книги из ГПНТБ / Многокомпонентные диффузионные покрытия

хромом, можно разделить на три основных типа: сплошные карбидные слои (Сг2зСб и Сг7Сз) с тонким подслоем хроми­ стого феррита, т. е. типичные хромированные слои на сталях; карбохромированные слои, отличающиеся от цементирован­ ных повышенным содержанием хрома в поверхностном слое; цементированные слои с пористым хрупким карбидным слоем на поверхности.

юзм м /ââff г о ffâ/fff/mcAüâ Aapâ'füpi/ea/nop, %

Рис. 108. Диаграмма состав насыщающей смеси — время насыщения — структура диффузионного слоя. Сталь 15, ^= 1100 °С

Типичные хромированные слои на исследованных сталях образуются лишь в смесях, содержащих до 4—10 вес.% бондюжского карбюризатора, причем на сталях 15, 40Х и 5ХНВ область хромированных слоев мало зависит от температуры насыщения и ограничивается 4% бондюжского карбюризатора в смеси. На стали ШХ15 предельная концентрация цементи­ рующей смеси, которая обеспечивает получение сплошного карбидного хромированного слоя, снижается с повышением температуры насыщения от 10 при 900°С до 6% при 1100°С. Добавки бондюжского карбюризатора несколько увеличивают

242

толщину карбидного слоя. Однако эффект увеличения толщи­ ны слоя невелик и наблюдается не на всех сталях (как и в экспериментах Г. Н. Дубинина [101]), поэтому, по нашему мнению, введение небольших добавок карбюризатора в смесь для хромирования с целью увеличения толщины карбидного слоя нецелесообразно.

Карбохромированные слои, полученных в смесях с 20— 50% хромирующей составляющей, содержат в поверхностной

ЮОдОРО го грврчз о ббрдюжский карбюризатор,%

Рис. 109. Диаграмма состав насыщающей смеси — время насыщения — структура диффузионного слоя. Сталь ШХ15, 1=1100 °С

зоне до 2,5—5,0% Сг. Концентрация хрома растет с повыше­ нием содержания феррохрома в смеси и увеличением темпера­ туры насыщения.

Структура цементированных и карбохромированных слоев на исследованных сталях (при 20—50% хромирующей состав­ ляющей), полученных при 900 °С, мало отличаются друг от друга. В поверхностной зоне цементированных образцов со­ держится несколько больше карбидов, что связано, вероятно, с большей цементирующей способностью бондюжского карбю­

ризатора без хромирующих добавок. Содержание хрома на

поверхности карбохромированных сталей невелико !че ботее

1,5—2,0%).

Повышение температуры насыщения до 1000—1100 °С значительно ускоряет диффузию хрома, в связи с этим кон­ центрация хрома в поверхностной зоне карбохромированных слоев увеличивается до 3—5%. Карбохромированные слон, полученные при таких условиях, имеют существенные преиму-

щества перед цементированными. Одновременная диффузия хрома и углерода приводит к получению мелкозернистой структуры диффузионного слоя, значительному повышению устойчивости аустенита, отсутствию грубой цементитной сет­ ки, игольчатых выделений цементита в теле перлитных зерен и крупных карбидных включений в поверхностной зоне слоя (рис. ПО). Тонкая карбидная сетка в карбохромированном слое пргиіеобходимости легко может быть устранена норма­

лизацией. Получение таких слоев представляет практический интерес.

Диффузионные слои третьего типа, образующиеся в смесях с 6 20% цементирующей составляющей, структура которых показана на рис. 111, обладают повышенной пористостью и хрупкостью, легко скалываются и, вероятно, не найдут приме­ нения в промышленности. Толщина пористой карбидной зоны увеличивается с повышением температуры и длительности насыщения. Одновременно увеличивается и глубина цементи­

244

рованного слоя, расположенного под пористой зоной. Поры карбидного слоя, по-видимому, заполнены графитом и обеспе­ чивают поступление углерода к поверхности стали.

Образование пористых карбидных слоев происходит, ве­ роятно, по химической кинетике при значительном избытке углерода за счет взаимодействия образующегося в насыщаю­ щей среде углерода (или окиси углерода) с хлоридами хрома, в результате которого на поверхности насыщаемых сталей

Рис. 111. Мнкросгрѵкгуры пористых карбохромированных слоев на стали

Ш Х 1 5 -

а—8% хромирующей смеси, / = 1100 СС. т = 6 ч\ б~~6% хромирующей смеси, /=1100 СС,

т = 10 ч

кристаллизуются карбиды хрома. Промежутки между расту­ щими карбидными кристаллами заполняются избыточным углеродом.

Рентгеноструктурный анализ образцов всех исследован­ ных сталей с пористой зоной на поверхности показал наличие карбидов Сг23С6 и Сг7С3. На рентгенограммах, снятых от по­ верхности спеченных при 950 °С в течение 8 ч кусочков порош­ ковых смесей феррохрома с добавками древесного угля в ко­ личестве 5, 10 и 15%, а также смесей аналогичных составов,

245

в которые дополнительно вводили хлористый аммоний, также обнаружены линии карбидов Сг23С6 и Сг7С3.

Исследование микротвердости частиц порошковых сме­ сей, использованных для насыщения сталей, было проведено на шлифах, изготовленных с помощью самотвердеющей пласт­ массы протакрил. При этом установлено наличие в порошко­ вых смесях частиц размером 30X20 мк с микротвердостыо 1000—1600 кГ/мм2 (вероятно, карбидов.хрома).

Установленные закономерности формирования диффузион­ ных слоев при одновременном насыщении стали углеродом и хромом можно объяснить следующим образом. В смесях для карбохромирования при температурахнасыщения образуют­ ся атомарный углерод (или окись углерода) и хлориды хрома. В результате их взаимодействия с поверхностью стали про­ исходит ее насыщение этими элементами. В то же время в смесях образуются карбиды хрома, количество которых мак­ симально при 6—20% бондюжского карбюризатора. Зарож­ дение и последующий рост карбидов хрома происходит также на готовой подложке — поверхности насыщаемой стали — и приводит к формированию пористых карбидных слоев, через которые осуществляется подвод углерода к поверхности ста­ ли (рис. 111, а). В смеси с 6% бондюжского карбюризатора наряду со сплошным карбидным слоем возможно образова­ ние пористого (рис. 111, б). Наличие сплошного карбидного

слоя на поверхности стали препятствует насыщению ее угле­ родом.

Следовательно, при карбохромировании в порошковых смесях наряду с диффузионным насыщением поверхности ста­ ли происходит высокотемпературное осаждение карбидов хро­ ма. В случае недостаточной активности процессов карбидообразования в смесях (с содержанием до 6 и более 20% бон­ дюжского карбюризатора) на поверхности стали формируются сплошные диффузионные карбидные или цементированные слои, легированные хромом. Представляет интерес изучение возможности получения беспористых карбидных слоев доста­ точно большой толщины путем осаждения карбидов хрома на поверхности стали.

Своеобразный способ карбохромирования в порошках раз­ работан авторами работ [358, 366]. Для насыщения исполь­ зуется порошковая смесь хрома (или феррохрома), окись алю­ миния и хлористый аммоний. В отличие от обычного порошко­ вого способа в смесь вводится легкоплавкая составляющая — серый чугун в виде порошка. При температурах выше 1200 °С порошок чугуна, находясь в контакте с поверхностью изделия, плавится, образуя оболочку жидкой фазы. Содержание чугу­ на в порошковой смеси должно быть равно 30—40%. Жидкая оболочка насыщается хромом от порошковой смеси и после

246

затвердевания становится покрытием. Структура получающих­ ся покрытий соответствует литым ледебуритным сплавам. На углеродистых и низколегированных сталях получены диффу­ зионные покрытия толщиной 0,2—0,6 мм, содержащие около 3% С и 15—'60% Сг. Новый способ насыщения может быть применен не только для защиты вновь изготовленных изделий от износа и коррозии, но и для восстановления изношенных деталей.

Авторы работы [361] исследовали возможность получения карбидных хромированных и титанированных слоев на сталях и чугунах при пониженном давлении в среде диссоциирован­ ного четыреххлористого углерода. Источниками насыщающей газовой среды служили порошки хрома и титана.

В процессе нагрева контейнера воздух непрерывно откачи­ вали форвакуумным насосом с целью создания безокислитель­ ной атмосферы,- при 800 °С и давлении 10_1 мм рт. ст. насос отключали и заполняли рабочую камеру парами ССІ4 до оста­ точного давления 10—20 мм рт. ст. Насыщение проводили при температуре 1000 °С и продолжительности 5 ч. Четыреххло­ ристый углерод при температуре насыщения диссоциировал с образованием углерода и хлора, который взаимодействовал с порошками насыщающих элементов. В результате в контей­ нере создавалась активная газовая фаза.

Образование в контейнере активных атомов углерода и хлоридов хрома (титана) должно приводить к одновременно­ му насыщению поверхности сталей и чугунов углеродом и хромом.

Карбидные хромированные и титанированные диффузион­ ные слои получены при введении в контейнер небольших коли­ честв ССІ4 . На углеродистых сталях карбидные слои хорошо связаны с основой, обезуглероженная зона под карбидным слоем отсутствует, что связано, по мнению авторов [361], с одновременной диффузией хрома и углерода в поверхность стали.

Введение больших количеств СС14 приводило, по словам авторов, к разъеданию образцов. Структуру слоев, получен­ ных при таких условиях, в работе [361] не исследовали. Мож­ но предположить, что при введении больших количеств СС14 на поверхности слоев формировались пористые хрупкие кар­ бидные слои, которые легко отслаивались. К сожалению, в работе не исследовали возможность получения цементирован­ ных слоев, легированных хромом.

Последовательное насыщение стали углеродом и хромом приводит к получению цементированных слоев со сравнитель­ но тонким (несколько десятков микрон) карбидным слоем на поверхности, которые обладают высокой твердостью и изно­ состойкостью.

*

247

Т а б л и ц а 77

Последовательное карбохромирование способствует уве­ личению предела прочности сталей 20, 45, ЗХ2В8Ф и 4Х5В2ФС на 5—10%, снижению пластичности, повышению усталостной и коррозионно-усталостной прочности [355, 360]. Как и хро­ мирование, последовательное насыщение сталей ЗХ2В8Ф и 4Х5В2ФС углеродом и хромом обеспечивает высокую стой­ кость против воздействия жидкого алюминиевого сплава АЛ2

при температуре 700 °С и при нагреве в воздушной атмосфере до 1000 °С [355].

Результаты замеров твердости образцов сталей 15, ШХ15, 40Х и 5ХНВ после одновременного насыщения углеродом и хромом при 900 и 1000 °С в течение 10 ч в порошковых смесях феррохрома, окиси алюминия и хлористого ам­ мония с бондюжским кар­ бюризатором после закалки от 840 °С в масле приведены

в табл. 77.

На всех исследованных образцах карбохромирован-

Рнс. 112, Результаты испытания па износ карбо.хромированной стали ШХ15

ных сталей после закалки получена более высокая твердость, чем на цементированных. Максимальные значения твердости имели образцы после карбохромирования в смесях с 50 и

248

80 вес. % бондюжского карбюризатора, в поверхностных слоях которых содержится 3—5% Сг.

Результаты испытаний на износ образцов сталей ШХ15 и

200 °С, приведены на рис. 112 и 113. Штрихпунктирными ли­ ниями показана кинетика износа тех же сталей после закалки и низкого отпуска. Аналогичные диаграммы износа построены для сталей 15 и 40Х.

Износ

А Ѵ ,м м 3

JO 2â £0 /S /О J

Время испытания, мин

Рис. 113. Результаты испытания на износ карбохромированной стали 5ХНВ

Наибольшей износостойкостью обладают сплошные кар­ бидные хромированные слои, несколько меньшей — цемен­ тированные и карбохромированные, полученные в смесях с 20—80% бондюжского карбюризатора. Введение в бондюжский карбюризатор 20—50% хромирующей добавки повышает износостойкость диффузионных слоев. Минимальную износо­ стойкость (пик на диаграммах состав смеси — время испыта­ ния — износ) имеют диффузионные слои с пористой карбид­ ной зоной на поверхности. Наибольшая износостойкость

249

Г л а в а V

ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЕ ДИФФУЗИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ

Введение в насыщающую смесь третьего элемента сущест­ венно изменяет кинетику формирования, фазовый состав и свойства диффузионного слоя и значительно расширяет воз­ можности химико-термической обработки. Например, комп­ лексное насыщение сталей и сплавов бором и хромом из по­ рошков элементов, как показано выше, практически невоз­ можно. Введение в насыщающую смесь алюминия позволяет получать диффузионные слои, содержащие все три элемента— бор, хром и алюминий. Добавка в смеси быстродиффундирующих элементов (А1, Si и др.) увеличивает скорость формиро­ вания трехкомпонентных покрытий по сравнению с двухком­ понентными, не содержащими указанных элементов.

Трехкомпонентные покрытия по свойствам нередко превос­ ходят соответствующие двухкомпонентные. Например, они, как правило, более жаростойки [1]. Поэтому понятен все боль­ ший интерес, который проявляется в последнее время к много­ компонентным покрытиям. К сожалению, научные исследова­ ния в этом направлении существенно отстают от запросов про­ изводства. На наш взгляд, это обусловлено рядом объективных причин и в первую очередь непригодностью (точнее, малой эф­ фективностью) традиционного подхода к разработке такого рода покрытий. С увеличением числа насыщающих элементов до четырех и выше резко возрастает объем экспериментальных исследований, и нет уверенности в оптимальности полученных результатов. Всестороннее систематическое исследование свойств диффузионных покрытий как функции технологиче­ ских параметров процесса и состава смеси при традиционном подходе практически не под силу даже крупным организаци­ ям, располагающим значительными материальными и трудо­ выми ресурсами.

Существенно увеличиваются трудоемкость и методическая трудность химического, фазового и структурного анализа мно­ гокомпонентных покрытий.

251