Особенности комплексного поверхностного легирования хромом и никелем порошковых материалов на основе железа с применением обмазок и нагрева ТВЧ

УДК 621.762.5

ОСОБЕННОСТИ КОМПЛЕКСНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ ХРОМОМ И НИКЕЛЕМ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА С ПРИМЕНЕНИЕМ ОБМАЗОК И НАГРЕВА ТВЧ

© 2004 г. Н.В. Шевченко

Один из способов защиты деталей машин от коррозии - нанесение диффузионных защитных покрытий (поверхностное легирование). Он основан на изменении химического и фазового составов поверхностного слоя металла при диффузии в него других металлов или элементов, которые, внедряясь в кристаллическую решетку насыщаемого металла, образуют диффузионные зоны, обеспечивающие коррозионную стойкость.

В связи с тем что насыщение поверхности изделий одним элементом не всегда обеспечивает необходимые физико-механические свойства, в последнее время все чаще предпринимаются попытки насыщать металлы и сплавы одновременно или последовательно несколькими элементами. При многокомпонентном насыщении в диффузионном слое образуются высоколегированные твердые растворы или химические соединения, что в ряде случаев приводит к более существенному повышению свойств этого слоя, чем при насыщении одним элементом [1].

Поскольку традиционные процессы одно- и многокомпонентного поверхностного легирования (печной нагрев) являются весьма длительными (десятки часов), многие авторы [1, 2] считают перспективным использование скоростного нагрева для диффузионного насыщения, в частности, нагрев токами высокой частоты (ТВЧ). Одним из его важнейших параметров является скорость нагрева в области фазовых превращений, которая определяет величину температурного интервала протекания фазовых превращений. Скорость диффузии возрастает за счет того, что зерно металла не успевает существенно вырасти в условиях быстрого нагрева. Увеличение скорости нагрева приводит к значительному развитию диффузионных процессов по границам зерен, блоков и пор. При этом существенно сокращается время насыщения. Если учесть, что на разогрев печи затрачивается (около 2,0...4,5 ч), то процесс насыщения с применением скоростного нагрева можно сократить с 5 - 10 ч до 5 - 30 мин. Поэтому применение скоростного нагрева ТВЧ позволяет интенсифицировать химико-термическую обработку (ХТО), сокращая продолжительность процесса и увеличивая его производительность.

Для повышения коррозионной, износо- и жаростойкости изделий на основе железа методами ХТО используются хром, никель, алюминий и другие элементы. Они широко применяются и в производстве

дорогих хромоникелевых коррозионностойких, жаростойких, жаропрочных сталей и сплавов на железной и железоникелевой основе. Содержание хрома в них обычно составляет от 13 до 28 % по массе. Легирование никелем стабилизирует аустенитную структуру и позволяет создать аустенитные, аустенитно-мартенситные и аустенитно-ферритные хромоникелевые стали и сплавы с высокой коррозионной стойкостью в сильных агрессивных кислотах (азотной, соляной, серной).

Диффузионное поверхностное легирование хромом и никелем (ДХН) позволяет значительно улучшить физико-механические свойства деталей, работающих в условиях интенсивного износа, эрозии и коррозии при нормальной и повышенной температурах (инжекторы перегретого пара и топлива; детали насосов для воды, масла и нефти; выхлопные системы двигателей; лопатки газовых турбин и многие другие изделия). В ряде случаев, используя насыщение хромом и никелем, можно значительно сократить применение сравнительно дорогих нержавеющих и жаростойких компактных (12Х18Н9, 17Х18Н9, 04Х18Н10, 03Х18Н12, 20Х23Н13, 10Х23Н18, 20Х23Н18) и порошковых сталей (ПК10Х17Н9, ПК10Х18Н9Т, ПК10Х18Н15). Механическая обработка деталей из легированных высокоплотных материалов представляет серьезные трудности и часто является препятствием для их применения вместо углеродистых сталей. Данное обстоятельство требует немалых затрат на механическую обработку, так как значительно изнашивается дорогостоящий режущий инструмент, повышается расход электроэнергии, квалификация рабочего. При замене таких сталей более дешевыми углеродистыми или низколегированными, имеющими хорошую обрабатываемость, можно существенно уменьшить указанные издержки без потери эксплуатационных характеристик материала. В связи с этим получение диффузионных хромоникелевых покрытий является актуальным в настоящее время [3].

Одним из перспективных способов диффузионно -го насыщения является использование специальных диффузионно-активных паст (обмазок). Интересным направлением многокомпонентного диффузионного насыщения является комбинированная ХТО, заключающаяся в предварительном нанесении на насыщаемую поверхность слоя одного металла (химическое никелирование) с последующим диффузионным насыщением другим металлом (хромирование из обмаз-

ки), в процессе которого также происходит диффузия первого металла.

Для получения стабильных результатов необходим рациональный подбор состава пасты. Из двух типов обмазок (стеклообразных и каркасных) для насыщения была выбрана каркасная, являющаяся более перспективной, так как компоненты в ней фиксируются в жестком, нетекучем при нагреве каркасе [4]. Это способствует сохранению сплошности обмазки в течение всего процесса ХТО. Основную роль при насыщении из каркасной обмазки играет постоянно генерирующаяся в порах обмазки газовая фаза, транспортирующая атомы диффундирующих элементов к насыщаемой поверхности со всего объема диффузионно-активной среды. Смесь, наносимая на никелированную поверхность образцов, содержит три компонента:

- источник хрома - металлический хром (активная составляющая);

- флюс - вещество, плавящееся при температуре обработки г = 1150... 1200 °С

- криолит №3А1Р6, активирующий процесс насыщения хромом за счет образования галоида хрома СгБ2 (газовая фаза);

- связующее вещество - гидролизованный этил-силикат (С2Н5О)481 [2, 4].

Порошковые материалы (ПМ) являются более перспективными для диффузионного насыщения, чем компактные, так как обладают большей диффузионной восприимчивостью. Они имеют сильно развитую поверхность с большим избытком свободной энергии и повышенной плотностью дефектов решетки (вакансии, дислокации, поры). Дефектность частиц порошка сильнее выражена на поверхности, что обусловлено неравномерностью пластической деформации ПМ при прессовании. Все это значительно повышает скорость диффузии по сравнению с компактными сталями. Для ПМ преобладающей является диффузия по границам зерен, блоков и поровых каналов [1, 5]. ПМ интересны и тем, что при производстве деталей из них коэффициент использования материала достигает 0,95, а на выпуск 1 кг изделий энергозатраты составляют 29 МДж/кг, что делает их применение особенно эффективным в условиях массового производства. Аналогичные показатели для традиционной технологии механической обработки проката составляют 0,40.0,50 и 66.82 МДж/кг соответственно [6].

Технологические схемы изготовления образцов, подвергаемых хромоникелированию, представлены в таблице. Для насыщения использовались образцы цилиндрической формы, изготовленные на основе железного порошка ПЖР 2.200.28 ГОСТ 9849-86. Нагрев производился на заводской высокочастотной установке ЛЗ-67В мощностью 60 кВт с рабочей частотой 66 ± 6 кГц.

Никелирование проводилось на холоднопрессо-ванных и горячештампованных заготовках. От толщины слоя никеля, осажденного на подложку, зависит содержание никеля в диффузионной зоне после ХТО. Для получения диффузионного слоя глубиной

150.200 мкм с концентрацией N1 10.15 % по массе необходимо наносить никелевое покрытие толщиной не менее 20 мкм.

Таблица

Технологические схемы получения образцов

Обозначение Схема получения образцов

№1 СХП - ОП - Н - НП - ХТО - ГШ

№2 СХП - ГШ - ОП - Н - НП - ХТО

Примечание. СХП - статическое холодное прессование порошковой шихты в закрытой пресс-форме; ОП - очистка поверхности; ГШ - горячая штамповка в закрытой пресс-форме пористой порошковой заготовки, полученной на стадии СХП; Н - никелирование; НП - нанесение пасты; ХТО - химико-термическая обработка с нагревом ТВЧ и закалка в воде с 1100 °С.

При последующем диффузионном хромировании в качестве насыщающей среды использовалась хром-содержащая паста, состав которой подбирался на основе рекомендаций [2, 4] и был скорректирован опытным путем. Хорошее качество поверхности и более толстые слои с высокой концентрацией хрома (20 - 30 % по массе) при одинаковых режимах нагрева получены при насыщении из паст, содержащих 60 % Сг и 40 % по массе криолита. При хромировании из паст с большей концентрацией хрома на поверхности остаются приварившиеся и трудно удаляемые частицы обмазки, при меньшей концентрации - содержание хрома в слое составляет 4 - 8 %. На подготовленные образцы наносилась паста толщиной до 5 мм. При использовании в качестве связующего гидролизован-ного этилсиликата необходима просушка обмазки при комнатной температуре в течение 20 - 40 мин до ее затвердевания.

Важным технологическим фактором при ДХН рассматриваемым способом является температура насыщения. Понижение ее до 1000.1050 °С предотвращает перегрев поверхности образцов, но, с другой стороны, ведет к увеличению времени насыщения для получения необходимой толщины слоя. Повышение температуры насыщения до г = 1300 °С сокращает время процесса, однако может привести к ухудшению качества поверхности, налипанию обмазки (приваривание частичек пасты), ее выгоранию и даже оплавлению образца. Поэтому нагрев ТВЧ следует производить прерывисто.

Следует отметить, что при ДХН данным способом контроль температуры представляет особую сложность и является недостатком метода. Измерения температуры проводились по методике, предложенной в источнике [2], с помощью двух хромель-алюмелевых термопар. В центре образца и у поверхности точечной сваркой приваривались термопары диаметром 0,06 мм. После тщательного обезжиривания поверхности образца на спай и концы термопары, идущие от места сварки, наносился тонкий слой гидролизованного этилсиликата. Затем образец сушился до образования плотной изоляционной пленки. Подготовленный таким способом образец по-

крывался пастой. Одной термопарой измерялась температура поверхности образца, другой - сердцевины. Скорость нагрева образцов V варьировалась в пределах 25-250 °С/с. Дальнейшее повышение скорости нагрева значительно затрудняет контроль температуры. При этом также возрастает неоднородность диффузионной зоны по глубине и свойствам (микротвердости, концентрации элементов).

В результате проведенных исследований было установлено, что наилучшее качество диффузионного покрытия на ПМ получается при реализации технологической схемы № 2 (таблица). При этом диффузионный слой, в отличие от слоя, полученного по схеме № 1 (рис. 1), более равномерен по глубине, однороден по свойствам и не имеет разрывов (рис. 2). Остаточная пористость таких образцов целиком зависит от режимов ГШ и составляет 1 - 3 %. Поэтому в качестве оптимальной была принята технологическая схема № 2, для которой приводятся результаты исследований.

Рис. 1. Микроструктура диффузионного слоя образца из порошкового железа, увеличение х200. Схема № 1, режим ХТО: г = 1200 ± 25 °С, т = 20 мин, V = 100 °С/ с

Рис. 2. Микроструктура диффузионного слоя образца из порошкового железа, увеличение х200. Схема № 2, режим ХТО: г = 1200 ± 25 °С, т = 20 мин, V = 100 °С/с

Глубина диффузионного слоя образцов на основе порошкового железа, полученных по схеме № 2, составляет 50-400 мкм (рис. 2). Она увеличивается при повышении процентного содержания активной составляющей обмазки, толщины слоя наносимого нике-

ля, увеличении времени насыщения т, температуры г и скорости нагрева V. Диффузионные слои на образцах из порошкового железа, полученных по схеме № 2, имеют структуру а- и у- твердого раствора Сг и N1 в железе. Для повышения стабильности аустенита количество никеля должно быть не менее 10 - 12 % по массе. Содержание легирующих элементов в диффузионном слое, определенное микрорентгеноспек-тральным анализом, составляет: Сг - 13 - 30 % по массе; N1 - 4 - 60 % по массе (рис. 3).

Данные исследований свидетельствуют о том, что рассматриваемый способ ХТО позволяет получать диффузионные слои на ГДПМ, химический и фазовый составы которых аналогичны составу коррозионно-, жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов на железной и железоникелевой основе аустенитного, аустенитно-мартенситного и аустенитно-ферритного классов.

Диффузионные слои материалов на основе порошкового железа (ПЖР 2.200.28, содержание углерода около 0,02 % (по массе)) имеют микротвердость 1600 - 2200 МПа. Характер изменения микротвердости диффузионного слоя представлен на рис. 2.

Бе, Сг, N1, % по массе

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

j I

/

/ Fe

h

н . J

' \ /X

"N --Ni

\ V

Cr"'

0

50

100

150

200 §, мкм

Рис. 3. Изменение концентрации Сг, N1, Бе в диффузионном слое образца из порошкового железа, полученного по схеме № 2. Режимы ХТО: г = 1200 ± 25 °С, т = 20 мин, V = 100 °С/с

Исследования коррозионной стойкости полученных образцов показали:

1) в 10 %-м растворе НЫ03 коррозионная стойкость ГДПМ, подвергнутых диффузионному насыщению хромом и никелем, превосходит коррозионную стойкость горячедеформированного железа в 5000...10000 раз. Установившаяся скорость коррозии хромоникелированных материалов составляет 0,008.0,02 г/(м2-ч), что соответствует 3 - 4-му баллу стойкости по десятибалльной шкале (ГОСТ 9.908-85). При этом коррозионная стойкость полученных материалов находится на уровне хромистых и хромонике-левых нержавеющих сталей;

2) в 10 %-м растворе НС1 высокими антикоррозионными свойствами обладают покрытия с содержанием никеля более 30 % (потери 0,055.0,1 г/(м2-ч)). Их можно отнести к группе «стойкие» (5-й балл), в то время как хромистые и хромоникелевые стали имеют пониженную или низкую стойкость (7 - 10-й баллы);

3) в 10 %-м растворе Н2804 коррозионной стойкостью обладают только слои с высокой концентрацией никеля (30 - 40 %) и хрома до 30 %. Высоколегированные диффузионные слои в этой кислоте ведут себя как «пониженно стойкие» (6-й балл), потери составляют 0,1...0,3 г/(м2-ч) (хромистые и хромоникеле-вые стали в серной кислоте нестойкие (9 - 10-й баллы)).

Таким образом, исследованный способ ХТО ГДПМ на железной основе позволяет:

1) получать защитные многокомпонентные диффузионные покрытия глубиной до 400 мкм, химический и фазовый составы которых аналогичны составу коррозионно-, жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов на железоникелевой основе аустенитного, аустенитно-мартенситного и аустенитно-ферритного классов;

2) существенно повысить их коррозионную стойкость, а также жаростойкость;

3) упростить технологию и сократить время диффузионного насыщения по сравнению с традиционным (печным) нагревом;

4) интенсифицировать ХТО за счет активации диффузионных процессов в поверхностных слоях образцов вихревыми токами, возникающими там под действием переменного магнитного поля индуктора.

Литература

1. Дубинин Г.Н. Диффузионное хромирование сплавов. М.,

1964.

2. Кидин И.Н., Андрюшечкин В.И., Волков В.А., Холин А.С. Электрохимико-термическая обработка металлов и сплавов. М., 1978.

3. Хокинг М., Васантасри В., Сидки П. Металлические и

керамические покрытия: Получение, свойства и применение: Пер. с англ. М., 2000.

4. Ситкевич М.В., Бельский Е.И. Совмещенные процессы химико-термической обработки с использованием обмазок. Минск, 1987.

5. Ермаков С.С., Вязников Н.Ф. Металлокерамические детали в машиностроении. Л., 1975. С. 124 - 125.

6. Jonson P.K. European Conference on Advances in Structural P/M Component Production (CEURO PM97)// The International Journal of Powder Metallurgy. 1998. Vol. 34. № l. P. 67-68.

7 апреля 2004 г.

Южно-Российский государственный технический университет

УДК 539.375.6:534.414

ФОРМИРОВАНИЕ МНОГОСЛОЙНОСТИ В ПОРИСТЫХ ПОДШИПНИКАХ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ

© 2004 г. А.И. Шевченко

В новых машинах и механизмах, как правило, проектируется рост скоростей вращающихся деталей, увеличение ударных нагрузок, действующих на опоры с пористыми материалами. Поэтому разработка пористых подшипников, обладающих повышенной несущей способностью и необходимой жесткостью, является неизбежным фактором.

Для решения этой задачи возникает необходимость использования двухслойных пористых вкладышей переменной толщины. Ниже приводится решение этой задачи в предположении, что смазка заполняет все пространство между шипом радиуса a и двухслойным вкладышем переменной толщины внутреннего радиуса b. Шип вращается вокруг своей неподвижной оси с угловой скоростью ю, а подшипник неподвижен. Поместим начало полярной системы координат (r, 6) с полюсом в центре шипа (рис. 1). Тогда уравнения контуров шипа и подшипника можно записать в виде

с1: r = а ; c2: r = b + e cos 6 = b(1 + 8 cos 6); c3: r = a1b + в1е cos 6 ; c4 : r = a2b + в2e cos 6. Здесь a,>1; a2>1; 3i>1; в2>1; a2>a,; в2 > в1.

В случае ß1=1 и ß2=1 двухслойный вкладыш имеет постоянную толщину.

С3 С4 С2 С1

Рис. 1. Схематическое изображение шипа в подшипнике бесконечной длины с двухслойным пористым вкладышем переменной толщины