3.2 Дифузійні хромоалітовані покриття на сталі 12х18н10т

3.2.1 Фазовий склад сталі 12х18н10т після хромоалітування, хромоалітування сталі з шаром нітриду титану ТіN

Комплексні багатошарові дифузійні хромоалітовані покриття з бар’єрним шаром нітриду титану мають різноманітні властивості, які визначаються їх фазовим, хімічним складом, структурою, що утворилися в процесі насичення. Дослідження фазового, хімічного складу та структури дозволяє зробити висновки про зміни, які відбулися на поверхні оброблених виробів і можливо в їх серцевині при хіміко-термічній обробці, а також про перспективні властивості та області застосування покриттів [64, 65].

Встановлено, що після хромоалітування та хромоалітування сталі 12Х18Н10Т з шаром ТіN утворюються багатокомпонентні покриття за участю оксиду алюмінію Аl₂O₃, інтерметалідних впорядкованих сполук зі структурою CsCl – Al(Fe,Cr), Al(Fe,Ni), нітриду титану TiN та твердого розчину Fe_a(Al,Cr,Ni) (рис. 3.2 і 3.3, табл. 3.2 і 3.3). Рентгеноструктурний аналіз сталі з покриттям нітриду титану ТіN показав, що період кристалічної гратки даної сполуки після хромоалітування зменшився в незначній мірі і становить а = 0,4244 нм. Вірогідніше за все зменшення періоду гратки зумовлене розчиненням в шарі ТіN незначної кількості нікелю, хрому, заліза, атомні розміри яких менші за атомні розміри титану.

Пошаровим рентгеноструктурним аналізом сталі 12Х18Н10Т після хромоалітування, шар TiN з наступним хромоалітування встановлено, що для обох видів покриттів характерна присутність на зовнішній стороні в зоні сполук: шару інтерметаліду Al(Fe,Cr) з яким безпосередньо межує шар Al(Fe,Ni). У відповідності до результатів рентгеноструктурного аналізу та до діаграм стану Al–Fe–Cr і Al–Fe–Ni виявлені сполуки мають впорядковану структуру типу CsCl [66, 67]. На дифрактограмах шарів сполук Al(Fe,Cr), Al(Fe,Ni) встановлена присутність зверхструктурного максимуму (100), що свідчить про впорядкованість структури. Параметри кристалічних граток обох сполук близькі і тому на рентгенограмах дифракційні піки розділяються в незначній мірі (табл. 3.2 і 3.3). Це пояснюється тим, що енергія напружень в решітці твердого розчину може знизитись в результаті утворення структури ближнього порядку, коли атоми розчиненої суміші намагаються розташуватися на якомога більшій відстані один від одного. Утворюється при цьому структура в цілому ідентична структурі металу-розчинника. Вперше, це було знайдено при дослідженні сплавів системи Cu–Au, в яких при високих температурах утворюється неперервний ряд твердих розчинів. При низьких температурах були знайдені зупинки на кривих охолодження, знятих зі сплавів, які розташовані поблизу складу Cu₃Au і CuAu. При цьому було виражено думку про можливість кристалізації відповідних хімічних сполук з твердих розчинів, і тільки в 1927 р. прийнятий Іогансоном і Лінде метод рентгеноструктурного аналізу дозволив відкрити істину природу цього процесу [27]. При високих температурах сплав має більш або менше неупорядковане розташування атомів міді і золота в решітці твердого розчину. При повільному охолодженні чи довготривалому відпалі при низькій температурі відбувається перерозподіл, і структура сплаву, якщо не враховувати наявність двох сортів атомів, то це – звичайний гранецентрований куб. Однак, при наявності двох сортів атомів виявляється, що атоми золота в цій решітці не можуть бути найближчими сусідами. Така структура називається надструктурною. На рентгенограмі знятої зі славу, яка має надструктуру, незважаючи на всі рефлекси, які дає гранецентрована кубічна гратка при неупорядкованому розміщенні атомів двох сортів, з`являються додаткові лінії, які виникають в результаті вказаного перерозподілу атомів в гратці. Справа в тому, що при неупорядкованому розподілі атомів двох сортів в гратці гранецентрованого куба площини (100) не дають рефлексів на рентгенограмах, тому що між гранями куба, які знаходяться один від одного на відстані С, точно по середині проходять такі ж площини. В структурі площини куба мають рівне число атомів міді і золота, в той час як, площини які проходять посередині між ними, мають тільки атоми міді. Тому, на рентгенограмах, знятих з упорядкованого сплаву, мають рефлекси від площини (100) [27].

Слід відзначити, що присутність на поверхні сталі шару ТіN не впливає на фазовий склад отриманих покриттів. В обох випадках хромоалітування за двома варіантами (табл. 3.2 і 3.3) на зовнішній стороні дифузійної зони розташовані шари фаз Al₂O₃, Al(Fe,Cr) і Al(Fe,Ni), на внутрішній – зона твердого розчину Fe_a(Al,Cr,Ni). Звичайно, комплексна обробка за останнім варіантом (табл. 3.3) супроводжується формуванням на першому етапі обробки шару ТіN, який залишається як фазова складова після хромоалітування. Таким чином, шар ТіN проявив термічну і хімічну стабільність, а характер розподілу хімічних елементів в дифузійній зоні, визначені товщини шарів фазових складових підтверджують його бар’єрну роль. При цьому, в комплексних хромоалітованих покриттях за участю ТіN товщина зони інтерметалідів в чотири рази менша, зони твердого розчину Fe_a(Al,Cr,Ni) – майже в два рази менша, ніж в хромоалітованих покриттях.

Таблиця 3.2 – Фазовий склад та властивості сталі 12Х18Н10Т після хромоалітування

Вид обробки і режим: Т, °C; τ, години	Фазовий склад	Параметр кристалічної гратки, нм	Товщина покриття, мкм	Мікротвердість, ГПа
Хромоалітування: 1050; 2*	Al(Fe,Cr)	а = 0,2901	25,0	5,8-6,2
	Al(Fe,Ni)	а = 0,2897	27,0	5,6-5,2
	Fea(Al,Cr,Ni)	а = 0,2931	110,5	4,6-2,0

*На поверхні присутній оксид алюмінію Al₂O₃: а = 0,4745; с = 1,2998 нм

Таблиця 3.3 – Фазовий склад та властивості сталі 12Х18Н10Т з шаром нітриду титану TiN (метод фізичного осадження) після хромоалітування

Вид обробки і режим: Т, °C; τ, години	Фазовий склад	Параметр кристалічної гратки, нм	Товщина покриття, мкм	Мікротвердість, ГПа
Хромоалітування сталі з шаром нітриду титану TiN: 1050; 2*	Al(Fe,Cr)	а = 0,2914	5,0	5,0-5,8
	Al(Fe,Ni)	а = 0,2916	10,0	6,2-6,8
	TiN	а = 0,4244	5,5-6,5	20,5
	Fea(Al,Cr,Ni)	а = 0,2933	62,5	4,2-2,0

*На поверхні присутній оксид алюмінію Al₂O₃: а = 0,4745; с = 1,2998 нм

Рис. 3.2 – Дифрактограма сталі 12Х18Н10Т після хромоалітування; Т = 1050 °С, τ = 2 години

Рис. 3.3 – Дифрактограма сталі 12Х18Н10Т з шаром нітриду титану TiN після хромоалітування; Т = 1050 °С, τ = 2 години

Безпосередньо до основи примикає шар твердого розчину Fe_α(Al,Cr,Ni). Слід зазначити присутність в даному розчині нікелю та хрому основи. Кристали Fe_α(Al,Cr,Ni) мають характерну стовбчасту форму. Вони виникають в аустеніті в результаті Fe_γ→Fe_α перетворення після досягнення межі розчинності алюмінію в аустеніті. Просування границь Fe_α–Fe_γ від поверхні в глибину зразка супроводжується ростом в тому ж напрямку товщини шару Fe_α(Al,Cr,Ni) – фази у вигляді стовбчастих кристалів.

Можливість існування інтерметалідів за участю насичуючих елементів та елементів основи типу Al(Fe,Cr), Al(Fe,Ni) з близькими періодами кристалічної гратки з упорядкованою структурою типу CsCl показано в роботах [66, 67].

Правильність інтерпретації результатів рентгеноструктурного аналізу щодо фазового складу покриттів підтверджена характером розподілу елементів за товщиною покриття, результатами металографічних і дюрометричних досліджень.