную структуру сердцевины, микротвердость которой равна 1100 - 1200 МПа (рис. 6 б).
Существенное влияние на толщину диффузионного слоя оказывает содержание углерода в железной матрице. При увеличении содержания углерода в материале до 0,4 % наблюдается уменьшение толщины диффузионного слоя.
Литература
1. Каримов К.Р., Анфиногенов А.И., Чернов Я.Б., Чебыкин В.В., Панкратов А.А., Антонов Б.Д. Диффузионное низкотемпературное алитирование сталей и сплавов при механической активации поверхности // Расплавы. 2010. № 4 . С. 78 - 87.
2. Бродова И.Г., Ширинкина И.Г., Зайков Ю.П., Ковров В.А., Штефанюк Ю.М., Пингин В.В., Виноградов Д.А., Голубев М.В., Яблонских Т.И., Астафьев В.В. Структура и фазовый состав защитных покрытий на стали, полученных методами жидкофазного алитирования // Физика металлов и металловедение. 2015. Т. 116, № 9. С. 928 - 936.
3. Даненко В.Ф., Гуревич Л.М. Влияние алитирования на свойства углеродистой стали при высоких температурах // Физика и химия обработки материалов. 2015. № 4. С. 92 - 99.
4. Бурнышев И.Н., Порываев Д.А. Алитирование сталей в динамической насыщающей среде // Химическая физика и мезоскопия. 2015. Т. 17, № 3. С. 364 - 371.
5. Скориков А.В., Веропаха Д.Н. [и др.]. Обеспечение заданного качества порошковых изделий и рекомендации по их практической реализации. Новочеркасск: Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). ЮРГТУ, 2006. 263 с.
6. Скориков А.В., Ульяновская Э.В. Диффузионное алитиро-вание горячедеформированных порошковых материалов на основе желез: монография. Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2004. 99 с.
7. 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.
а
10000
8000
6000
4000
2000
0
h, мм
0
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 3
8. Скориков А.В., Ульяновская Э.В. Кинетика формирования диффузионных слоев при хромировании порошковых сталей в расплавах солей с нагревом токами высокой частоты // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2014. № 2. С. 78 - 81.
9. Миркин Л.И. Рентгеноструктурный анализ. Индицирова-ние рентгенограмм. Справочное руководство. М.: Наука, 1981. 496 с.
10. Диаграммы состояния двойных металлических систем: В 3 т. Т.1 / под общ. ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1996. 992 с.
11. Даненко В.Ф., Гуревич Л.М., Понкратова Г.В. О влиянии алитирования на структуру и свойства стали Ст3 // Изв. ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 9 / ВолгГТУ. Волгоград, 2014. С. 30 - 34.
References
1. Karimov K.R., Anfinogenov A.I., Chernov Ya.B., Chebykin V.V., Pankratov A.A., Antonov B.D. Diffuzionnoe nizkotemperaturnoe alitirovanie stalei i splavov pri mekhanicheskoi aktivatsii poverkhnosti [Diffusion low-temperature aluminizing of steels and alloys during mechanical surface activation]. Rasplavy= Russian metallurgy (Metally), 2010, no. 4, pp. 78 - 87. (In Russ.)
2. Brodova I.G., Shirinkina I.G., Zaikov Yu.P., Kovrov V.A., Shtefanyuk Yu.M., Pingin V.V., Vinogradov D.A., Golubev M.V., Yablonskikh T.I., Astaf ev V.V. Struktura i fazovyi sostav zashchitnykh pokrytii na stali, poluchennykh metodami zhidkofaznogo alitirovaniya [Structure and phase composition of protective coatings on steel obtained by liquid-phase aluminization methods]. Fizika metallov i metallovedenie=Physics ofMetals and Metallography, 2015, Vol. 116, no. 9, pp. 928 - 936. (In Russ.)
3. Danenko V.F., Gurevich L.M. Vliyanie alitirovaniya na svoistva uglerodistoi stali pri vysokikh temperaturakh [Influence of aluminizing on the properties of carbon steel at high temperatures]. Fizika i khimiya obrabotki materialov=Physics and Chemistry of Materials Treatment, 2015, no. 4, pp. 92 - 99. (In Russ.)
4. Burnyshev I.N., Poryvaev D.A. Alitirovanie stalei v dinamicheskoi nasyshchayushchei srede [Alimination of steels in a dynamic saturating medium]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya, 2015, Vol. 17, no. 3, pp. 364 - 371. (In Russ.)
5. Skorikov A.V., Veropakha D.N. at el. Obespechenie zadannogo kachestva poroshkovykh izdelii i rekomendatsii po ikh prakticheskoi realizatsii [Provision of a given quality of powder products and recommendations for their practical implementation]. Novocherkassk: YuRGTU, 2006, 263 p.
6. Skorikov A.V., Ul'yanovskaya E.V. Diffuzionnoe alitirovanie goryachedeformirovannykh poroshkovykh materialov na osnove zhelez [Diffusion aluminizing of hot-deformed powder materials based on glands: monograph]. Rostov na-Dony: Publ. SKNTs VSh, 2004, 99 p.
7. Ul'yanovskaya E.V. Teoreticheskie predposylki obespecheniya kachestva izdelii mashinostroitel'nogo proizvodstva [Theoretical preconditions for ensuring the quality of products of machine-building production]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2009, Spets. vyp.: Aktual'nye problemy mashinostroeniya, pp. 45 - 48. (In Russ.)
8. Skorikov A.V., Ul'yanovskaya E.V. Kinetika formirovaniya diffuzionnykh sloev pri khromirovanii poroshkovykh stalei v rasplavakh solei s nagrevom tokami vysokoi chastity [Kinetics of formation of diffusion layers during chromium plating of powdered steels in melts of salts with heating by currents of high frequency]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2014, no. 2, pp. 78 - 81. (In Russ.)
9. Mirkin L.I. Rentgenostrukturnyi analiz. Inditsirovanie rentgenogramm. Spravochnoe rukovodstvo [X-ray diffraction analysis. Indication of radiographs. Reference Guide]. Moscow: Nauka, 1981, 496 p.
10. Lyakishev N.P. Diagrammy sostoyaniya dvoinykh metallicheskikh system [Diagrams of the state of double metal systems]. Moscow: Mashinostroenie, 1996, 992 p.
11. Danenko V.F., Gurevich L.M., Ponkratova G.V. O vliyanii alitirovaniya na strukturu i svoistva stali St3 [On the influence of aluminizing on the structure and properties of steel Ст3]. Izvestiya VolgGTU, 2014, pp. 30 - 34. (In Russ.)
Поступила в редакцию / Received 27 апреля 2018 г. /April 27, 2018
