Способ формирования коррозионно-стойкого износостойкого покрытия на сталях
METHOD FOR FORMING A CORROSION-RESISTANT WEAR-RESISTANT COATING ON STEELS

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение стойкости изделий из конструкционных сталей к механическому износу и агрессивному воздействию рабочих сред за счет изменения элементного состава и структурного состояния их поверхностных слоев, и может быть использовано для увеличения эксплуатационного ресурса изделий, испытывающих воздействие механического износа и агрессивных сред.
Известны способы повышения износостойкости изделий из малоуглеродистых, легированных и аустенитных коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочных сталей путем их азотирования, цементации, нитроцементации, обеспечивающих повышение твердости поверхностных слоев за счет формирования в них нитридных, карбидных, карбонитридных соединений с легирующими элементами стали.
Известно также применение для повышения износостойкости аустенитных сталей способов цементации и нитроцементации (Белякова В.И. Диффузионно-дисперсионный способ упрочнения поверхности аустенитной стали / В.И. Белякова, А.А. Верещагина, И.П. Банас // Металловедение и термическая обработка металлов - 1991. - №11. - С. 2-4) Цементация и нитроцементация проводились при температурах 950-1050°С. В результате на аустенитной стали получены высокопрочные слои до 1 мм толщиной, последующая термическая обработка позволила повысить HV до 700.
Существенным недостаткам азотирования, цементации и нитроцементации является отсутствие после этих обработок стойкости сталей к коррозионно-механическому изнашиванию.
Известен также способ нанесения покрытий на стальные изделия [пат. №2312164], включающий диффузионное насыщение стальных изделий в расплаве, содержащем свинец, литий, никель, хром, при температуре 650-1250°С, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Свинец – 84,2-96,5
Литий – 0,5-0,8
Никель - 1-5
Хром – 2-10
При введении хрома в расплав, в котором производится нанесение диффузионных покрытий, на поверхности изделий формируется двухслойное диффузионное покрытие. Наружный слой покрытия содержит карбиды хрома и, вследствие этого, обладает высокой твердостью. Помимо этого, наличие хрома на поверхности изделия обеспечивает повышение жаростойкости и коррозионной стойкости материала изделия. Данный способ выбран в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является то, что данный способ нанесения покрытий не обеспечивает достаточной коррозионной стойкости, помимо этого, покрытия обладают высокой хрупкостью.
Задачей заявляемого изобретения является повышение износостойкости, стойкости к коррозионно-механическому изнашиванию поверхностных слоев изделий, изготовленных из конструкционных сталей, при воздействии на покрытие значительных контактных напряжений, знакопеременных нагрузок, агрессивного воздействия рабочей среды.
Технический результат - повышение износостойкости, коррозионной стойкости и эксплуатационного ресурса изделий, изготовленных из конструкционных сталей, в условиях воздействия на них высоких контактных напряжений, знакопеременных нагрузок, агрессивного воздействия рабочей среды.
Технический результат достигается тем, что способ формирования коррозионно-стойкого износостойкого покрытия на сталях, включающий проведение диффузионного насыщения в свинцовом расплаве, содержащем свинец, литий и хром, отличающийся тем, что диффузионное насыщение проводят при температурах 900-1070 °С в течении 2-5 часов, а расплав дополнительно содержит тантал, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Свинец – 98,4-93,9
Литий – 0,5-0,8
Хром – 1-5
Тантал – 0,1-0,3
Введение тантала в количестве 0,1-0,3 масс. % позволяет повысить вязкость покрытия при сохранении высокой микротвердости и коррозионной стойкости. За счет введения в расплав тантала, формирование покрытия происходит на основе сложных карбидов типа (СrTa)C, обладающих высокой микротвердостью, износостойкостью, коррозионной стойкостью. При этом, хрупкость покрытия также снижается за счет снижения содержания в покрытии более хрупких карбидов хрома. Под карбидным слоем в диффузионном покрытии формируется слой, представляющий собой твердый раствор никеля, хрома и железа. Такой твердый раствор обладает высокой вязкостью, которая обеспечивает повышение вязкости.
2
2
Кроме этого, введение тантала повышает коррозионную стойкость изделий. При формировании покрытий на основе карбидов хрома связкой служит твердый раствор хрома в железе. В случае введения в состав расплава тантала, связка также легируется танталом. Это способствует выделению дисперсных фаз типа FeTa, CrTa при охлаждении изделия после диффузионного насыщения, что способствует повышнию коррозионной стойкости связки, и всего изделия в целом.
Также, в отличие от прототипа, при диффузионной металлизации поверхностных слоев стальных изделий из состава технологической среды исключается никель. Исключение никеля из состава легкоплавкого расплава, обусловлено необходимостью формирования карбидного покрытия, имеющего высокую износостойкость. В данном случае, наличие в составе технологической среды никеля способствует снижению микротвердости, и как следствие, износостойкости покрытия.
Таким образом, благодаря введению в расплав, в котором происходит формирование покрытий, тантала на поверхности изделия образуются диффузионные покрытия, повышающие износостойкость изделий, а также обеспечивающие материалу изделия высокую коррозионную стойкость.
Пластинчатые образцы, изготовленные из сталей: Ст3, 40Х, 20Х13, 12Х18Н10Т, по технологическим вариантам:
1-й вариант - пластины подвергались диффузионному насыщению никелем, хромом в легкоплавком расплаве - по технологии прототипа;
2-й вариант - пластины подвергались диффузионному насыщению хромом, титаном в легкоплавком расплаве - по технологии заявляемого способа.
При этом выбирались одинаковые значения температур и длительности процесса диффузионного насыщения изделий.
Пример 1. Пластины из стали 20Х13, 40Х, 12Х18Н10Т подвергались обработке по варианту 1 (прототип) - диффузионному насыщению в расплаве, содержащем свинец (89,2 масс. %), литий (0,8 масс. %), никель (5 масс. %) и хром (5 масс. %), при температуре 1000°С, длительность выдержки 5 часов.
Пример 2. Пластины из стали 20Х13, 40Х, 12Х18Н10Т подвергались обработке по варианту 2 (заявляемый способ) – диффузионному насыщению в расплаве, содержащем свинец (94,05 масс. %), литий (0,8 масс. %), хром (5 масс. %) и тантал (0,15 масс. %), при температуре 900°С, длительность выдержки 5 часов.
Пример 3. Пластины из стали 20Х13, 40Х, 12Х18Н10Т подвергались обработке по варианту 2 (заявляемый способ) – диффузионному насыщению в расплаве, содержащем свинец (98,07 масс. %), литий (0,8 масс. %), хром (1 масс. %) и тантал (0,13 масс. %), при температуре 1000°С, длительность выдержки 5 часов.
Пример 4. Пластины из стали 20Х13, 40Х, 12Х18Н10Т подвергались обработке по варианту 2 (заявляемый способ) – диффузионному насыщению в расплаве, содержащем свинец (93,9 масс. %), литий (0,8 масс. %), хром (5 масс. %) и тантал (0,3 масс. %), при температуре 1070°С, длительность выдержки 2 часа.
Сравнительная оценка эффективности заявляемого способа повышения износостойкости изделий из сталей Ст3, 40Х, 12Х18Н10Т проводилась на основании анализа изменения твердости их поверхности по Роквеллу - шкала HRA и измерений ударной вязкости. Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1.
ВариантыОбработкиОбразцов№Примера
Марка покрываемойстали
Твердость покрытия, HRA
Ударная вязкость, кДж/м2
Прототип.Пример №1
20Х13
61
80
40Х
65
140
12Х18Н10Т
71
220
Заявляемый способ.Пример №2
20Х13
70
83
40Х
75
142
12Х18Н10Т
80
222
Заявляемый способ.Пример №3
20Х13
77
86
40Х
79
145
12Х18Н10Т
81
225
Заявляемый способ.Пример №4
20Х13
80
88
40Х
82
147
12Х18Н10Т
81
228
Как следует из результатов исследований, представленных в таблице 1, прототип, несмотря на высокую поверхностную твердость основного слоя, не обеспечивает возможность формирования покрытия, в котором отсутствуют растрескивания при воздействии на него   высоких контактных механических нагрузок, которыми являются, в частности, воздействия индентора при измерении твердости. Так, на покрытиях, сформированные по технологии прототипа, при замере твердости по Роквеллу при воздействии индентора выявлены трещины, что свидетельствует о высокой хрупкости покрытия. Также, образец, покрытый по технологии прототипа, имел более низкую ударную вязкость.
После обработки поверхности сталей – 20Х13, 40Х, 12Х18Н10Т по заявляемому способу твердость поверхностного слоя увеличивается. Так, твердость по Роквеллу сталей 20Х13, 40Х, 12Х18Н10Т возрастает до 80-82 HRA, что соответствует твердости инструментальных сталей, это значительно повышает стойкость покрытия к продавливанию и растрескиванию, а также, вследствие отсутствия этих явлений, к коррозионно-механическому изнашиванию.
Таким образом, предложенный способ, включающий проведение диффузионного насыщения в расплаве, содержащем свинец, литий, хром, тантал, позволяет значительно повысить твердость и износостойкость, стойкость к коррозионно-механическому изнашиванию поверхностных слоев изделий, изготовленных из конструкционных сталей, при воздействии на покрытие значительных контактных напряжений, то есть решить техническую задачу заявляемого изобретения и добиться поставленного технического результата - повышения износостойкости, стойкости к коррозионно-механическому изнашиванию поверхностных слоев изделий, изготовленных из конструкционных сталей, при воздействии на покрытие значительных контактных напряжений, знакопеременных нагрузок, агрессивного воздействия рабочей среды.