книги из ГПНТБ / Многокомпонентные диффузионные покрытия

Авторский коллектив:

Л. С. ЛЯХОВИЧ, Л. Г. ВОРОШНИН, Г. Г. ПАНИЧ, Э. Д. ЩЕРБАКОВ

Л я х о в и ч Л. С. и др. Многокомпонентные диффузи­ онные покрытия. Минск, «Наука и техника», 1974, стр. 288.

В монографии рассматриваются процессы и результаты одновре­ менного диффузионного насыщения сталей и сплавов двумя и более химическими элементами, что во многих случаях позволяет создать на поверхности металлов диффузионные слои, свойства которых су­ щественно превосходят качества слоев монокомпонентного насы­ щения.

Приводится обширный материал, касающийся конкретных про­ цессов насыщения сталей и сплавов широким рядом элементов одно­ временно с бором, кремнием, хромом и алюминием, а также сочета­ ниями из трех элементов. Исследованы способы получения многоком­ понентных покрытий, их структура и свойства. Показана перспек­ тивность применения математического планирования эксперимента при исследованиях в области химико-термической обработки.

Предназначена для научных сотрудников, работающих в обла­ сти получения защитных покрытий на металлах; может быть полез­ на работникам производства, аспирантам и студентам-металловедам.

Таблиц 90. Рисунков 131. Библиография — 367 названий.

Р е ц е н з е н т ы :

доктор технических наук Г. В. Самсонов, доктор химических наук Н. Г. Плющенко, кандидат технических наук А. П. Эпик

ЛР3125 ?52._, 125—74 М316—74

( с ) Издательство «Наука и техника», 1974.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие машиностроения, химической, радиотехнической и новых отраслей промышленности, энергетики и ядерной тех­ ники предъявляет весьма жесткие требования к рабочим свой­ ствам изделий: их сопротивляемости износу, коррозии в жид­ ких и газообразных средах, кавитационной эрозии и мно­ гим другим видам внешних воздействий.

Разрушение деталей машин, инструмента и других изделий в подавляющем большинстве случаев начинается с поверхно­ сти, и именно к поверхностным слоям относятся перечисленные выше требования. В связи с этим объемное легирование спла­ вов, как правило, является неэкономичным, а во многих случа­ ях и неосуществимым из-за почти полной потери ими пластич­ ности и вязкости. Поэтому в последние годы все большее внимание исследователей и производственников уделяется раз­ личным методам поверхностного упрочнения. Одним из основ­ ных методов поверхностного легирования (а следовательно, и упрочнения) является химико-термическая обработка.

В настоящее время достаточно широко применяют процес­ сы насыщения металлов и сплавов одним элементом: цемента­ цию, азотирование, алитирование, хромирование и т. д. Насы­ щение двумя, тремя и большим количеством элементов приме­ няют весьма ограниченно. Практически используется промышленностью только один процесс — нитроцементация, или цианирование.

Совершенно очевидно, что насыщение поверхности изделий двумя и большим количеством элементов (многокомпонентное насыщение) позволяет в значительно большей мере изменять свойства поверхностных слоев.

В настоящее время монографическая литература, посвя­ щенная многокомпонентному насыщению, исчерпывается рабо­ той Г. В. Земскова [1] и книгами Б. Прженосила [2] и А. В. Криулина [3].

3

Г л а в а I

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО НАСЫЩЕНИЯ

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Известны три основные стадии любого процесса химико­ термической обработки:

1. Образование активных атомов в среде, которая обеспечи­ вает необходимое легирование поверхностного слоя. Очевидно,

нентных процессов.

2. Адсорбция образовавшихся активных атомов поверхно­ стью обрабатываемого изделия. Процессы взаимодействия по­ верхности металлов (сплавов) с элементами и соединениями, их окружающими, довольно сложны и в настоящее время изу­ чаются во многих аспектах. Однако можно утверждать, что про­ цессы адсорбции при химико-термической обработке, завер­ шающиеся в последующем диффузией адсорбированного эле­ мента в глубь изделия, практически не изучены. Сведения, из которых можно было бы почерпнуть знания о механизме обра­ зования адсорбционного слоя, очень ограничены.

3. Диффузия элемента в глубь металла (сплава). Этот про­ цесс изучен наиболее полно. Имеется большое количество ра­ бот по качественной и количественной сторонам диффузии: самодиффузии и гетеродиффузии. В последние годы уделяется все больше внимания закономерностям диффузии при много­ компонентном насыщении.

Все эти три стадии процесса насыщения влияют на кинети­ ку химико-термической обработки, структуру и фазовый состав образующегося слоя.

7

Указанные элементарные процессы насыщения тесно свя­ заны между собой, и зачастую бывает трудно рассмотреть влияние каждого из них отдельно.

В настоящей работе рассматривается влияние процессов, происходящих в первой и третьей стадиях, на результаты мно­ гокомпонентного насыщения. Как уже отмечалось выше, сведе­ ния о промежуточной стадии (второй) весьма ограничены и не позволяют сделать обобщающих заключений.

2. СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ОБЩИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ МНОГОКОМПОНЕНТНОМ НАСЫЩЕНИИ

В рассматриваемой проблеме вопросом первостепенной важности является систематизация возможных сочетаний диффузантов, позволяющая прогнозировать результаты насы­ щения.

Группой исследователей под руководством В. И. Архарова в основу такой классификации положен характер взаимодей­ ствия диффузантов с насыщаемым металлом [5, 6]. По мнению В. И. Архарова, все сочетания насыщающих элементов (при двухэлементном насыщении) можно разделить на три вида:

1. Оба насыщающих элемента образуют с обрабатываемым металлом соединения, причем в псевдобинарной системе, образованной этими соединениями, имеет место неограничен­ ная взаимная растворимость. В результате насыщения обра­ зуется однофазный диффузионный слой с плавным распреде­ лением диффузантов по глубине.

При насыщении переходных металлов двумя неметаллами к первому типу систем с некоторой натяжкой можно отнести систему Мо—С—N [7]. В псевдобинарных системах, образо­ ванных интерметаллидами, описанный случай встречается, по всей видимости, более часто.

2. Оба насыщающих элемента образуют с обрабатываемым металлом соединения, между этими соединениями имеет место ограниченная взаимная растворимость. Образуется двухфаз­ ный диффузионный слой: ближе к насыщаемому металлу рас­ полагается соединение того диффузанта, который обладает большей диффузионной подвижностью. Распределение быстродиффундирующего диффузанта имеет экстремальный харак­ тер. По данным [5, б, 8, 9], ко второму типу можно отнести системы Сг—О—N, Сг—N—S, Сг—N—С.

3. Оба насыщающих элемента могут образовывать соединения с насыщаемым металлом, но взаимной раствори­ мостью эти соединения не обладают. Диффузионный слой однофазный состоит из соединения обрабатываемого метал-

8

ла с тем диффузантом, у которого к нему выше химическое сродство. Второй элемент в насыщаемый металл не проникает и соединения не образует, хотя в данных условиях оно вполне термодинамически устойчиво. К системам такого типа можно отнести: Сг—О—S, W—С—N, Nb—В—С [10—12].

К сожалению, авторы работ [5, 6 и др.] ограничиваются рассмотрением сочетаний диффузантов, образующих с насы­ щаемым металлом только химические соединения.

Из рассмотрения исключен весьма широкий круг элемен­ тов, образующих между собой (с учетом взаимодействия с на­ сыщаемым металлом) псевдобинарные системы типа химиче­ ское соединение — твердый раствор и твердый раствор I — твердый раствор II.

Наибольшее количество экспериментальных работ по на­ сыщению металлов и сплавов несколькими элементами выпол­ нено в Одесском политехническом институте под руководством Г. В. Земскова [1, 13—23 и др.].

В основу классификации процессов многокомпонентного насыщения, по Г. В. Земскову, положен характер взаимодей­ ствия насыщающих элементов между собой. Все сочетания насыщающих элементов в соответствии с этой классификацией можно разделить на три группы.

1. К первой группе относятся элементы, образующие между собой твердые растворы или интерметаллические соединения с широкой областью гомогенности. В диффузионном слое обра­ зуются твердые растворы на базе соединений двойных систем металл—насыщающий элемент или твердые растворы на осно­ ве насыщаемого металла. Область совместной диффузии эле­ ментов, в которой наблюдается изменение структуры, сдвинута в сторону диффузанта, имеющего меньшую скорость диффу­ зии. Глубина слоя плавно увеличивается по мере увеличения в смеси количества быстродкффундирующего элемента; экстре­ мальные точки на кривой состав смеси — глубина слоя отсут­ ствуют.

К сочетаниям диффузантов подобного рода автор [13] от­ носит: А1—Si, Сг—А1, Сг—Si, Ті—Al, Ti—Si, Cr—Ti и др.

2. Ко второй группе относятся насыщающие элементы, об­ ладающие при температуре насыщения очень малой взаимной растворимостью и образующие химические соединения. На диаграммах состав смеси — глубина слоя при определенных составах имеется четко выраженный минимум. В насыщающей смеси образуется соединения насыщающих элементов. К дан­ ной группе автор [13] относит: В—А1, В—Si, В—Ti, Сг—Zг, В—Мп, А1—Се.

3. К третьей группе относятся элементы, не образующие твердых растворов, а образующие устойчивые химические со­ единения с очень узкой областью гомогенности. При опреде-

9