Многокомпонентное диффузионое покрытие, повышающее эксплуатационые свойства технологического оборудования

621.793

МНОГОКОМПОНЕНТНОЕ ДИФФУЗИОНОЕ ПОКРЫТИЕ, ПОВЫШАЮЩЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИОНЫЕ СВОЙСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

А.А. ЧАЛОВ, В.П. АРТЕМЬЕВ

Кубанский государственный технологический университет

Современные технологические процессы в пищевой промышленности характеризуются высоким температурами и давлениями, большими механическими нагрузками, а также применением агрессивных жидкостей и материалов, с которыми длительное время контактируют отдельные детали и конструкции машин и агрегатов, подвергаясь коррозионным воздействиям технологической среды.

Один из способов продления межремонтного периода и срока эксплуатации оборудования - создание на его поверхности покрытий, обладающих требуемым комплексом свойств. Так как в большинстве случаев работоспособность оборудования определяется стойкостью поверхности, то разработка эффективных составов и приемлемых для промышленности способов нанесения покрытий является перспективным, а в ряде случаев и единственно возможным средством решения технических проблем. Применение покрытий также позволяет заменить дорогостоящие коррозионностойкие металлы, сократить потери связанные с простоем оборудования в связи с ремонтными работами.

Из разработанных в настоящее время наиболее широко применяются диффузионные покрытия: нитридные, карбидные, силицидные. В данной работе приведены результаты получения многокомпонентного из-носо- и коррозионностойкого диффузионного покрытия на основе N1 и Си, способного упрочняться под действием приложенных нагрузок.

Исследование механизма и кинетики формирования никель-медных покрытий и оценку эксплуатационных свойств проводили на образцах, изготовленных из конструкционной стали 20, инструментальных сталей Х12М и Х12МФ, а также на образцах из армко-же-леза, химический состав которых приведен в таблице. В качестве материалов покрытий использовали никель и медь с содержанием > 99,9%.

Исследование кинетики формирования диффузионных никель-медных покрытий вели по методике, описанной в [1], путем погружения и выдержки в тече-

ние заданного времени опытных образцов в ванну с легкоплавким расплавом. В качестве легкоплавкого расплава, обеспечивающего доставку элемента покрытия к поверхности образцов, использовали расплавы свинца и свинец-лития (98% РЬ + 2% Ы), в которые в порошкообразном виде вводили элементы покрытия (N1 + Си) в количестве 3-4% по массе. Процесс насыщения осуществлялся в модернизированной электропечи СГВ-2,4-2/15-ИЗ, позволяющей проводить нагрев изделий в среде инертных газов. Модернизация печи проведена с целью обеспечения возможности нанесения покрытий в открытой жидкометаллической ванне и проведения термической обработки покрываемого материала.

Диффузионное насыщение проводили при 1000, 1100 и 1150°С. Продолжительность процесса диффузионного насыщения составляла 0,5; 2 и 6 ч.

Для предотвращения испарения свинца и лития из ванны с расплавом в камере создавали давление инертного газа - аргона, равное 1,2 кгс/см2.

Расчет массовых долей, %, никеля и меди для ванн с расплавом проводили по формулам (1) и (2).

тр = рРУР,

где тр - масса расплава, г; Ур - объем заливаемого расплава, см3;

рр - удельный вес расплава, г/ см3.

р = 100%

р р X X X х ’

х N1 ^ х си ^ х рь ^ х ц

р N1 р Си р РЬ р Ц

где Х - процентное содержание элементов в расплаве; р - удельный вес соответствующих элементов, г/см3.

Термическая обработка заключалась в нагреве детали - режущего ролика - из стали Х12М с покрытием до 1020°С в вакууме и выдержке его при этой температуре в течение 20 мин с последующим быстрым охлаждением путем обдувки аргоном.

Особенности образования структуры в диффузионной зоне и зоне термического влияния выявляли с применением металлографического, дюрометрического и микрорентгеноспектрального анализов. Микротвердость структурных составляющих определяли с ис-

Таблица 1

Марки стали Массовая доля элементов, % не более

Нормативный документ С Сг ЄІ 8 Р Мп V Мо

20 ГОСТ 1050-88 0,17-0,24 0,25 0,17-0,37 0,04 0,035 0,35-0,65 - -

Х12М ГОСТ 2590-88 1,45-1,65 11,00-12,5 0,15-0,35 0,03 0,03 0,15-0,40 0,15-0,30 0,40-0,60

Х12МФ ГОСТ 5950-2000 1,45-1,65 11,00-12,50 0,10-0,40 0,03 0,03 0,15-0,45 0,15-0,30 0,40-0,60

Армко-железо ГОСТ 11036-64 0,035 - 0,02 0,025 0,02 0,20 - -

пользованием прибора ПМТ-3 при нагрузке 20 и 50 г (0,196 и 0,49 Н соответственно).

Распределение концентрации элементов в диффузионной и прилегающей к ней зонах определяли, применяя электронно-зондовый микрорентгеноспектраль-ный анализ, с помощью растрового электронного микроскопа JCXA-733 фирмы Jeol (Япония) со встроенным рентгеновским микроанализатором, оснащенным ЭВМ и программным обеспечением.

Способом регистрации характера рентгеновского излучения выбран кристалл-дифракционный с фокусировкой по Роулингу. Условия возбуждения рентгеновского спектра: ускоряющее напряжение 20 кВ; ток электронного зонда 0,5 • 10-7 А; диаметр электронного зонда 10 мкм; увеличение до 8000.

В качестве эталонов использовали электролитически чистые никель, медь и железо, осуществляя как количественный, так и качественный анализ.

При решении задач распределения использовали сканирование по линиям, площадям (получение рентгеновского растрового изображения в лучах Fe) и анализ в точках (количественный). Использовали кобальтовое излучение К элементов Fe, Ni, Cu, C.

В процессе выполнения исследований учитывали, что зависимость относительной интенсивности рентгеновского излучения от его содержания нелинейная вследствие влияния основы и других факторов. Расчет поправок проводили по методике [2]. При этом суммарная величина поправок не превышала 5%.

Испытания на коррозию проводили в растворе по стандарту NACE TM 0177-96. Перед испытанием образцы очищали. Микрометром измеряли размеры образца, определяли площадь поверхности. Затем образцы обезжиривали и взвешивали на весах Adventuier AR1530 фирмы OHAUSEurope (Швейцария) с точностью до 0,0001 г. Образцы полностью погружали в испытательный раствор, содержащий 50 г/л NaCl по ГОСТ 4233 и 5 мл СН3СООН по ГОСТ 19814; рН раствора 2,7. В процессе испытания раствор насыщали сероводородом при давлении 0,1 МПа. Испытания проводили в течение 48 ч при температуре t (20 ± 1)°C без перемешивания. Концентрация сероводорода в конце опыта составляла 1054 мг/л.

Для определения внутренних трещин по стандарту NACE TM 02-84-87, возникающих в результате наво-дораживания сталей, все образцы разрезали на три части и готовили поперечные металлографические шлифы, которые рассматривали без травления и после травления в 3% растворе HNO3 при увеличении 100. Скорость общей коррозии определяли гравиметрическим методом, вычисляя отношение разницы между весом образца в исходном состоянии Р0 и после испытания Р1 к единице коррозирующей поверхности:

Ft

Перевод показателя весовых потерь (в мм/год) осуществляли по формуле

/ = 112/.

Степень защиты 2 рассчитывали по формуле

Z = [(Ада0 - Ami)/Am0] • 100%,

где Дт0 и Дт! - потеря массы образцов без покрытия и с покрытием,

г/м2.

Проведенные исследования показали, что ни-кель-медное покрытие на армко-железе и стали 20 формируется в результате граничной диффузии атомов N1 и Си в железе. В результате образуется однослойное покрытие (рис. 1), состоящее из твердого раствора никеля и меди в железе. На границе покрытия с основным металлом происходит полиморфное превращение у-решетки в а-решетку. В покрытии у-стабили -затором является N1. В исследованном интервале температур формирование диффузионного слоя сопровождается фазовыми превращениями. В соответствии с диаграммами состояния, Си и N1 полностью растворимы друг в друге. Согласно диаграммам состояния Ге-Си и Ге-№, в у-железе растворяется не более 3% N1 и 10% Си [3].

На армко-железе граница фазовой перекристаллизации представляет собой прямую линию с множеством мест проникновения диффузионного слоя по границам зерен вглубь материала основы. На стали 20 этот эффект выражен в меньшей степени. Микроструктуры никель-медных покрытий, полученных при t = 1100°С и х = 2 ч на армко-железе и стали 20, изображены на рис. 1: а и б соответственно (увеличение 300).

Никель и медь являются некарбидообразующими элементами, следовательно, кинетика формирования многокомпонентного покрытия не зависит от содержания углерода в стали. При этом никель и медь оттесняют углерод от поверхности вглубь покрываемого материала, вследствие чего под диффузионным слоем образуется зона, обогащенная углеродом. С увеличением содержания углерода в стали содержание углерода в этом слое и его толщина растут. Установлено, что характер роста глубины диффузионного слоя зависит от состава транспортного расплава, температуры и времени насыщения. Увеличение температуры и времени

где Vp- скорость коррозии, г/(см • ч); t - время испытания, ч; F - ве -личина коррозирующей поверхности, см2.

Рис. 1

Температура и состав транспортного расплава 1000°С

1000°С

Рис. 2

насыщения приводит к росту диффузионного слоя. Изменение толщины слоя №-Си на армко-железе в зависимости от продолжительности насыщения х в различных расплавах представлено на рис. 2.

Глубина комбинированного покрытия изменяется от 8 до 40 мкм при температурах насыщения 1000-1150°С и выдержках 0,5-6 ч. Наиболее интенсивный рост толщины диффузионного слоя происходит в первые 2 ч. В дальнейшем скорость роста диффузионного слоя снижается в результате снижения термодинамической активности N1 и Си из-за выравнивания разности химических потенциалов. Покрытия большей толщины формируются из расплава свинца. Это связано с большей растворимостью никеля и меди в свинце, чем в эвтектике свинец-литий. Максимальная концентрация диффундирующих элементов на поверхности для никеля и меди 60-50 и 40-22% по массе соответственно. Микротвердость покрытий вследствие переменной концентрации элементов, входящих в состав покрытия, по глубине слоя составляет 1200-1600 МПа. Распределение микротвердости по глубине диффузионного №-Си слоя на армко-железе в расплаве РЬ при х = 6 ч представлено на рис. 3 (кривые при /, °С: 1 - 1000, 2 - 1100, 3 - 1150).

Никель-медное покрытие является вязким и пластичным, по внешнему виду напоминает мельхиор. Его отличительная особенность - высокая теплопроводность и склонность к деформационному упрочнению. Твердость покрытия после механического воздействия на него возрастает до 5800 МПа.

При диффузионном насыщении никелем и медью легированных сталей влияние легирующих элементов

Расстояние от поверхности, мкм

Рис. 3

на кинетику формирования покрытий не столь значительно. Так, при формировании покрытий на сталях Х12М и Х12МФ глубина покрытий при одинаковых параметрах процесса насыщения примерно одинакова при условии способности транспортного расплава образовывать ювинильную поверхность. На кинетику формирования диффузионных покрытий влияют процессы растворения оксидных пленок, присутствующих на поверхности легированных сталей. На поверхности стали Х12М, содержащей 11,0-12,5% Сг, образуется прочная стойкая оксидная пленка, которая плохо растворяется расплавом свинца. В результате на стали Х12М при насыщении в расплаве свинца формируется неравномерное покрытие, в котором присутствуют несплошности. Для удаления оксидных пленок и получения более качественного покрытия в насыщающий расплав вводили 0,75% по массе Ы. По данным [4], литий имеет чрезвычайную агрессивность, что способствует более интенсивному удалению оксидной пленки путем ее восстановления. Как показали проведенные исследования, добавка лития способствует не только очистке поверхности деталей и получению сплошного покрытия, но обеспечивает более интенсивное формирование самого диффузионного слоя. В [5] показано, что с уменьшением температуры плавления жидкометаллических насыщающих сред их активность увеличивается. При содержании в расплаве

0,75% лития образуется эвтектика РЬ-Ы с температурой плавления 235°С [3], что приводит к увеличению термодинамической активности насыщающей среды. При этом расплав с добавкой 0,75% лития является достаточно технологичным и не требует особых мер по защите от окисления. Толщина диффузионного ни-кель-медного слоя на стали Х12М составляет в исследуемом температурно-временном режиме 8-35 мкм.

Увеличение температуры насыщения приводит к росту толщины покрытия на сталях. При температуре насыщения 1000°С и выдержке 2 ч на стали Х12М формируется покрытие с содержанием на поверхности N1, Си и Сг 56, 40 и 3,5% по массе соответственно. Увеличение температуры насыщения приводит к увеличению процентного содержания никеля и, соответственно, к уменьшению содержания меди. Формирование покрытия на стали Х12М сопровождается оттеснением хрома и молибдена от поверхности изделия. Эти элементы, являющиеся а-стабилизаторами, препятствуют диффузии меди и никеля, которые стабилизируют у-фазу.

Во всех случаях отмечена преимущественная граничная диффузия. Микродюрометрический и металлографический анализы не выявили твердых хрупких карбидных включений в покрытиях. Никель-медное покрытие, полученное на стали Х12М, обладает более высокой микротвердостью по сравнению с покрытиями, полученными на армко-железе и стали 20, что объясняется тем, что в результате взаимной диффузии в покрытие диффундируют элементы, содержащиеся в стали - хром и молибден. Микротвердость диффузион-

Рис. 4

ных слоев по всей толщине одинакова (2000-2100 МПа) и имеет скачок на границе раздела покрытие - основной металл. Измерение микротвердости по толщине Ni-Cu слоя на стали Х12М при t = 1100°C и t = 2 ч в расплаве Pb-Li изображено на рис. 4 (увеличение 500).

Исследования физико-химических свойств диффузионного никель-медного покрытия свидетельствуют, что покрытия отличаются хорошей равномерностью, не имеют пор, точно воспроизводят форму покрываемых деталей. Испытания при статическом одноосном растяжении показали, что никель-медное покрытие обеспечивает увеличение предела прочности стали в 1,5 раза, при этом пластические характеристики 8 и у уменьшаются незначительно.

Никель-медное покрытие как минимум на порядок снижает скорость коррозии стальных образцов, изготовленных из конструкционной или инструментальной сталей. Так, скорость коррозии сталей 20 и Х12МФ за счет нанесения никель-медного покрытия снижается с 0,8 до 0,08 и с 3 до 0,03 мм/год соответственно.

Создание покрытий с применением металлов N1, Си, Ы, РЬ может быть рекомендовано для оборудования, на котором перерабатывается непищевое растительное сырье - при получении касторового масла, олиф и др. Для оборудования, контактирующего с пищевыми продуктами, необходимо предварительное испытание их на биобезопасность.

ВЫВОДЫ

1. Нанесение диффузионного никель-медного по -крытия на оборудование и его рабочие органы эффективно повышает твердость поверхностного и рабочего слоя за счет изменения химического состава и структуры в зоне химико-термического и термического воздействий.

2. Режимы обработки с регулируемым сочетанием температуры, времени и состава жидкометаллического расплава позволяют получать в поверхностном слое деталей многокомпонентное диффузионное покрытие с различной твердостью и способностью к дальнейшему деформационному упрочнению.

3. Опыт промышленной эксплуатации упрочненных никель-медным покрытием поверхностей показал, что эксплуатационная стойкость при экстремальных условиях увеличивается в 2-3 раза, а коррозионная стойкость возрастает на порядок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Артемьев В.П., Чаевский М.И. Диффузионное титани -рование в среде жидко-металлических расплавов // Адгезия расплавов и пайка материалов. - Киев: Наукова думка, 1986. - Вып. 16. -С. 82-85.

2. Крестовников А.Н., Выгдарович В.Н. Химическая термодинамика. - М.: Металлургия, 1973. - 256 с.

3. Диаграммы двойных металлических систем: Справ.: В 3 т. Т. 3. Кн. I / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение, 2001. - 872 с.

4. Свойства лития / В.К. Гришин, М.Г. Глазунов, А.Г. Аракелов и др. - М.: Металлургиздат, 1963. - 125 с.

5. Артемьев В.П. Оценка некоторых параметров процесса диффузионного титанирования в среде легкоплавких металлов / Ма -териалы 2-го Собр. металловедов России. - Пенза, 1994. - С. 33-35.

Кафедра материаловедения и автосервиса

Поступила 15.08.06 г.

621.31:658.26

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

А.К. ГОНЧАРОВ

Кубанский государственный технологический университет

Качество и конкурентоспособность продукции предприятий пищевой промышленности в настоящее время немыслимы не только без современного оборудования и технологий, но и без надежной инфраструк-

туры, важнейшей частью которой является система электроснабжения оборудования технологического комплекса. Электрические нагрузки многих современных предприятий пищевого комплекса исчисляются десятками мегаватт, а внутренние сети электроснабжения могут быть очень разветвлены. Перебой в электроснабжении любого элемента технологической цепи