CC BY
7СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
УДК 669.1
ВЛИЯНИЕ АКТИВАТОРА НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ДИФФУЗИОННОГО
ПОКРЫТИЯ НА ТИТАНЕ ВТ1-0
А.М. Гурьев1'2, М.В. Логинова1, С.Г. Иванов1 1 ФБГОУ ВО АлтГТУ им. И.И. Ползунова (г. Барнаул, Россия) Уханьский текстильный университет (г. Ухань, КНР) gurievam@mail.ru; serg225582@yandex.ru
Титановые сплавы находят широкое применение в химическом машиностроении благодаря более низкому весу, высокой прочности и коррозионной стойкости в агрессивных средах по сравнению со сталями. Однако, в некоторых случаях помимо коррозионной стойкости необходимо наличие специальных свойств, например, высокой тепло- и электропроводности, которые у титана ниже, чем у сталей. Наиболее перспективным материалом, имеющим высокие показатели твердости, коррозионной и износостойкости, тепло- и электропроводности являются бориды титана. Так, электропроводность диборида титана (TiB2) более чем в 5раз превышает электропроводность чистого титана, а его теплопроводность при температуре более 600°С - в 3-3,5 раза выше. Наиболее часто применяемые способы получения боридов титана в отечественной промышленности и науке -плазменный синтез [1-3] и химико-термическая обработка (ХТО) в расплавах с использованием электрического тока либо без него [4-13]. Наиболее перспективным способом нам видится ХТО из порошковых сред [14-15].
В работе проведено сравнение насыщающей способности сред для диффузионного борирования и одновременного насыщения бором, хромом и азотом следующего состава:
80%B4C+6%NaF+12%Cr+2% NH4Cl (№1) [16-18]
80%B4C+2%NaF+12%Cr+6% NH4CI (№2) [16-18]
По результатам анализа, как зарубежных, так и отечественных литературных источников, содержание бора во всех смесях было взято в количестве 63 % масс. Содержание активатора, в качестве которого использовался комплексный активатор, включающий фторид натрия и хлорид аммония, выбрали на минимальном уровне соответственно 6 и 2% масс. Содержание хрома в смесях 12% масс.
В качестве объекта изучения были выбраны диффузионные покрытия на титане ВТ 1-0.
Все смеси приготовляли по методике, описанной в работах [19, 20], с использованием планетарной мельницы в режиме самоизмельчения. Образцы размерами 10х15х20 мм помещали в жаростойкие контейнеры и засыпали порошковыми смесями так, чтобы расстояние от дна контейнера
до нижнего слоя образцов было 10 мм, между образцами - 5 мм, от верхнего слоя образцов до верха засыпки - 15 мм. Поверх порошковой засыпки наводили плавкий затвор (40% буры + 60% SiC) толщиной 5-6 мм. Упакованные таким образом контейнеры помещали в камерную печь типа СНОЛ и выдерживали 2,5 ч (150 минут) при температуре насыщения 950°С. По истечении выдержки контейнеры извлекали из печи и охлаждали на воздухе до температуры 70-80°С. После чего распаковывали и извлекали образцы. Извлечённые образцы промывали в мыльной воде и просушивали. Исследования по определению фазового состава проводили с помощью рентгеновского дифрактометра ДР0Н-6.0. На рисунках 1 и 2 представлены рентгенограммы диффузионных покрытий на титане.
Из приведенных результатов рентгеноструктурного анализа следует, что в состав полученного при насыщении из смеси №1 покрытия входят фазы боридов титана ^В, и ^2В5, находящиеся в неравновесном состоянии. По внешнему виду дифрактограммы можно судить, что количественное соотношение боридов титана в покрытии примерно одинаково. Также идентифицируются отражения соединений TiN и Fe2Ti.
ч
(D
4
О
^
А
ё о
к «
5 о К (D
Ё К
■ Ti B
2 5
X TiB TiB
* Fe2Ti
40 50
2 Theta, град.
Рисунок 1. Рентгенограмма покрытия на титане ВТ 1-0, полученного насыщением из смеси №1(Picture 1. X-ray of coating on titanium VT1-0, obtained
by the 1st mixture saturation)
Рентгеноструктурный анализ диффузионного покрытия, полученного насыщением из смеси №2, выявил наличие в покрытии образца лишь фазы нитрида титана (TiN) с кубической решеткой. Уширенные пики TiN с малой
« Nauka i obrazovanie Bol'sogo Altaa кование Большого Алтая» выпуск 2, 2016, страница 8о из 154
интенсивностью могут свидетельствовать о наличии остаточных (внутренних или термических) напряжений в структуре покрытия (рис. 2). Соединение TiN находится в неравновесном состоянии с искаженной кристаллической решеткой, имеет мелкодисперсную структуру, о чем косвенно свидетельствует внешний вид дифрактограммы.
« <и
5
^
А H О О X m х о X <и
H X
S
30-,
25-
20-
15-
10-
5-
20
-Г"
30
-Г"
40
50
60
70
I
80
2 Theta, град.
Рисунок 2. Рентгенограмма покрытия на титане ВТ 1-0, полученного насыщением из смеси №2 (Picture 2. X-ray of coating on titanium VT1-0, obtained
by the mixture 2nd saturation)
Таким образом, установлено, что применение в составе борирующей смеси активатора на основе галоидов аммония приводит к образованию нитридного покрытия.
Литература
1. Тюрнина З.Г., Тюрнина Н.Г. Формирование износостойких и коррозионностойких покрытий на титане // Физика и химия стекла. 2012. Т. 38. № S6. С. 905-909.
2. Li C., Li M.S., Zhou Y.C. Improving the surface hardness and wear resistance of Ti3SiC2 by boronizing treatment // Surface & Coatings Technology No 201 (2007) pp 6005-6011. doi: 10.1016/j.surfcoat.2006.11.008.
0
«Grand Altai Research & Education», Issue 2, 2016, page
3. Lizhi Liu Surface hardening of titanium alloys by gas phase nitridation under kinetic control // A dissertation of PhD. Cleveland: Case western reserve university January, 2005.
4. Жабрев В.А., Свиридов С.И., Лапис Н.Д., Сулейманова Н.А., Лопатина Н.П. Расплав для борирования изделий из титана и его сплавов: Пат 2031972 (РФ). 1995.
5. BiplabSarma. Accelerated kinetics and mechanism of growth of boride layers on titanium under isothermal and cyclic diffusion. A dissertation of PhD. Utah: University of Utah May, 2011.
6. Huang Y.-G., Chen J.-R., Zhang M.-L., Zhong X.-X., Wang H.-Q. & Li Q.-Yu Electrolytic Boronizing of Titanium in Na2B407-20%K2C03 // Materials and Manufacturing Processes A. 2013. Vol. 28, Issue 12. P 1310-1313
7. Fenghua Li, Xiaohong Yi, Jinglei Zhang, Zhanguo Fan, Dianting Gong and Zhengping Xi Growth kinetics of titanium boride layers on the surface of Ti6Al4V // Acta Metall. Sin.(Engl. Lett.) A. 2010. Vol.23, No.4, pp293-300.
8. Heck, S.C., Fernandes, F.A.P, Schneider, S.G., Gallego, J., Casteletti, L.C. Wear behaviour of borided titanium and Ti-13Nb-13Zr alloy // 19° CongressoBrasileiro de Engenharia e Ciencia dos Materiais (21-25 de novembro de 2010), Campos do Jordao, SP, Brasil, pp 6055-6062.
9. Huseyin Q., Kemal O. M., Hasan A., Mehmet L. A. Boriding titanium alloys at lower temperatures using electrochemical methods // Thin Solid Films No 515 (2007) pp. 5348-5352. doi:10.1016/j.tsf.2007.01.020
10. Matsushita M. Boronization and Carburization of Superplastic Stainless Steel and Titanium-Based Alloys // Materials 2011. Vol. 4, pp 1309-1320; doi: 10.3390/ma4071309
11. §e§en F. E., Ozgen O. S. A study on electrothermochemicalboronizing of an if steel // Sigma 2014. No 32, pp 334-347.
12. Aich S., Chandran K.S. Ravi. TiB Whisker Coating on Titanium Surfaces by Solid-state Diffusion: Synthesis, Microstructure, and Mechanical Properties. Metall. Mater. Trans. 2002, 33A, 3489-3498.
13. Sanders A.P., Tikekar N., Lee C., Chandran K.S.R. Surface Hardening of Titanium Articles with Titanium Boride Layers and its Effect on Substrate Shape and Surface Texture. J. Manuf. Sci. Eng. 2010, 131, 031001-1-8.
14. Ivanov S.G., Guriev A.M., Starostenkov M.D., Ivanova T.G., Levchenko A.A. Special features of preparation of saturating mixtures for diffusion chromoborating // Russian Physics Journal. 2014. V. 57. No 2. P. 266-269.
15. Гурьев А.М., Козлов Э.В., Крымских А.И., Игнатенко Л.Н., Попова Н.А. Изменение фазового состава и механизм формирования структуры переходной зоны при термоциклическом карбоборированииферрито-перлитной стали // Известия высших учебных заведений. Физика. 2000. Т. 43. № 11. С. 60.
16. Ворошнин Л.Г. Борирование промышленных сталей и чугунов. Справочное пособие. Минск, Беларусь. 1981. 205с.
17. Мосоров В.И., Грешилов А.Д., Лыгденов Б.Д. Ползуновский вестник. 1-1 2012 С. 206.
« Nauka i obrazovanie Bol'sogo Altaa азование Большого Алтая» выпуск 2, 2016, страница 82 из 154
18. ПатентРФ 2011148197/02, 25.11.2011
19. Ivanov S.G., Garmaeva I.A., Guriev M.A., Guriev A.M., Starostenkov M.D. Lecture Notes in Mechanical Engineering. 49 22 (2015). DOI: 10.1007/978-3-319-15684-2_7
20. Ivanov S.G., Guriev A.M., Starostenkov M.D., Ivanova T.G., Levchenko A.A. Russian Physics Journal. 2(57) 266 (2014). D0I:10.1007/s11182-014-0234-6
21. Зобнев В.В., Марков А.М., Иванов С.Г., Гурьев А.М. Износостойкость многокомпонентных диффузионных боридных покрытий на рабочих органах сельскохозяйственных машин // Актуальные проблемы в машиностроении. 2014. № 1. С. 435-439.
22. Зобнев В.В., Иванов С.Г., Гурьев М.А., Черных Е.В., Гурьев А.М., Марков
A.М. Упрочнение рабочих поверхностей стальных деталей наплавочным материалом на основе борида железа // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014. Т. 11. № 3. С. 398-401.
23. Термоциклирование. Структура и свойства. Лыгденов Б.Д., Хараев Ю.П., Грешилов А.Д., Гурьев А.М. Барнаул, 2014.
24. Комплексное насыщение сталей бором и хромом -борохромирование. Иванов С.Г., Гурьев А.М., Кошелева Е.А., Власова О.А., Гурьев М.А. Ползуновский альманах. 2008. № 3. С. 53.
25. Технология упрочнения стальных изделий в процессе литья. Гурьев М.А., Фильчаков Д.С., Иванов С.Г., Гурьев А.М., Деев В.Б. Литейщик России. 2013. № 6. С. 36-38.
26. Kazakov A.A., Kiselev D. Metallography, Microstructure, and Analysis. DOI 10.1007/s13632-016-0289-6
27. Kazakov A.A., Ryaboshuk S., Lyubochko D., Chigintsev L. Microscopy and Microanalysis. 2015. № 3 V21. P1775-1779. Doi:10.1017/S1431927615009551
28. Kazakov A.A. and Kiselev D. Microscopy and Microanalysis. 2015. № 3 V21. P457. DOI 10.1017/S1431927615003086.
29. Kazakov A.A., Luong N.H., Kasakova E.I., Zorina E.M. Proceedings of the 32nd Annual Convention of the International Metallographic Society Held "Understanding Processing, Structure, Property and Behavior Correlations". Cincinati, Ohio ASM International. (1999) p. 133-142.
30. А. А. Казаков, П. В. Ковалев, А. Л. Мясников, А. А. Дробинин, С. Д. Зинченко Неметаллические включения и природа дефектов холоднокатаного листа, Часть 1. Дефект "Плена". // Черные металлы. 2006. №2. С. 32-37.
31. А.А. Казаков, Д.В. Киселев, С.В. Андреева, Л.С. Чигинцев, С.В. Головин,
B.А. Егоров, С.И. Марков Разработка методики количественной оценки загрязненности низколегированных трубных сталей неметаллическими включениями с помощью автоматического анализа изображений. // Черные металлы 2007 №7-8. С. 24-31.
32. Лыгденов Б.Д., Гурьев А.М. Влияние состава насыщающей среды на структуру и свойства диффузионного слоя при титанировании сталей. Известия высших учебных заведений. Физика. 2000. Т. 43. № 11. С. 269.
33. Иванов С.Г., Гармаева И.А., Андросов А.П., Зобнев В.В., Гурьев А.М., Марков В.А. Фазовые превращения и структура комплексных боридных покрытий. Ползуновский вестник. 2012. № 1-1. С. 106-108.
34. Гурьев A.M., Лыгденов Б.Д., Власова О.А. Интенсификация процессов химико-термической обработки металлов и сплавов. Фундаментальные исследования. 2008. № 8. С. 10.
35. Гурьев А.М., Козлов Э.В., Игнатенко Л.Н., Попова Н.А. Особенности формирования диффузионного слоя при термоциклическом борировании углеродистой стали. В книге: Эволюция дефектных структур в конденсированных средах сборник тезисов докладов 5-ой Международной школы-семинара. 2000. С. 149-150.
36. Иванов С.Г., Гармаева И.А., Гурьев А.М. Особенности диффузии атомов бора и хрома при двухкомпонентном насыщении поверхности стали Ст 3. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2012. Т. 9. № 1. С. 86-88.
37. Гармаева И.А., Лыгденов Б.Д., Гурьев A.M., Власова О.А. Исследование влияния различных факторов при борировании на механические свойства стали с применением математической модели. Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 10. С. 30-32.
38. Лыгденов Б.Д., Гурьев А.М., Гармаева И.А. Влияние режимов борирования на упрочнение поверхности уплотнительного кольца из стали 40ХН2МА. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2007. Т. 4. № 2. С. 90-93.
39. Бутуханов В.А., Грешилов А.Д., Лыгденов Б.Д., Отхонсо Г. Исследование процесса диффузионного насыщения в смеси, содержащей оксид ванадия и алюминий. Ползуновский вестник. 2012. № 1-1. С. 51-55.
40. Власова О.А., Иванов С.Г., Гурьев М.А., Кошелева Е.А., Гурьев А.М. Повышение прочности диффузионных карбоборидных покрытий термоциклированием в процессе их получения. В сборнике: наука и молодежь -2007 (НиМ - 2007) Материалы IV Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука и молодежь -2007" (НиМ-2007). 2007. С. 110-112.
41. Гурьев М.А., Иванов А.Г., Иванов С.Г., Гурьев А.М. Упрочнение литых сталей поверхностным легированием из борсодержащих обмазок. Успехи современного естествознания. 2010. № 3. С. 123.
42. Власова О.А., Иванов С.Г., Гурьев A.M., Кошелева Е.А., Чех С.А. Оптимизация многокомпонентной химико-термической обработки стали 30Х. Современные наукоемкие технологии. 2008. № 3. С. 32.
« Nauka i obrazovanie Bol'sogo Altaa зование Большого Алтая» выпуск 2, 2016, страница 84 из 154
