книги из ГПНТБ / Многокомпонентные диффузионные покрытия

(чаще всего F2AI5), сверхструктуры (FeAl и РезАІ) и а-твер- дый раствор, легированные бором.

В этом случае мощность диффузионного источника как но алюминию, так и по бору должна быть достаточно высокой.

источника по алюминию). Боридная зона, представляющая в этом случае небольшую часть слоя, располагается преимуще­ ственно на границе алитированного слоя с основным метал­ лом (рис. 37, в). Подобного рода покрытия образуются при явном преобладании в смеси алюминийсодержащей компо­ ненты.

Боридная зона в слоях I типа может быть представлена как одним (Fe2B), так и двумя боридами железа (Fe2B-f- FeB). В слоях II и III типов боридная зона представлена боридом Fe2B.

Эти три типа структур охватывают практически все случаи строения борюалитированного слоя на углеродистых и низко­

бороалитированного слоя при различных методах насыщения приведена выше. Распределение' микротвердости по глубине алитированной части бороалитированного слоя при электро­ лизном насыщении приведено на рис. 38. Аналогичные зави­ симости получены и при других способах бороалитирования в случае идентичной структуры слоя (слой III типа).

По мере увеличения в насыщающей смеси алюминийсо­ держащей составляющей увеличивается микротвердость бо­ рида Fe2B (рис. 39). Большинство исследователей склонны

1750 кГ/мм2.

Влияние бороалитирования из порошков ферросплавов на механические свойства стали 45 видно из табл. 10 [276].

Бороалитированные стали обладают высокой износостой­ костью, в ряде случаев несколько превосходящей износостой­ кость борированных сталей. В табл. 11 приведены данные по износостойкости сталей 10 и У8 при бороалитировании из смесей на основе алюминия и карбида бора [271].

Аналогичные результаты по абразивной износостойкости бороалитированных покрытий получены при насыщении из паст (табл. 12) [274] и алюминотермическом методе бороали­ тирования (табл. 13).

111

Абразивная износостойкость определялась по методике, разработанной в Институте энергетики и электротехники АН Литовской ССР при трении о движущуюся абразивную ленту [277]. Скорость скольжения составляла 30 м/мин, нагрузка — 10 кГ/см2. Износ оценивался по потере веса за время испыта­ ния, отнесенной к длине пути трения.

Указания на высокую износостойкость бороалитирован­ ной стали при трении скольжения имеются в работе [82]. Из-

Рис. 38. Распределение микротвердости по глубине a -твердого раствора в бороалитированных слоях на армко-железе (1), сталях 20 (2), 45 (3) и

У8 (4):

<=1050 °С. т=4 ч, расплав I (табл. 8 )

носостойкость определялась на машине трения МФТ-1. Испы­ тания проводились в паре с бронзой Бр. ОЦС5-5-5 при скоро­ сти скольжения 0,1 м/сек. Смазкой служил технический солидол УСс с 10% кварцевого песка, который подавался рав­ ными порциями через каждые 100 м пути.

Интенсивность изнашивания бороалитированной стали 45 в 4—6 раз меньше, чем улучшенной (НДС 26—28) стали. Из­ нос бронзы при трении по стали 45, упрочненной бороалитированием, в 2—4 раза меньше, чем при трении по стали 45. Коэффициент трения бороалитированных образцов снизился на 16%.

В наших исследованиях получена высокая износостойкость бороалитированной стали 45 в условиях сухого трения сколь­ жения (табл. 13). Испытания выполнены на машине типа МИ при скорости скольжения 1,0 м/сек, нагрузке ИЗ кГ/см2 и вре­ мени испытания 2 ч. Контртелом служил диск из стали Р18

112

(HRC 62). Однако чаще всего бороалитированные покрытия по износостойкости не превосходят боридных.

Бороалитирование в порошкообразных смесях с высоким содержанием алюминия существенно повышает предел устало­ сти и условный предел коррозионной усталости (табл. 10)

[276].

Во многих работах [21, 65, 271, 274, 278 и др.] отмечается высокая жаростойкость бороалитированных углеродистых

Рис. 39. Зависимость микротвердости борида Fe2B в бороалитированном слое от содержания NaA102 в распла­

ве на армко-железе (1), сталях 45 (2)

и У8 (3) (7=1000°С, т = 3 ч)

сталей. В табл. 14—16 приведены данные по жаростойкости углеродистых сталей, бороалитированных различными мето­ дами [278, 274]. При газовом бороалитировании и испытании

исходным состоянием повысилась в 40—45 раз [273].

Таким образом, жаростойкость в результате бороалитирования повышается от 30 до 70 раз в зависимости от способа бороалитирования, однако в меньшей мере, чем после «чисто­ го» алитирования. Данные по кинетике окисления бороалити­

114

Бороалитированный сплав ЖС6К обладает большей жаро­ стойкостью, чем соответствующие однокомпонентные покры­ тия [22].

Лучшей жаростойкостью обладают покрытия, полученные в смесях, содержащих 70—80% Al и 20—30% В. По данным микроструктурного анализа, они имеют такую же структуру, как после алитирования. В поверхностной зоне, по данным химического анализа, содержится 50% А1 и 5% В. Глубина

слоев после испытания увеличивается в 1,5 раза у лучших двухкомпонентных покрытий и в 2 раза у алитированных. Таким образом, введение в алитированный слой малых доба­ вок бора уменьшает скорость рассасывания слоя при высоких температурах.

Естественно, что жаростойкость покрытия зависит не толь­ ко от состава смеси, но и от условий насыщения. Установлено, что оптимальными условиями диффузионного насыщения для

получения жаростойкого бороалитированного покрытия сле­ дует считать: (= 900 °С, т = 2 ч, 20% металлической составляю­ щей (насыщающая смесь состояла из металлической состав­ ляющей, активизатора (5% NH4C1) и инертной добавки (AI2O3)). Глубина слоя при этом должна быть около 70 мк.

Полученные при этих условиях бороалитированные слои имеют в 2—3 раза большую жаростойкость, чем алитирован­ ные, и являются более долговечными при высокой температу­ ре. Сделанные выше выводы относительно оптимального со­ става смеси проверены испытаниями при температурах 1100 °С

в течение 200 ч [22] и 1000 °С в течение 400 ч [279].

После испытания по режиму: (=1000°С, т = 400 ч на боро­ алитированных образцах обнаружены лишь отдельные точеч­ ные следы окисления.

В алитированных слоях при тех же условиях испытания обнаружены крупные очаги разрушения, проникающие на глубину 150 мк при общей глубине покрытия 650 мк.

116

Бороалитированные слои, полученные по описанной выше технологии, обладают и наибольшей коррозионной стойкостью в потоке продуктов сгорания сернистого топлива, содержащих пары морской воды (/ = 900°С, т=15 ч) [279].

Бороалитированная (последовательным способом) сталь 40 устойчива против действия расплавленного алюминия

[279].

Вработах [271, 280] отмечается высокая коррозионная стойкость бороалитированных углеродистых сталей в 10%- ных водных растворах поваренной соли, едкого натра, соля­ ной, серной, уксусной и фосфорной кислот и других агрессив­ ных средах.

Внаших исследованиях получены иные результаты (табл. 17). Из таблицы видно, что бороалитированные покрытия разрушаются не только быстрее боридных или алюминидных,

Т а б л и ц а 17

117

но и с большей скоростью, чем незащищенные стали. Послед­ нее, по всей вероятности, естественно, если учесть электрохи­ мический механизм разрушения металлов и покрытий в жид­ ких средах. По нашему мнению, применение бороалитирования с целью защиты углеродистых сталей от коррозии в водных растворах солей, щелочей и кислот бесперспективно.

Подводя итог описанным свойствам бороалитированных сталей, вспомним основную цель создания и изучения процес­ са бороалитирования — совместить положительные свойства боридных и алюминидных покрытий, т. е. высокую твердость и износостойкость с высокой жаростойкостью.

Из анализа приведенных выше данных следует, что эта цель практически не достигается: высокой износостойкостью обладают покрытия I типа. Жаростойкость их повышается по сравнению с боридными покрытиями сравнительно в неболь­ шой степени; высокой жаростойкостью обладают покрытия III типа, не отличающиеся сколько-нибудь повышенной изно­ состойкостью по сравнению с алюминидными.

Некоторое повышение комплекса указанных свойств вряд ли оправдывается усложнением технологии насыщения.

Вряде случаев можно было бы рекомендовать покрытия II типа взамен боридных при работе в условиях ударного на­ гружения (с целью снижения хрупкости боридного слоя), но при этом следует иметь в виду исключительную сложность регулирования размера, формы п взаимного расположения боридных частиц в алитированнрм слое.

Единственными, на наш взгляд, достоинствами процесса бороалитирования по сравнению с борированием являются повышение микротвердости и износостойкости боридных фаз и увеличение скорости насыщения (например, при электролиз­ ном бороалитировании) при проведении процесса в режиме борирования (слои I типа). Указанные достоинства могут быть использованы уже в настоящее время. Однако изложенное выше не относится к специальным сплавам и тугоплавким ме­ таллам. В работе [279] убедительно показано, что свойства бороалитированного слоя сплава ЖС6К (жаростойкость и коррозионная стойкость) значительно выше, чем соответству­ ющих однокомпонентных покрытий. Вероятно, свойства покрытий на подобного рода сплавах нуждаются в дальней­ ших систематических исследованиях.

2. ХРОМОАЛИТИРОВАНИЕ

Совместное насыщение металлов и сплавов алюминием и хромом применяют с целью создания диффузионных слоев, обладающих более высокой жаростойкостью и эрозионной

118

стойкостью по сравнению с хромированными и алитирован­ ными слоями. Применительно к железу и сталям процесс хро­ моалитирования был объектом исследования еще в конце 30-х — начале 40-х годов [281—283]. К настоящему времени имеется большое количество работ, посвященных изучению хромюалитирования углеродистых и легированных сталей, ж а­ ропрочных сплавов на основе никеля, титановых сплавов и меди, а также свойств образующихся диффузионных слоев. Обзоры работ по этим вопросам имеются в монографиях Г. Н. Дубинина [101] и А. Н. Минкевича [284].

Хромоалитирование осуществляют из порошков элементов, ферросплавов или специально выплавленной хрюмоалюминие-

вой лигатуры [1, 20, 101, 276, 284, 286—288], из алюминотер-

мических смесей [102, 290, 291] с добавками галогенидов, об­ разующих активную газовую фазу, или в вакууме [291—293], в расплавах алюминия с хромом [294] и шликерным способом

[50].

В. И. Похмурский, В. Б. Далисова и Я. П. Бродяк исследо­ вали хромоалитирование стали 45 в порошковых смесях фер­ рохрома и алюминия (60%), хлористого аммония (5%) и окиси алюминия (35%) [285]. Содержание алюминия в смеси изменяли от 5 до 40%. Установлено, что одновременная диф­ фузия в сталь хрома и алюминия происходит лишь при кон­ центрации алюминия в смеси до 20%.

С повышением содержания алюминия в порошковой смеси глубина диффузионного слоя на сталях увеличивается [10 1, 285]. При этом изменяются соотношение хрома и алюминия на поверхности и структура диффузионного слоя [ 10 1].

В табл. 18 приведены данные по влиянию соотношения ферроалюминия и феррохрома в насыщающей смеси на глуби­

119

1025 °С и выдержке 10 ч в порошковых смесях на основе фер­ росплавов с добавкой 1,5% хлористого аммония [ 10 1].

Диффундирующий быстрее хрома алюминий оттесняет уг­ лерод с поверхности стали к сердцевине и препятствует обра­ зованию карбидного диффузионного слоя. Структура хромо­ алитированных слоев на сталях представляет собой твердый раствор хрома и алюминия в a -железе. Концентрация хрома и алюминия в таких слоях плавно уменьшается от поверхности к сердцевине. Наряду с os-твердым раствором хрома и алюми­

ния в структуре диффузионных сло­ ев после насыщения в смесях, бога­ тых алюминием, имеются, вероятно, фазы Fe3Al и FeAl, легированные хромом.

Рис. 41. Диаграмма состав смеси — глубина слоя для совместного насыщения сталей хромом и алюминием с помощью алюмино-

Одновременное насыщение хромом и алюминием происхо­ дит в алюминотермических смесях на основе Сг20 3 и алюми­ ния при его содержании более 25%. При меньшей концентра­ ции в смеси алюминий расходуется преимущественно на вос­ становление Сг20 3 и практически не участвует в образовании диффузионного слоя.

Влияние содержания алюминия на глубину хромоалитиро­ ванных слоев на армко-железе и стали У8 показано на рис. 41, с повышением концентрации алюминия в смеси глубина слоев увеличивается. При этом растет концентрация алюминия в слое и снижается концентрация хрома. По данным спектраль­ ного анализа, на стали 45 при 30% А1 в смеси образуется слой,

и A1F3 на глубину хромоалитированных слоев. При содержа­ нии в смеси А120 3 менее 30% в процессе восстановления об­ разуются крупные корольки сплава А1 с Сг, что снижает ак­ тивность смеси. Введение А120 3 в количестве более 30% при­

водит к снижению мощности диффузионного источника хрома и алюминия.

120