книги из ГПНТБ / Многокомпонентные диффузионные покрытия

При оптимальных режимах насыщения (^= 1000—1100°С, т = 6—8 ч) как на.железе, так и на углеродистых сталях обра­ зуются диффузионные слои одинаковой природы: с поверхно­ сти формируются сверхструктуры FeAl и РезАІ, легированные

190кГ/мм2.

Вобласти a -фазы (неупо-

Рис. 50. Микроструктура ванадийали-

рядоченного твердого раствора алюминия и ванадия в а-желе- зе) на сталях 45 и У8 наблюдаются выделения тройного сое­ динения Fe3AlCx, сконцентрированные преимущественно по границам столбчатых зерен.

Концентрация алюминия на поверхности стали 45 после насыщения в смеси с соотношением Ѵ20 5 : А1= 40 : 60 вес. при 1100°С в течение 8 ч достигает 33,1%. Наличие ванадия в слое подтверждено качественным спектральным анализом.

1100 °С в течение 8 ч. Испытания на жаростойкость проводи­ лись при температуре 1000 °С в течение 26 ч. Скорость окисле-

141

ния оценивалась по привесу, отнесенному к исходной площади поверхности образца. Полученные результаты приведены в табл. 29.

В зависимости от марки стали жаростойкость повысилась I по сравнению с исходным состоянием от 30 до 145 раз.

По жаростойкости ванадийалитированные стали превосхо­

142

Коррозионная стойкость углеродистых сталей в результате занадийалитирования повышается в водных растворах иссле­ дованных кислот в среднем в 2—3 раза.

5. ТИТАНОАЛИТИРОВАНИЕ

Насыщение поверхностных слоев сталей одновременно ти­ таном и алюминием способствует повышению их жаростойко­ сти, коррозионной стойкости в различных агрессивных средах. Однако во многих случаях более высокая жаростойкость до­ стигается при чистом алитировании.

Для титаноалитирования используют обычно порошки ти­

ферротитана и ферроалюминия [298]. Предложены металли­ ческие расплавы для титаноалитирования, в состав которых, кроме алюминия и кремния, входят кальций, барий и строн­ ций (или один из этих металлов) [311].

На рис. 51, а, б представлены зависимости глубины диффу­ зионных слоев от соотношения в порошковых смесях алюми­ ния и титана на армко-железе и стали 45. В порошковых сме­ сях элементов-диффузантов без добавок и с добавками активатора наблюдается уменьшение глубины слоев с ростом концентрации титана в смеси, что связано со снижением со­ держания в смеси быстродиффундирующего элемента — алю­ миния. Постепенная замена одного диффузанта другим при­ водит к изменению состава слоев стабильного феррита (в смесях без хлористого аммония). При наличии в смеси акти­ ватора наряду с a -твердым раствором титана и алюминия в железе образуются также алюминидные слои. Вопрос о су­ ществовании соединений в смеси (например, алюминидов титана) требует дополнительного изучения. Однако даже если эти соединения и образуются в порошковой смеси, то изменя­ ют активность смеси незначительно.

Титаноалитированные слои на различных металлах и спла­ вах могут быть получены также при использовании порошко­ вых смесей алюминия и окиси титана, в которых содержание алюминия больше необходимого для полного восстановления

ТЮ2.

При содержании алюминия в смеси до 30% на поверхно­ сти железа и сталей формируются титанированные слои. Диф­ фузионный слой на армко-железе состоит из двух зон •— титанида FeaTi и сс-твердого раствора титана в железе столбчато­ го строения. На углеродистых сталях формируется слой кар­ бида титана ТіС. С повышением концентрации алюминия в смеси до 30% глубина титанированных слоев на железе не­

143

прерывно увеличивается, на стали У8 практически не изме­

няется.

При содержании алюминия в смеси 30—50% на железе и сталях образуются двухкомпонентные титаноалитированные слои, глубина которых на углеродистых сталях увеличивается с повышением содержания алюминия в смеси.

+50% A l)]+5% A1F3. На поверхности армко-железа, сталей 45 и У8 диффузионный слой состоит из зоны алюмннида Fe2Als, легированного титаном, с мелкодисперсными включе­ ниями алюминида ТіАІ, под которой располагаются зоны упо­ рядоченных твердых растворов FeAl и Fe3Al, легированных титаном, с мелкодисперсными включениями Ті3А1 и а-твердого раствора титана и алюминия в железе.

Концентрация титана и алюминия на поверхности титано­ алитированной стали 45 составляла 28,9 и 37,3% соответст­ венно.

Рис. 51. Влияние состава порошковой смеси и режима насыщения на глу­ бину титаноалитированных слоев на армко-железе (1), сталях 20 (2),

45 (3) и У8 (4):

144

На рис. 52 показано влияние легирующих элементов на глубину титаноалитированных слоев на среднеуглеродистой стали. Кремний, хром и никель (до 3%) способствуют увели­ чению глубины титаноалитированных слоев. Особенно силь­ ное влияние из исследованных легирующих элементов оказы­

Рис. 52. Влияние легирующих элементов на глубину титаноалитированных слоев на среднеуглеродистой (0,4% С) стали:

* = 1100 °С, т= 8 ч

ров) может привести к изменению характера зависимости глубины титаноалитированных слоев от содержания легирую­ щих элементов в стали. При этом могут существенно изме­ ниться структура, химический состав диффузионного слоя и его свойства.

Из рис. 52 видно, насколько значительно влияние легиру­ ющих элементов на глубину титаноалитированного слоя сред­ неуглеродистой стали. Следовало бы ожидать и значительного влияния легирующих элементов на жаростойкость слоев. Од­ нако было установлено, что кремний и хром (до 4 и 5% соот­ ветственно) существенного влияния на жаростойкость не оказывают (рис. 54). В то же время легирование этими эле­ ментами (особенно кремнием) позволяет получить более глу­ бокие диффузионные слои и тем самым увеличить срок служ­ бы покрытия. Легирование среднеуглеродистой стали никелем способствовало уменьшению жаростойкости.

Оптимизация процесса титаноалитирования по жаростой­ кости покрытий с помощью метода математического планиро­ вания экспериментов позволила уточнить условия насыщения, обеспечивающие максимальную жаростойкость армко-железа и стали У8, состав смеси, вес. %:

100% [35% А120 3 -г- 65% (45% Ті02 -|- 55% А1)[ \- 4% A1F3;

температура насыщения 1050—1080 °С, время 6—7 ч.

17,4 и 27,5% соответственно.

Результаты испытаний титаноалитированных слоев на жа­ ростойкость (табл. 32) свидетельствуют о том, что одновре­ менное насыщение железа и углеродистых сталей титаном и алюминием с целью повышения их стойкости против окисления при высоких температурах не имеет преимущества перед

чистым алитированием. Тита­ ноалитированные слои имели меньшую глубину и окисля­ лись с несколько большей ско­ ростью, чем алитированные.

Результаты испытаний на жаростойкость при 1000 °С али­ тированных и титаиоалитированных слоев на некоторых ле­ гированных сталях приведены в табл. 33. На всех исследован­ ных сталях, за исключением стали 2X13, лучшей жаростой­ костью обладали алитированные слои. В то же время следует

Рис. 53. Микроструктура титаноали­ тированной стали 45," х200

отметить, что титаноалитированные слои на всех исследован­ ных сталях имели глубину в 1,5 2 раза большую, чем алитированные. Поэтому можно ожидать, что при более дли­ тельных испытаниях покрытия

Ті—Al будут иметь лучшую жаростойкость по сравнению с алитированными.

Рис. 54. Влияние легирующих элемен­ тов на жаростойкость титаноалитиро­ ванной стали (0,4% С). Испытания:

^=1000°С, т = 26 ч

Содержание жментоЙ,5ес.%

Титаноалитированные слои, полученные на стали У8 в алюминотермических смесях, имеют износостойкость при су­ хом трении скольжения в два раза выше, чем сталь У8 в за-

146

каленном и низкортпущеннюм состоянии. Кроме того, они обладают .повышенной стойкостью в растворах NaCl, HNO3 и СНзСООН.

Г. В. Земсков с сотрудниками [1, 20, 24, 313, 314 и др.] исследовали титаноалитирование никелевого сплава ЖС6К в порошковых смесях элементов. Насыщение проводили в кон­ тейнерах с плавкими затворами при 850—1100°С. В качестве активатора применяли хлористый аммоний._Совместное насы-

щение сплава ЖС6К титаном и алюминием происходит в сме­ сях с содержанием титана 35—95%. При содержании титана в смеси менее 35% происходит преимущественно алитирование, при содержании титана более 95% — насыщение титаном. Глубина диффузионных слоев плавно уменьшается при повы­ шении содержания титана в смеси. Авторы рекомендуют про­ водить титаноалитирование при 900°С в течение 10—15 ч в порошковой смеси, содержащей 60—80% Ті. В поверхностных слоях сплава ЖС6К обнаружены фазы на основе соединений ТіА13 и Ni3Al.

Для насыщения жаропрочных сплавов на никелевой основе предложена порошкообразная смесь, состоящая из 50—70%

Ті, 20—48%: Al и 0,5—9% связанного углерода [314].

При кратковременных испытаниях титаноалитированные слои на сплаве ЖС6К (насыщение в алюминотермических смесях) превосходят алитированные, при длительных испыта­ ниях (150 ч) уступают им по жаростойкости.

Обработка никельхромовых сплавов в порошковой смеси, содержащей 15% Ті и 6% А1, в среде инертного газа затрудня­ ет развитие межкристаллитной коррозии и улучшает сопротив­ ление термическому удару [315].

Приведенные выше данные свидетельствуют о недостаточ­ ной изученности процесса титаноалитирования металлов и сплавов и свойств диффузионных титаноалитированных слоев. Представляет интерес способность сталей после совместного насыщения титаном и алюминием противостоять окислению при высоких температурах и в различных агрессивных средах при повышенной износостойкости. Возможно, титаноалитиро­ ванные покрытия на сталях найдут применение при работе в окислительной атмосфере в парах трения.

6 . ЦИРКОНОАЛИТИРОВАНИЕ

Совместное насыщение металлов и сплавов цирконием и алюминием повышает их жаростойкость и коррозионную стойкость в ряде агрессивных сред.

Незначительная разница в глубине слоя на железе и угле­ родистых сталях во всем интервале исследуемых составов поз­ воляет утверждать, что в диффузионном слое преобладает алюминий.

Глубина слоя с увеличением содержания в смеси алюминия повышается, причем особенно резко при 40% А1 и выше.

148

минием. При химико-термической обработке степень восстано­ вимости двуокиси циркония повышается в результате образо­ вания газообразных соединений циркония, которые выводят его из зоны реакции, а также за счет диффузии его в насыщае­ мый металл. Равновесие реакции

3Zr02 + 4А1 = 2А120 з + 3Zr

при этом смещается вправо.

На основании результатов металлографического, спект­ рального и рентгенографического анализов диффузионного слоя выбран состав насыщающей смеси для цирконоалитирования:

95 %[30 % А120 3 + 70 % (50—60% ZrOa + 50 -40 %Al)] + + 5%A1F3.

149

Типичные структуры диффузионных слоев, образующиеся на железе в углеродистых сталях, при насыщении в смеси указанного состава приведены на рис. 55.

Влияние температуры п времени насыщения на глубину слоя показано на рис. 56.

Фазовым рентгеноструктурным анализом установлено, что с поверхности железа и углеродистых сталей формируется

Рис. 55. Микроструктура цирконоалитированных слоев на армко-железе (а) и стали 45 (б)

/—армко-железо; 2, 3, 4—стали 20, 45 и У8 (а—т= 8 я; б—(=1100 °С)

150