Ніобієм і хромом Основні реакції карбідоутворення

Будь-який вид хіміко-термічної обробки супроводжується зміною структури поверхневих шарів насичуваного матеріалу, що призводить до зміни їх властивостей. Відомо, що в процесі фрормування карбідних покриттів спостерігається масообмін між поверхнею оброблюваного матеріалу і активної газової фази, яка утворюється в реакційному просторі при протіканні певних хімічних реакцій. У роботах _показано, що ці реакції можуть протікати одночасно або послідовно, причому, не тільки в об'ємі активної газової фази, але й на межі поділу з оброблюваним матеріалом, а також всередині останнього. Саме ці реакції суттєво впливають на протікання процесу формування покриттів.

Як було показано вище, в якості вихідних реагентів у даному дослідженні використовували порошки ніобію і хрому, графіт і чотирихлористии вуглець, нагрів та ізотермічна витримка яких в замкнутому реакційному просторі супроводжується протіканням великої кількості хімічних реакцій .

При прийнятих умовах ведення процесу насичення нагрів реакційної камери із вмістом (зразки, порошки ніобію і хром у) до температури ізотермічної витримки (1173... 1373 К) супроводжується тільки збагаченням поверхні оброблюваної сталі вуглецем. Однак, після досягнення температури ізотермічної витримки, коли в реакційну камеру одночасно вводять порошки ніобію і хрому, а також чотирихлористии вуглець, починають протікати хімічні реакції хлоридо- і карбідоутворення.

При цьому, на першому етапі в реакційному просторі виникає активна газова фаза, яка складається, перш за все, з хлоридів ніобію та хрому різної валентності. У роботах показано, що цими хлоридами можуть бути : СгС1₄, СгС1₃, СгС1₂, NbС1₅, NbС1₄, NbС1₃, NbС1₂. Вони виникають при взаємодії порошків ніобію і хрому з хлором, який з'являється в реакційному просторі в результаті дисоціації ССІ4 або СОС1₂ .

При цьому, відповідно до даних роботи, у замкненому реакційному просторі одночасно протікають хімічні реакції утворення всіх вищеперерахованих хлоридів різної валентності. Це пов'язано з тим, що хлориди ніобію і хрому нижчої валентності менш стабільні, ніж хлориди цих металів вищої валентності, а їх взаємодія з хлором супроводжується появою даткових кількостей останніх. Одночасно з цим у реакційному просторі протікають реакції взаємодїі хлоридів вищої валентності з порошками металівів, у результаті чого з'являються додаткові порції карбідів нижчої валентності. Між хлоридами ніобію і хрому різної валентності, що утворюються, в кінцевому підсумку, встановлюється рівновага.

Знаходячись в контакті з оброблюваною сталлю хлориди ніобію і хрому хемосорбуються насичуваною поверхнею і виділяють на ній активні атоми цих елементів за реакціями обміну типу :

Далі активні атоми ніобію і хрому адсорбуються на поверхні оброблюваного матеріалу і дифундують у глиб його, утворюючи спочатку тверді розчини, а потім і хімічні сполуки (карбіди). Останні утворюються в поверхневій зоні за рахунок зустрічної дифузії вищевказаних карбідоутворюючих елементів з вуглецем матриці.

Порівняльний аналіз літературних даних показав, що найбільш термодинамічно імовірними реакціями карбідоутворення при комплексному насиченні сталей ніобієм і хромом є наступні:

При комплексному насиченні сталей ніобієм і хромом можливе утворення дифузійного шару, який складається з двох зон, відповідно на основі карбідів ніобію і хрому. При цьому, термодинамічна імовірність утворення в дифузійному шарі карбідів NbС і Nb2С практично рівнозначна, а імовірність утворення карбіду хрому Сг23Сб виявляється значно вищою, ніж карбіду Сг7Сз. У складі кінцевих продуктів реакцій карбідоутворення одночасно присутні, крім карбідів ніобію і хрому, хлорид заліза FеСl і оксиди Сг2Оз і NЬ205.

Аналіз реакцій карбідоутворення при комплексному насиченні сталей ніобієм і хромом, дозволяє зробити такі висновки:

1. Найбільш термодинамічно імовірними реакціями карбідоутворення є ті, які протікають за наявності в реакційному просторі фосгену (СОС12).

2. Термодинамічна імовірність утворення карбідних фаз типу NbС, Nb₂С, Сг₇Сз і Сг₂₃С₆ збільшується в міру підвищення температури процесу.

3. При протіканні реакцій карбідоутворення, незалежно від ступеня валентності хлориду, що приймає участь, термодинамічна імовірність утворення карбіду Сг₂₃С₆ вища, ніж карбіду Сг₇С₃.

4. Термодинамічні імовірності утворення карбідів NbС і Nb₂С близькі між собою.

5. Термодинамічна імовірність утворення карбідних фаз досліджуваних типів росте в ряду: NbС —> Nb₂С -> Сг₇Сз —> Сг₂₃С₆.

6. У продуктах реакцій карбідоутворення обмінного типу присутні оксиди типу Nb₂0₅ і Сг₂0₃. Враховуючи, що вони можуть виникати безпосередньо у дифузійному шарі і погіршувати його експлуатаційні характеристики, необхідно знижувати вміст кисню в реакційному просторі. Це може бути досягнуто попереднім вакуумуванням реакційної камери.

7. Враховуючи, що термодинамічна імовірність протікання реакції карбідоутворення досліджуваного типу підвищується зі збільшенням температури процесу, порошки ніобію та хрому слід розміщати в реакційній камері в зоні з меньшою температурою, а оброблювані матеріали в більш нагріту зону, температура якої буде достатньою для інтенсивного протікання дифузійних процесів.

' Нами встановлено (рис.4 і рис.5 ), що характер зміни загальної товщини покриття і фаз, що утворюються, у залежності від вмісту хрому в складі металізатора при прийнятих умовах ведення процесу практично не відрізняються від таких же характеристик покриттів, отриманих при використанні твердофазного методу. Не відрізняється і фазовий склад покриттів, отриманих при рівному співвідношенні порошків ніобію та хрому

в металізаторі, а також кількість хрому, при яких в дифузійному шарі, крім фази NbС, з' являються фази Сг₇С₃ і Сг₂зСб-

Однак, слід відзначити, що при застосуванні газового методу товщина шару, що отримують, на основі фази Сг₂зС₆ виявляється при вмісті хрому в металізаторі 70 % по масі на (0,25...0,5)* 10"⁶ м більше, ніж у покритті, яке отримане твердофазним методом. Наявність у реакційній камері графітового днища повністю виключає появу під карбідним шаром зневуглецьованої зони.

Практично повна відтворюваність результатів дозволяє зробити остаточний висновок про склад вищезапропонованого металізатора, як раціонального.

При введенні в реакційний простір СС1₄ в кількостях, менших за раціональні, утворюється відносно невелика кількість хлоридів иіобію та хрому, у результаті чого товщина карбідних покриттів, що отримуємо, виявляється, особливо на низьковуглецевих сталях, невеликою -(2,0... 3,0)* 10" м . При витраті активатора більше раціонального через появу в реакційному просторі надлишку вільного хлору спостерігається роз'їдання поверхні сталей і взаємодія карбідних фаз, що утворилися в дифузійному шарі, з ним, в результаті чого товщина покриття зменшується.