автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Исследование и разработка технологий получения функциональных покрытий на горячештампованных порошковых сталях методами диффузионного насыщения и электроискрового легирования поверхностей элементами системы хром-молибден-никель-ванадий с целью повышения эксплуатационных свойств

005043895

На правах рукописи

СЛУКОВСКАЯ КРИСТИНА НИКОЛАЕВНА

Исследование и разработка технологий получения функциональных покрытий на горячештампованных порошковых сталях методами диффузионного насыщения и электроискрового легирования поверхностей элементами системы хром - молибден - никель - ванадий с целью повышения эксплуатационных свойств

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (металлургия)

1 7 МАЙ 2012

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012 г.

005043895

Работа выполнена на кафедре металлургии сварочных процессов Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный вечерний металлургический институт" (МГВМИ).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Латыпов Рашит Абдулхакович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор МГВМИ Роберов Илья Георгиевич

кандидат технических наук, доцент ПИТУ МИСиС Лопатин Владимир Юрьевич

Ведущая организация:

ФГУП Центральный научно-исследовательский институт черной метштлургии им. И.П. Бардина

Защита состоится «7» июня 2012 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.127.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный вечерний металлургический институт» (МГВМИ) по адресу: 111250, г. Москва, ул. Лефортовский вал, 26. Телефон: (495)361-14-18, факс: (495)361-16-19, e-mail: mgvmi-mail@mtu-net.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный вечерний металлургический институт».

Автореферат разослан «5» мая 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Н.А. Смирнов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

При широком применении в современных машинах и конструкциях деталей и узлов как из литых и штампованных, так и порошковых материалов, работающих в агрессивных средах, при высоких температурах, в условиях изнашивания и циклических нагрузок, зачастую предъявляется такой комплекс требований, удовлетворение которых методами объемного легирования, а также созданием новых сплавов невозможно или нецелесообразно с экономической точки зрения. В этом случае решение вопроса лежит, как правило, в создании на поверхности изделий функциональных покрытий, удовлетворяющих требованиям эксплуатации.

Перспективными в этом отношении представляются использование химико-термической обработки (ХТО), основанной на диффузионном насыщении поверхности изделий и электроискрового легирования (ЭИЛ), сущность которого заключается в нанесении слоя металла на поверхность детали с помощью электрического разряда.

В настоящее время методы диффузионного насыщения и электроискрового легирования элементами системы Сг-Мо-№-У применительно к горячештампованным порошковым сталям не изучены. Поэтому исследование и разработка технологий упрочнения горячештампованных порошковых сталей элементами системы Сг-Мо-МьУ методами диффузионного насыщения и электроискрового легирования, позволяющими повысить эксплуатационные свойства таких сталей, является актуальной задачей.

Цель и задачи исследования

Целью работы является исследование и разработка технологий получения функциональных покрытий на горячештампованных порошковых сталях методами диффузионного насыщения и электроискрового легирования элементами системы Сг-Мо-№-\', позволяющими повысить эксплуатационные свойства таких сталей.

Для достижения указанной цели решали следующие задачи:

1. Изготовление новых составов насыщающих элементов и электродных материалов системы Сг, Мо, №, V для проведения диффузионного насыщения (ДН) и электроискрового легирования (ЭИЛ) поверхностей, образующих функциональные покрытия;

2. Изучение влияния технологических параметров режима диффузионного насыщения и электроискрового легирования на кинетику формирования функциональных покрытий;

3. Исследование влияние состава насыщающих компонентов и электродного материала, технологических параметров режима диффузионного насыщения и электроискрового легирования поверхностей на физико-механические свойства изделий из порошковых горячештампованных сталей (износостойкость, трещиностойкость, коррозионная стойкость, жаростойкость);

/ !

4. Исследование состава, структуры и свойств функциональных покрытий, полученных методами диффузионного насыщения и электроискрового легирования;

5. Разработка рекомендаций по промышленной реализации результатов исследований.

Научная новизна:

1. Установлены закономерности образования функциональных покрытий на горячештампованных порошковых сталях при контакте с материалом на основе Сг, Мо, №, V при диффузионном насыщении и электроискровом легировании. Толщина покрытия зависит от температуры и времени обработки: при повышении температуры с Т = 1373 К до Т = 1523 К толщина покрытия возрастает по закону, близкому к квадратичной параболе; толщина покрытия в зависимости от времени описывается кривыми с насыщением. Установлено также, что толщина покрытия повышается до 750-840 мкм при увеличении пористости с 1-30 % и снижается до 415-610 мкм при увеличении концентрации углерода до 1,2 % в порошковой стали. Наилучшие условия для диффузионного насыщения порошковой стали Сг, Мо, №, V достигаются при массовой доле активатора на основе фторида натрия (ЫаР) в 2 %.

2. Установлены зависимости толщины функционального покрытия на горячештампованных порошковых сталях от:

продолжительности диффузионного насыщения при температуре насыщения Тдн= 1373-1523 К и времени 1ДН= 5-240 мин;

- состава насыщающей смеси, количества и вида активатора при температуре Тдн= 1423 К и времени 1ДН = 120 мин;

- пористости порошковой стали при Тдн= 1473 К и времени 1ДН=120 мин;

- содержания углерода в порошковой стали при Тдн = 1473 К и времени {д„ = 120 мин.

3. Структура покрытия, полученного в результате диффузионного насыщения и электроискрового легирования, состоит из карбидов железа (Ре3С) и хрома (Сг7С3), сложных карбидов железа и хрома ((Сг,Ре)7С3) и карбидов молибдена (Мо2С).

4. Для изделий, полученных диффузионным насыщением и электроискровым легированием Сг, Мо, № и V горячештампованных порошковых сталей, определены зависимости:

- предела прочности при изгибе и сжатии, ударной вязкости и трещиностойкости от содержания углерода в покрытии;

- изнашивания при удельной нагрузке 5 Н, скорости скольжения 0,568 м/с в условиях сухого трения, трения в пресной и морской воде от пути трения;

- коррозионной стойкости в морской воде, 30%-ом щелочном растворе натрия, 10%-ом водном растворе азотной, серной, фосфорной и соляной кислотах от времени процесса;

- жаростойкости от длительности процесса при температуре Т = 773 К и 973 К.

Практическая значимость

Разработаны технологии получения функциональных покрытий на горячештампованных порошковых стали методами:

- диффузионного насыщения хромом, молибденом, никелем и ванадием при печном нагреве в порошковой засыпке состава:

. 70 % [25 % ФХ + 25 % Мо + 25 % N1 + 25 % ФВ]+28 % А1203 + 2 % ЫаР при температуре насыщения Тд„= 1373-1523 К и времени насыщения ^„=5-240 мин;

- электроискрового легирования поверхности с получением покрытий из электродного материала состава хром-молибден-никель-ванадий при времени обработки 1=10 мин;

- разработаны рекомендации по выбору температуры и времени диффузионного насыщения с учётом пористости и содержания углерода в горячештампованной порошковой стали.

Определено, что износостойкость горячештампованных порошковых сталей с покрытиями, полученными методами диффузионного насыщения и электроискрового легирования повышается в 2 - 4 раза, жаростойкость в 2 - 3 раза, коррозионная стойкость в 2 — 6 раз.

На защиту выносится:

- установленные зависимости толщины функциональных покрытий и физико-механических свойств горячештампованных порошковых сталей от параметров режима диффузионного насыщения Сг-Мо-№-У в порошковой засыпке при печном нагреве;

- установленные зависимости толщины функциональных покрытий и физико-механических свойств горячештампованных порошковых сталей от параметров режима электроискрового легирования электродом системы Сг-Мо-М-У;

результаты исследований структуры и фазового анализа горячештампованных порошковых сталей с покрытиями, полученными методами диффузионного насыщения и электроискрового легирования элементами системы Сг-Мо-ЫьУ.

Степень достоверности результатов гарантирована использованием современных методов и средств измерения и сочетанием взаимодополняющих исследовательских методик: рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов, просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, количественной металлографии, химических методов анализа, физико-механических испытаний, статистической обработкой и удовлетворительным совпадением результатов моделирования и эксперимента.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, организации и проведении экспериментальных и исследовательских работ, анализе, интерпретации и обобщении полученных результатов.

Реализация результатов работы

Результаты проведенных исследований использованы при получении функциональных покрытий на деталях кольцо уплотняющее и втулка,

изготовленных из горячештампованных порошковых сталей, входящих в состав тягового агрегата электровоза, диффузионным насыщением и электроискровым легированием элементами системы Сг-Мо-№-У. Разработанные рекомендации апробированы в ООО «ПК Новочеркасский электровозостроительный завод», г. Новочеркасск. Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанных технологий составит 234,6 тыс. руб. в год в ценах 2011 г.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на:

- 8-ой Всероссийской научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия 2009», г. Москва;

XXI Всероссийском совещании по температуроустойчивым функциональным покрытиям, 2010, г. Санкт Петербург;

Международном симпозиуме «Инженерия поверхности. Новые порошковые композиционные материалы. Сварка», 2011, г. Минск;

- Третьем международном научно-практическом семинаре «Новые материалы и изделия из металлических порошков. Технология. Производство. Применение» (ТПП-ПМ-2011), г. Йошкар-Ола;

- II Международной научной конференции «Наноструктурные материалы-2010», г. Киев;

- Международной конференции «Дни науки», 2012, г. Прага;

- Международной конференции «Получение режущего инструмента из порошка быстрорежущих сталей с последующим диффузионным насыщением», 2012, г. София.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов и приложений. Материалы диссертации изложены на 156 листах машинописного текста, содержат 53 рисунка, 17 таблиц, включают список литературы из 117 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, отражены основные направления и объекты исследований, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные результаты, выносимые на защиту, дано краткое описание структуры и объема диссертации, приведены сведения об апробации и реализации результатов работы и степени их достоверности.

В первой главе представлен обзор опубликованных работ по теме диссертации, а также анализ вопросов, определяющих выбор направления получения функциональных покрытий на изделиях различными методами.

Дана краткая характеристика химических элементов Сг, Мо, № и V, выбранных для проведения экспериментов. Описаны особенности легирования этими элементами.

Поверхностное насыщение хромом проводят для повышения коррозионной стойкости, жаростойкости, кислотостойкости, окалиностойкости. Молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению, противодействует росту зерна, повышает твердость и режущие свойства стали вследствие образования карбидов, повышает жаростойкость стали. При введении в хромистые стали никеля значительно повышается пластичность, вязкость, прочность и прокаливаемость, понижается порог хладноломкости. Ванадий повышает прочность и упругость стали, способствует образованию мелкозернистой структуры.

По литературным данным и патентным источникам проведен анализ современных методов обработки поверхности металлов. Все методы можно разделить на три группы: химические (электрохимические), физические и механические. Каждый из рассмотренных методов имеет преимущества и недостатки. Выбор оптимального метода обработки зависит от стоимости, размера и количества деталей, а также условий их эксплуатации. Отмечено, что в условиях рыночной экономики применение каждого из рассмотренных методов должно быть еще и экономически оправдано.

Показано, что перспективными в этом отношении являются методы диффузионного насыщения и электроискрового легирования.

Рассмотрены диффузионные процессы при химико-термической обработке металлов и сплавов. Качественной и количественной оценкой диффузионного насыщения сплавов является глубина диффузии, оцениваемая толщиной слоя и концентрацией элементов в нем. Степень насыщения металла зависит от скорости поступления атомов насыщающих элементов в активной форме из среды к поверхности металла и скорости диффузии насыщающих элементов в металл.

Отмечено, что диффузионное насыщение поверхности металлов легирующими элементами - эффективный метод повышения долговечности различных деталей, в результате которого изменяется химический состав, структура и свойства поверхностных слоев металла. В работе представлена классификация и сравнительная оценка методов диффузионного насыщения поверхностей металлов и порошковых сталей.

Отмечено также, что метод электроискрового легирования, сущность которого заключается в нанесении слоя металла на поверхность изделия с помощью электрического разряда, обладает рядом существенных преимуществ: не требует специальной подготовки поверхностей; обеспечивает высокую прочность сцепления покрытия с основным материалом; не влияет на основную структуру металла; придает изделию требуемые эксплуатационные свойства; позволяет экономить дорогостоящие стали; отличается простотой технологического процесса, малогабаритностыо и транспортабельностью оборудования.

Рассмотрены основные физические процессы, происходящие при формировании покрытия этим методом. Показана возможность его использования не только для упрочнения, но и для восстановления деталей различного назначения.

. В результате анализа литературы показана актуальность темы по разработке технологий получения функциональных покрытий из элементов состава Сг-Мо-№-У на порошковых горячештампованных сталях методами диффузионного насыщения и электроискрового легирования с целью повышения эксплуатационных свойств.

Во второй главе описаны материалы и методики проведения диффузионного насыщения и электроискрового легирования. Представлена характеристика порошков и материалов, которые применялись для проведения диффузионного насыщения и электроискрового легирования. Дано описание оборудования и методик для проведения испытаний.

Исследуемые железоуглеродистые материалы изготавливали из железных порошков отечественного производства:

- ПЖВ 2.160.26 (ГОСТ 9849-86);

- ПЖВ 4.450.28 (ГОСТ 9849-86);

- ПЖР 2.200.28 (ГОСТ 98-86).

Размер частиц порошков находился в пределах 20...200 мкм. Углерод вводили в шихту в составе порошков следующих углеродсодержащих компонентов ГИСМ (графит искусственный специальный малозольный) ТУ 48-20-54-84. Исходные порошки железа и ГИСМ использовали в состоянии поставки. Взвешивание порошков проводили на весах ВЛКТ-500-М, а смешивание - в конусном смесителе.

Для исследований использовали призматические образцы из горячештампованных железных порошков и порошковых сталей 45п, 75п, размером 55x10x10 мм, а также образцы кольцевого типа-70x50x10 мм.

В качестве компонентов для диффузионного насыщения использовали низкоуглеродистые феррохром ФХ 001 А и ФХ 001 Б, феррованадий ФВд50У0,5 и ФВд40У1 с размерами частиц 60... 100 мкм, порошок никеля марки ПНЭ-01 с размером частиц 20... 100 мкм, порошок молибдена ПМ - 003 с размером частиц 60... 120 мкм.

Оксид алюминия АЬОз использовали в качестве инертной добавки для предотвращения спекания смеси и ее налипания на поверхность образцов. Хлорид аммония (ЫНС1), фторид натрия (№Р) и хлорид натрия (№С1) - активаторы. Их применяли для ускорения процесса диффузионного насыщения.

Диффузионное насыщение проводили в электропечи в контейнере из жаропрочной стали 12Х18Н9Т с плавким затвором при Тдн = 1373-1523 К и времени 1д„ = 5-240 мин.

Выбран оптимальный состав порошковой засыпки для проведения диффузионного насыщения:

70 % [25 % ФХ + 25 % Мо +25 % № +25 % ФВ]+ 28 % А1203+ 2 % активатор.

Диффузионное насыщение проводили по различным технологическим схемам:

1) Горячая штамповка + диффузионное насыщение;

2) Прессование + диффузионное насыщение + горячая штамповка.

Изготовление образцов для проведения диффузионного насыщения и

электроискрового легирования осуществляли следующим образом. Смешивали компоненты шихты в конусном смесителе, затем проводили статическое холодное прессование на гидравлических прессах 2ПГ-125 и П-250 и последующее гомогенизирующее спекание в муфельной печи в защитно-восстановительной среде осушенного диссоциированного аммиака. После чего осуществляли горячую допрессовку заготовок на кривошипном прессе модели К-2232.

Электроискровое легирование проводили на универсальном стенде "АЫЕЛ-МЕТАЬ 2002". Для приготовления электрода готовили смесь из порошков хрома марки ПХА-1М, молибдена ПМ-003, никеля электролитического марки ПНЭ-01 и ванадия электролитического марки ВЭЛ-3. Смесь готовили в пропорциях 25 % Сг + 25 % Мо + 25 % № + 25 % V, смешивание порошков проводили в планетарной мельнице модели САНД-21 в течение 2 часов. Затем осуществляли прессование смеси в призматической матрице при усилии Р=35 МПа и получали образцы размером 5х5х50 мм с остаточной пористостью 15-20 %. После прессования проводили спекание при температуре 1373-1523 К в течение 2 часов в вакуумной печи.

Изменение массы электрода и образца изучали гравиметрическим методом с помощью весов ВЛР-200 с точностью 10"4 г через каждую минуту легирования течение 10 минут. Шероховатость сформированных покрытий измеряли на профилометре «М1Моуо 51-400» (Япония). Расчет суммарного привеса катода ЕДк: 2Дю = (Дк1 + Дк2 +...+ Дю) / р (см3), где Дк1 - привес катода за 1 минуту легирования, г; ¡=1, 2... 10; р - плотность электродного материала, г/см3.

Твердость определяли по глубине отпечатка методом Роквелла, а микротвердость с помощью микротвердомера ПМТ-3 при нагрузке на индентор 50 г по стандартной методике.

Испытания образцов на сжатие проводили с помощью специальных прессов или универсальных установок, соответствующих требованиям ГОСТ 7855-68. Испытания на изгиб проводили на универсальной испытательной машине УМЭ-10ТМ. Ударную вязкость определяли по ГОСТ 26528-85 на маятниковом копре модели КМ-30А с максимальной энергией удара 294 Дж.

Коррозионную стойкость исследовали в морской воде, 10 %-ном водном растворе азотной, серной, фосфорной и соляной кислот и 30 %-ном щелочном растворе натрия от времени процесса;

Испытания на жаростойкость проводили в электрической печи в воздушной атмосфере при Т = 773-973 К в течение 32 ч. Жаростойкость определяли по потере массы образцов на аналитических весах через каждые 4 часа с точностью до ОД мг. Испытания на трещиностойкость проводили с помощью микротвердомера ПМТ - 3. Локальные напряжения получали путем вдавливания индентора в плоскую поверхность образца. Предельно допустимую нагрузку на материал определяли по образованию и распространению трещин.

Испытание на износостойкость покрытий проводили на машине трения

СМЦ-2 в условиях трения скольжения без смазки при скорости скольжения 0,68 м/с и пути трения 1000 м. Износостойкость оценивали по интенсивности износа образцов, определяемой изменением линейного изнашивания при постоянной нагрузке.

Исследования микроструктуры образцов проводили на оптических металлографических микроскопах UNIVAR и NEOPHOT-21. Для изучения субструктуры использовали электронный микроскоп ЭМВ-100ЛМ. Микрорентгеноспектральный анализ проводили с помощью растрового электронного микроскопа "САМЕВАХ-МВХ 70", оснащенного ЭВМ и программным обеспечением. Рентгеноструктурный фазовый анализ проводили на дифрактометре «ДРОН-2,0».

В третьей главе представлены результаты исследований свойств функциональных покрытий, полученных диффузионным насыщением.

Установлен характер изменения толщины диффузионного слоя от времени и температуры выдержки, исходной пористости образцов, содержания углерода и вида активатора.

Влияние температуры на толщину покрытия при диффузионном насыщении представлено на рис. 1. Видно, что толщина покрытия в рассмотренном интервале температур возрастает по закону, близкому к квадратичной параболе. Такой характер зависимости можно объяснить тем, что при увеличении температуры насыщения происходит уменьшение количества дефектов структуры, плотности вакансий и дислокаций.

На рисунке 2 представлена зависимость толщины покрытия от времени насыщения при Т = 1373 К. Видно, что с увеличением времени толщина покрытия в рассмотренных материалах возрастает и при времени 180 мин достигает максимального значения. Дальнейшее увеличение времени приводит к повышению толщины покрытия при Т=1373 К.

Рис. 1 Зависимость толщины покрытия от Рис. 2 Зависимость толщины

температуры насыщения (5i = 0,019t2-49,524t+ покрытия от времени насыщения

+32271,5; 52 = 0,016t2 - 42,016t + 27601,9; (при Т = 1373 К) 53 = 0,019t2 - 51,404t + 34818,7)

Установлено, что оптимальной порошковой смесью для проведения диффузионного насыщения являются феррохром марок ФХ001 А и ФХ001 Б. феррованадий марок ФВдУ0,4 и ФВд40У1. При диффузионном насыщении из порошковых смесей процесс насыщения идет за счет образования активных атомов Сг, Мо, №. V. Свободные атомы Сг осаждаются на поверхности образца, затем диффундируют вглубь. Введение активатора способствует продвижению атомов Сг, Мо, N1 и V. Увеличение количества этих элементов в поверхностном слое идет постепенно, что ведет к образованию практически беспористого покрытия.

При исследовании влияния активатора определено, что наибольшей активностью при температуре Тд„ = 1423 К и времени насыщения ^„=120 мин. обладает фторид натрия.

Повышение пористости порошковой стали приводит к росту толщины покрытия, рис. 3. Это связано с тем, что насыщающие элементы сначала проникают в поры, заполняют их и только после этого диффундируют в железную матрицу.

Увеличение содержания углерода в порошковой стали приводит к снижению толщины покрытия (рис. 4) в результате особенностей его перераспределения в порошковой стали при диффузионном насыщении.

1200 1000

г £

§ 800

1 600 I

§ 400

10 15 20 25 30 Пористость, %

0,2 0.4 0,6 0,8 Влияние содержания Сс мае. %

Рис. 3 Зависимость толщины покрытия от пористости порошковой стали 45п

Рис. 4 Влияние содержания углерода на толщину покрытия при диффузионном насыщении стали 45п при Т=1473 К: 1 -ГШ + ДН; 2 - прессование + ДН + ГШ

При проведении рентгенофазового анализа в покрыта обнаружены карбиды железа, сложные карбиды железа, хрома и карбид молибдена.

Установлено (рис. 5), что у образцов насыщенных при Т = 1473 К в течение 120 мин молибден и хром распределяются равномерно по поверхности образца, а N1 при данной температуре начинает образовывать самостоятельную фазу. Ванадий диффундирует в незначительных количествах, поэтому его распределение также неравномерно. Выделение № в отдельную фазу при Т = 1523 К приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик, поэтому оптимальной температурой насыщения является 1373 - 1473 К.

и?тш «К- йГл

с 0 40 1131

0 4 45 1156

.41 0 25 0.59

Мл 5.9? 2.58

К 0.31 0-4

104

С1 Мб "96

ь 65 ,10 4» .->

щ <>95 4..91

а О

Рис. 5. Микроструктура слоя (а) и рентгенограмма распределения элементов (б) в образце из стали 45п

В четвертой главе описан процесс получения материала электрода для проведения электроискрового легирования поверхности порошковых сталей.

Представлены исследования условий формирования функциональных покрытий электроискровым легированием электродом системы Сг-Мо-№-У на сталях 75п.

На рис. 6 приведены зависимости суммарного привеса катода £Дк и суммарной эрозии анода £Да от времени электроискрового легирования спеченным электродом системы Сг-Мо-№-У при различных параметрах режима. Видно, что с увеличением продолжительности обработки растет величина суммарного привеса материала катода (£Дк) при суммарной эрозии (2 Да) электрода приблизительно на такую же величину. Оптимальным режимом обработки порошковой стали является I = 360 А; I = 500 мкс; 5 = 100 Гц, характеризующийся высокой скоростью формирования покрытия при максимальной толщине.

2 Аа, 10"" см

Рисунок б. Зависимость суммарной эрозии анода Е Да и суммарного привеса катода Д2к от времени электроискрового легирования стали 75п электродным материалом системы Сг-Мо-№-У в течение 10 мин:

1 - 1=360А; 1=500мкс; ^50 Гц; 2 - 1=360А; 1=500мкс; 5=100 Гц; 3 - 1=360А; 1=500мкс; ^150 Гц; 4 - 1=360А; 1=500мкс; 5=100 Гц; 5 - 1=240А; 1=500мкс; 5=100 Гц; 6 - 1=500А; г=500мкс; 5=100 Гц

Результаты рентгеноструктурного фазового анализа покрытия, получемного электроискровым легированием горячештампованной стали 75п электродом Сг-Мо-№-У, приведены в таблице 1. Видно, что в упрочняющем покрытии имеют место фазы карбидов железа (Ре3С) и хрома (Сг7С3), сложного карбида железа и хрома ((Сг,Ре)7С3), карбида молибдена (Мо2 С).

Таблица 1

Результаты рентгеноструктурного фазового анализа функциональных покрытий, полученных электроискровым легированием стали 75п электродом состава Сг-Мо-№-У при I = 360 А, Г = 500 Гц, I = 100 мкс. Время обработки 10 мин

Фаза Стр. тип Об. доля, % Вес. доля, % Периоды, А

Ре3С (1уре 1/3 ) ИР4/6 37,4 32,5 А= 2,714 С= 4,378

Сг7С3 1 (1уре Ш0.2) Ь Р18/1 32 35 А= 5,842 С= 4.439

(Сг,Ре)7 С3 (1уре ОЮ.2 ) ЬР20/1 3,9 5,4 А= 6,968 С= 4,472

Мо2С (1уре Ь'З ) ИР4/6 3,7 4,1 А= 2,976 С= 4,688

Установлено, что толщина покрытия, полученного на стали 75п при оптимальных параметрах режима электроискрового легирования электродом Сг-Мо-№-У, составляет 15-30 мкм при сплошности 100 %, рис.7.

Рис.7 Сплошность и толщина покрытия, полученного электроискровым легированием стали 75п электродом Сг-Мо-№-У при I = 360 А; I = 500 мкс; f= 150 Гц

Показано, что после электроискрового легирования микротвердость стали 75п электродом Ст-Мо-№-У повышается в 3 раза в сравнении с микротвердостью этой же стали, не подвергавшейся электроискровой обработке.

В пятой главе представлены результаты исследований механических и эксплуатационных свойств порошковых сталей с покрытиями состава Сг-Мо-№-У, полученными методами диффузионного насыщения и электроискрового легирования.

Установлено, что порошковые стали после диффузионного насыщения имеют прочность при сжатии выше, чем аналогичные ненасыщенные. Прочность при изгибе образцов с содержанием углерода 0,45 и 0,75 мае. % после насыщения в течение 120 мин при Т = 1373 К составляет 138 и 172 МПа соответственно, что на 22...25 % выше прочности при изгибе аналогичных ненасыщенных образцов.

Исследована коррозионная стойкость порошковых сталей после диффузионного насыщения Сг-Мо-№-У. Установлено, что коррозионная стойкость таких сталей в морской воде, 30 % -ном щелочном растворе натрия, 10 % -ном водном растворе азотной, серной, фосфорной и соляной кислотах в 2 - 6 раз выше коррозионной стойкости порошковых сталей, не подвергавшихся диффузионному насыщению. Показано, что коррозионная стойкость порошковых сталей, полученных по схеме Прессование + ДН + ГШ, выше коррозионной стойкости аналогичных сталей, полученных ГШ + ДН.

Установлено, что диффузионное насыщение Сг-Мо-№-У повышает жаростойкость порошковых сталей при Т = 573 - 973 К в 2 - 3 раза в сравнении с ненасыщенными. Отмечено, что, жаростойкость сталей, изготовленных по схеме ГШ + ДН, выше, чем жаростойкость сталей, изготовленных по схеме Прессование + ДН + ГШ. Это связано с тем, что стали, изготовленные по схеме ГШ + ДН, практически беспористые и имеют плотное упрочняющее покрытие.

Установлено, что износостойкость порошковых сталей после диффузионного насыщения Сг, Мо, N1 и V и электроискрового легирования электродом такого же состава повышается в 2 - 4 раза. При этом показано, что сталь, полученная по схеме ГШ + ДН, имеет коэффициент трения 0.136, что в 1,47 раза ниже коэффициента трения стали, полученной по схеме Прессование + ДН + ГШ.

На рис. 8 и 9 представлены профили дорожек трения на образцах из стали 45п до и после диффузионного насыщения Сг, Мо, N1 и V. Видно, что ненасыщенная порошковая сталь сильно изнашивается и износ образца достигает 138 мкм (рис.8). На образце, подвергнутому диффузионному насыщению (рис. 9), профиль дорожки изнашивания практически не заметен, что затрудняет определение ее размеров. Это свидетельствует о том, что изнашивание образца практически не происходит.

Показано, что трещиностойкость стали 45п, подвергнутой диффузионному насыщению Сг, Мо, N1 и V после горячей штамповки, выше трещиностойкости стали 45п, полученной диффузионным насыщением с последующей горячей штамповкой.

Установлено, что упрочняющие покрытия, полученные электроискровым легированием электродом Сг-Мо-№-У, повышают коррозионную стойкость порошковых горячештампованных сталей в 10 % - ных водных растворах азотной, серной, фосфорной и соляной кислот. При этом скорость коррозии таких слоев соответствует 3... 5 баллу стойкости по десятибалльной шкале.

Установлено также, что порошковые горячештампованные стали с такими покрытиями мотут использоваться, как жаростойкие материалы при температурах до 973 К. При этом их жаростойкость находится на уровне жаропрочной стали 12Х18Н9Т и превосходит жаростойкость порошковых сталей, не подвергавшихся электроискровой обработке в 5...7 раз.

Рис. 8 Профиль дорожки трения на образце из стали 45п без диффу-зиионного насыщения

Рис. 9 Профиль дорожки трения на образце из стали 45п после диффузионного насыщения Сг-Мо-№-У

В шестой главе представлены результаты практического использования диффузионного насыщения и электроискрового легирования горячештампованных порошковых сталей элементами системы Сг-Мо-№-У.

Разработаны технологические рекомендации изготовления втулки и уплотняющего кольца, входящих в состав узлов электровоза ЭП-1 и тягового агрегата ОПЭ-1.8ТН.454.574, апробированные на предприятии ООО "ПК Новочеркасский электровозостроительный завод" (г. Новочеркасск). Показано, что разработанная технология позволяет повысить в 2-3 раза срок эксплуатации таких деталей. При этом отмечено, что предложенная технология позволяет увеличить коэффициент использования материала и снизить трудоемкость его обработки. Ожидаемый экономический эффект от внедрения состава составляет 234,6 тыс. руб. в год в ценах 2011 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана технология диффузионного насыщения горячештампованных порошковых сталей хромом, молибденом, никелем и ванадием при печном нагреве в порошковой засыпке состава: 70 % [25 % ФХ + 25 % Мо + 25 % N1 + 25 % ФВ] + 28 % АЬ03 + 2 % активатор. Установлено, что введение в насыщающую смесь

активатора NaF или NH4C1 позволяет в 2.0...4.5 раза повысить толщину диффузионного слоя и содержание в нем легирующих элементов.

2 Определены кинетические зависимости изменения толщины диффузионного слоя, показано, что в процессе диффузионного насыщения в интервале температур Тдн = 1373-1523 К и времени насыщения tÄ„ = 5 - 240 мин толщина диффузионного слоя составляет 60 - 900 мкм.

3. Разработана технология электроискрового легирования поверхности с получением покрытий из электродного материала состава хром-молибден-никель-ванадий, при времени обработки t=10 мин. Показано, что толщина диффузионного слоя, полученного при оптимальных параметрах режима обработки, составляет 1530 мкм.

4. Методом микрорентгеноспектралыюго анализа и методом рентгеноструктурного анализа установлено, что диффузионный слой, полученный диффузионным насыщением и электроискровым легированием, состоит из карбидов железа (Fe3C) и хрома (Сг7С3), сложных карбидов железа и хрома (Cr,Fe)7C3, карбидов молибдена (Мо2С), твердого раствора хрома в у железе (y-Fe).

5. Установлено, что износостойкость горячештампованных порошковых сталей, упрочненных диффузионным насыщением и электроискровым легированием поверхности элементами Cr, Mo, Ni и V повышается в 2 - 4 раза, жаростойкость при Т = 573 - 973 К в 2 - 3 раза, коррозионная стойкость в морской воде, 30 % -ном щелочном растворе натрия, 10 % -ном водном растворе азотной, серной, фосфорной и соляной кислотах в 2 - 6 раз. Показано, что шероховатость поверхности, полученных электроискровым легированием при оптимальных параметрах режима, не превышают 6 мкм, что соответствует 6 классу шероховатости.

6. Разработаны технологические рекомендации изготовления втулки и уплотняющего кольца, входящих в состав узлов электровоза ЭП-1 и тягового агрегата ОПЭ-1.8ТН.454.574, апробированные в производстве. Показано, что предложенная технология позволяет увеличить срок службы таких деталей в 2 - 3 раза. Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанной технологии составит 264, 4 тыс. рублей в год в ценах 2011г.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Латыпов P.A., Слуковская К.Н., Еремеева Ж.В., Ниткин Н.М., Шарипзянова Г.Х., Скориков P.A. Механические свойства порошковых материалов после проведения многокомпонентного диффузионного насыщения Cr, Ni и Mo // Известия МГТУ «МАМИ». - 2012. - №2. - С. 123-127.

2. Латыпов P.A., Слуковская К.Н., Еремеева Ж.В., Шарипзянова Г.Х., Ниткин Н.М. Исследование влияния технологических параметров диффузионного многокомпонентного насыщения марганцем, хромом и кремнием порошковых сталей на глубину получаемого слоя // Международная конференция, г. Прага, Чехия. «Дни науки». -2012. - С. 52-56.

3. Костиков В. И., Еремеева Ж. В., Рупасов С. И., Скориков Р. А., Слуковская К. Н., Шарипзянова Г. X., Ниткин Н. М. Термообработка порошковых

горячедеформированных сталей, легированных наноразмерным углеродом и хромом // Материаловедение №1, 2012. - С.51 - 54.

4. Латыпов P.A., Слуковская К.Н., Еремеева Ж.В., Кудряшов А.Е. "Получение режущего инструмента из порошка быстрорежущих сталей с последующим диффузионным насыщением" опубликована // Сборник докладов кофернции "Ключевые проблемы современной науки", София, 2012. -С. 17-21.

5. Еремеева Ж.В., Слуковская К.Н. Влияние технологических параметров многокомпонентного диффузионного насыщения на структуру и свойства порошковых сталей // Инженерия поверхности. Новые порошковые композиционные материалы. Сварка. Сборник докладов Международного симпозиума, г. Минск, 23 - 25 марта 2011. ч.1. - С. 291-296.

6. Кудряшов А.Е., Рупасов С.И., Еремеева Ж.В. Слуковская К.Н. Исследование структуры, состава и свойств электроискровых модифицированных слоев на порошковых горячештампованных сталях // «Новые материалы и изделия из металлических порошков. Технология. Производство. Применение» (ТПП-ПМ): сборник трудов Третьего международного научно-практического семинара г. Йошкар-Ола Россия, республика Марий Эл, 28-30 июня 2011. - С. 118-119.

7. Левашов Е.А., Еремеева Ж.В, Кудряшов А.Е., Стрелец A.B., Слуковская К.Н. Структура, состав и свойства электроискровых модифицированных слоев сформированных на порошковых горячештампованных сталях // Труды XXI всероссийского совещания (конференции) по температуроустойчивым функциональным покрытиям, РАН, типография «Адмирал», г. Санкт-Петербург, 26-28 апреля 2010. - С. 92-93.

8. Стрелец A.B., Слуковская К.Н., Кудряшов А.Е., Еремеева Ж.В. Состав и свойства электроискровых модифицированных слоев на порошковых сталях // II Международной научной конференции «Наноструктурные материалы-2010: Беларусь-Россия-Украина» (НАНО-2010), г. Киев, 19-22 октября 2010. - С. 73-78.

9. Слуковская К.Н., Еремеева Ж.В., Кудряшов А.Е. Износостойкость порошковых материалов подвергнутых комплексному диффузионному насыщению Cr, Mo, Ni, V // 8-я Всероссийская научно-техническая конференция «Быстрозакаленные материалы и покрытия», РГТУ «МАТИ», г. Москва, 30 ноября - 01 декабяря 2009. - С. 102-104.

Подписано в печать 4.05.2012 г.

Печать трафаретная

Заказ №7333 Тираж: 100 экз.

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 772633 115230, Москва, Варшавское шоссе, 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

61 12-5/3827

Московский государственный вечерний металлургический институт

На правах рукописи

Слуковская Кристина Николаевна

Исследование и разработка технологий получения функциональных покрытий на горячештампованных порошковых сталях методами

диффузионного насыщения и электроискрового легирования поверхностей элементами системы хром - молибден - никель - ванадий с целью повышения эксплуатационных свойств

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (металлургия)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Латыпов Р.А.

Москва-2012

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................................6

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................................................................................10

1.1. Хром, молибден, никель, ванадий (Сг, Мо, N1, V), как легирующие элементы материалов на железной основе..........................................................................10

1.2. Особенности легирования хромом, молибденом, никелем и ванадием 15

1.3. Диффузионные процессы при химико-термической обработке

металлов и сплавов..................................................................

1.3.1. Диффузионные процессы при насыщении металлов и сплавов легирующими элементами....................................................................................................19

1.3.2. Классификация и сравнительная оценка методов диффузионного насыщения поверхности металлов................................................................................22

1.4. Основные физические процессы, происходящие при формировании упрочненного слоя методом электроискрового легирования............................24

1.5. Цель и задачи исследования............................................................................................................28

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 31

2.1. Получение порошковых материалов и методика проведения диффузионного насыщения............................................................................................................31

2.1.1. Характеристики железных и низколегированных порошков....................31

2.1.2. Характеристики углеродсодержащих компонентов....................................33

2.1.3. Характеристики и состав порошковых материалов, выбранных для проведения диффузионного насыщения и электроискрового легирования поверхностей........................................................................................................34

2.1.4. Технология, оборудование и оснастка изготовления образцов .... 36

2.1.5. Оборудование для проведения диффузионного насыщения................39

2.2. Получение и исследование электроискровых покрытий......................................40

2.2.1. Оборудование для проведения электроискрового легирования.... 40

2.2.2. Методика исследования кинетики массопереноса..........................................44

2.3. Определение физико - механических и эксплуатационных свойств покрытий полученных методом диффузионным насыщением и электроискровым легированием......................................................................................................^

2.3.1. Определение твердости и микротвердости......................................................45

2.3.2. Определение прочности на сжатие, изгиб и ударную вязкость..........46

2.3.3. Испытания на коррозионную стойкость..................................................................47

2.3.4. Испытания на жаростойкость............................................................................................48

2.3.5. Испытания на коррозионно-механический износ..........................................49

2.3.6. Исследование покрытий на терщиностойкость................................................51

2.3.7. Методика трибологических испытаний......................................................................52

2.3.8. Определение пористости ....................................................................................................53

2.3.9. Определение шероховатости..............................................................................................56

2.3.10. Металлографический анализ..........................................................................................58

2.3.11. Микроструктурный анализ................................................................................................58

2.4. Оборудование и методики изучения структуры слоев полученных методом диффузионного насыщения и электроискрового легирования 59

2.4.1. Электронная микроскопия......................................................................................................59

2.4.2. Микрорентгеноспектральный анализ..........................................................................60

2.4.3. Методика ренгеноструктурного фазового анализа........................................61

2.5. Выводы......................................................................................................................................................62

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДИФФУЗИОННОГО НАСЫЩЕНИЯ Сг-Мо-№-У НА ГОРЯЧЕШТАМПОВАННЫХ

ПОРОШКОВЫХ СТАЛЯХ..................................................................................................................64

3.1. Кинетика диффузионного насыщения Сг, Мо, МиУ- порошковых

64

материалов............................................................................

3.2. Влияние режимов процесса диффузионного насыщения Сг, Мо, № и V на показатели качества поверхностного слоя и свойства порошковых материалов......................................................................................................................72

3.3. Структура и состав диффузионных слоев в порошковых сталях................81

3.4. Выводы..............................................................................................90

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ Cr- Мо - Ni - V НА ПОРОШКОВЫХ ГОРЯЧЕШТАМПОВАННЫХ СТАЛЯХ ЭЛЕКТРОИСКРОВЫМ ЛЕГИРОВАНИЕМ 93

4.1. Электродные материалы системы Cr - Мо - Ni -V......................... 93

4.2. Изучение особенностей формирования функциональных покрытий при варьировании частоты и длительности импульсных разрядов электроискровым легированием................................................. 94

4.3. Особенности формирования структуры покрытий, полученных электроискровым легированием................................................ 100

4.4. Выводы................................................................................ 102

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ, СОСТАВА И

СВОЙСТВ ПОРОШКОВЫХ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ ПРОВЕДЕНИЯ ДИФФУЗИОННОГО НАСЫЩЕНИЯ и НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ Cr-Mo-Ni-V ЭЛЕКТРОИСКРОВЫМ ЛЕГИРОВАНИЕМ 104 5.1. Механические свойства порошковых сталей после проведения

диффузионного насыщения......................................................... 105

5.1.1. Микротвердость.................................................................. Ю5

5.1.2. Твердость....................................................................... 106

5.1.3. Прочность на сжатие......................................................... 106

5.1.4. Прочность на изгиб............................................................. 108

5.1.5. Ударная вязкость............................................................. 109

............................... 109

5.1.6. Коррозионная стойкость.....................................................

5.1.7. Жаростойкость................................................................ И4

.......................... 114

5.1.8. Коррозионо-механическии износ.........................................

5.1.9. Трещиностойкость......................................................................................................................121

5.1.10 Трибологические свойства................................................................................................122

5.2. Механические свойства порошковых сталей после нанесения

покрытий электроискровым легированием........................................................................130

5.2.1. Микротвердость..............................................................................................................................130

5.2.2. Коррозионная стойкость..........................................................................................................131

5.2.3. Жаростойкость................................................................................................................................132

5.2.4. Шероховатость................................................................................................................................137

5.3. Выводы..........................................................................................................139

ГЛАВА 6. ПРОМЫШЛЕННАЯ АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ..........................................................................................................................................14°

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..........................................................................................................................................143

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................................................................................145

ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................................................................................................................156

ВВЕДЕНИЕ

Порошковая металлургия - один из наиболее экономичных методов производства изделий. Отходы материалов здесь самые низкие по сравнению с другими методами обработки металлов, производительность достаточно высокая, а количество операций минимальное. При этом сравнительно легко без дополнительной обработки резанием, обеспечивается высокая точность и чистота поверхности деталей. Многочисленные технологические процессы порошковой металлургии позволяют снизить расход материала, энергоемкость производства, автоматизировать технологический процесс, а также обеспечить такие свойства получаемой продукции, управляя процессами структурообразования, которые не могут быть получены при использовании других технологических процессов.

К преимуществам порошковой металлургии можно отнести полную автоматизацию процесса, высокий коэффициент использования материалов, экологическую чистоту и, как следствие, высокую культуру производства. Расширилась номенклатура изделий, изготовляемых методом порошковой металлургии. Данная технология дает возможность получать псевдосплавы, обладающие в ряде случаев уникальными, недостижимыми для традиционных материалов, физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Приведенные соображения позволяют сделать заключение о том, что порошковая технология останется перспективным направлением.

Следует, однако, отметить, что внедрение методов порошковой металлургии применительно к производству деталей различного назначения происходит в жесткой конкурентной борьбе с традиционными технологиями штамповки, литья, механической обработки, прокатки. Дальнейшее расширение номенклатуры изделий порошковой металлургии зависит от разработки эффективных и конкурентоспособных методов повышения их эксплуатационных свойств.

Одним из перспективных направлений является метод получения изделий горячей штамповки пористых заготовок. Этот метод позволяет получать

изделия достаточно сложной формы, с минимальной пористостью и повышенными физическими и механическими свойствами материала.

Однако в настоящее время обеспечение лишь только беспористого состояния материала не является основной задачей. Первостепенное значение приобретают возможности расширения области применения методов порошковой металлургии за счет создания порошковых материалов с повышенными эксплуатационными свойствами.

Перспективным в этом отношении представляется использование химико-термической обработки, основанной на диффузионном насыщении (легировании) поверхностных слоев материала, при котором насыщаемые элементы вводятся в кристаллическую решетку основного металла путем диффузии. Такое поверхностное легирование может производиться как за счет неметаллов (углерода, азота, кислорода и др.), так и металлов (хрома, алюминия,

титана, никеля и др.) [3,6].

Сведения по выбору рациональных методов комплексного диффузионного насыщения, технологических схем, режимов насыщения и горячей штамповки, состава насыщающей среды и насыщаемых материалов, а также последующей термической обработки, в литературе отсутствуют. Решение этих задач позволит расширить номенклатуру изделий из горячештампованных порошковых материалов, потому что диффузионные слои на порошковых сталях отличаются высокими коррозионно-, жаро- и износостойкостью [11,18].

Эффективным способом нанесения покрытий является метод электроискрового легирования поверхностей. Сущность метода заключается в нанесении слоя металла на поверхность материала с помощью электрического разряда [9].

Метод электроискрового легирования, несмотря на низкую производительность процесса, широко применяется в промышленности благодаря большой гамме электродных материалов, высокой адгезии, возможности локальной обработки без дополнительной защиты остальной

поверхности. Кроме того, оборудование имеет относительно невысокую стоимость, а технология характеризуется низким энергопотреблением, не загрязняет окружающую среду и не требует применения труда высококвалифицированного персонала. Несомненным достоинством метода является отсутствие нагрева обрабатываемой детали [10].

Электроискровым легированием можно осуществлять локальную обработку на площадях радиусом от 0,5 мм на поверхностях любой кривизны и значит, обрабатывать только те участки поверхности детали или инструмента, которые подвергаются изнашиванию [12].

Технология электроискрового легирования обладает рядом существенных достоинств: не требует специальной подготовки поверхностей, обеспечивает высокую прочность сцепления слоя покрытия с основным материалом, придает поверхности детали требуемые эксплуатационные свойства, повышает стойкость упрочненных инструментов в 2-3 раза; позволяет экономить дорогостоящие инструментальные стали; позволяет использовать в качестве легирующих материалов, как чистые металлы, так и многие сплавы (металлокерамические, композиционные, тугоплавкие соединения и т.п.), исключает нагрев или допускает незначительный нагрев обрабатываемой поверхности в процессе легирования, который не может изменить ее геометрию и физико-механические свойства, отличается простотой технологического процесса, малогабаритностью и транспортабельностью оборудования [15].

Каждый из рассмотренных методов имеет преимущества и недостатки. Выбор оптимального способа обработки зависит от многих факторов, таких как стоимость и размеры детали, количества деталей подлежащих обработке и

условий их эксплуатации.

В условиях рыночной экономики применение каждого из рассмотренных методов должно быть оправдано экономически. Несмотря на большое количество существующих методов получения функциональных покрытий необходимо четко определить границы применения каждого метода.

На защиту выносятся следующие положения:

- установленные зависимости толщины функциональных покрытий и физико-механических свойств горячештампованных порошковых сталей от параметров режима диффузионного насыщения Сг-Мо-№-У в порошковой

засыпке при печном нагреве;

- установленные зависимости толщины функциональных покрытий и физико-механических свойств горячештампованных порошковых сталей от параметров режима электроискрового легирования электродом системы Сг-Мо-М-У;

результаты исследований структуры и фазового анализа горячештампованных порошковых сталей с покрытиями, полученными методами диффузионного насыщения и электроискрового легирования элементами системы Сг-Мо-№-У.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Хром, молибден, никель, ванадий (Сг - Мо - № -V), как легирующие

элементы материалов на железной основе

Разные элементы весьма неодинаково влияют на положение критических точек железа А3 и А4. По классификации теоремы Вевера легирующие элементы по этому признаку разбивают на два основных и два промежуточных класса. К первому классу относятся элементы, которые дают с ¥е диаграмму состояния с открытой областью (N1, Мп, Со, Р1 и т.д.) Второй класс объединяет элементы, которые дают с железом диаграмму состояния с замкнутой областью (А1, 81, Сг, Мо, XV, Та, V, Т1, Р, вп, Мэ, Ъп, Ве, вЬ). К промежуточным классам относятся элементы, расширяющие или суживающие область [2].

Влияние легирующих элементов на превращения в твердых растворах железа должно определяться общими законами взаимной растворимости элементов, т.е. изоморфностью, различием атомных радиусов и, главным образом, характером и энергией межатомного взаимодействия.

Практическое применение а- и у-сплавов железа с различными элементами обусловлено тем, что они обладают особыми химическими (жаростойкостью, кислостойкостью, коррозионной стойкостью), физическими (магнитными, электрическими, тепловыми), специальными (износостойкостью, сопротивляемостью ползучести и др.) свойствами [8].

Хром имеет характерный металлический блеск. Температура плавления хрома колеблется в пределах 2073-2223 К. Плотность хрома меньше, чем у железа, она равна 7,19 г/см3. Главная особенность хрома - его устойчивость к

действию кислот и кислорода.

Хром относится к числу элементов, образующих с железом твердые растворы типа замещения. Железо и хром имеют неограниченную растворимость в твердом и жидком состоянии, не зависящую от температуры.

Диффузия хрома в железо может быть завершена переходом одного металла в другой. Неограниченная растворимость хрома в железе обусловлена

изоморфностью кристаллических решеток обоих компонентов [93].

Соответственно параметр кристаллической решетки a-Fe увеличивается в твердом растворе при увеличении концентрации хрома в слое и уменьшается температура А4. В сплаве системы Fe - Сг образуется замкнутая область у-фазы с предельно возможным содержанием хрома 12,8% при температуре 1273 К. При увеличении содержания хрома до 45% и температуре ниже 1093 К образуется химическое соединение - a-фаза, отвечающее формуле FeCr [2]. Согласно рентгенографическим исследованиям a-фаза имеет сложную кубическую a-решетку с низкой симметрией.

При достижении предельной концентрации хрома в у-фазе происходит полиморфное превращение у->а и дальше диффузия протекает в a-фазе. При полиморфном превращении у->а на изотерме процесса (1473 К) устанавливается пере