Нитриды.

Нитридами называются химические соединения металлов с азотом.

Большинство нитридов представляют собой фазы внедрения с плотной кубической или гексагональной кристаллической решеткой

Нитриды характеризуются высокой твердостью, коррозионной стойкостью и жаростойкостью. Свойства некоторых нитридов представлены в таблице 5.5.

Таблица 5.5. Свойства нитридов.

Нитрид	ZrN	NbN	TiN
Температура плавления, Т, °С	2980	2300	2950
Твердость, HRA	84	86	88,8

Большинство нитридов обладает высокой температурой плавления, однако возможна диссоциация при нагреве.

(MeN) = Me + ½ N

Наиболее устойчивыми являются нитриды титана TiN, циркония ZrN, тантала TaN, алюминия AlN и др. При нагреве в контакте с углеродом и углеродосодержащими газами легко образует карбиды:

TiN + С = TiС + ½ N

Для повышения пластичности содержащих нитриды покрытий вводят матричный компонент.

Оксиды.

Оксидами называются химические соединения металлов с кислородом. Большинство оксидов представляют собой соединения с кубической и гексагональной кристаллической решеткой.

Оксидные покрытия наиболее универсальны по условиям эксплуатации и могут использоваться как коррозионностойкие и жаростойкие, теплозащитные, электроизоляционные и износостойкие. Во многих агрессивных средах, особенно при высоких температурах, значительно более стойки по сравнению с карбидами, боридами и нитридами. К специфическим свойствам следует отнести их низкие тепло и электропроводность, а также инертность к окислительным средам. Свойства некоторых оксидов представлены в таблице 5. 6.

Таблица 5.6. Свойства оксидов.

Оксид	AlO	SiO2	TiO
Температура плавления, Т, °С	2054	1710	1855
Твердость, HRA	93,7	73.0	62.5

При нагреве возможен переход от высших оксидов в низшие, а также диссоциация на металл и кислород.

Для улучшения свойств покрытий на оксидной основе в качестве пластичного компонента вводят чистые металлы, сплавы и интерметаллидные соединения. [4]

Самораспро­страняющийся высокотемпературный синтез.

Перспективным, быстро развива­ющимся научно-техническим направлением является самораспро­страняющийся высокотемпературный синтез тугоплавких неорга­нических соединений /СВС/. Процесс основан на проведении химических реакций в порошковых СВС-смесях, протекающих с выделением большого количества тепла, и позволяет получать тугоплавкие и износостойкие материалы при минимальных за­тратах электроэнергии.

Температура горения таких систем, как правило, не превышает температуру плав­ления конечных продуктов (карбидов, боридов, силицидов, нитридов и т.д.), и поэтому методом С.В.С. обычно получают порошки или спеченные материалы.

Но при горении высококалорийных многокомпонент­ных конденсированных систем, обеспечивающих высокие температуры процесса (превышающие температуры плавления продуктов реакций) возможно образование жидких тугоплавких продуктов. В этом случае под действием гравитационных сил (вследствие неравенства плотностей продуктов) обычно имеет место фазоразделение: тяжелая (металлическая) фаза оседает, а лег­кая (шлаковая) всплывает. Иногда, когда время фазоразделения больше времени остывания продуктов горения, выделения целевого продукта не происходит

СВС-смеси начинают использоваться в промышленности для создания твердых сплавов, абразивного инструмента, жаро­стойких покрытий, легированных сталей. Применяются они в различных технологических процессах поверхностного упроч­нения деталей: методами поверхностного легирования отливок, газопламенного и плазменного напыления, нанесения упрочня­ющего слоя методом' спекания, плазменного наплавления. Обра­зующиеся в результате СВС-реакции высокотвердые частицы карбидов, боридов и других соединений упрочняют поверхност­ный слой детали. Выделяющееся при этом тепло способствует диффузионному соединению поверхностного слоя с упрочняемой деталью.

Обобщенную химическую схему СВС-процесса обычно пред­ставляют выражением :

m n

Σ a_i x_{i +} Σ b_{j Yj = Z (5.1)}

I=1 j=1

где x_i = Ti , Та , Мo, W , Hf , Zr и тд; '

b_{j = В , С , N} , Si , Al и тд; _Z - бориды, карбиды, нитриды и другие соединения.

Элементы X представляют собой порошки металлов, Y -неметаллы, используются в порошкообразном, жидком или газо­образном состоянии. Продукт _Z является тугоплавким и при температуре горения находится обычно в твердом состоянии. Элементы X играют роль горючего, элементы Y - роль окис­лителя. Металлы могут вводиться в виде соединений - карби­дов, силицидов, окислов, галогенидов.

На базе СВС развиваются сейчас различные комбинирован­ные процессы. Один из них представляет собой сочетание СВС и металлотермии.

Возможны 2 схемы процесса:

А) Me X_m + Y — Ме Y_п + Y X_k ;

Б) Me X_m + Me¹ + X --- Me X ¹ _n + Me¹ X_k ;

Где Me X_m - восстанавливаемое соединение; Y - элемент - восстановитель и окислитель; Me¹ - элемент-восстановитель; Х - элемент-окислитель;

Ме Y_п , Me X ¹ _n - целевой про­дукт; Y X _{k ,} Me¹ X_k - побочный продукт.

Примеры:

А) WO₃ + 3B = WB + В₂О₃

В) МоO₂ + 2Al + 2Si = MoSi₂ + Al₂O₃

Сущность этого комбинированного процесса заключается в том, что металл, являющийся одним из 'реагентов в СВС-процессе, образуется в результате металлотермической реакции, которая предшествует СВС-процессу. Элементы-восстановители могут быть как одинаковыми, так и разными.

Продуктами СВС-процесса могут быть такие соединения металлов II - VIIгрупп периодической системы элементов, как карбиды, бориды, нитриды, силициды - в настоящее время полу­чено уже свыше 300 соединений, а также однофазные твердые растворы, многокомпонентные системы из соединений и химиче­ских элементов /твердые сплавы/. Изменяя условия горения СВС-смесей /температуру, давление, соотношение реагентов/ можно в широких пределах регулировать химический и фазовый состав по­лучаемых тугоплавких неорганических соединений.

6. Факторы, определяющие качество поверхностного слоя.

6.1. Физическое состояние поверхности материала.

В процессе изготовления и эксплуатации детали на ее поверх­ности возникают неровности в слое металла, прилегающем к ней, изменяются структура, фазовый и химический состав. В детали возникают остаточные напряжения.

Наружный слой детали с измененными структурой, фазовым и химическим составом по сравнению с основным металлом, из которого изготовлена деталь, называется поверхностным слоем. Внешняя поверхность слоя граничит с окружающей средой или с сопряженной деталью.

Неровности на поверхности детали, структура, фазовый и хи­мический состав поверхностного слоя влияют на ее физико-хими­ческие и эксплуатационные свойства.

Поверхностный слой оказывает существенное влияние на надежность работы детали, узла и машины в целом. При эксплу­атации поверхностный слой детали подвергается наиболее силь­ному физико-химическому воздействию. Разрушение детали в большинстве случаев начинается с поверхности (например, развитие усталостной трещины, износ, эрозия, коррозия).

2. Геометрия неровностей поверхностного слоя.

  Идеально правильную поверхность нельзя получить с помощью какого-либо метода обработки. Реальная поверхность детали несовершенна: суждение о сте­пени несовершенства зависит от масштаба рассмотрения.

Можно рассматривать отклоне­ния от геометрической пра­вильности поверхности макро-, микро- и субмикроскопического порядка.

Макрогеометрические отклонения рассматриваются на боль­ших участках реальной поверхности детали (они характеризуют ее точность), микрогеометрические отклонения — на малых участках реальной поверхности с длиной стороны квадрата 10^-2... 10¹ мм. Совокупность неровностей поверхности на этой длине принято называть шероховатостью поверхности. Субмикроскопические неровности рассматривают на участках поверхности с размером стороны квадрата 1…10 мкм. Геометрические несовершенства этой области определяются молекулярной структурой поверхности.

Геометрические отклонения поверхностей различают также в зависимости от отношения длины шага S к высоте неровностей Н : при S : Н > 1000 имеют место микроскопические отклонения или

отклонения от правильной геометрической формы (конусность, овальность, вогнутость и др.), при

S : Н = 50 ... 1000 — вол­нистость поверхности и S : Н < 50 — шероховатость поверхности (рис.6.2).

Рис. 6.1. Макрогеометрия,

волни­стость и шероховатость

поверхно­сти:

а — профиль поверхности;

б — шеро­ховатость;

i — волнистость;

е — макро­геометрия

Волнистость поверхности —совокупность пери­одически повторяющихся неровностей, расстояние между кото­рыми значительно превышает их высоту. Волнистостью поверх­ности считают неровности с шагом 1 ... 10 мм. Высота неровностей волнистости и высота шероховатости практически одинаковы, отношение же длины шагов к высоте неровностей различно. Волнистость занимает промежуточное положение между отклонением от правильной геометрической формы и шероховатостью поверхности.

Волнистость определяется в перпендикулярном сечении по­верхностей, исключая при этом шероховатость и отклонения геометрической формы. Волнистость может образоваться на по­верхности детали при изготовлении (технологическая волнистость) вследствие вибраций из-за недостаточной жесткости системы станок — приспособление — инструмент — заготовка, геометриче­ских, кинематических и динамических погрешностей процесса обработки и в процессе эксплуатации машины (эксплуатационная волнистость). Технологическую волнистость подразделяют на поперечную (расположение волн перпендикулярно движению режущего инструмента) и продольную (волнистость совпадает с направлением движения инструмента).

Шероховатость поверхности — это совокуп­ность неровностей с относительно малыми шагами, образующих рельеф поверхности. Шероховатость поверхности после механи­ческой

обработки — это геометрический след режущего инстру­мента (металлического или абразивного),

искаженный в результате пластического и упругого деформирования и сопутствующей процессу

резания вибрацией технологической системы станок — приспособление — инструмент — заготовка.

Причинами, обусловливающими видоизменение и искажение основного геометрического профиля, являются также копирование микронеровностей рабочих кромок резца и абразивных зерен, образование зубцов нароста и адгезионные налипы на обработан­ной поверхности заготовки; деформирование материала заготовки после хода режущего инструмента и другие технологические, факторы, определяющие условия механической обработки (зазоры во вращающихся деталях станка, несбалансированность их и др.). Режущий инструмент разрушает на своем пути разнообразно расположенные зерна метал­ла; некоторые из них, име­ющие соответствующую ори­ентацию, срезаются, другие разрушаются отрывом с образованием мельчайших тре­щин в поверхностном слое заготовки.

Геометрические характе­ристики неровностей тесно связаны с физико-химиче­скими процессами разруше­ния металла при обработке резанием. Так, шероховатость поверхности при обработке хрупких металлов представляется в виде треугольных углублений, отвечающих форме вырванных зерен; в вязких металлах при больших скоростях резания сильно деформированные неровности имеют форму чешуек.