Способ формирования износостойкого покрытия и коррозионно-стойкого покрытия на поверхности изделий из стали
METHOD OF FORMING A WEAR-RESISTANT COATING AND A CORROSION-RESISTANT COATING ON THE SURFACE OF STEEL PRODUCTS

Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение стойкости стальных изделий к различным видам изнашивания, а также к воздействиям агрессивных рабочих сред за счет изменения состава и структуры их поверхностных слоев и может быть использовано для увеличения эксплуатационного ресурса изделий, повышения их нагруженности, в частности для повышения износостойкости и коррозионной стойкости изделий запорной арматуры.
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, а у аустенитных сталей наблюдается снижение их коррозионной стойкости, что обуславливается связыванием хрома сталей в нитриды, карбиды, карбонитриды, приводящее к обеднению хромом аустенита.
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. Высокая твердость карбидов хрома обеспечивает поверхности изделия высокую стойкость к абразивному износу и эрозионному воздействию рабочей среды. Помимо этого, наличие хрома на поверхности изделия обеспечивает повышение жаростойкости и коррозионной стойкости материала изделия. Однако образование карбидного слоя наблюдается только при диффузионном насыщении никелем и хромом среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей. При диффузионном насыщении никелем и хромом аустенитных малоуглеродистых коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочных сталей карбидный слой на базе карбида хрома не образуется, а происходит дополнительное легирование хромом аустенита.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способдиффузионного насыщения изделий из аустенитных сталей, включающий диффузионное насыщение изделия в расплаве, содержащем свинец, литий, никель и хром, при температуре 650-1250°С, при этом перед диффузионным насыщением изделие подвергается цементации при температуре 850-900°С в течение 3-5 часов, а после диффузионного насыщения - повторной цементации при температурах 850-1050°С в течение 2-10 часов. (RU2679318 С1, опубл. 07.02.2018).
Недостатком прототипа является то, что данный способ нанесения покрытий не обеспечивает достаточной коррозионной стойкости и твердости поверхностного слоя стального изделия, необходимых для их защиты от коррозионно-механического изнашивания, ввиду формирования на поверхности изделий хрупких покрытий и недостаточно твердого и прочного переходного слоя между покрытием и материалом основы, а также может быть эффективен только для аустенитных сталей.
Задачей заявляемого изобретения является повышение твердости и износостойкости, стойкости к коррозионно-механическому изнашиванию поверхностных слоев изделий, изготовленных из углеродистых и легированных сталей, при воздействии на покрытие значительных контактных напряжений.
Технический результат - повышение коррозионно-механической износостойкости и эксплуатационного ресурса изделий, изготовленных из углеродистых и легированных сталей, в условиях воздействия на них высоких контактных напряжений и агрессивного воздействия рабочей среды.
Технический результат достигается тем, что способ формирования износостойкого покрытия на поверхности изделий из сталей, включает цементацию и диффузионное насыщение изделия в расплаве, содержащем свинец, литий, хром при этом цементацию проводят при температурах 1000-1100°С в течение 3-8 часов, а диффузионное насыщение стальных изделий в расплаве, содержащем свинец, литий, хром, в течение 2-5 часов при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Свинец - 94,2-98,5
Литий - 0,5-0,8
Хром - 1-5,
при температуре 950-1050°С, после этого проводят термическую обработку, включающую поверхностную закалку при температуре 780-850°С и отпуск при температуре 150-180°С.
Повышение в заявляемом способе на стадии цементации диапазона температур процесса до 1000-1100°С обеспечивает, по сравнению с прототипом, значительное повышение концентрации углерода в поверхностных слоях материала изделия, что способствует на последующей стадии диффузионного насыщения их хромом в легкоплавком расплаве, содержащем свинец, литий, хром, формированию в поверхностных слоях изделия покрытий на базе карбидов хрома, обладающих высокой твердостью, а также коррозионной стойкостью вследствие высокой концентрации в них хрома. При этом повышение температурного диапазона предварительной цементации обеспечивает также возможность сокращения длительности данного процесса, что обусловлено ростом скорости диффузии углерода в поверхностных слоях стального изделия. Кроме этого, в отличие от прототипа, при диффузионной металлизации поверхностных слоев стальных изделий в качестве насыщающего элемента используется только хром, т.е. из состава технологической среды исключается никель. Исключение никеля из состава легкоплавкого расплава, обеспечивающего образование в покрытии вязкого переходного слоя, обусловлено необходимостью формирования под диффузионным покрытием на базе карбидов хрома твердого переходного слоя, исключающего его продавливание под механическим воздействием, возникающим в процессе эксплуатации изделия. При этом для обеспечения высокой твердости переходного слоя предлагается проведение поверхностной закалки на глубину цементованного слоя с последующим проведением низкого отпуска. Кроме этого, при заявляемой последовательности технологических операций (цементация, диффузионное хромирование, термическая обработка) обеспечивается возможность придавать поверхностным слоям стальных изделий высокую стойкость к коррозионно-механическому изнашиванию не только аустенитным сталям, но и другим углеродистым и легированным сталям, а также исключается имеющаяся в прототипе стадия повторной цементации, что, в конечном итоге, позволяет значительно сократить длительность технологического процесса, то есть повысить его экономичность. Таким образом, в результате повышения температурного диапазона процесса предварительной цементации и последующего диффузионного насыщения хромом на поверхности стальных изделий формируется двухслойное диффузионное покрытие, состоящее из основного наружного слоя и переходного слоя. Наружный слой покрытия содержит карбиды хрома и, вследствие этого, обладает высокой твердостью, что обеспечивает ему высокую стойкость к механическому изнашиванию, эрозионному воздействию рабочей среды и коррозионную стойкость, а переходной слой имеет повышенную, плавно уменьшающуюся по глубине покрытия твердость, что обеспечивает отсутствие продавливания основного слоя под эксплуатационным механическим воздействием и прочную связь покрытия с материалом основы.
Пластинчатые образцы, изготовленные из сталей: Ст3, 40Х, 20Х13, 12Х18Н10Т, по технологическим вариантам:
1-й вариант - пластины подвергались предварительной цементации, диффузионному насыщению никелем, хромом в легкоплавком расплаве и последующей цементации - по технологии прототипа;
2-й вариант - пластины подвергались предварительной цементации, диффузионному насыщению хромом в легкоплавком расплаве и последующей термической обработке, включающей поверхностную закалку, например, токами высокой частоты на глубину 2мм, с температуры 800°С в воду и низкий отпуск при температуре 160°С - по технологии заявляемого способа.
При этом выбирались одинаковые значения температуры, длительности процесса диффузионного насыщения изделия хромом и термической обработки, предельные значения диапазонов температур и длительности процессов предварительной цементации и концентрации элементов в легкоплавком расплаве.
Пример 1. Пластины из стали Ст3, 40Х, 12Х18Н10Т подвергались обработке по варианту 1 (прототип) - цементации при температуре 850°С, длительность выдержки 5 часов; диффузионному насыщению в расплаве, содержащем свинец (84,2 масс. %), литий (0,8 масс. %), никель (5 масс. %) и хром (10 масс. %), при температуре 1000°С, длительность выдержки 5 часов; повторной цементации при температуре 1050°С в течение 2 часов.
Пример 2. Пластины из стали Ст3, 40Х, 12Х18Н10Т подвергались обработке по варианту 2 (заявляемый способ) - цементации при температуре 1000°С, длительность выдержки 3 часа; диффузионному насыщению в расплаве, содержащем свинец (98,5 масс. %), литий (0,5 масс. %), и хром (1 масс. %), и температуре 1000°С, длительность выдержки 5 часов; поверхностная термическая обработка.
Пример 3. Пластины из стали Ст3, 40Х, 12Х18Н10Т подвергались обработке по варианту 2 (заявляемый способ) - цементации при температуре 1050°С, длительность выдержки 8 часов; диффузионному насыщению в расплаве, содержащем свинец (94,2 масс. %), литий (0,8 масс. %), и хром (5 масс. %), и температуре 1000°С, длительность выдержки 5 часов; поверхностная термическая обработка.
Пример 4. Пластины из стали Ст3, 40Х, 12Х18Н10Т подвергались обработке по варианту 2 (заявляемый способ) - цементации при температуре 1025°С, длительность выдержки 5,5 часа; диффузионному насыщению в расплаве, содержащем свинец (96,35 масс. %), литий (0,65 масс. %), и хром (3 масс. %) и температуре 1000°С, длительность выдержки 5 часов; поверхностная термическая обработка.
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. Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Как следует из результатов исследований, представленных в таблице 1, прототип, несмотря на высокую поверхностную твердость основного слоя, не обеспечивает возможность формирования в покрытии переходного слоя, имеющего необходимые твердость и прочность, исключающие возможность продавливания и растрескивания основного слоя покрытия при воздействии на него высоких контактных механических нагрузок, которыми являются, в частности, воздействия индентора при измерении твердости. Так, покрытия, сформированные по технологии прототипа, при замере твердости по Роквеллу при воздействии индентора продавливаются на значительную глубину, о чем свидетельствует низкая величина твердости покрытия.
После обработки поверхности углеродистых и легированных сталей - Ст3, 40Х, 12Х18Н10Т по заявляемому способу твердость поверхностного слоя значительно увеличивается. Так, твердость по Роквеллу сталей Ст3, 40Х, 12Х18Н10Т возрастает до 81-83 HRA, что соответствует твердости инструментальных сталей, это значительно повышает стойкость основного слоя покрытия к продавливанию и растрескиванию, а также, вследствие отсутствия этих явлений, к коррозионно-механическому изнашиванию.
Таблица 1
Варианты Обработки Образцов № Примера
Марка покрываемой стали
Твердость поверхностного слоя, HRA
после цементации
после предварительной цементации и диффузионной металлизации
После полного цикла обработки
Без обработки
Ст3
-
-
52
40Х
-
-
58
12Х18Н10Т
-
-
57
Прототип. Пример №1
Ст3
57
60
61
40Х
59
64
65
12Х18Н10Т
60
65
71
Заявляемый Способ. Пример №2
Ст3
57
60
78
40Х
59
61
80
12Х18Н10Т
60
65
81
Заявляемый Способ. Пример №3
Ст3
57
60
80
40Х
58
64
82
12Х18Н10Т
61
67
80
Заявляемый Способ. Пример №4
Ст3
62
60
81
40Х
62
61
83
12Х18Н10Т
64
68
82
Таким образом, предложенный способ, включающий проведение предварительной цементации, диффузионного насыщения в расплаве, содержащем свинец, литий, хром, и последующую поверхностную термическую обработку, позволяет значительно повысить твердость и износостойкость, стойкость к коррозионно-механическому изнашиванию поверхностных слоев изделий, изготовленных из углеродистых и легированных сталей, при воздействии на покрытие значительных контактных напряжений, то есть решить техническую задачу заявляемого изобретения и добиться поставленного технического результата - повышения коррозионно-механической износостойкости и эксплуатационного ресурса изделий, изготовленных из углеродистых и легированных сталей, в условиях воздействия на них высоких контактных напряжений и агрессивного воздействия рабочей среды.