автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Износостойкие и коррозионностойкие диффузионные карбидные покрытия на железоуглеродистых сплавах

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЛИТЬЯ

На правах рукописи

ШАВЛОВСКИЙ Евгений Николаевич

УДК 021.793.6:669.2

ИЗНОСОСТОЙКИЕ И КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ ДИФФУЗИОННЫЕ КАРБИДНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВАХ

05.16.01 —

металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/о

Киев 1992

Работа выполнена в Инстигуте электросварки им. Б.0.Пагона Академии наук Украины.

• Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

БОРИСОВ Ю.С.

Официальные оппоненты: доктор..технических наук, профессор

МАРКОВСКИЙ Е.А.

" кандидат физико-математических наук ГОШЕБИЧ Т.П.

Ведущая организация: ПО "ХвтоЗАЗ" (з-д "Кощунар,,),г.Запо-' , досье.

Защита соогоив$* *_"_1992 года в_часов

на заседании специализированного совета Д 016.20.01 по га-щите дисоертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук в Институте проблем литья АН Украины по адресу: 252680 Киев-142, пр-т Вернадского, 34/1.

Ваши отзывы е 2-х экземплярах, заверенные печатьв, просьба вшивши» по указанному адресу. С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке Института проблем литья АН Украины.

Автореферат разослан "_"_1992 г.

Ученый секретарь

специализированного совета —^

.кандидат технических наук ^^/¿г^АФТАВДШИЦ Е.Г.

Институт проблем литья АН Украины, 1992 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность. На современном этапе развития техники вследствие -гопользоваытя в технологических процессах высоких температур, сонтактных нагрузок, агрессивных срод и т.п. все более Еажное ¡начение приобретает долговечность и надеяность деталей гашн, ' механизмов и инструмента. В большинстве случаев причина их низ-сой долговечности состоит.в поверхностном разрушении, нызыза.емом .. ¡роцессами износа и коррозии. Одним из эффективных способов по-, ?ышенш стойкости рабочих'поверхностей изделий из литке и деформированных, материалов является нанесение защитных' диффузионных юкрытий. Б сеязи с. этим работы в области хишко-термлческоГх обработки (ХТО) с целью защити поверхности изделии из стали и чу- . Vfna дишйузконшга покрытиями из карбидов металлов 1У-У1 групп : " щтуальны и представляют существенный практический интерес. Нав-5олее широко применяются способы упрочнения инструмента и дета-ieíi машин диффузионными. карбидными покрытиями, наносимыми Е по- , зршковых сг/есях. СущестЕушяе способа достаточно технологична и эффективны, однако обладают и рядом недостатков. К ним- относятся • лалые скорости образования покрытий, низкая экономичность использования материалов насыщающих; сред, ограничения .в марках железоуглеродистых сплавов (ЕГО), пригодных для образования карбидных злоев. В'сеязи с этт изучение и устранение отмеченных недостат-<ое, а также разработка ноенх способов формирования покрытий .-, тредстэнляют актуальную научную и пртиадкун задачу.

Работа Енполнялась в соотЕегстгии о республиканской научно-, ' технической программой Совета ¡.'мнистрэв Украины "Рестрсосоерех'.е-¡ис" и.щюгггдатай"работ ЫНТК "ЕЭС им.Е.О.ПпТона" по теме 5.01.12 , "Упрочнение да гелей- и инструмента .капбидчнмл покричим*". 1еЛь работы.-' : Цель настоящей работ;« состоят, в разработке ho¿hx . зпособов и составов; лэсиошющкх сред для получения диффузионных ' карбидах покрктпй, отливающихся повншенными, по' сравнению с . , градициошиип, скоростями их формирования, а та::же экономичнеегью . а более широким перзчкргл упрочняешь ЗКУС.

, . Поогавленная.цель достт-ается путем решения следующих ос- -военых зада«:' "'.--'; '-''■'.■ • '_■ - • V. -- _ - ,-..■/',-'• '"■■/ -

уэркоданаштесяой оценкой развития (расчета).-тозыояних ' реакций','• ггрЬ?йК8»!щсс•«'^зовых-

'тгедйарительно»' ла^вра'сйании и - пооледуэд^ч Ka'pd^nc-otíifegorarmi!;.. - -".-- лсслвдоЕакип-лйскучясйл газовых ÍJ;OTOK('13 й itpbiíeccT'j -наут-с ,

- . :Д;vr•:

дораживания при различных схемах .расположения окислителя в объеме восстановителя; ■■

.' - разработка ноеых способов и оптимальных составов, предва-. рителького науглерааивания и последующего насыщения карбвдооб-разуюцши элементами через газовую и щдкую фазы;

' , - изучение кинетики процессов карбидообразсвания в порошковых смесях с Еодород'юдержаищми добавками и в расплавах;

* - оценка влияния концентраций углброда в' сталях и условий на-■ сыщения на микроструктуру, фаг. вый сос1ав и кинетику роста кар-.бидных погфытий на НС; _

,- исследование износостойкости, коррозионной стойкости, жаростойкости кербидаых покрытий и их взаимодействие с расплавами металлов;- разработка практических технологий, их опытно-промышлен-' ная проверка и внедрение. '

Научная новизна. Установлено ускоряющее воздействие гедридавгитана на процессы наутлераживания за счет совместного протекания реакций с образованием оксидов углерода и углеводородов, препятствующих осаждению на поверхности стали плотной пленки пкроугле-рода, тормозящей, развитие процессов карбидообразования. Каксимал.ь-ная скорость карбидообразования достигается при концентрации ТШз в насыщающей смеси -3 шо.?. Показано, что наиболее универ-' сальным активатором высокотемпературных процессов получения кар-• ¿идных покрытий является А(Й?д. Установлены его оптимальная кон- \ центрацня з смеси, 'равная ¿3 ыач.%, и зависимость дисперсности-зерен карбидных фаз от концентрации углзрода в поверхности насы-ща ешх 27С. Предложена гипотеза механизма, формирования карбидных слоев, образующихся из элементов о различной областью гомогенности, включающая процессы абсорбции и 5 этапов процесса дк&фу-•• зии.. Показано, что по поеш^ьйо твердости, хрупкости и наростой-1

кости полученные карбидные тюкрытия можно раейолежить б следую-' . щие ряды: Сг70'3 — VС (из порошков) — Л/С (из расплавов) Т»С; С("?С3 — 'УС-Сиз расплавов)—- УС (из иороикоЕ) — Т/С; ■ УС (из порошков и вдепяавов) — Т»С — Сг^з, соответственно. Практическая ценность и реализация реоогн. Разработаны новые способ цементации низко- и среднеуглеродистых сталей, состав для цементации високохроэтсткх сталей, составы для гитанирсЕакпл, хромирования, способ и состав для ваяа.цироианяя ЕУС в расплавах ' солеЯ. Показана возможность получения карбидных покрытий не только гч-.читих и кованых материалах, йо и на материалах покрытий,

напыленных газотермичаскими способами. Определено, что износостойкость карбидных покрытий превышает отойкость незащищенных сталей е 2-52 раза, а скорость коррозии, выраженная в токовых единицах, в морской и пресной воде и э растворах кислот в IO-4ОС' раз ниже, чем у стали Сг 3. Оснорыеэяоь на результатах исследований и испытаний, определены темперагуркые области возможной эксплуатации изделий с покрытиями и рекомендовано использовать карбидное покрытия до температур: VC - 30(3-400, TiС — 700-750 и Cr^Cg - 800-85С °С. Созданы практические технологии упрочнения различных видов изделий карбидными покрытия?.™ на десяти'промышленных предприятиях страны. Разработано специальное элякгротер-мическоо оборудование и автоматизированная линия для ванадиро-вэния в расплавах солей УПОЗУШ. Стойкость изделий, упрочнён-" них' по разработанном технологиям, увеличивается от 1,5 до 25 раз. Основные положения, выносимые- на защиту.

1. Положение об ускоряющем воздействии гидрида титана на '■ процессы науглераксивания сталей в твердом карбюризаторе за счет обеспечения совместного протекания реакций о образованием окси»-дов углерода и углеводородов, препятствующих образованию на поверхности 1УС плотных пленок конденсированного пжроуглерода; состав и режимы наутдераживания (а.с. СССР 657699):

2. "Положение.об ускоряющем воздействии гидрида титана на процессы карбидообразования без наЕСдораяиэания карбидных покрытий и стали,.а' такие способ контакта жокяюнентов насыщающих сме--' сей и циркуляции газовых потоков в реакционной срзде (а.с. СССР 520791, 549005, 785382, 933S73);

3. Способ и ,состав реакционной среды, обеспечивающие'получение карбидоеакадиеЕых слоев из,расплавов солей, отличающиеся 0олэз выооксЗ скоростью процессов карбидсобразования. по сравнению с насыщением из газовой-среда (а.с. СССР 1505080); /

4., Результата исследований закономерностей и кинетику формирования карбидных олокь на ЗКУС из порошковых насыщающих сред з акт'йеагорами из фтористого алюминия и гидрида "титана, а также из расплавов'на основе бура; -- ' ;

.5. Результаты термодинамической оценки Еедущкх реакций в эбъеме насшцаючщх сред и гипотеза-механизма формирования дийфу-зиокных карбидных покрытий на 770; •

S. Ноеыв практические решения по применении карбидных покрытий, обеспечивающих повышенную 'стойкость изделий в рядличных условиях эксплуатэщм.

Апробация таботн. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзных и международных научно-технических: XI, ХХП, ХЗС11 семинарах "Защитные покрытия на металлах" (1577, 19Е8,. 1990 г г.); конференциях "Исследования в области новых материалов". (ШМ, Киев, 1977), "Электронно-лучевые и газотермические пожатия", "Новые процессы и оборудование для газогершческих и' вакуумных покрытий", "ЕввЛгсп зрга^д рГ-ос^О

\0г- рМис^сп о\ тсАлалД " (изс им.Е.О.Паюна^ Киев,

1988, -1989, 1990, 1991 гг.), *Про<Злеиы современной триботехники4 (Николаев, 15В8), ."Исследование процессов подготовки, применения я контроля качества ЗЕнагорочесмазочшт материалов и снецкидкос-тей" (Киев, 1389), "Новые процессы и оборудование для нанесения покрытий" (Севастополь, 1990). По ьатердшям диссертации опубликовано 40 печатных работ, в том числе получено 10 а.с. СССР на изобретения.; •

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 222 страницах машинописного текста, состоит № вгедения,- 8 глав, выводов и содержит 88 -рисунков, 13 таблиц и 3 приложения. Список литературы включает'168 наименований.

Во в в е ден и и изложена, актуальность темя диссертационной работы и постановка цели и задач исследования, научная новизна и практическая ценность, сформулированы положения, выносимые на • защиту. ... ■ ■

В первой' г.л'а Ее. раосшгрени сущеотвуэцие способы получения покрытий нагосиове карбидов Т.. ; V , ои способы Ускорения процессов карбидообразования, оценивается возможность и целесообразность их применения^ Обоснованы цель и задачи исследования. Во второй главе грив едены характеристики и некоторые свойства, используемых материалов и сплавов, изложены методики исследования структуры и свойств гокрытий. В качестве основы использованы деформируете железоуглеродистые сплэеы. Диффузионное насыщение.проводили в замкнутом реакционном пространстве е порошковых средах по контейнерной технологии с плавким затвором. Насышенке -из расплавов на основе .буры вели при нормальном давлении без применения завдтных сред в шахтной печи.

Кетялло графические и ьшпродюрометрические исследования выполняли на микроскопах МЛМ, "Версамет-2", ШЛТ-3 и фирмы "Леко" ■¿■ззовыЯ состав слоев определятся, ренггенос трукгурньм анализом на дис'ракгометре ДРбН-5,0. Фазовые превращения в интервале 20-1000° и г'-птоатойкостъ при 600-900 °С исследовали методам дифференци-

sz-nc-ísítbircciMVo йеиезэ in ярпйЬрэ- "Двраьэ?огрз'>150ЗД,\ Со- ' ■ , орзаипэ еэдогзлз опрздейтла rjookoieíjiiftpaiypjioíj эког-рзкцпвЗ re— í ов ra лрлйорэй TÍI-2 л (."Лепо", Ш).. ^ророкхгесоопслгрзлх-' i itíi спэлзз просодгсэт пэ. psoypoaoa алездрояпон. яякросхсопо "Сгорсо^. Kai-ieO" ("ífeirin--™ п:'з*й-г.^игоп)'л уомшвйв .И 3-45 .

эпцсигрг>щ!э утазрогэ п гарбгадйпс фазох оврэдсяшш из npréopo • йсяжаа^Щ? т.:отолом ?П'5ргок:«есЕого днопорзкокюго спзлпза.

опродоясш* тгзрокх^яшзул слоов ооювзпо. пэ есяйчсоггсняом зучияш coni кругоэго разт^гголвя посэрхггосгп пол гоздсПотгкчм згщгкя кз ппдшиор. Езуташ ашншеиэста рвашш&га «зокшг. • эгаляов прэгсдауш по кзвдшв. ияоаачай щшзп'п гакууга, йсслс- ; « э1ззш:о пзгеоозю&оотя олооэ прогодгла г условиях сухого jpeiiEi,- ! тапзэ щдабрззппяоя п гзяоабрэзввном евносо на юздугэ ка ib-, ¡ uto" греила 24В "(со' roer I73S7-7I). я •увюювкв.ДУЙ-З'Л • (во. ГОСТ 3201-73). .Есояодоезпго еоррозгонпой стойюото яроводюш окящЬ-тязтсозсг (погоггхгоотагитсозЕи) способом о пстпьэ потегзпоогз-I Е-5327ГЛ» a ж:з грззпаогрпчеоквм методой в paoiÉopaú -рзаяст-. ix отиог, 'ьроовоЭ п гэрмсой.ззеде." , ,

г р э r s. ай г л а и о приведена рзэультзгы поолбдогзппя . jyraopasnraiisi огшш перрй .формароваэпеи карбцдгаа:ояойэ.' : п о' с н о п т о й г л а в о прэдотавйезы результат!! пссяо->х?зиёя влияния на вгоцсосч ;:а]чЗпдообрз зованяя кокцои?р::ц~л гсо-.> зг'зпгов' касЕпзздпх ерпд-з углерода в стали, определения оплз-ишгих условий обрззовзтаг яарбадинх слоев 2 шрописовых cí>:ocíis" врпзутзгаяв фтористого алканняя "в гддрдда титана, а здш> в.'. кяшазйя на основе .<íyp£i. ' • ' • ' ■ '

□ з с г о 3 глаза п&учзнн процессы- образования слоев. '; ¡слодоеэнэ 1с1н91'ла роога, огруагура, состав и распределение: i !сгл2нтоЕ в сгоях/Прпдяолшгз гивогзаа кеявняэка формирования ] тъ.____—, ■•■•'•':.■•''" "'.'■'' ■■'■:■•

■ó а д ь fct.p й г л а в о приведены результаты исследований крэ'тз'еЕйоота в г.^ггохрук:остя. кзнососто&коотз в различных ус- . вяязг.колтаэтпого язакмодеЕоияя,; корроьиогтоЭ «Зтойкости, яаро-оакасга л..о/эчпеаезшагп слоев рзсплэтамз цейгнчх шталчов. е о oí tí о' 3 г"-л раб продогаолсш рэзрайогагашв нрзктв--сквэ тенюлогцп поагучешш мрбпдхшх попритий на <таделиях из С я результаты продаиешшх' велнтшшй- изделий о кербйдныш одаг.• ."•'.....'/. .. V ■ " "i'-"'-.".''-;:;-'

ОСНОВНОЕ СОДЁШШШ. РАБОТЫ

Образование плотных оксидных пленок и сакистых отложений, ■возникающих на -поверхности легированных сталей при науглеракивании,. при наличии свободного кислорода в порах карбюризатора и зазорах мевду его частицами является причиной, затрудняющей насыщение легирования: сталей углеродом и ьызыЕагащей неравномерность наух;лерокенного слоя по толщина и по концентрации углерода в нем. • С целью предотвращения окисленл. поверхности'стали и уменьшения сажистых отложений были изучены различные способы формирования с. изменением гида контакта окислителя с'восстановителем и-со с талые и схем циркуляции тазовкх потоков в реакционной среде (рис. I). Было установлено, 5го окт^мальным вариантом схеш циркуляции газовых пигокоЕ в реакционной среде является расположение окисли-. ~ теля и'центре ее объема (рис. 1д), что приводит к.диссоциации окислителя только посла прогрева всего объема контейнера и образования герметизирующего плавкого затвора и.предотвращает п8терю в атмосферу-необходимых для науглораживания газообразных продуктов насыщавшей среды. Наиболее-зффективным способом контакта . окь'слит„ля с восстановителем является его размещение в газопро-нииремых пакетах из' утлегра$игоЕсЙ ткани (рис. I г,д,е), 'обеспечивающее степень контакта и предотЕращающага"'.загрязнение угля . карбюризатора ос татками окислителя' (ВаО). Проведенные исследования . позволили разработать-новый способ цементации низко- и сраднеуг-- леродистых сталей, обеспечивающий высокое-качество чистоты насы-- . щаемой поверхности, необходимое для последующих процессов карби-дообразовашвд (а.с. СССР 657639). Исследование зависимости глу-.

■ бины-наугле'рогшшюй зоны от режимов насыщения в оптимальном сос-. таве карбюризатора (95мас.% -г- 5$ВаС03) показало, что толщина ее

составляет 0,4-1,0 мм дая сталей'со средней концентрацией углерода 1,0 мае. %. Для предотвращения окйслеш"я при цементации ле-

■ тированных сталей необходимо было создать. бескислородоодеряащую ; атмосферу, "содержащую углеводорода. С этой целью использовали

'. водо^родсодерхащуи добавку в карбюризатор в вддё гидрида титана, полностью разлагавшегося при температурах свыше 1000 °С и являющегося источником химически чистого водорода. Результаты исследования влияния концентрации гидрида титана в карбюризаторе (от 0,5'до 6,0 то.%) показали, что оптимальным его содер>ьэнием, обеопечизашиим протекание реакций с образованием углеводородов и транспортировкой углерода к насыщаемой поверхности, является 3'ч.ао. а. Тещо.АИнашческцми расчетам установлена следующие шз-6 ■•".....-'•

/?т - предельная интенсивность максимальных растягивающих диагональных напряжений, при достижении которых в стенка начнут развиваться пластические деформации. Значение находится по условию Мизеса ^ __ _ ^•

Выражения для С1 и СI определяются по условию минимума Опр по (13) и имеют вид _,

тогда Оччгупш-ч^ + гунмЯ*' + (1б)

При сдвиге с изгибом модель механизма разрушения принималась согласно рис. 7. Решая эту задачу аналогично предыдущей (при сдвига) и учитывая влияние изгибающего момента М на величины £т , Пж.аи Мпл.н . Значение Апрт можно определить по (16), подставляя вместоИте и Мп/.н - М<5.в »МпТн - предельные значения изгибающих моментов, которые могут воспринимать сечения соответственно верхнего и нижнего поясов при развитии в них пластического шарнира и наличии в них напряжений 5п\ и 6т от изгиба отсека моментом М (рио. 7а).

• Мпт,а = Мп,е(1-(р-)П) ;

Ьп, Ьцш-кт 1

где /1 = 2- для листового пояса и И = 3 - для тавра ,

, - погонные нагрузки, действующие со стороны стенки соответственно на верхний и нижний пояса, находятся по (14) с подстановкой вместо их значений Е?тте и {?ттн , определяемых с учетом напряжений в углах стенки 6т и Бт от изгибающего момента по условию пластичности Мизеса. Проварку промежуточного отсека. в стадии предельного равновесия при сдвиге с изгибом можно

о

заменить с некоторым запасом условием

где Мир- меньшее значение предельного изгибающего момента, вычисляемое по условию (8).

В четвертой главе "Экспериментальные исследования БГС несимметричного сечения" приводятся результаты испытаний опытных БГС