Поверхностное легирование конструкционных материалов ответственного назначения из высокоуглеродистых материалов с целью повышения коррозионной стойкости и износостойкости Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Малинов Л.С., Бурова Д.В. Шдвищення властивостей середньовуглецевих низьколегованих сталей i30TepMi4H0r0 загартування з м1жкритичного iнтервалу температур (МКГГ), що створюе багатофазну структуру

Показано, що isomepMiHHe гартування is МК1Т за схемою «вода-niH» дозволяе в середньовуглецевих низьколегованих сталях отримати багатофазну структуру (бейнт, ферит, метастабiльний аустенiт, у низк випадтв карбiди), яка забезпечуе порiвняно з полiпшеннямрiвень механiчних властивостей i абразивну зносостштсть.

Ключовi слова: мiжкритичний iнтервал температур, iзотермiчне гартування, багатофазна структура, бейнт, метастабшьний аустетт.

Malinov L., Burova D.Increase of properties of medium-carbon low-alloy steels by isothermal tempering from intercritical temperature interval (ITI), which creating multi-phase structure

It was shown that isothermal quenching from intercritical temperature interval (ITI) of the scheme «water-furnace» allows in medium-carbon low-alloyed steels creating multi-phase structure (beynytic, ferrite, metastable austenite in some cases carbides), providing high (compared with improvement) level mechanical properties and abrasion resistance.

Key words: intercritical temperature interval (ITI), isothermal tempering, multi-phase structure beynite, metastable austenite.

ПОВЕРХНОСТНОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ИЗ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ

Рассмотрено влияние поверхностного легирования на коррозионную стойкость и износостойкость. Установлена взаимосвязь между структурой, фазовым составом поверхностного слоя и эксплуатационными показателями деталей.

Ключевые слова: графит, поверхностное легирование, упрочнение, жаростойкость, адгезионная прочность, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, диффузия, микроструктура, поверхностный слой, коррозионная стойкость, износостойкость.

УДК 621.793.6:669.35

Канд. техн. наук С. Н. Ткаченко Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье

Введение

Поверхностное легирование материалов широко используется в технике для повышения эксплуатационных характеристик деталей машин. Поверхностно легированные материалы [1] имеют более высокие эксплуатационные характеристики, чем неупрочненные. В условиях современного развития экономики Украины особо остро стоит проблема создания новых конструкционных материалов, способных работать в условиях высоких температур, химического сопротивления и больших динамических нагрузок [1]. Большинство деталей машин подвержено изгибу и кручению, при которых напряжения растут в направлении к поверхности. Разрушение деталей в процессе эксплуатации, как

правило, начинается с поверхности, где расположены основные источники концентрации напряжений. Поэтому особенно важно повышать прочность именно поверхностных и приповерхностных слоёв [2]. Долговечность деталей и узлов, работающих в агрессивных средах при высоких температурах, во многом зависит от состава, структуры и свойств поверхностного слоя [3-5]. Разработка эффективных процессов создания слоев с повышенными эксплуатационными характеристиками диффузионных процессов основана на глубоком изучении диффузионных процессов, на развитии теории переноса элементов при насыщении ими поверхностных слоев металлов, сплавов и на их основе интерметаллидов, глубоком изучении механизмов фор-

© С. Н. Ткаченко, 2013

мирования диффузионных слоев, исследования химического и фазового состава, структуры и механических свойств поверхности материала [1].

Анализ литературных данных и постановка проблемы

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) представляет собой высокоинтенсивное экзотермическое взаимодействие химических элементов в конденсированной фазе, способное к самопроизвольному распространению в виде волны горения [6]. Благодаря высоким технологическим и физическим (тепловые свойства, электрические и магнитные характеристики) свойствам высокоуглеродистых материалов, используемых в качестве деталей ответственного назначения, применяется комплексное поверхностное легирование кремнием и бором в условиях теплового самовоспламенения, заключающегося в совмещении химических транспортных реакций с процессом теплового самовоспламенения порошковых смесей [5-6].

Цель и задачи исследования

Целью настоящей работы является разработка технологии поверхностного СВС-легирования высокоуглеродистых конструкционных материалов для деталей ответственного назначения с целью повышения коррозионной стойкости и износостойкости.

Материалы и методика исследования

В качестве исследуемых материалов были выбраны чугун ВЧ 45-5, (ДСТУ 3925-99) и электродный графит ЭГ. В качестве источника тепла для протекания процесса диффузионного насыщения были использованы порошки окислов Сг203 и 8Ю2. Дисперсность порошков составляла 100-350 мкм. Поверхностное упрочне-

ние образцов в условиях СВС осуществляли в реакторе открытого типа. Температуру СВС-смеси контролировали вольфрам--рениевой термопарой ВР-5 в защитном чехле, введенной непосредственно в ее объем. Микроструктура упрочненного слоя исследовалась на световом микроскопе «№орЬо1-21». Фазовый анализ осуществляли на рентгеноспектральном микроанализаторе М8-46, оснащенном приставкой электронного микроскопа МЕ 76. Испытание на коррозионную стойкость определяли по изменению массы образцов до и после испытаний, испытание на износостойкость проводили по ГОСТ 23.224-86.

Результаты исследований и их обсуждение

1 Коррозионная стойкость защитных диффузионных слоев

Силицирование чугуна повышает его коррозионную стойкость в 10 %-ном растворе И2804 до 3,5 раз (рис. 1). Скорость коррозии в указанном растворе после силицирования составляет 20 мг/дм2 в сутки. Чугун силицируется по обменной реакции с тетрахлоридом кремния без участия водорода в качестве восстановителя и без реакций диспропорционирования:

2Ре+8Ю4 ^ 81+2РеС12.

При силицировании в реакторе создается такая температура, чтобы обеспечивалась заданная концентрация кремния в диффузионном слое и соответствующая структура слоя. Установлено, что оптимальное давление паров 8Ю4 находится в пределах 10-20 Па, а температура процесса должна составлять 1000 °С. Наилучшую коррозионную стойкость обеспечивает диффузионный слой, поверхность которого представляет собой упорядоченный твердый раствор Ре5813 (а'- фаза), а внутренний - твердый раствор кремния в железе (а- фаза).

70 60 50

| 40

Е 30 <

20 10 о

— '

/

/ ■

/ ^ -? №

12

Время испытаний, ч

18

24

чугун Оез упрочнении с илицировэнный чугун

Рис. 1. Коррозионная стойкость чугуна без покрытий и силицированного (с добавлением в шихту 10%81) в 10%-ном растворе

И28О4. Материал подложки - чугун марки ВЧ 45-5

С целью повышения коррозионной стойкости защитные покрытия легировали бором и никелем. При осаждении легирующих элементов получаются плотные, беспористые, эластичные покрытия, легированные №-В, толщиной до 200 мкм, с содержанием бора 1,5 % (рис. 2). Свойства защитных силицированных покрытий, содержащих никель и бор:

1. Устойчивость к коррозии.

2. Повышенная поверхностная твердость.

3. Высокая устойчивость к окислению при повышенных температурах.

Как оказалось экспериментально, силицирование графита дало еще больший эффект (рис. 3-4).

Микротвердость образующихся фаз показана в табл. 1. В результате установлена зависимость коррозионной стойкости поверхности упрочняемых деталей от содержания кремния, бора и никеля в шихте. Выявлено и экспериментально доказано, что силицирование чугуна при содержании кремния в шихте в количестве 10 % приводит к увеличению коррозионной стойкости в 3,23,5 раз, а добавка дополнительно бора в количестве 15 % в шихту и оксида никеля в количестве 0,5 % приводит к увеличению коррозионной стойкости чугуна в 3,8-4,2 раза.

Рис. 2. Коррозионная стойкость в 10 %-ном растворе Н^04 чугуна без покрытий; силицированного (с добавлением в шихту 10 %81) и силицированного (также 10 %81) с легированными элементами (15 % В и 0,5 %№0) в 10 %-ном растворе Н^04.

Материал подложки - чугун марки ВЧ 45-5

Рис. 3. Коррозионная стойкость в 10 %- ном растворе Н^04 графита без покрытий и силицированного (с добавлением в шихту 10 %81). Материал подложки - графит марки ЭГ

30 70 60 ^ 50 5 40 < 30 20 10 0

1

с )

г —» -

.' "

12

Время испытаний, ч

10

графшОез упрочнении силицировэнный графит силициров энный графит с В и NI

24

Рис. 4. Коррозионная стойкость в 10 %-ном растворе Н^04 графита без покрытий, силицированного (с добавлениием в шихту 10 и силицированного (также 10 с легированными элементами (15 % В и 0,5 %№0). Материал подложки -

графит марки ЭГ

Таблица 1 - Микротвердость образующихся фаз

Фаза Микротвердость Н100, МПа

№3В 11900

№2В 14300

№4В3 14860

№В 15460

№В2 33600

2 Износостойкость защитных покрытий

Изнашивание защитных покрытий на материале ВЧ 45-5 при сухом трении проводилось при скорости скольжения контртела (сталь 30ХГСА) 1,02 м/с и удельном давлении 7,5 МПа на пути 500 м при времени испытаний 8,17 мин (рис. 5, а). В условиях граничного трения испытания проводились при той же скорости и удель -ном давлении с подачей масла 20 капель в минуту (масло индустриальное И-20) на пути трения 1,4х 104 м при времени испытаний 3,81 ч (рис. 5, б). Скорость и продолжительность испытания при обоих видах трения были установлены опытным путем, исходя из необходимости получения надежных и воспроизводимых результатов при малой продолжительности испытания.

Из данных рисунков видно, что наибольшей износостойкостью обладают упрочненные образцы, легированные 14 % Сг. В силу того, что хром входит в состав хромистой составляющей, которая отвечает за температурный фактор, то дальнейшее увеличение содержания хрома (при содержании ХС 20 %) в данной технологии не представляется возможным. Введение бора в шихту способствует равномерному распределению мелкодисперсных карбидов по сечению слоя и является активным аустенизатором. Наружный борирован-ный диффузионный слой представляет собой БеВ, а внутренний - Бе2В.

При такой технологии на поверхности исследуемых образцов формируются достаточно однородные слои

с эффективной глубиной 150-200 мкм, которые представляют собой высокодисперсную структуру с равномерным распределением частиц упрочняющих фаз.

Высокая износостойкость поверхности в первую очередь определяется карбидной фазой и достигается при:

- максимальном количестве карбидов;

- максимальной твердости карбидов, превосходящей твердость абразива;

- минимальном размере карбидов;

- тригональных карбидах типа Сг7С3, ориентированных осью перпендикулярно изнашиваемой поверхности;

- нанесении слоев с большим количеством (> 40 %) заэвтектических карбидов при условии их значительного измельчения и удовлетворительных механических свойствах сплавов.

При всех видах износа карбидная фаза должна отличаться минимальным размером, компактной структурой, максимальной твердостью.

Выводы

1. Установлена зависимость коррозионной стойкости поверхности упрочняемых деталей от содержания кремния, бора и никеля в шихте. Выявлено и экспериментально доказано, что силицирование чугуна при содержании кремния в шихте в количестве 10 % приводит к увеличению коррозионной стойкости в 3,2-3,5 раз, а добавка дополнительно бора в количестве 15 % в шихту и оксида никеля в количестве 0,5 % приводит к увеличению коррозионной стойкости чугуна в 3,8-4,2 раза.

2. Установлена зависимость изностойкости поверхности упрочняемых деталей от содержания хрома в шихте. Выявлено, что благодаря содержанию хрома в шихте в количестве 14 % удалось повысить износостойкость поверхностного слоя в 2,4-2,7 раза.

808

600

С! <

—I

_

> > __ л

Г чт- <

/А £ -ф

г

ВО 0

600

400

200

9 12

т, мин

В Ч 45-5 -^-'6% С г юйг -ф-14%Сг |

а

т, ч

-^-ВЧ 45-5 —» з—2%Сг Ч г-ежсг 10%Сг

б

Рис. 5. Зависимость износостойкости на материале ВЧ 45-5 без покрытия и с различным содержанием хрома на покрытии при сухом трении (а) и в условиях граничного трения с подачей масла (б)

Список литературы

1. Абраимов Н. В. Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов / Абраимов Н. В., Елисеев Ю. С. -М. : Интермет Инжиниринг, 2001. - 622 с.

2. Пугачева Н. Б. Технология поверхностного упрочнения и нанесения покрытий / Пугачева Н. Б. - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2008 - 3 с.

3. Космос и технологии : учебник / [Санин Ф., Джур Е., Санин А., Хуторный В.В.]. - Д. : АРТ-ПРЕСС, 2007. -456 с.

4. Удовицкий В. И. Антифрикционное пористое силици-рование углеродистых сталей : учебник / В. И. Удовиц -кий М. : Машиностроение, 1977. - 191 с.

5. Ворошнин Л. Антифрикционные диффузионные покрытия : учебник / Ворошнин Л. - Минск : Наука и техника, 1981 - 295 с.

6. Мержанов А. Процессы горения и синтеза материалов : учебник / Мержанов А. - Черноголовка : ИСМАН, 1998. - 512 с.

Одержано 04.09.2013

Ткаченко С.М. Поверхневе легування конструкцшних матерiалiв ввдповщального призначення з високовуглецевих метерiалiв з метою пщвищення корозшнот стшкосп та зносостшкосэт

Розглянуто вплив поверхневого легування на корозшну стiйкiсть i зносостiйкiсть. Встановлено взаемозв 'язок мiж структурою, фазовим складом поверхневого шару i показниками мiцностi.

Ключовi слова: графт, поверхневе легування, змiцнення, жаростiйкiсть, адгезiйна мiцнiсть, саморозповсюджувальний високотемпературний синтез, дифузiя, мiкроструктура, поверхневий шар, корозтна стшюсть, зносостштсть.

Tkachenko S. Surface alloying of construction materials of responsible setting from high-carbon materials with the purpose of increasing corrosion and wear resistance.

Influence of the surface alloying on corrosion and wear resistance is described. Interconnection between structure, phase composition of surface layer and mechanical properties is established.

Key words: carbon, surface alloying, work-hardening, heat-resistance, adhesion strength, self-propagating high temperature synthesis, diffusion, microstructure, surface layer, corrosion resistance, wear resistance.

УДК 621.78

О. О. Жданов

Нацюнальний уыверситет кораблебудування iм. адм. Макарова (НУК), м. МиколаТв

ВПЛИВ ПЕРЕДРЕКРИСТАЛ1ЗАЦ1ЙНО1 ТЕРМ1ЧНО1 ОБРОБКИ НА СУБСТРУКТУРУ ТА Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИВОСТ1 ДЕФОРМОВАНИХ СТАЛЕЙ 20 I 20Х13

Досл1джено вплив передрекристал1зацшно'1 терм1чно'1 обробки пластично деформованих металгв на показники мгцностг, пластичностг, коефщгент теплопровгдностг, електроопгр, субструктуру на прикладI сталей 20 I 20Х13.

Ключовi слова: пластична деформацгя, субструктура, ф1зико-механ1чн1 властивостг, передрекристал1зац1йна термгчна обробка.

Вступ

Вщомо, що найб№ш ефективним способом тдви-щення фiзико-механiчних властивостей сталей е здрiбнення !х субструктури. Особливо високих показ-ниюв можливо досягти шляхом отримання нанострук-турного стану. Однак сучасш методи формування на-ноструктури порошковi i плiвковi технологи, штенсив-на пластична деформащя, кристалiзацiя з аморфного стану через високу вартiсть, складшсть не набули ще широкого застосування у промисловостi. Повсюдно застосовують стат, метали i сплави та покриття iз них зi здрiбненою субструктурою, ультрадисперсними (на-нокристалiчними) елементами.

Аналiз останнiх досл1джень i публiкацiй

У роботах [1-6] показано, що не вичерпаш ще ва можливостi деформaцiйно-термiчноl обробки металiв i сплавiв щодо шдвищення !х фiзико-механiчних характеристик. Запропоновано спосiб щдвищення показник1в твердосп i зменшення коефiцiенту теплопровiдностi пластично деформованих металiв i газотермiчних по-криттiв за рахунок формування субструктурних (нано-структурних) елеменпв у процеа передрекристaлiзaц-шно1 термiчноl обробки.

Метою щет роботи е встановлення закожтрносп впливу передрекристaлiзaцiйноl термiчноl обробки на субструктуру та показники мщносп i фiзичнi власти-восп сталей 20 та 20Х13.

Матeрiали та методика дослщжень

Зразки сталi у вщпаленому CTaHi у виглядi пластин 155x15x5 мм деформували на npeci Р50. Стутнь дефор-маци зразка визначали як вiдношення рiзницi висоти до та тсля деформацп, до вихщного значення. Термiчну обробку зразк1в здшснювали в елекгричнiй ne4i СНОЛ-1.6.2.0.08/9-М1 при температур^ яка вiдповiдала або близька до температури первинно! рекрист^зацп ма-герiалу зразка. Твердiсгь вимiрювали на приладах типу Вiккерс та Роквелл зпдно з ДСТУ ISO 6507-4:2008. Подготовка i випробування зразк1в для визначення меж1 мщносп проводилися згiдно з ГОСТу 1497-84 на ма-шинi ИР-5057-50 з навантаженням до 5 т i швидк1стю навантаження 0,5 мм/хв. Дослщження субструктури та визначення Icоефiцieнту поглинання рентгенiвських про-менiв проводили методами рентгеноструктурного ана-лiзу за методиками [7], на рентгешвському дифракто-мерi ДРОН-3. Змiну розмiру областей когерентного розсшвання (ОКР) рентгенiвських променiв визначали методом апроксимацп. Метод апроксимацп дозволяе при визначеннi розмiрiв зон когерентного розсшвання роздшити вплив внутрiшнiх напружень i змiн розмiру субзерна, при змш яких вiдбуваеться розширення або звуження пiкiв на дифрактограмах. Для розрахуншв використовували пару чiтко розрiзнених лiнiй на диф-ракгограмi з малими та великими значеннями шдекав HKL, головно! фази - Fe, оск1льки при великих значениях HKL визначають величину внутрiшнiх напружень

© О. О. Жданов, 2013

74