Способ ванадирования поверхностных слоев углеродистой стали
METHOD FOR VANADIZING SURFACE LAYERS OF CARBON STEEL

Изобретение относится к способу химико-термической обработки и может быть использовано для повышения эксплуатационной стойкости изделий из углеродистых сталей.
23
6
7
3
2
2
3
4
3
Известен способ поверхностного упрочнения металлических изделий в контейнере, заполненном порошком каменного угля. Нагрев изделия осуществляют пропусканием электрического тока с использованием в качестве электродов контейнера и металлического изделия, при этом перед размещением металлического изделия в контейнере на поверхность изделия наносят слой жидкого или гелеобразного электропроводного адгезионного материала, а затем слой порошка материала, содержащего легирующий элемент, или наносят смесь этих компонентов, в качестве адгезионного материала используют материал, который при нагреве не выделяет продуктов, препятствующих диффузии легирующих элементов в поверхность изделия, например, универсальный электродный гель «Униагель» производства ООО «Гельтек-Медика» для электрофизиологических медицинских исследований состава на основе глицерина, хлорида калия, пропиленгликоля, консервантов, воды, загустителя-карбомера полиакриловой кислоты. Экспериментальную апробацию способ прошел на хромировании (образование (Cr,Fe)С и (Cr,Fe)С), борировании (образование FeB), молибденировании (образование MoC), азотировании и карбонитрированйи (образование FeN, FeN, CrN и Fe(N,C)), при этом повышалась микротвердость стальных изделий (Диффузионные карбидные покрытия / В.Ф. Лоскутов и др.-К.: Техника, 1991, стр. 54). Не исключено, что данным способом можно осуществить ванадирование стали.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет осуществить упрочнение поверхности металлического изделия за счет формирования высокотвердого легированного слоя.
4
2
2
3
2
0.88
Известен способ одновременного ванадирования и борирования с использованием нанесенной на поверхность стального образца обмазки на основе электропроводного геля, содержащей порошки феррованадия FeV80 и карбида бора ВС (Степанов М.С. Структура, фазовый состав, механические свойства, износостойкость стали после микродугового борованадирования / М.С. Степанов, Ю.М. Домбровский, Л.В. Давидян. // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия.-2019. Т.62. №6. С. 446-451-прототип). На стали формируется поверхностный слой толщиной 150-190 мкм, имеющий основу микротвердостью 7,8-8,3 ГПа, в которой расположены светло-серые зернистые включения и участки эвтектики микротвердостью 13,5-14,0 ГПа. Далее расположен науглероженный слой эвтектоидной концентрации, переходящий в исходную феррито-перлитную структуру. Определено содержание легирующих элементов в характерных точках поверхностного слоя, которое подтвердило повышенное содержание ванадия, углерода и бора в основе слоя, участках эвтектики и карбидной фазе. Рентгеновским фазовым анализом установлено наличие в поверхностном слое стали боридов ванадия VB и VB, боридов железа FeB и FeB, карбида ванадия VC. Мелкодисперсные включения боридов железа, боридов и карбидов ванадия значительно увеличивают износостойкость стали. Износостойкость при трении о закрепленные абразивные частицы возросла в четыре раза по сравнению с исходным состоянием. Недостатком способа является сложная методика приготовления ванадийборсодержащей смеси и высокая продолжительность термообработки.
Изобретение направлено на решение проблемы повышения качества покрытий путем формирования диффузионной зоны на границе раздела покрытие-подложка и производительности процесса формирования покрытия.
2
5
Технический результат заключается в расширении арсенала средств для ванадирования, а также в использовании ванадийсодержащей обмазки (шихты) и нагрева поверхности подложки углеродистой стали с обмазкой, где, для повышения качества ванадированного приповерхностного слоя, наносят ванадийсодержащую обмазку, содержащую 50 мас.% аммонийной соли 2-моноэтаноламина и лимонной кислоты, 25 мас.% сажи Т-900 и 25 мас.% оксида ванадия VO, а нагрев проводят при температуре 950-1325°С с выдержкой 4,5-9,5 минут.
4
3
Для достижения технической проблемы и заявляемого результата проводится нанесение на поверхность подложки из углеродистой стали 20 ванадийсодержащей обмазки, вступающей под действием высокотемпературного воздействия с материалом подложки в экзотермическую химическую реакцию с образованием химических соединений, содержащих фазы α-Fe,V и VC, повышающих коррозионную стойкость стали 20.
Разработанный способ ванадирования поверхности подложки из углеродистой стали 20 поясняется фиг. 1-4, где:
2
2
3
2
2
-
+
фиг. 1 - инфракрасный спектр синтезированной соли НОС(O)СНС(ОН)С(O)(ОН)СНС(O)O HNCHCHOH,
фиг. 2 - ячейка ванадирования (2а), обмазка в ступке (2б),
фиг. 3 - рентгенофазовый анализ (РФА) образца стали 20 после ванадирования,
фиг. 4 - энергодисперсионный рентгеновский анализ (ЭДРА) стали 20 до (а) и после ванадирования (б).
Примеры конкретного выполнения
Пример 1. Синтез аммонийной соли 2-моноэтаноламина и лимонной кислоты
2
2
3
2
2
-
+
Смешение 2-моноэтаноламина СТП ТУ КОМП 2-198-10, лимонной (2-гидроксипропан-1,2,3-трикарбоновая) кислоты ГОСТ 908-04 и дистиллированной воды (растворитель) проводили в мольном соотношении 1:1:1 в литровой колбе при нагревании до температуры 88-98°С. Стабилизацию смеси осуществляли путем ее выдержки в течение не менее 2 часов с последующим удалением воды на ротационном испарителе при подъеме температуры до 97-100°С. После чего полученную вязкую массу аммонийной соли 2-моноаминоэтанола и лимонной кислоты переносили в отдельную емкость. Элементный анализ синтезированной соли и ИК-спектр подтверждают образование соединения НОС(O)СНС(ОН)С(O)(ОН)СНС(O)O HNCHCHOH, табл. 1, фиг. 1.
-1
-1
-1
-
-1
+
-1
2
3
Основные полосы поглощения: 2953,7 см- ассиметричные, 2918,6 см - симметричные валентные колебания СН-групп; 1704,1, 1633,0, 1575,2 и 1404,4 см - анион сложноэфирной группы -С(O)O, 3500-3400 см-катион -NH- группы, 1780,2 см- карбонильная группа С=O.
2
5
2
5.
Пример 2. На стандартный образец (дистальный конец 10*8*2 мм прутка общей длиной 28-30 мм, диаметром 8 мм, см. фиг. 2а) из конструкционной углеродистой качественной стали 20 по ГОСТ 1050-88 наносили слой обмазки, состоящей из смеси синтезированной аммонийной соли в соотношении 50 мас. % соли, 25 мас. % сажи Т-900 по ГОСТ 7885-86 (Углерод технический для производства резины) и 25 мас. % оксида ванадия VO по ТУ 6-09-4093-75. Обмазку готовили следующим образом: на 2,0 г соли добавляли 1,0 г сажи и 1,0 г оксида ванадия VO (фиг. 2б). Затем утонченный до 2 мм дистальный конец прутка помещали в реактор, характеристики которого приведены в табл. 2. Осуществляли медленный нагрев до 900°С в течение 5-7 минут и выдержку при этой температуре 5±0,5 минут. Ванадирование проводили при 950±30°С в течение 4,5±0,5 минут.
4
3
В ходе нагрева образца с обмазкой соль разлагается на аммиак и далее на азот и водород, выполняющих роль переносчика ванадия, образующегося при взаимодействии оксида ванадия с сажей. Ванадий диффундирует в глубину структуры стального образца, формируя диффузионную зону, содержащую фазы α-Fe,V и VC, идентифицируемые по спектрам РФА, фиг. 3. РФА проводился на дифрактометре ARL X'TRA "Thermo Fisher Scientific" (Швейцария) методом рентгеновской дифракции в излучении Cu-Kα (длина волны λ=0,154178 нм) с интервалом углов рассеяния от 5 до 90° в автоматическом режиме при скорости съемки 2°/мин. При работе использовались напряжение 40 кВ и электрический ток в 40 мА. Фазовый анализ покрытий образцов выполнен в программном комплексе PDXL с использованием базы данных ICDD.
После ванадирования образец отделяли от основы прутка путем разреза, измеряли микротвердость на микротвердомере ПМТ-3 как на ванадированной поверхности, так и по сечению образца. Результаты измерения приведены в табл. 3.
Присутствие ванадия в стали 20 наблюдается также по данным ЭДРА, фиг. 4.
Примеры 3-11. На образцы из стали 20 наносили слой обмазки согласно примера 2. Режимы проведения ванадирования и микротвердость поверхностного слоя приведены в табл. 4.
Как видно из табл.4, максимальной микротвердостью обладают слои, полученные при более высокой температуре и времени выдержки, по сравнению с первоначальной микротвердостью исходного материала. Такое различие в микротвердости обусловлено диффузионным перераспределением ванадидов железа в приповерхностном слое и синтезом различных соединений ванадия с углеродом. В среднем микротвердость после термической обработки увеличилась примерно в 2,5…2,8 раз от первоначального значения.
Достоинством предлагаемого способа ванадирования является возможность бесконтактного нагрева поверхностных слоев обрабатываемого материала, а высокая температура обеспечивает повышенную диффузионную подвижность компонент, участвующих в диффузии ванадия в сталь.
Пример 12. Испытание на коррозионную стойкость.
Скорость коррозии v и глубинный показатель коррозии II определялись из гравиметрических измерений согласно ГОСТ (ГОСТ17322-71) и (ГОСТ 5272-68), при этом образцы стали 20 диаметром 8 мм и толщиной 2 мм выдерживали в 3% водном растворе хлорида натрия NaCl в течение 48 часов, табл. 5.
Согласно полученным данным видно, что при ванадировании коррозионная стойкость стали 20 увеличивается.