CC BY
102
УДК 621.785.539.620.181.4
КОМПЛЕКСНЫЕ ДИФФУЗИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ НА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ И ИХ ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
В.И. Змий, профессор, нач. лаборатории, С.Г. Руденький, ст. научн. сотр., Н.Ф. Карцев, нач. группы, Н.С. Полтавцев, научн. сотр., А.Н. Григорьев, научн. сотр., ННЦ ХФТИ
Аннотация. Исследуются на стали 45 трибологические свойства комплексных покрытий, полученных вакуумным активированным диффузионным насыщением при участии СВС-процесса.
Ключевые слова: диффузия, СВС-процесс, покрытия, трибологические свойства.
Введение
Современное машиностроение представляет собой непрерывно совершенствующийся и динамично развивающийся комплекс. Это в свою очередь предусматривает повышение надежности и долговечности рабочих узлов машин и механизмов. Одним из эффективных и доступных путей решения указанной задачи является формирование на их поверхности многофункциональных защитных покрытий, эксплуатационные характеристики которых в значительной мере определяются составами и структурой комплексных покрытий, которые в свою очередь существенно зависят от метода их получения.
Представляет интерес изыскание нового метода формирования защитных покрытий, которые бы по своей производительности и свойствам превосходили используемые в настоящее время. В связи с этим были проведены исследования по совершенствованию ранее разработанного нами вакуумного активированного диффузионного насыщения в условиях одновременного воздействия и самораспространяющегося высокотемпературно -го синтеза (СВС).
Анализ публикаций
Некоторые вопросы физико-химии, в частности, термодинамика, кинетика и механизм вакуумного активированного диффузионного насыщения металлов обсуждаются в работе [1]. Отмечается, что при низких давлениях, повышенных температурах и наличии в реакционной зоне галогенида процесс массопереноса диффузанта ускоряется как вследствие снижения энергетического барьера протекающих газофазных реакций при конденсации активатора на твердой поверхности
диффузанта, так и в результате перехода его испарения из молекулярного режима в диффузионный. При этом откачные системы в реакционной зоне создают условия квазиоткрытости и, соответственно, приводят к изменению изобарно-изо-термического потенциала протекающих реакций. Возможность реализации указанного метода в виде химико-термической обработки металлических и углеродных материалов представлена в публикации [2]. Там же указывается на высокую производительность, экологическую чистоту и безопасность технологии при получении многоцелевых (антикоррозионных, износостойких, стойких в химически активных средах и других) защитных покрытий на металлических и углеродных материалах, а также приведены примеры промышленного их освоения.
Процесс СВС, предусматривающий при формировании материалов использование теплового воздействия экзотерических реакций, достаточно широко представлен в научных публикациях. В частности, в работе [3] обоснована возможность получения термитных смесей на основе систем Т^В,(С и Т^Ю за счет реакций с образованием карбидов, боридов и силицидов титана. Эффективность выбранных композиций подтверждена качественными экспериментальными оценками их термических характеристик. В работах [4,5] проведен термодинамический анализ химического взаимодействия в смеси порошков Т^В4С и Ti-BN в адиабатическом режиме с помощью компьютерной программы АСТРА. Установлено, что в режиме СВС-процесса могут быть получены бориды, карбиды, нитриды титана и их сплавы различных составов в зависимости от содержания исходных компонентов. Нетрадиционные методы химико-термической обработки поверхностей при участии СВС процесса обсуждаются в обзор-
ной статье [6]. При этом рассматриваются ситуации синтеза веществ в условиях, когда один из реагентов и конечный продукт находятся в твердом состоянии, а второй реагент в жидком или газообразном. Отмечается, что в каждом конкретном случае важную роль в решении задачи синтеза играет как выбор исходных реагентов и их составов, так и условия протекания экзотермических химических реакций, за счет внутренней энергии которых происходит формирование конечного продукта. При этом важную роль играет поверхность контакта реагентов, она должна быть по возможности максимальной.
Цель и постановка задачи
В настоящей работе были проведены исследования, направленные на развитие возможности метода вакуумного активированного диффузионного насыщения путем использования одновременно и процесса СВС с целью получения новых комплексных многофункциональных защитных покрытий на металлах и сплавах. В этой связи были проведены исследования по изучению возможности получения в виде покрытий на стали 45 борокарбидов и боронитридов титана, используя системы Т^Б4С и Для улучшения кон-
такта с поверхностью стали 45 реагенты В4С и BN предварительно наносились через жидкую фазу алюминий-никель, а затем процесс титани-рования осуществлялся по методике [7,8] при остаточном давлении Р =10-2 Па и 7=1350 К. В качестве активатора использовался хлористый натрий, длительность процесса составляла 6 часов, толщина образовавшегося покрытия были около 150 мкм.
Результаты исследования
Термодинамический расчет наиболее вероятных реакций между компонентами системы №С1—П-В4С и NaQ-Ti-BN проведен для температуры 1350 К в интервале давлений Р=133,3-1,333 Па. В результате в табл. 1 представлены уравнения возможных химических реакций, их энтальпии ДНшо и а - степень превращения при давлении Р=133,3 Па и 1,333 Па. Энтальпия выбрана с це-
лью определения теплового эффекта рассматриваемых химических реакций, при АН<0 реакция будет происходить с выделением тепла, а при АН>0 - с поглощением тепла.
Анализ представленных в таблице данных позволяет сделать некоторые предположения о возможном механизме формирования комплексных покрытий. Пары хлоридов титана ^С1, ^С12, образующиеся по реакциям (1,2), взаимодействуют с соединениями бора - В4С, BN по экзотермическим реакциям (3-8) с образованием карбида титана - ТСС, нитрида титана - TiN и борида титана -ТШ. Выделение тепла на поверхности частиц Б^ Б4С и невысокий теплоотвод может приводить к локальному разогреву и, как следствие, существенной интенсификации химических реакций, характеризующих СВС-процесс.
Проведенный рентгеновский анализ внешней поверхности образцов после диффузионного отжига в порошке титана (табл. 2) показал, что в системе №С1-ТС-Б4С формируется покрытие, состоящее из смеси соединений ТСС и ТШ, что хорошо согласуется с реакциями (3-5). В системе №С1-ТС-BN покрытие состоит преимущественно из соединений ТСБ, ТСЫ, которые образуются в соответствии с химическими реакциями (6-8). Рентгенографирование проведено на дифрактометре ДРОН-1,5 в СиКа-излучении.
В работе были проведены также исследования трибологических свойств комплексных покрытий. Износ и коэффициент трения полученных покрытий в паре с контртелом изучался на трибо-метре, работающем по схеме палец-диск. Пальцы цилиндрической формы были изготовлены из стали 45 с покрытиями, а в качестве диска-контртела использовалась закаленная сталь ХВГ с твердостью 42 НЯС. Трибологические исследования были проведены при нагрузке 150 г, скорости вращения диска 0,12 м/с и номинальной площади касания пальца 50 мм2. В результате при указанных параметрах износ стали 45 с покрытиями из карбида и борида титана составил 0,84 мг/км, из нитрида и борида титана 0,97 мг/км, а коэффициент трения 0,21 и 0,19 соответственно
№ п/п Уравнение химической реакции АН1350 Дж/моль Степень превращения а при Р, Па
133 1,33
1 №С1(г)+ТС(т) ^ПС1(г)+№(г) 3,9-105 4-10-3 4-10-2
2 №С1(г)+1/2ТС(т) ^/2ТССЬ(г)+№(г) 1,7-105 2,1-10-2 9,6-10-2
3 ТСа(г)+1/4Б4С(т) ^а(г)+1/4ТЮ(т)+3АШет) -1,8-104 0,5 0,5
4 ТСа2(г)+1/4Б4С(т) ^а2(г)+1/4ТЮ(т)+3АШ(т) -6,7-104 1 1
5 ТСа(г)+1/8Б4С(т) ^/2Па2(г)+1/2ТШ(т)+ШССт) -2,878-105 1 1
6 ТСС1(г)+Б^т) ^а(г)+™(т) -4,6-104 0,84 0,84
7 ТСа(г)+1/3Б^т) г4/3БСЬ(г)+ШТС^т)+2/3ТС(т) -2,6-105 0,985 0,592
Таблица 1 Наиболее вероятные химические реакции, протекающие при взаимодействии стали 45 с реагентами систем №С1-ТС-Б4С и NaQ-Ti-BN
8 TiClW+mBNCr) 1£а2(г)+1/2Па2(т)+1/2ТШ(т)+1АШ2(г) -1,703-105 1 0,999
Таблица 2 Результаты рентгеновского анализа систем NaQ-Ti-ВдС и NaCl-Ti-BN
Система NaCl-Ti-BN
№ п/п 20 1отн d(Ä) d(Ä) л 1отн л Фаза
1 35°32 8 2,541 2,54 с. TiB ромб
2 36°40 19 2,468 2,499 о.с. TiN
3 38°35 14 2,346 2,35 о.с. TiB
Система NaCl-Ti-BN
№ п/п 20 1отн d(Ä) d(Ä) л 1отн л Фаза
4 39°24 17 2,296 2,28 с. TiB тетр
5 41°90 49 2,156 2,14 о.с. TiB ромб
6 61°60 7 1,506 1,500 о.с. TiN
7 72°80 15 1,299 1,29 о.с. TiN
Система NaCl-Ti-B4C
1 35°36 34 2,538 2,54 с. TiB ромб
2 36°10 39 2,488 2,495 о.с. TiC
3 38°40 36 2,344 2,35 о.о.с. TiB ромб
4 41°90 45 2,156 2,16 с. TiB ромб
5 42°26 28 2,139 2,14 о.с. TiB ромб
6 72°75 14 1,300 1,303 о.с. TiC
7 76°68 20 1,243 1,24 ср. TiB ромб
Как следует из представленных результатов, объединение метода вакуумного активированного диффузионного насыщения с СВС-процессом открывает широкие возможности создания на конструкционных материалах многофункциональных комплексных покрытий, которые способны обеспечить существенное повышение эксплуатационных характеристик.
Литература
1. Змий В.И., Руденький С.Г. Особенности акти-
вированного диффузионного насыщения металлов: термодинамика, механизм и кинетика // Металлофизика и новейшие технологии. - 1998. - Т. 20. - №10. - С. 69-75.
2. Змий В.И., Руденький С.Г., Ковтун Н.В., Кар-
цев Н.Ф. Активированная вакуумная химико-термическая обработка как способ получения многоцелевых защитных покрытий на металлических и углеродных материалах // Порошковая металлургия. - 2003. - №5/6. -С. 12-126.
3. Крылов Ю.И., Бронников В.А., Крысина В.Г.,
Приставко В.В. О возможности создания термитных смесей на основе композиции В4С-металлы и SiC-металлы // Порошковая металлургия. - 1975. - №12. - С. 57-69.
4. Гордиенко С.П. Термодинамический анализ
взаимодействия титана с карбидом бора в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Порошковая металлургия. - 1999. - №3/4. - С. 72-76.
5. Гордиенко С.П., Евтушок Т.М. Взаимодействие
титана с нитридом бора в режиме самораспространяющегося высокотемпературно -го синтеза // Порошковая металлургия. -2001. - №1/2. - С. 76-79.
6. Середа Б.П., Калинина Н.Е., Кругляк И.В.,
Хитько А.В. Нетрадиционные методы химико-термической обработки поверхностей // Сб. докл. 6-й Междунар. конф. «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов». - Часть 1. - Харьков. -2005. - С. 219-240.
7. Змий В.И., Огиенко Д.Н., Прошак Л.И., Рудень-
кий С.Г., Юрченко М.И. Мас сспектрометрическое исследование газообразных продуктов взаимодействия с хлористым натрием // Жаростойкие неорганические покрытия. - Л.: Наука, 1990. - С. 47-52.
8. Змий В.И., Ковалевский М.Ю., Руденький С.Г.,
Карцев Н.Ф., Кунченко Ю.В., Григорьев А.Н., Полтавцев Н.С., Рыжова Т.П. Износостойкие и антикоррозионные диффузионные покрытия на сталях применительно к созданию подшипников скольжения для ми-кроГЭС // Сб. докл. 7-й Междунар. конф. «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов». - Том 3. -Харьков, 2006. - С. 114-117.
Рецензент: С.С. Дьяченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 18 июля 2006 г.
