автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование процессов борирования и хромирования порошковых материалов на железной основе и свойств диффузионных покрытий

ТБ ^ КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

1 ц ЦЮП 1333

на правах рукописи

МАДВД АБДАЛЛАХ /САР/

УДК 621.785.51

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ БОРИРОВАНИЯ И ХРОМИРОВАНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЖЕЛЕЗНОЙ ОСНОВЕ И СВОЙСТВ ДИШЗИ01ШИХ ПОКРЫТИЙ

Специальность 05.16.01 - Металловедение и териическал

обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев 1993

Работа выполнена в Киевском политехническом институте

Научный руководитель : Научный консультант : Официальные оппоненты

Ведущая организация

кандидат технических наук, доцент Эпик А.П .

доктор технических наук, профессор'Белоус М.В.

доктор технических наук, профессор Лоскутов В.Ф.,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Шавловский E.H.

Институт проблем материаловедения им. И.Н.Францевича АН Украины

Защита диссертации состоится 21 июня 1993 г. на заседании специализированного совета К 068.14.09 Киевского политехнического института по адресу : 252056, г.Киев, пр.Победы, 37, КПИ, ИМ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Вая отзыв, эаверешшй печатью, просим высылать по указанному адресу.

Автореферат разослан fß мая 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

доцент ¡¿¿^ ' Пиковский B.C.

АННОТАЦИЯ

Цель работа. Наследование процессов ХТО / бориров&ния а хромирования / порошковых сирых н епечешшх, серийных иатзрнаяоз на язяазной основе , изучение свойств материалов после ХТО а выработка на этой основе режимов , позволяпцих совмещать процесс сяеколпя и диффузионного насыщения спрессованных изтвряалов э одном цикле.

Д5Я достижения поставленной цели необходимо было решение еда,нунция задач:

1. Изучить влияния состава , исходной пористости ыатврналеа и рвжиыоз насыщения на кинетику форинроваиия дкф$узионицх борироватшх и хромированных слоев и кз«зненаа размеров заготовок.

2. Провиати сравнительные испытания ызхаиических свойств / прочность при разрыва и изгиба / материалов, спеченных по стандартный реяииаи и подвергнутых хромирования или борнроаа-

Н'ДП.

3. Провес?:! сравнительные испытания тркботехннчоских свойсгз, sapo- н коррозионной стойкости материалов, подвергнутых спеканию по стандартны« резинам или ХТО.

4. Изучить влияний состава материала и режимов насыщения на структуру, фазовый н химический состав диффузионной зоны.

5. На основании анализа полученных результатов , дать рекомендации но реаииак обработки, позволяющих'совладать процесс борировання или хромирования спрессованных материалов с процессом спекания.

6. Пронести ХТО реальных порошковых деталей на основе калеча и испытать hx в натурных условиях совместно с такише жз деталями, изготевлешшыи по'серийной технологии.

Основные полокення диссертации, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований закономерностей формирования и кинетики роста борирсванных и хромированных слоев в зависимости от состава материалов, их пористости и режимов насыщения.

2. Закономерности изменения линейных размеров заготовок в зависимости от состава материалов, пористости и режимов ХТО.

3. Результаты исследований изменения механических свойств

материалов в зависимости от их состава, пористости и режимов обработки.

4. Закономерности повышения трнботехнических и химических свойств поверхности материалов после ХТО по сравнению со спеченными материалами.

5. Разработка режимов совмещённого процесса ХТО и спекания исследованных материалов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Химико-термическая обработка / ХТО / порошковых материалов, прежде всего на железной основе, может явиться таким же эффективным средством повышения их вксплутационных свойств, как это уже доказано для соответсвующих компактных материалов - сталей и чугунов. Однако, до настоящего времени разработка процессов ХТО порошковых материалов и особенно их практическому применению уделяется незаслуженно мало внимания. Лучше других исследованы традиционные процессы цементации , азотирования и сульфидирования порошковых материалов , которые иногда применяются для повышения , главным образом , антифрикционных свойств деталей . Значительно в меньией мере изучены процессы диффузионного борирования, хромирования , титанирования и силицирования , которые могут обеспечить болео высокие свойства диффузионных слоев, в частности, износо-, жаро-и коррозионную стойкость, чем традиционные процессы ХТО.

Больной практический интерес представляет разработка режимов ХТО , позволяющих совмещать их с процессом спекания , экономя тем самым трудовые , энергетические и материальные ресурсы . Однако разработка совмещенных процессов ХТО и спекания также практически не производилась , и ХТО, как правило, используется после предварительного спекания деталей. Кроме того, имеющиеся в литературе данные по ХТО порошковых материалов, носящие иногда противоречивый, отрывочный характер, затруднены для практической реализации.

Среди процессов ХТО, обеспечивающих получение диффузионных покрытий с высокой износо-, жаро- и коррозионной стойкостью и нашедяих широкое практическое использование для улучшения свойств

конструкционных и инструментальных стальных деталей , большой интерес представляют борированиа и хромирование . Эти процессы могут осуществляться , в частности , с применением насыщающих недорогих порошковых сред , достаточно технологичны и универсальны в смысле свойств диффузионных слоев и могут быть освоены на стандартном термическом оборудовании . Однако применительно к порошковым материалам процессы борирования и хромирования изучены недостаточно . и редко применяются на практике. Поэтому ати процессы и были выбраны для ХТО порошковые материалов на железной основе. Повышение срока службы и надежности деталей из таких материалов , прежде всего конструкционного и триботехнического назначения , требуются в различных областях промышленности.

Научная новизна. Установлены закономерности роста диффузионных хромированных и борированных слоев в зависимости от состава материала, пористости, температуры и времени насыщения, которые достаточно хорошо соответствуют теоретическим представлениям о кинетике диффузионных процессов в металлических сплавах. Впервые обнаружен факт- уменьшения роста диффузионного боридного слоя с увеличением температуры от 950° до Ю50°С для материала СП90ДЗ / около 3% Ca /, что можно объяснить существенным увеличением растворимости меди в железе с ростом температуры. Увеличение пористости образцов , как и следовало ожидать, ведет к увеличению диффузионной подвижности диффундирующих влементов за счет большого вклада поверхностной и граничной диффузий и , как следствие, к большей глубине диффузионной зоны. При сравнительных испытаниях на прочность при изгибе и разрыве установлено , что образцы , спеченные по стандартному режиму и подвергнутые хромированию или борированию, имели примерно одинаковые свойства. Это позволяет сделать вывод о возможности подвергать борированию или хромированию спрессованные детали , совмещая процессы спекания и диффузионного насыщения в одном цикле. Установлено , что при различных условиях испытаний образцы, подвергнутые ХТО, имели значительно большую износо-, жаро- и коррозионную стойкость по сравнению со спеченными.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработаны технология борирования и хромирования серийно

7у /V

выпускаемых порошковых материалов на железной основе марок СПЗО, СП90 и СП90да, осуществляемые в порошковых насыщающих смесях на стандартном термическом оборудовании. Изучена зависимость толщины диффузионного слоя от состава и пористости материалов , температуры и продолжительности насыщения . Определены изменения линейных размеров спрессованных заготовок в зависимости от режимов ХТО и показано, что эти изменения находятся в пределах допусков на детали 2-3-го класса точности. Это значит, что для таких деталей ХТО может быть финишной операцией обработки. На основании •тих исследований , а также изучения прочности при изгибе и разрыве показано, что процесс борирования или хромирования можно совмещать с процеосом спекания, и найдены рациональные режимы ХТО для борирования : 950° - Ю00°С, выдержка 2-3 часа и для хромирования ! 1050° - П00°С, выдержка 3-4 часа.

Проведенные испытания на износо-, жаро- и коррозионную стойкость показали, что материалы , подвергнутые ХТО, во всех случаях имеют существенные преимущества по сравнению со спеченными по стандартной технологии : П40+20°С, выдержка 2-3 часа, защитная среда . Это позволяет рекомендовать процессы борирования и хромирования для финишной обработки как спеченных, так и сырых деталей из порошковых железных материалов конструкционного и триботехнического назначения для повышения их срока службы и надежности. Разработанная технология борирования позволила увеличить срок службы деталей форсунки распыления жидкого топлива, изготовленных из порошкового материала СП90ДЗ , до 2000-25000 часов по сравнению с серийными деталями из закаленных сталей марок 40Х, У8-У10 со сроком службы 650-1000 ч.

Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на .XXIII семинаре по диффузионному насыщению и защитным покрытиям /г.Ивано-Франковск, 1990г./; на постоянно действующем семинаре "Внедрение прогрессивных методов термообработки в промышленности" /г.йодино, 1990 г./} на ХУП международной конференции по порошковой металлургии / г.Киев, 1991 г. /; на конференции "Современные методы химико-термической обработки металлов и сплавов" /г.Киев, 1991 г./; на семинаре "Роль диффуэиошшх процессов в формировании Поверхности металлов с особыми свойствами и образовании неразъемных соединений" /г.Киев,

1992/ { на ХХ1У семинаре по диффузионному насыщению /г.Киев, 1992/ { на Республиканской научно-технической конференции "Прогрессивные технологии производства, структура и свойства порошковых изделий, композиционных материалов и покрытий" /г.Волгоград, 1992/.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Объем диссертации.Диссертационная работа изложена на 121 странице машинописного текста и состоит из введения , семи глав , заключения и приложения. Включает 14 таблиц, 46 рисунков. Список литературы содержит 102 наименования.

Введение содержит обоснование актуальности темы диссертационной работы , постановку цели и задачи исследования, формулировку научной новизны и практической ценности работы.

Первая глава посвящена анализу литературных данных по процессам диффузионного хромирования и борирования компактных и порошковых материалов. Рассмотрены особенности ХТО порошковых материалов , обусловленные их пористостью , неоднородностью макро- и микро-структуры . Обоснован выбор метода насыщения из порошковых сред, как достаточно простой и надежный и легко осуществляемый на стандартном термическом оборудовании. Имеющиеся в литературе данные по ХТО порошковых материалов, в частности, по борированию И хромированию, недостаточны, часто они носят фрагментарный и отрывочный характер. Отсутствуют практические рекомендации по использованию втих процессов для обработки как спеченных, так и сырых порошковых материалов. Мало данных о возможности совмещения процессов спекания и ХТО, не предложены режимы таких процессов. Отрывочный характер имеют сведения о влиянии процессов ХТО на механические и физико-химические свойства материалов и поверхностных слоев. На основании анализа имеющихся данных обоснованы цель и аадачи исследования.

Во второй главе приведены характеристики и некоторые свойства используемых материалов , описана технология изготовления образцов и их ХТО , приведена методика исследования структуры и свойств материалов и диффузионных покрытий. В качестве исходных для изготовления образцов выбраны серийные порошковые материалы на основе железа марок СПЗО, СП90 и СП90ДЗ , содержащие , кроме железа , углерод

¿ 0.3*, л'О.Э* и медь <^3* соответственно. Образцы в виде цилинд-. ров, втулок и стандартные дяя испытаний на изгиб и разрыв изготавливали холодным прессованием под давлением 400 , 600 и 600 Ша, что обеспечивало им общую пористость соответственно 19-21*, 13-15* и 9-II*. Процесс ХТО проводили порошковым методом /ГОСТ 28426-90/ в контейнерах из жаростойкой стали XI8HI0T . Смесь для хромирования, состоящую из 45* Сг + 50* ALpOg + 5* NH^CL, герметизировали затвором, состоящим из прослойки асбеста, песка и плавкого компонента / силикат-глыбы или борного ангидрида /. Для борирования использовали специально разработанный порошковый боризатор марки ЕКБ-2, не требующий применения плавкого, затвора. Процесс ХТО проводили в воздушно-электрических печах в диапазоне рабочих температур 900°-Ю00°С для борирования и IOOO°-IIOO°C для хромирования с интервалом 50°С при выдержке 2 * 5 часов с интервалом I час.

Для определения изменения размеров и общей пористости образцы до и пооле ХТО измерялись микрометром и взвешивались на аналитических весах.

Металлографические и микродюрометрическив исследования выполняли на микроскопах ILVT-3, ШМ-8 и NE0PH0T-2I при увеличениях 100 -400 раз.. Фазсвый состав слоёв определяли рентгеноструктурным анализом на дифрактометре ДР0Н-2.0 с применением кобальтового Кл- излучения. Распределение химических элементов по глубине диффузионных слоёв определяли катодом ose-спектроскопии на установке JAMP- IOS Исследования проводили на полированных шлифах торцев цилиндрических при ускоряющем напряжении 10 кВ, токе электронного зонда Зх и увеличениях 300, 450 и 1000. ...

Износостойкое^ образцов при трении скольжении на воздухе и в масле определяли на машине марки СМГ-1 при скорости скольжения I м/с и удельной нагрузке I Mía по схеме "диск- диск". В качестве контртела применяли образцы из закаленной стал» ЗОХГСА с твёрдостью 5860 НЕС. Механические испытания на изгиб и разрыв проводили по ГОСТ 18228-82. Жаростойкость в интервале температур 20 - 800°С на воздухе определяли на приборе "Дериватограф 1500 Д" при непрерывном и периодическом взвешивании. Коррозионную стойкость в Ю*ных растворах азотной и серной кислот и 3*-ном раствора хлористого натрия изучали весовым методом и методом электрохимического потенцнометрировшшя. целью выявления механизма коррозии часть образцов , спеченных или

о диффузионными покрытиями, посла испытаний подвергали микроструктурному анализу на влектронном микроскопе марки ТЕ51А при увеличениях 500-1000 раз.

В третьей главе представлены, результаты^исследования влияния состава и пористости материалов и режимов их ХТО на кинетику роста диффуэиошндс слоёв и изменения их линейных размеров. На основании анализа полученных результатов выбраны режимы, обеспечивающие получение сслсёв опт ¡шальной толщины с минимальным изменением размеров.

Глава четвёртая посвящена исследованию структуры, фазового и химического состава диффузионной зоны.методами металлографического, рентгеноструктурного и оже-спектрального анализов. В ней же пред--ставлены данные по измерению твёрдости и микротвёрдости диффузионной зоны .

В главе пятой исследовано влияние составов и пористости не^ спечённых материалов! и выбранных по результатам главы 3 режимов., та обработки на механические свойства ^ прочность на изгиб и разрыв. Полученные данные сравнены;с результатами таких же испытаний материалов, спеченных по стандартным, режимам, и сделан выбор режимов ХТО, позволяющих совмещать юс с режимом спекания.

В главе шестой представлены, результаты, исследования трибогезст нических свойств материалов, подвергнутых ХТО и спеченных по стандартный режимам. Установлено, что во всех случаях при различных '. условиях испытаний образцы после ХТО имели более высокие; свойства по сравнению со спеченными.

Глава седьмая посвящена исследованию жаростойкости на воздухе. и коррозионной стойкости; в Ю^-ных водных растворах азотной и серной кислот и Энного раствора хлористого натрия материалов после спекания по стандартной технологии и после ХТО. В ней приведены' результаты натурных испытаний порошковых деталей форсунки для распыления жидкого топлива после диффузионного борирования, показавшие 3-4-х кратное повышение.срока службы.

ОСНОВНОЕ СОДйРЕАшШ; РлиЛ'а

Различные виды ХТО порошковый материалов, в частности на основе железа, существенно повышают эксплутационные свойства рабочих поверхностей - твёрдость, износостойкость, антифрикционные характеристики, жаро- и коррозионную стойкость. Значительный интерес

в »том. плане представляют процессыы диффузионного хромирования и борирования, которые для компактных металлов, прежде всего для. конструкциошшх и инструментальных сталей, нашли широкое прошщ-ленное применение. Это объясняется тем обстоятельство!«, что при хромировании в поверхностной зона образуются диффузионные слои, содержащие 30-60* Сг в зависимости: от состава стали и режимов насыщения. Если столь содержит 0.8^ С, наружный слой диффузионной зоны, может состоять из карбидов, хрома с микротвёрдость» Г6000-18000 Ша. Такие слои обладают повышенной износостойкостью, высокой каро- и коррозионной стойкостью

При борировалки на поверхности образуется, как правило, двухфазный. диффузионный слой, нарузшыйй слой представляет собой фазу ГеБ с микротвёрдостью 17000-20000 Ша, внутренний - фазу Г^В с. ыикротвёрдостью 13300-16000 Ша. Значения мккротвёрдостя зависят, в основном, от состава материала. Боридаые слои обладают, прежде всего, высокой износостойкостью, в том числе абразивной, так как наиболее распространённый природныйй абразив- песок - имеет микротвёрдость 12000 Ша. Следует отметить, что микротвёрдость заявленной, цементированной и азотированной стали находится обычно в пределах 7000-9300 Ша, т.е. примерно в 2 раза ниже борированной.

Применительно к порошковым железный материалам процессы хромирования и борирования изучены недостаточно, поатоцу редко используются на практике. Особый интерес представляет разработка таких технологий ХТО, которые позволяли бы совмещать их с процессами спекания. Дет хромирования и борирования такая совмещённая технология представляется вполне реальной, поскольку временные и температурные интервалы процессов спекзяия железных материалов и аналогичные характеристики процессов этих видов ХТО близки. Типичными режимами для спекания являйся : температура Л40+г0°С, изотермическая выдержка 1.5 - 3 часа; для хромирования состветственно-1050°-1150°С, 3-5 часов? для борирования - 950°-Ю50°С, 2-4 часа. .

Чтобы ответить на вопрос о возможности совмещения процессов ХТО и спекания и выбрать режимы такой технологии, надо решить минимум три важных практических задачи. Во-первыхх , необходимо знать, будет ли достигнут в совмещённом процессе необходимый уровень физико-ыахоиическгос свойств материалов , и на сколько он бу -дет отличаться ст уровня, обеспечиваемого общепринятыми, стандартными режимами спекания. Во-вторых, необходимо выяснить, как будет

посла совмещенного. процесса наняться- геометрия деталей, ио&ио ли обеспечить их необходимую точность, и в каких пределах без дополнительной обработки / например, калибровки, шлифовки /. Известно , что спекание металлических материалов сопровождается линейной'., к объемной усадками, а диффузионное насыщение ведёт к незначительному. увеличению наружных и уменьшению внутренних размеров. Таким образом, спекание и ХТО в отношении изменения! размеров будут . действовать в противополозшис направлениях , и необходимо подобрать такие режима совмещённого. процесса, чтобы ати изменения были стабклым и минимальна, ж можно было бы учесть при изготовлении прессформ для прессования. Это,естественно,относится к деталям высокой точности. И .наконец, в-третьих, необходимо разработать, приемлемые для производства технологические процессы. ХТО, в частности, насыщающие среда, позволяющие, юс применять на стандартном печном оборудовании^для спекания и термообработки, как в защитной, так и в воздушной среде.

Нам представляется, что достаточна универсальными, технологии^ ними и простыми в обращении, являются порошковые насыщающие среды, которые, широко используются для борировадия и хромирования компактных материалов в печах с воздушной средой. Эти среда были использованы в наш« экспериментах : для хромирования применяли, порошков вую смзсь, состоящую из 45^ О + 50% А^О^ + ^ НН^СЬ., для бори-рования - порошковый боризатор марки. В1{Б-2 на основе отходов технического карбида бора, позволяюций проводить, процесс без использования для герметизации контейнера плавкого затвора. Хромирущая . . смесь и боризатор использовали: многократно, обновляя их перед очередным употреблением, добавкой. 10-15?» свежего состава,- ■ ■- -.

Механизм доставки бора . и. хрома к насыщаемой поверхности.осуществляется через газовую фазу, а именно через, субфторида.бора. /ВГ ,ВЕ)/ или субхлориды.хрома /СрС! ,.. ОгС!^/ , которые диспропор.т ционируют на поверхности, выделяя атомы, бора или хрома.

Борироваяие. проводили при температурах 950° и, Ю00°С при изотермической выдержке 2, 3 к. 4 часа, хромирование соответственно " при 1000°, 1050° и И00°С, 2,3,4,5 часов. Для каждой партии образцов /сплошных' цилиндров г в тулон/ ' производили замер размеров до и после ХТО, определяли абсолютное и относительное изменение дна-: метров и высоты образцов. Для каждого режима ХТО по металлографическим травленным шлифам измеряли глубтгу диффузионного, слоя и изучали структуру, фазовый и химический состав слоя и диффузионной

зоны, определяли по Роквеллу твёрдость и микротвёрдость.

Кинетика роста боридных слоев в зависимости от состава мате^ риала, его пористости и режимов насыщения представлена в'табл.1, *э которой видно, что с ростом температуры и времени выдержки, а также пористости глубина слоев занономерно увеличивается. При графическом изображении этой зависимости видно,-что она имеет для температуры вкспотенциальный характер, а для времени - параболический, что соответствует лринятым представлениям и кинетике процессов диффузионного насыщения металлов. Естественно, для пористых материалов скорость роста сдоёв существенно выше, чем дая соответствующее по составу компактных, т.к. в первом случае существенный . . вклад вносит поверхностная и зернограннчная диффузия, осуществляемая быстрее, с меньшей анергией активации. Следует отметить, что глубина диффузионных слоев на только спрессованных образцах была, во всех случаях на 15-20К больше , чем на предварительно спеченных. Это можно объяснить большей дефектностью и неравновесностью кристаллической структуры спрессованных образцов по сравнению со спе-ченнымк, а также большей протяжённостью границ зёрен и большей открытой поверхностью. В спрессованных образцах кристаллическая структура имеет больше дефектов, в частности , вакансий, по который преимущественно и осуществляется диффузионный массопереаос.

Таблица I

Зависимость глубины боридного елея, мкм, от условий борировшшя спрессованных материалов различного состава в пористости......

Условия борирования Марка материала и пористость

Температура, °С СПЗО СП 90 0190ДЗ

час П-10^ 1Г=20>6 п-юз* П=20% П-10* П=20Х

..950 ¿. 4 -да™ .130. 160 1Ш ~ Л50_. 180 V & ,.124. . 140 уи "Э Ш .90. .. 120 УО .120 ... 135

1000 3 ...... 4 " 200 250 23^ 290 • ли 170 •210 195 220 1ш 140 170 ■ 140 " 150 100•- -

Как видно из дамок табл.1, увеличение содержания углерода и особенно добавка меди уменьшают глубину боридных слоёв, что соответствует качественно влиянию этих элементов при борироваиии компактных сталей. Исследование микроструктуры показало, что повышение концентрации углерода ведёт к укрупнению боридных игл, концы которых становятся более округлыми ., т.е. происходит своеобразное "сгла- . живание" границы боридного слоя, что отмечалось и другими авторами. Это "сглаживание" может быть связано с уменьшением доли граничной диффузии: бора в результате блокирования границ зёрен углеродом, который вытесняется борой с поверхности в переходную зону и сосредотачивается в основном по границам зёрен. Борирование железоуглеродистых материалов сопровождается образованием под слоем боридов переходной, довольно глубокой зоны, содержащей повышенное количество углерода и соответственно перлита. В этой зоне содержится и небольшое количество бора, который замедляет образование феррита и уменьшает его содержаний в переходной зоне. Заметного увеличения аустенитного зерна в переходной зоне железоуглеродистых порошковых материалов, как это имеет место в компактных сталях, не наблюдали.

При борировании материалов относительно низкой пористости /П=20*/ на первом этапе происходит резкое снижение открытой пористости за счёт диффузии бора по поверхности пор и образования боридных фаз с большим объёмом, чем израсходованный на это металл. Это тормозит, со временем проникновения газовой насыщающей среда вглубь материала.и обусловливает сравнительно небольшое влияние пористости на общую глубину боридного слоя. Незначительное увеличение /на 13-15*/ её при возрастании пористости от 10 до 20* обусловлено .'. . .повышением вклада диффузии по границам зёрен и по поверхности эа- . крытых пор, которая., как известно, происходит значительно быстрее, чем по объему зерна. - .....

Боридный слой, по данным, рентгеноструктурногс анализа, состоит из двух фаз - ГеВ на поверхности, и Ге;>3 на границе с переходной зоной. С ростом пористости относительное содержание фазы ГеВ уменьшается, а фазы Ге2В возрастает, что отмечено и в других работах.

Кинетика диффузионного хромирования порошковых материалов принципиально нр отличается от борирования, только толщина сплошного слоя и диффузионной зоны, как и для.компактных материалов , з случае хромирования существенно меньше. С ростом содержания углерода в исходном материале скорость роста диффузионного слоя за-, метно уменьшается, т.к. происходит образование поверхностного слоя

карбидов хрома, преимущественно состоящего из Сг^С^ и GryCg , ча- 1 рез который диффузия хрома идёт медленно. Добавка меди незначительно ускоряет глубину хромированного слоя / см. табл.2 /.

Таблица 2

Зависимость гдубюш хромированного слоя, шщ, от условий хромирования спрессованных материалов различного состава

......... .................... и пористости . ... .............

¡Условия хромирования! Марка материала и пористость !

Темпера- ! Выдерааса, 1 11 ' ■ !.....СИЗО..... СП90 \ спзода ......-(

тура, С ' ! - час ' t |П=15* ! П=20/6 П-15:* !П«=20* !П-15« ! i

1 2 I , 36 ! 44 20 22 1 1 t 25 j 30 !

1050 ! ... 3 j 48 , 60 27 , 30 ,32 , 37 !

! 4 ! 60 ! 75 32 , 35 i 36 , 42 !

! 2 ! 40 ! 46 30 ! 35 ! 40 ! 45 !

1X00 ! 3 ! 55 ! 66 37 ! 42 ! 46 50 J

(......4' ' { 65 | 78 42 J 48 \ 50 | 55 |

После диффузионного хромирования по данным ыеталлографичекшс исследований, поверхностная зона имела сущзствеаио большую плот.-ность. по сравнении с сердцевиной, причём плотность убывала постепенно от периферии до внутренней границы диффузионного слоя. При хромировании железоуглеродистых материалов, как правило, образуются три.отличающиеся по структуре, фазовому составу и свойствам зоны : внешняя, плотная, небольшой глубины / 2-7 мкм./ зона карбидов хрома; промежуточная феррито-перлитная зона.с включениями отдельных карбидов;.обезуглероженная внутренняя, состоящая преимущественно из феррита. Такая структура диффузионных зон объясняется закономерностями взаимодействия хрома и углерода при их встречной диффузии - хрома от поверхности вглубь сердцевины материала и углерода из сердцевины к поверхности. „..

Оже-спектроскопичаские исследования шлифов образцов от периферии вглубь диффузионной зоны позволили оценить химический состав и распределение элементов в зоне. Так, при борировании материала СП90

от периферии на глубину 8-10 икм наблюдается увеличение интенсивности линий бора и железа, что соответствует образованию фазы 1еВ, далее вглубь интенсивность линий бора снижается примерно в 2 раза, а железа незначительно, что отвечает фазе Рз^' распространяющейся на глубину более 30 мкм. Под боридным слоем наблюдается несколько повышенная концентрация углерода, оттеснённого бором с поверхности вглубь. Необходимо отметить, что практически по всей глубине диффузионного слоя наблюдается незначительная концентрация азота, который может диффундировать из боризатора за счёт адсорбированного на его тонкодисперсных частицах воздуха.

При хрошгровании материала СП90 на глубине до 15 мкм от периферии растёт содержание хромай углерода, падает содержание железа, что указывает на образование тонкого поверхностного слоя из карбидов хрома. Содержание хрома и углерода уменьшается, железа возрастает и на глубине от 15 до 30 мкм и далее образуется преимущественно легированная ферритная зона, содержащая также перлит.

Результаты исследований изменения геометрических размеров образцов после ХТО показали, что эти изменения зависят в основном от пористости и реаимоз ХТО. Влияние состава сказывается в меньшей степени. Изменения носят не всегда однозначный характер, т.к..процессы спекания и диффузионного насыщения действуют на размеры образцов в противоположном направлении - спекание вызывает усадку и уменьшение размеров, диффузионное насыщение их увеличивает.

При борироаании для всех материалов и режимов наблюдалось незначительное увеличение наружного диаметра и высоты образцов, которое составило для диаметра 0.2-0.4* от первоначального значения, для высота - 0.15-0.2*. Из этого можно сделать вывод, что рост образцов за счёт борйрования превышает незначительно их уменьшение за счёт усадки, и это изменение.- соответствует допуску для деталей 2-го, 3-го и меньших классов точности. Его не сложно учесть и при изготовлении матриц прессформ. При хромировании, поскольку температура выше, выдержка несколько больше, чем при борировании, а.диффузия хрома происходит медленнее, чем бора, изменение размеров не всегда идёт в сторону их увеличения. Но,как и в случае борированил, эти изменения незначительны и составляют +0.2-0.4^ от первоначальных размеров спрессованных образцов, т.е. тагасе соответствуют пределам допусков для деталей невысоких классов точности.

Для оценки механических свойств материалов "различных состапст»

и пористости, подвергнутых спекали» по стандартному режиму /1140о+20°С, выдержка 2 часа, среда - природный конвертированный газ/ и борированных /1000°С, 2 часа/ иди хромированных :/Ю50°С , 3 часа/, проводились испытания на прочность при разрыве и изгибе по стандартной методике. На рис.1 представлены результаты испытаний спеченных и борированных образцов, из которых видно, что прочность на разрыв материалов СПЗО и СП90 практически одинакова для обоих режимов обработки. Для материала СП90ДЗ борированные. образцы имели примерно на 25 - 30?» меньшую прочность, что.можно объяснить влиянием меди, которая при борировании не была в жидком состоянии, в то время как при спекании по стандартному режиму жидкая медь интенсифицировала процесс спекания, легировала железо и способствовала тем самым упрочнению материала. При испытаниях на изгиб борированные образцы имели такую же, а дня материала СП90 даже более высокую / на 409»/ прочность, чем спеченные по стандартному режицу.

Рис.1. Прочность при разрыве и изгибе материалов СПЗО /I/, СП90 /II/ н 0190ДО /III/, спеченных, по стандартным режимам /1/ и борированных после прессования при 1000°С в течение 2 часов /2/

На рис.2 представлены результаты испытаний спеченных и хромированных образцов. Причём хромированию подвергали как сырые образцы, гак к предварительно спеченные. Как и следовало ожидать, наибольшие значения прочности показали хромированные образцы, подвергнутые предварительному спеканию. Образцы марок СИЗО и СП90, хромированные я спеченные по стандартному режиму, имели примерно одинаковую прочность, а для материала СПЭОДЗ спекание по стандартному режиму дало более высокие значения прочности, что, каи и в случае борирования, объясняется влиянием жидкой меди на процесс спекания и легирования железа. Таким образом, проведенные механические испытания позволяют сделать вывод о возможности совмещения процессов борирования и хромирования с процессом спекания. При этом в случае борирования можно рекомендовать режим - 1000°С, выдержка 2-3 часа; в случав хромирования - 1050°-НОО°С, выдержка 3-4 часа.

Рис.2. Износостойкость образцов СПЗО /I/, СП90 /1Г/ и

СП90де /III/ с пористостью 10 и 20* после спекания /\/ и борирования при 950°С в течение 2 часов /2/

Для оценки триботехнических свойств диффузионных слоев проведены сравнительные испытания образцов, спеченных по стандартному режиму и подвергнутых борированию или хромированию. Испытания проводились по

различным методикам. Часть образцов в виде колец размером внаружбОмм #внутр16мм»толщиной 20мм испытывали на малине трения СМГ-1 по схеме "диск-диск" при трении скольжения на воздухе и в масле марки И-20 под нагрузкой I Ша со скоростью скольжения I м/с. Контртелом служил диск из закалённой стали ЗОХГСА с твёрдостью 58-60 НРС. Износостойкость оценивали по изношенному объёму в мм^ , отнесённому к пройденному пути износа, км. При изнашивании на волдухе и в масле стойкоси борировашшх я хромированных образцов была в 10-12 раз выше по сравнении со спеченными по стандартному режиму; Коэффициент трения образцов, подвергнутых ХТО, был во всех случаях меньше, чем спеченных, и находился в пределах 0.08 t 0.12.

Часть образцов в веде цилиндров подвергали испытаниям на износостойкость по специальной методике на лабораторной установке. Методика состояла в измерении диаметра отпечатки лунки износа после вдавливания в образец вращаегося твёрдоплавкого стержня со сферической головкой диаметром 3 мм при нагрузке I кгс в течение одинакового времени нагружения от X до 3 мин. Увеличение диаметра лунки износа означало уменьшение износостойкости испытуемого материала. На рис.3 представлены результаты испытаний, из которых следует, что во всех случаях износостойкость борированных образцов на 30-50* выше, чем только спеченных. Аналогичные результаты получены и при испытаниях хромированных образцов, .

Практическую ценность представляет исследование жаро- и коррозионной стойкости материалов после ХТО. В случае борирования и особенно хронирования жаро- и коррозионная стойкость должна существенно увеличитьоя по сравнения со спеченными материалами. Это обусловлено не только повышением плотности диффузионной зоны, но прежде всего повышенными свойствами боридов железа и высоколегированных хромом диффузионных слоёв, вклкнапцих в себя, и карбиды хрома. Испытания на жаростойкость в интервале температур 300-800°С показали, что максимальной жаростойкость» обладают хромированные образцы, у. которых привес при температурах 600-800°С составлял не более 0.5мг/ С1Г'Ч. Меньшей жаростойностью характеризовались борированные образцы, у которых привес был в пределах 5-7 мг/см^.ч. Окисление только спеченных материалов начиналось уже при 400°С, активно протекало при температурах 450-650°С , к привес составлял 12-15 ыг/см^-ч. После 550-б00°С скорость окисления спеченных образцов несколько уменьшалась .очевидно, за счёт образования более плотных оксидных плёнок и частичного закупоривания ими открытых пор.

| т

^ 100-s

I ISO

I wo ö

i

4

Jb

I

/\ ш

\

1

450

w| Щ

£50Ц ZOO^

т*

i

п

ш

i

п

ш

Рис.3. Прочность при изгибе и разрыве порошковых материалов:

1 - сырые материалы, подвергнутые хромированию;

2 - спеченные материалы, подвергнутые хромированию;

3 - материалы, спеченные по стандартному режиму; I - СПЗО, II - СП90, III - СП90ДЗ;

исходная пористость 19-2И<

Коррозионные испытания при комнатных температурах в ЮЧ-х водных астворах азотной и серной кислот и 3*-м растворе хлористого натрия течение 288 ч показали, что наибольшей стойкостью в растворе серой кислоты обладают боридные слои, а в азотной и особенно в расторг хлористого натрия - хромированные слои , что удовлетворительно огласуется с данными для компактных металлов. Только спеченные ма-ериалы показали коррозионную стойкость значительно меньшую / в 105 раз / по сравнению с подвергнутыми хромированию или борированию.

Таким образом, проведенный комплекс исследований по борированию хромированию спрессованных порошковых материалов на железной ос-ове показал, что эти виды ХТО способны существенно повысить физике ■ имические и механические свойства материалов и особенно их эксп-угационные характеристики в сложных условиях работы. Подтвержден!!-м ятому явились натурный испытания детзлей форсунки для сжигания идкого топлива /мазута и др./. йидкое топливо содержит тонкодис-

перскые абразивные частицы , которые с одновременным воэдейтвием повышенных температур /до 500°С/ приводят к быстрому разрушению втих деталей. Проведены сравнительные испытания деталей, изготовленных из. закалённых компактных сталей маров 40Х, У8-У10 и спрессованных из материала ЖГР1, 2Д 2,5 /СП90ДЗ/ , подвергнуть« бори-рованию при. в течение 3-х часов. Испытания показали, что

детали из компактных сталей имели срок службы 650-1000 часов , а порошковые борированные - не менее 2000-2500 часов. Разработанная технология совмещённого борировання и спекания используется дня изготовления указанных деталей и может найти примененкэ для друге* деталей со сложными условиями, эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛШТЫ И. ВЫВОДИ

1. Исследован процесс дийузионного насыщения бором иди хромом порошковых спрессованных материалов на железной основе марок СИЗО, СП90 н СПЭОДЗ иод давлениями 400 , 600 и 800 Ша, обеспечивающими исходную пористость, равную соответственно 19-21*, 13-1536

и 9-IItf. Показана возможность осуществления процесса в стандартных термических печах на воздухе в контейнерах из нержавеющих сталей с применением плавкого затвора для хромирования и без плавкого затвора для борирования. Для хромирования и борировання порошковых деталей можно использовать те же насыщающие смеси, которые разработаны и применяются для крмпактных металли-. ческих материалов,

2. Изучена кинетика роста диффузионных слоёв в зависимости от состава материалов, их пористости, температуры и продолжительности насыщения. Хромирование проводили при температурах 1000°-1100°С

с изотермической выдержкой S-5 часов, борированне - 900-1000°С с выдержкой 2-4 часа с интервалом по температуре 50°С, по врет мени - I час. Установлено, что глубина диффузионного слоя возрастает. с ростом пористости материалов, увеличением температуры и продолжительности насыщения, причём зависимость от температуры носит вкспотенциальный характер, а от времени г- параболический, что соответствует кинетическим закономерностям диффузионного насыщения для компактных металлов. Ускорение дк|хфузии с ростом пористости особенно заметно в начальной стадии насыщения , пока открытые поры не закрылись в результате массопереноса и образования новых фаз с большим объёмом, в частности боридсв железа и

карбидов хрома.

.Исследовано изменения линейных размеров исходных образцов в вида цилиндров или втулок в зависимости от режимов насыщения, пористости и состава. Это изменение не всегда носит однозначный характер, как для компактных материалов когда наружные размеры растут, а внутренние уменьшаются. Для пористых материалов изменение размеров зависит от двух процессов, действующих в противоположном направлении. Спекание вызывает усадку, уменьшение наружных размеров и увеличение внутренних, рост диффузионных слоев увеличивает наружные размеры и уменьшает внутренние.В большинстве случаев, в частности при режимах, позволяющих совмещать режим спекания с режимом диффузионного насыщения, т.е. не сильно отличающихся от режима стандартного спекания /1140+ 20°С, выдержка 2- 3 часа, защитная среда/ наблюдается суммарное незначительное увеличение размеров, которое составляет 0,2-0,4* от номинального размера наружного диаметра н 0,15- 0,205* о? номинального размера высоты. Внутренний диаметр остаётся практически неизменным. Такие изменения соответствуют пределам допусков для деталей 2-го ,3-го и более низких классов точности и могут быть учтены при изготовлении прессформ.

..Проведаны сравнительные испытания прочности при изгибе и разрыве сырых и предварительно спеченных образцов после диффузионного насыщения н образцов, подвергнутых спекании пс стандартному режиму. При этом сырые и спеченные образцы подвергали хромированию при 1050- П00°С, 3 часа, а борированию при 1000°С, 2 часа. Спеченные образцы после ХТО, естественно, показали во всех случаях более высокие механические свойства, так как они подверглись по сути двухкратному спеканию и ещё упрочнению за счёт образования диффузионых слоёв. Уровень свойств сырах материалов марок СПЗО и СП90 после ХТО был примерно одинаков с уровнем свойств тех же материалов после стандартного спекания. Для сырого материала СП90ДЗ /~3й Сц/ стандартное спекание обспечнвало более высокие механические свойства, чем процессы ХТО. Это, по- видимому» можно объяснить влиянием жидкой меди при температуре стандартного спекания, которая легирует железо и способствует массопереносу, уплотнению материала.

5.Проведены сравнительные испытания триботехнических характеристик, sapo- и коррозионной стойкости материалов, которые во всех случаях показали существенное преимущество сырых образцов, подвергнутых процессам ХТО по сравнению со спеченными по стандартному режиму. Этот факт объясняется значительно большей твёрдостью ', износо,- жзро- И

коррозионной стойкостью образовавшихся после ХТО даМуаиотпк ело;..

их структурой, химический н фазовым составим. Металлографический, рентгенофазовый, О.ке-спектральный и дюрометрический анализы диффузионных слоев подтвердили закономерность полученных результатов испытаний.

6.Проведенные исследования позволяют заключить, что процессы бори-рованин и хромирования можно.совмещать с процессом спекания спрессованных порошковых материалов на железной основе. При этом в качестве базовых режимов совмещенного процесса можно рекомендовать : для борирования - температуру IG00°C, выдержку 2-3 часа; для хромирования - температуру IЮ0°С, выдержку 3-4 часа.

По разработанной технологии совмещенного процесса спекания и борнрсашия были наготовлены совместно с НПО "Лвтроиавгоматиза-ция", г.Киев детали форсунки для распыления жид.coro тогшша . Детали готовили из материала ЕГр1,2Д2,5 /СИЭОДЛ/. Натурные испытания на обогревательных котлах показали, что серийные детали из закаленных сталей 40Х, Уд-У10 имели срок служба 650-1000 часов, а Ьорированные порошковые - 2000-2500 чассь.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ Д11ССЕРГАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ:

1. Эпик А.И., Степанчук А.11., Вдовичьнко Н.С., Мадрид Абдал-лах. Влияние борирования на свойства газотермических порошковых покрытий. //Тезисы докладов ХХШ-го семинара по дирфузшшоиу насыщению и защитным покрытиям.-Ивано-Франковск.-1990.-с.Г8.

2. Эпик А.И., Маджид Абдаллах, Сысов И.Д. [Гоьыиеннз свойств порошковых материалов на основе железа методами химико-термической обработки.//Тезиса докладов ХХШ-го семинара по ди(/фузион-нояу насыщению и защитным покрытиям.-Ивано-Франковск.-1930.-е.257.

3. Лабунец В.Ф., Эпик А.П., Толокошшкова Е.Б., Маджид Абдаллах. Триботехнические характеристики порошковых материалов на основе железа после химико-термической обработки.//'Газ. докл. сем. "Роль диффузионных процессов в формировании поверхности металла с особыми свойствами и образовании неразъемных соединений".-

22-23 сен.1992 г.-Клев.-с. 12.

4. Эпик А.П., Лабунец Б.ф., Маджид Абдаллах, Толокснникова Е.Б Свойства порошковых материалов на основе железа поело хиыико-твр-мической обработки.//Прогрессивные технологии производства, структура и свойства порошковых изделий композиционны'', матер,и покрытий: Тез.док. респ. науч.-гехн. конф. 29-30 сен. [992.-[Волгоград. -2.10.

5. Эпик А.П., МадаЗД Абдаллах. Хюшко-терьшческая обработка, по^.: рошковых.материалов на основе железа. Порошковая металлургня.-1993.-Г7.-С.2Г.

Подп. к печ. 1 Формат «0x84'/,=.

Бумага тип. № 3 . Способ печати офсетный. Условн. псч. л. ^ /ь Условн. кр.-отт. <,39 . Уч.-изя. л. 1,0 . Тираж о . Зак. Л^У^д . Бесплатно.

Фирма «ВИПОЛ» 252151, г. Киев, ул. Волынская, 60.