ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ ДИФФУЗИОННЫХ НИКЕЛЬ-ХРОМОВЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗ СРЕДЫ ЛЕГКОПЛАВКИХ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСТВОРОВ

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и администрации Краснодарского края в рамках научного проекта №20- 43-235003

АННОТАЦИЯ

Никель-хромовые покрытия, влияние углерода сталей, влияние температуры и времени насыщения.

Ключевые слова: диффузионная металлизация, исследования, никель-хромовые покрытия, легкоплавкие жидкометаллические растворы, состав, строение, свойства.

Современным способом повышения эксплуатационных свойств изделий в машиностроении является нанесение на их поверхность различных покрытий [1-4]. При этом, весьма распространенными элементами для нанесения на стали, являются Ni и Cr [5-10]. С целью технологического решения задачи одновременного насыщения поверхности стальных изделий никелем и хромом был разработан и запатентован способ диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов, обеспечивающий одновременное насыщение сталей никелем и хромом из свинцового расплава [5].

Никель-хромовые покрытия, формирующиеся на сталях, могут быть однослойными (Рис.1) и двухслойными (Рис.2), при этом элементный и структурно-фазовый состав никель-хромовых покрытий зависят от температуры процесса металлизации его длительности, а также от количества углерода в стали.

Рисунок 1. Микроструктура армко-железа с никель-хромовым покрытием. 1100^оС, 30 минут. Х200. Однослойное покрытие

Рисунок 2. Микроструктура стали 30ХГСА с никель-хромовым покрытием. 1000^оС, 5 часов. х200. Двухслойное покрытие, твердый поверхностный слой

На сталях состав, структура и толщина покрытий зависят от количества углерода в покрываемой стали. Чем больше углерода в покрываемой стали, тем ниже скорость роста покрытий и больше карбидной фазы в покрытии. Как следует из анализа концентрационных кривых, представленных на рис.3, толщина покрытий, полученных на малоуглеродистой стали Ст3 при одинаковых условиях насыщения, в два раза превышает толщину покрытий, полученных на стали У10, а также покрытие, полученное на стали Ст3, имеет повышенное содержание хрома.

Рисунок 3. Распределение элементов в никель-хромовых покрытиях. 1100^оС, 30 минут

При формировании никель-хромовых покрытий на средне и высокоуглеродистых сталях значительно уменьшается скорость формирования покрытия (блокирующее действие углерода). Так, если на армко-железе за два часа при температуре 1000^оС образуется покрытие толщиной 15 мкм, на стали Ст3 - 8-9мкм, на сталях У10 и Х6ВФ - 3-4мкм.

Влияние времени и температуры металлизации на процесс формирования никель-хромовых покрытий, прежде всего, зависит от содержания углерода в стали.

При температуре процесса порядка 1000^оС покрытия формируются на базе карбида хрома, и его концентрация достигает 75 - 80%. При увеличении температуры и времени процесса металлизации концентрация хрома на поверхности снижается, он более равномерно распределяется по покрытию и входит в состав твердого раствора его с никелем и железом. При формировании покрытий в интервале температур 1000-1100^оС покрытия имеют два слоя. Наружный слой содержит карбиды хрома, количество которых в покрытии уменьшается при повышении температуры металлизации, о чем свидетельствует снижение твердости этого слоя (рис. 4). Внутренний слой представляет собой твердый раствор диффундирующих элементов никеля и хрома в железе.

Рисунок 4. Зависимость микротвердости никель-хромовых покрытий от температуры металлизации. У10, 2 часа

При повышении температуры металлизации свыше 1000^оС в покрытии увеличивается доля никеля. При температуре металлизации 1100^оС никеля в покрытии уже более 60 % и оно становится однослойным и представляет собой твердый раствор никеля, хрома, железа и легирующих элементов покрываемой стали (рис.5). Микротвердость покрытия снижается до 3000МПа.

Рисунок 5. Распределение элементов в никель-хромовом покрытии. Сталь У10

С повышением температуры металлизации от 1000^оС до 1100^оС уменьшается блокирующее действие углерода на диффузию элементов покрытия вглубь покрываемого материала, что приводит к росту скорости формирования покрытий. Так, на стали У10 при температуре 1000^оС за два часа сформировалось покрытие толщиной 4 мкм, а при температуре 1100^оС за 30 минут - покрытие толщиной 17 мкм.

При формировании никель-хромовых покрытий температура и длительность процесса металлизации оказывают влияние не только на состав и свойства покрытий, но и на степень обезуглероживания приграничных к покрытию слоев покрываемой стали. Чем выше температура процесса металлизации и больше длительность этого процесса, тем больше степень обезуглероживания и глубина обезуглероженного слоя.

Таким образом, при формировании никель-хромовых покрытий за счет изменения температуры процесса можно в широких пределах изменять состав и строение покрытий, что позволяет изменять свойства покрытий и покрытых изделий в широких пределах.

Список литературы:

1. Соколов А.Г., Бобылёв Э.Э., Стороженко И.Д. Диффузионная металлизация твердосплавного режущего инструмента как способ повышения качества обработки поверхности// Сборник статей по материалам I Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию Кубанского государственного технологического университета и 60-летию Армавирского механико-технологического института. Армавир – 2019. – с. 173-178
2. Sokolov A.G., Bobylyov E.E. Improvement of wear resistance of austenitic steels by applying of carburization and diffusion saturation in liquid metal media solutions// Journal of physics: Conference series. – 44085. DOI: 10.1088/1742-6596/1399/4/044085
3. Sokolov A.G., Bobylyov E.E. Increase of durability of austenitic steel by overlap of carburization and diffusion saturation from liquid metal medium solutions technologies, J. Sib. Fed. Univ. Eng. & Technol., 2020, 13(4), 502-511. DOI: 10.17516/1999-494X-0241
4. Бобылёв Э.Э. Повышение стойкости режущего твердосплавного инструмента путем управления состоянием и свойствами его поверхностных слоев с помощью комплексной химико-термической обработки. Инженерный журнал: наука и инновации, 2020, вып. 12. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2020-12-2043
5. Пат. №2312164 РФ, МПК С23 С 2/08 (2006.01). Способ нанесения покрытий на стальные изделия / А.Г. Соколов (РФ) – заявлено 02.05.06; опубл. 10.12.07, Бюл. №4
6. Пат. № 2679318 МПК С23С 2/10, С23С 11/02 (2006.01) Способ диффузионного насыщения изделий из аустенитных сталей получения износостойкого покрытия на поверхности сталей. А.Г. Соколов РФ, Э.Э. Бобылев РФ, Р.А. Попов - заявлено 21.03.2018, опубл. 07.02.19, Бюл. № 4.
7. Соколов А.Г. Диффузионное поверхностное легирование конструкционных и инструментальных сталей в среде легкоплавких жидкометаллических растворов / Краснодар: Издательский Дом – ЮГ, 2019. – 272 с.
8. Шатинский В.Ф., Збожная О.М., Максимович Г.Г. Получение диффузионных покрытий в среде легкоплавких металлов. – Киев: Наукова Думка, 1976. – 202 с.
9. Максимович Г.Г., Шатинский В.Ф., Гойхман М.С. Диффузионные покрытия драгоценными металлами. – Киев: Наукова Думка, 1978. – 168 с.
10. Соколов А.Г. Разработка теоретических и технологических основ повышения стойкости режущего и штампового инструмента за счет диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов: Дис. д-ра техн. наук: 05.01.02. – Краснодар, 2008. – 383 с.