Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследований в области создания износостойких покрытий, прошедших химико-термическую обработку 9
1.1. Повышение долговечности деталей машин нанесением металлических покрытий 9
1.2. Современные представления о механизме связи напыленного покрытия с основным материалом 17
1.3. Методы повышения прочности сцепления напыленных покрытий сосновой 22
1.4. Возможность упрочнения газо-термических покрытий методами термодиффузионного насыщения 30
1.5. Цель и задачи исследования 42
ГЛАВА 2. Теоретическое исследование кинетики процесса диффузионного насыщения, используемые методики и оборудования 44
2.1. Математическое моделирование кинетики роста диффузионного слоя на газо-термических покрытиях 44
2.2. Обоснование и выбор материалов покрытия и насыщающей среды для химико-термической обработки 52
2.3. Используемое оборудование для нанесения газо-термических покрытий и химико-термической обработки 55
2.4. Аппаратура и методики исследования упрочненных покрытий 57
2.4.1. Методы металлографического анализа 57
2.4.2. Изучение распределения химических элементов в композиционном покрытии 58
2.4.3. Методика определения прочности сцепления напылённых покрытий с основой 59
2.4.4. Методика проведения коррозионных испытаний 60
2.4.5. Методика испытания модифицированных покрытий на износостойкость 62
Выводы к главе 2 65
ГЛАВА 3. Термодинамический анализ и экспериментальные исследования структуры, фазового состава и эксплуатационных свойств покрытий 66
3.1. Термодинамический анализ химических процессов в насыщающей газовой среде 66
3.2. Металлографический и рентгенофазовый анализ структуры композиционных покрытий 71
3.3. Влияние пористости покрытия на кинетику роста диффузионного слоя 79
3.4. Влияние режимов процесса термодиффузионного насыщения на толщину карбонитрированного слоя 82
3.5. Исследование прочности сцепления композиционного покрытия сосновой 83
3.6. Изучение коррозионной стойкости покрытий 85
3.7. Триботехнические свойства композиционных покрытий 88
3.8. Разработка технологического процесса восстановления, применительно к деталям автотранспортной техники 93
3.9. Технико-экономическая эффективность от внедрения разработанной технологии в промышленности 102
Выводы к главе 3 104
Общие выводы 107
Список литературы
- Современные представления о механизме связи напыленного покрытия с основным материалом
- Возможность упрочнения газо-термических покрытий методами термодиффузионного насыщения
- Используемое оборудование для нанесения газо-термических покрытий и химико-термической обработки
- Влияние режимов процесса термодиффузионного насыщения на толщину карбонитрированного слоя
Введение к работе
Проблема повышения надежности и долговечности деталей машин и механизмов может быть успешно решена путем создания новых высокоэффективных технологических процессов и композиционных материалов. Наиболее универсальным способом изготовления композиционных материалов является способ нанесения покрытий. Нанесение покрытий означает не просто повышение или улучшение эксплуатационных характеристик изделия, а создание, по существу, принципиально новой композиции, обладающей не только суммой характеристик материалов основы и покрытия, а качественно иными свойствами, которые позволяют изменить конструкцию детали или узла и значительно повысить производительность машин и механизмов при увеличении их надежности. Нанесение покрытий дает возможность наиболее рационально и рентабельно использовать материалы, упростить в ряде случаев технологию изготовления деталей, заменить дорогостоящие и редкие металлы менее дефицитными материалами без снижения, а в большинстве - с повышением работоспособности деталей, конструкций и механизмов.
Нанесение покрытий играет первостепенную роль при восстановлении изношенных деталей и узлов. Нанесением покрытия возможно, довести изделия до требуемых размеров. Используя для нанесения покрытий материал с высокими требуемыми свойствами, можно значительно увеличить срок службы восстановленной детали по сравнению с новой.
Одним из перспективных методов упрочнения и восстановления деталей машин является метод газо-термического нанесения покрытий. Газотермические способы нанесения покрытий обладают высокой производительностью, дают возможность наносить слои из разнообразных материалов и различной толщины с заданными поверхностными свойствами, которые необходимы для развития современного машиностроения, электротехники и электроники, химического машиностроения и других областей новой техники.
Вместе с тем основными сдерживающими факторами, определяющими масштабы внедрения и работоспособность газо-термических покрытий, являются их низкая прочность сцепления с основой, пористость и относительно высокая стоимость используемых материалов. Вследствие этого, на практике нашли применение комбинированные способы нанесения покрытий. К комбинированным можно отнести технологию, состоящую из напыления формообразующего покрытия и его последующего термодиффузионного упрочнения в ме-таллотермических порошковых смесях.
Большой вклад в разработку технологических процессов формирования защитных слоев методами газо-термического напыления внесли Абрамов Г.А.,
Ашіен А.А., Антошин Е.В., Борисов Ю.С., Вадивасов Д.Г., Вахалин В.А., Витязь П.А., Дорожкин Н.Н., Дружинин Л.К., Жуков М.Ф., РІванов В.М., Кадыров СМ., Каракозов Э.С., Катц Н.В., Кудинов В.В., Куприянов И.Л., Knotek О., Копылов В.М., Костиков В.И., Панин В.Е., Роман О.В., Спиридонов Н.В., Троицкий КВ., Jmith R., Шадричев В.А., Шоршоров М.Х., Ющенко К.А., Weber T.F. и др., методами химико-термической обработки поверхностей Вельский Е.ИМ Ворошнин Л.Г., Гринберг М.Л., Ляхович Л.С., Минкевич А.Н., Про-кошкин Д.А., Шубин Р.П. и др.
Защитные слои, полученные по комбинированной технологии из сплавов на основе железа, обладают гетерогенной структурой, которая оказывает положительное влияние на их триботехнические характеристики, жаро- и коррозионную стойкость. К тому же и механическая обрабатываемость таких покрытий значительно выше, чем у самофлюсующихся и керамических материалов. Даже частичная замена ими дорогостоящих материалов на никелевой основе позволила бы сэкономить миллионы рублей.
Исследования, проводимые в странах СНГ и за рубежом по оценке трибо-технических свойств гетерогенных покрытий, получаемых различными методами, позволяют сделать вывод о том, что износостойкость их может быть максимальной при определенной степени гетерогенности. Однако целенаправленных исследований, посвященных разработке и созданию комбинированных упрочняющих технологий методами газо-термического напыления и химико-термической обработки, а также выявлению влияния последней на износостойкость и другие эксплуатационные свойства рабочих поверхностей не проводилось.
Данная работа посвящена упрочнению газо-термических покрытий методом термодиффузионного насыщения в порошковых смесях, содержащих азот и углерод и созданию композиционных покрытий с заданными свойствами.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Повышение надежности и долговечности изделий является важнейшей задачей современного машиностроения. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что применение специальных металлических покрытий во многом способствует улучшению эксплуатационных характеристик деталей и металлоконструкций, экономии дорогостоящих материалов и увеличению срока службы изделий. Поэтому, создание новых композиционных материалов с уникальным сочетанием показателей твердости, износостойкости и пластичности, с использованием альтернативных решений, является актуальным.
Среди прогрессивных направлений упрочнения рабочих поверхностей деталей особое место занимает газо-термическое напыление покрытий, которое является наиболее универсальным методом, позволяющим наносить покрытия из различных металлов и их сплавов, как в виде порошков, так и в виде проволок и гибких шнуров. Газо-термическое напыление дает возможность снизить энергоемкость производства, решить проблемы восстановительного ремонта в условиях повторного использования изношенных деталей, сэкономить дорогостоящие легированные стали и сплавы.
Вместе с тем, основными сдерживающими факторами, определяющими широкие масштабы внедрения и работоспособность газо-термических покрытий, является их низкая прочность сцепления с основой, пористость и относительно высокая стоимость используемых материалов. Вследствие этого на практике нашли применение комбинированные способы нанесения покрытий. К перспективным видам комбинированных технологий относят способы, включающие напыление формообразующего покрытия и его последующее термодиффузионное упрочнение в порошковых смесях. Однако использование комбинированных методов упрочнения газо-термических покрытий сдерживается нерешенностью ряда задач, обусловленной новизной и сложностью проблемы: не исследован механизм роста диффузионных слоев на напыленных покрытиях; отсутствуют систематизированные данные по влиянию технологических параметров процесса насыщения на толщину композиционных покрытий; не созданы теоретические модели, обеспечивающие возможность расчета кинетики формирования слоев, применение которых снижает затраты на экспериментальные работы и позволяют установить влияние различных факторов на эффективность формирования покрытий. Поэтому решение названных вопросов является актуальным, имеющим как научное, так и практическое значение.
Целью настоящей работы является исследование химических процессов происходящих при термодиффузионном насыщении напыленных слоев в по- рошковых смесях, содержащих азот и углерод, и разработка эффективных комбинированных процессов формирования композиционных покрытий из низкоуглеродистых сталей.
Для реализации цели были поставлены следующие задачи: разработать и экспериментально проверить математическую модель расчета толщины диффузионных слоев на газо-термических покрытиях из сплавов на железной основе; произвести термодинамическое обоснование и анализ химических процессов происходящих в газовой среде при химико-термической обработке; обосновать и выбрать методы термодиффузионного насыщения газотермических покрытий в условиях соблюдения основных требований к показателям технологичности, экологичности и экономической целесообразности процессов упрочнения и восстановления деталей машин общего машиностроительного профиля; установить основные факторы, влияющие на толщину, структуру и свойства композиционных покрытий в зависимости от различного химического состава напыляемого слоя; изучить физико-механические свойства композиционных покрытий, получаемых по комбинированной технологии и их влияние на эксплута-ционные характеристики упрочняемых и восстанавливаемых изделий.
Научная новизна работы состоит в: разработке математической модели кинетики роста диффузионных слоев на газо-термических покрытиях из низкоуглеродистых сталей, позволяющей прогнозировать толщину упрочненного слоя в зависимости от температурно-временных факторов; обосновании и выборе метода низкотемпературного карбонитрирования в порошковых смесях, применительно к газо-термическим покрытиям из сплавов на железной основе; установлении факторов, влияющих на физико-механические свойства и толщину формирующейся диффузионной зоны.
Практическая значимость работы заключается в разработке новой комбинированной технологии, состоящей из процесса газо-термического напыления формообразующего покрытия и последующей химико-термической обработки в порошковых смесях, содержащих химически активные элементы углерод и азот. Используемые, в качестве рабочего слоя, покрытия из недорогих низкоуглеродистых сталей, обеспечивают возможность использования разработанной технологии во многих отраслях промышленности: машиностроении, металлургии, химическом и ремонтном производстве. Это позволяет значительно повысить надежность и долговечность восстановленных деталей. Основные положения, выносимые на защиту: концепция создания композиционных покрытий из низкоуглеродистых сталей, основанная на комбинировании экономичных методов газотермического напыления и химико-термической обработки в порошковых смесях содержащих углерод и азот; математическая модель процесса термодиффузионного насыщения газотермических покрытий, устанавливающая зависимость толщины формирующегося диффузионного слоя от температурно-временных параметров и концентрации элементов насыщающей среды; закономерности формирования структуры и свойств композиционных покрытий, полученных по комбинированной технологии; результаты исследования физико-механических и эксплуатационных свойств композиционных покрытий на железной основе.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на конференции «Внедрение научных разработок ученых Таджикистана в промышленность» (Душанбе, 2001г.); Международной научно-практической конференции «Современные методы проектирования машин» (Минск, 2002г,); Международной научно - практической конференции «Актуальные проблемы горнометаллургического комплекса Казахстана» (КарГТУ - Караганда, 2003 г.); Межвузовской научно-практической конференции «Достижения в области металлургии и машиностроения Республики Таджикистан» (Душанбе, 2004г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 научных статей.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из трех глав, изложена на 115 страницах машинописного текста, включает 33 рисунка, 26 таблиц, 92 библиографических названий и приложение.
Современные представления о механизме связи напыленного покрытия с основным материалом
Выполненные рядом исследователей работы [33-35] по изучению работоспособности деталей с покрытиями убедительно показали, что основной причиной их разрушения является недостаточная связь между материалом покрытия и основой. Прочность сцепления покрытия с основным материалом является одним из основных критериев, который позволяет определить область применения и эксплутационные характеристики напыленных покрытий.
Для обеспечения работоспособности деталей с газо-термическими покрытиями в различных условиях эксплуатации необходимо обеспечить прочную связь покрытия с основой.
В литературе имеются достаточно противоречивые данные о характере связи напыленного покрытия с основным материалом. Известно, что частицы распыленного металла достигают покрываемой поверхности в высокопластичном состоянии и, деформируясь при ударе, заполняют все ее неровности. Это дает основание авторам [21,29] считать, что связь частиц металла между собой и металлизируемой поверхностью осуществляется в результате их механического зацепления. Другие авторы [23,25] полагают, что сцепление покрытия с основой обусловлено главным образом действием межмолекулярных сил. Наконец, третья точка зрения заключается в том, что прочное сцепление напыленного покрытия с основой может быть обеспечено только образованием химической связи [26].
Механическое зацепление может играть существенную роль при напылении на пористую [21] либо специально протравленную основу [23], обеспечивающую якорное зацепление покрытия. Примером чисто механической связи может служить напыление покрытий на неметаллические изделия (пластмасса, фарфор, дерево и т.д.) и напыление на поверхность, имеющую профиль типа «ласточкиного хвоста», которая обеспечивается проточкой либо фрезированием соответствующего профиля канавок, углублений и т.д. [21]. В подавляющем большинстве случаев нестабильность и низкая прочность сил механического зацепления позволяют считать их вклад второстепенным в общей величине прочности сцепления покрытий [24,5].
Молекулярное взаимодействие проявляется при сближении двух чистых поверхностей до расстояния меньшего (соизмеримого), чем диаметр атома [26]. При молекулярной связи нет перехода электронов, они разделены промежутком с нулевой электронной плотностью. Связь обусловлена Ван-дер-Ваальсовыми силами в том случае, когда порядок энергии взаимодействия составляет 0,05-0,1 эВ (4,93-9,86 кДЖ/моль). Можно согласиться с тем, что нестабильность и небольшая величина первых двух групп сил сцепления не позволяет считать их ответственными за образование прочного сцепления.
Авторы работ [25-27] считают, что образование прочного соединения между напыленной частицей и металлом основы возможно только в результате протекания химического взаимодействия между ними. Химическое взаимодействие двух поверхностей происходит в том случае, когда расстояние между ними обеспечивает возможность перераспределения электронной плотности, т.е. составляет величину порядка размера атомного радиуса. При этом атомы и молекулы должны обладать энергией, достаточной для возникновения химической связи, которая равна 1-8 эВ [26]. Таким образом, химическое взаимодействие обеспечивает наибольшие значения адгезии.
Термодинамическая вероятность осуществления химического взаимодействия характеризуется уменьшением свободной энергии системы, а кинетика -энергетическим барьером, которой необходимо преодолеть атомам для перехода из одного устойчивого состояния в другое (энергией активации взаимодействия).
По мнению авторов работ [17], на каждом элементарном участке поверхности процесс химического взаимодействия протекает в три стадии:
1) образование физического контакта, т.е. сближение атомов на расстояние, достаточное для химического взаимодействия;
2) активация и химическое взаимодействие атомов, приводящие к установлению между ними прочной химической связи;
3) релаксационные процессы во всем объеме взаимодействия (рекристаллизация, гетеродиффузия, образование новых фаз и т.д.).
Наиболее кратковременной и, следовательно, лимитирующей стадией при напылении является активация поверхности основы. Стадия образования физического контакта в результате деформации и растекания частицы, а также следующие за активацией процессы перераспределения электронной плотности и вызванная ими перегруппировка атомов (собственно химическое взаимодействие) протекают намного быстрее.
При газо-термическом напылении в стадии активации поверхности основы в свою очередь выделяют три фазы [19]:
1) локальное снижение активационного энергетического барьера поверхности основы под действием давления от удара частицы вследствие упругих искажений решетки и пластической деформации;
2) переход в активированное состояние группы атомов в рассматриваемой локальной области за счет внутренней энергии колебаний атомов в твердом теле, т.е. термическая активация; 3) распад активированного комплекса, в результате чего в зависимости от вида напряженного состояния образуется новая атомная группировка (очаг взаимодействия) либо исходные поверхностные связи.
В предельном случае активированное состояние представляет собой диссоциацию, или разрыв связи, поверхностных атомов, т.е. процесс разрушения. На этом основании делается вывод о единой природе разрушения и соединения твердых материалов. Вследствие термомеханического характера процесса разрушения в общем случае активация материала основы также носит термомеханический характер.
Развитие реакции на границе взаимодействия фаз, т.е. в пятне контакта, можно приближенно определить по относительной прочности сцепления [30]:
Образование физического контакта происходит главным образом в результате пластической деформации поверхностных контактирующих слоев. Принципиальной необходимости в пластической деформации обоих поверхностей нет: для образования физического контакта достаточна пластическая деформация одной из них [26].
При ударе напыляемой частицы о поверхность основы происходит ее интенсивная пластическая деформация, обеспечивающая физический контакт. Процесс сопровождается разрушением и выдавливанием в стороны оксидных пленок с образованием «чистых» участков поверхности металла напыляемой частицы и основы. Это способствует увеличению прочности сцепления частиц между собой и покрываемой поверхностью.
Процесс активации сводится к образованию в области физического контакта атомных группировок с ненасыщенными связями - активированных комплексов. Число активированных комплексов определяется энергией их образования, а частота их появления и распада - температурой и характером изменения степеней свободы взаимодействующих атомов.
Возможность упрочнения газо-термических покрытий методами термодиффузионного насыщения
Модифицирование структуры. Модифицирование структуры поверхностного слоя можно осуществить различными путями. Наиболее простым методом, применяемым, главным образом, для сталей и некоторых других сплавов, является деформационное упрочнение. Сущность этого метода состоит в пластическом деформировании поверхностного слоя каким-либо инструментом или дробеструйной обработкой. Прочность пластичных материалов и их сопротивление усталости возрастают благодаря увеличению плотности дислокаций в материале и снижению их подвижности. В некоторых операциях металлообработки, таких как ковка или волочение, деформационное упрочнение осуществляется одновременно с изменением формы детали.
В работе [20] подробно исследована поверхностно-пластическая обработка, часто применяемая для снятия или компенсации внутренних напряжений в покрытиях. Возможны более 21 000 модификаций такой обработки, различающиеся по таким параметрам, как тип абразива (практически неограниченный выбор из твердых, жидких и газообразных веществ), давление, расстояние, угол падения абразивных частиц, качество материала и размер. В процессе ударного воздействия возникают напряжения, которые могут ухудшать качество покрытий или, наоборот, обеспечивать определенные преимущества.
Достоинства дробеструйной обработки как операции предварительной подготовки поверхности для металлургических покрытий рассмотрены в [21]. Известно, что дробеструйная обработка создает предварительное напряженное состояние поверхности, в которой индуцируются сжимающие напряжения, которые впоследствии компенсируют напряжения, возникающие при нанесении покрытия или в процессе эксплуатации детали. При столкновении движущейся с высокой скоростью частицы с поверхностью и углубления в нее примерно на 1/10 своего диаметра на поверхности образуется кратер диаметром d. Поверхность основы при этом растягивается на величину, примерно равную d, и возникает сжимающая сила, стремящаяся сохранить первоначальную форму поверхности. Таким образом, посредством ударной обработки детали в ней можно создать сжимающие напряжения, достигающие 60% предела текучести материала. Так как уже установлено, что в большинстве случаев катастрофическое разрушение деталей происходит под действием приложенных или остаточных поверхностных растягивающих напряжений, то предварительное создание сжимающего напряженного состояния поверхности должно способствовать эффективной компенсации растягивающих напряжений и может быть рекомендовано как способ подготовки поверхности, препятствующий любым нарушениям ее сплошности.
Другим распространенным методом модифицирования структуры является поверхностная термообработка, или трансформационное упрочнение. В этом методе используется свойство сплава изменять свою структуру и текстуру при воздействии нагрева и охлаждения. Отличие методов поверхностного модифицирования от обычной термообработки стали, заключается в нагревании и охлаждении только поверхностного слоя. Существуют различные варианты этих методов, отличающиеся, главным образом, способом нагрева, например, индукционный, пламенный нагрев, нагрев электронным или лазерным лучом. Способы охлаждения также могут быть различными: орошение жидкостью или погружение в нее. При упрочнении лазерным или электронным лучом высокая скорость охлаждения достигается без применения охлаждающего агрегата, поскольку продолжительность воздействия луча очень мала, и в металле имеет место самоупрочнение при высокой скорости охлаждения поверхностного слоя благодаря хорошей теплопроводности металла [17].
Высокоскоростное закаливание - еще один способ обработки поверхности покрытий. Быстрое закаливание материалов, используемых для получения покрытий, так или иначе, происходит при контакте с основой. Осаждаемый материал может быть в виде капель или паров, причем нанесенное твердое покрытие может быть переплавлено и быстро закалено. Многие из процессов нанесения покрытий могут включать в себя кроме основного процесса и процесс быстрого закаливания, что расширяет возможности получения покрытий с различными свойствами.
Модифицирование поверхности. Улучшить антифрикционные свойства и износостойкость металлов и сплавов можно с помощью химико-термической обработки посредством диффузионного насыщения или модифицирования поверхности металлов химически активными соединениями, вступающими в химические реакции с металлом.
Химико-термическая обработка может протекать в твердых, жидких или газообразных средах. Продолжительность процесса зависит от химического состава используемой среды и температуры. Химико-термическая обработка металлов подразделяется на две основные группы по особенностям и результатам процесса (рис. 1.5.).
Обработка, применяемая для повышения износостойкости, за счет увеличения твердости трущихся деталей включает широко применяемые процессы цементации, азотирования, нитроцементации, борирования и т.д. Они используются, в первую очередь, для повышения сопротивления абразивному изнашиванию.
Используемое оборудование для нанесения газо-термических покрытий и химико-термической обработки
Покрытия наносились на детали методами активированного газопламенного напыления и электродуговой металлизации на установках «ТЕРКО».
Восстановление быстроизнашивающихся деталей машин и элементов конструкций осуществлялись путем газопламенного нанесения покрытий на установке проволочной термораспылительной- Установка является малогабаритной в своем классе, удобна в эксплуатации и обслуживании, общий вес - 14,6 кг. Покрытия наносятся активированным распылением проволок диаметром 1,6-3,5 мм, нагретых до плавления в пропан-бутан-кислородном пламени. Рабочее давление газов, МПа: кислород - 0,2-0,4; пропан-бутановой смеси - 0,1; воздух - 0,4-0,5. Расход газов, м /ч: кислород - 4,0; пропан-бутан - 1,0; воздух -до 40. В состав установки входят пистолет-термораспылитель, блок электронного управления подачей проволоки, малогабаритный блок ручного управления рабочими газами.
Активированная электродуговая металлизация. Процесс металлизации осуществлялся на установках АДМ-8 и АДМ-10 (разработчик ИМИНМАШ НАНБ). Главной отличительной особенностью АДМ является наличие малогабаритной высокоэффективной камеры сгорания пропано-воздушной смеси, сверхзвуковая струя которой имеет на выходе скорость 1500 м/с при температуре 2200 К. К достоинствам АДМ следует отнести их высокую производительность (табл. 2.3). Ионизация межэлектродного промежутка снижает ток дуги на 10-15 % при той же производительности, что и при традиционной электрометаллизации.
Термодиффузионная обработка напыленных покрытий. Обработка производилась в обычных термических печах типа СНЗ - 4.8. 2,5-10 НЗ или колпаковой электропечи. Температуру насыщения, время нагрева и выдержки выбирались на основании результатов исследований и с учетом размеров обрабатываемых деталей в интервале температур 870-970К. Поскольку окончательное формирование качественного покрытия, в нашем случае, происходит при термодиффузионном насыщении, целесообразно остановиться на исследовании механизма диффузии и образования прочных связей в данном процессе.
За основу сравнительных лабораторных данных взят комплексный метод оценки физико-механических свойств модифицированных ГТН покрытий и восстановленных деталей, включающий металлографический, рентгенострук-турный и микрорентгеноспектральныи анализы. Изучение эксплуатационных свойств восстановленных деталей основано на лабораторных исследованиях образцов с покрытиями и проверке полученных результатов на натурных деталях при стендовых испытаниях. Большой объем экспериментальных работ и их разнохарактерность потребовали применение ряда известных, а также разработки некоторых новых методик определения физико-механических свойств упрочненных покрытий.
Исследование проводилось на образцах размерами 30x30x5 мм, изготовленных из листового проката стали Ст. 3. Образцы, перед нанесением газотермического покрытия, подвергались струйно-абразивной обработке с целью активации поверхностного слоя и придания ему определенной шероховатости.
Покрытия из низкоуглеродистой стали Св-08 и легированной 40X13 в виде проволоки диаметром d = 2 мм наносились газопламенным напылением и электродуговой металлизацией на установке ADM-8. Скорость подачи прово-локи составила 0,4 м/мин, расход воздуха 60 м /ч, расход газа (пропан-бутан) 0,011 кг/ч. Покрытия наносились толщиной 0,6-Ю ,7 мм. Далее напыленные покрытия шлифовались до толщины 0,5 мм. Для получения покрытий с различной пористостью применяли различные режимы и дистанции напыления. После напыления пористость газо-термических покрытий составляла 5-20%. Пористость покрытий определяли на полуавтоматическом анализаторе изображения МОР-АМОЗ.
Влияние режимов процесса термодиффузионного насыщения на толщину карбонитрированного слоя
Как и при любом методе ХТО стали, при карбонитрировании с повышением температуры и увеличением времени насыщения толщина модифицированного слоя плавно увеличивается. На первом этапе термодиффузионного насыщения скорость формирования слоя больше чем в последующем, поэтому увеличение толщины модифицированного слоя по времени насыщения является нецелесообразным. Предпочтительнее регулировать получение заданной толщины диффузионного слоя изменением температуры, а не времени насыщения.
На рис 3.12. показано влияние температуры карбонитридного слоя на напыленных покрытиях из сталей Св-08 и 40X13. Второй тип стали выбран для исследования с целью изучения влияния легирующих элементов на толщину модифицированного слоя. Результаты экспериментальных исследований (табл. 3.2) показали, что при диффузионном модифицировании ГТН покрытий кинетика формирования слоя несколько отлична, чем у компактных материалов и характеризуется более высокой интенсивностью. Такое явление объясняется, прежде всего, строением напыленных покрытий, имеющих развитую границу раздела, пористость и микродефекты.
На рис 3.13. представлена зависимость толщины карбонитрированного слоя от времени насыщения. Как видно по кривым толщина диффузионного слоя изменяется от времени по параболическому закону. При этом, как и в случае варирования температурой, величина диффузионного слоя на покрытиях из стали 40X13 несколько меньше, что указывает на тормозящую роль легирующих элементов, в частности хрома и углерода, на процесс насыщения. Образование карбидов хрома и железа в покрытии способствует снижению общей толщины диффузионной зоны. Карбидные частицы усложняют пути диффузии атомов азота и замедляют их проникновение вглубь покрытия.
Для испытаний на прочность сцепления модифицированных покрытий с основным металлом штифт, съемный элемент (шар диаметром 4 мм) и охватывающая обойма были изготовлены из стали 20. Перед нанесением покрытия охватывающая обойма подвергалась струйно-абразивной обработке и уже в сборе размещалась на специальной оправке вместе с образцами для металлографического исследования. Испытания на прочность сцепления производили на разрывной машине «Instron -1195» (Англия). Величина усилия регистрировалась с погрешностью ± 0,5%. При этом скорость перемещения штифта относительно охватывающей обоймы составляла 0,5 мм/мин.
Результаты экспериментальных исследований на прочность сцепления ГТН покрытий с основой приведены в табл. 3.3. Из результатов следует, что термодиффузионное модифицирование ГТН покрытий повышает прочность сцепления напыленных покрытий с основой в 1,8-2 раза. При этом на величину прочности сцепления большое влияние оказывает толщина промежуточного слоя, которая в свою очередь зависит от режимов насыщения ГТН покрытий в порошковых смесях.
Зависимость прочности сцепления от толщины образующегося промежуточного слоя хорошо иллюстрируется рис. 3.14. По кривым зависимости асц =f(hnc) видно, что имеется интервал толщин ПС, когда увеличение ее толщины снижает прочность сцепления ( 350 мкм) покрытия с основой. При уменьшении толщины ПС прочность сцепления увеличивается, но это может отрицательно повлиять на физико-механические и эксплуатационные свойства покрытий. Оптимальной нижней границей, на основании результатов экспериментальных исследований, следует считать толщину промежуточного слоя равной 200-250 мкм.
Анализ современных методов защиты металлов от коррозионного воздействия показывает, что одним из наиболее эффективных и экономически выгодных методов является применение газо-термических покрытий, обеспечивающих значительное повышение надежности оборудования [17].
Для выяснения вопроса о возможности применения газо-термических покрытий в условиях слабоагрессивных сред и определения их защитных свойств необходимо учесть особенности и характер коррозионных процессов, имеющих место в исследуемых композиционных системах.
Если покрытие плотное и полностью закрывает основу, исключая проникновение агрессивной среды к поверхности материала, то необходимо исследовать сопротивление коррозии самого материала покрытия. Однако если в покрытии имеются поры или повреждения, которые могли образоваться в процессе эксплуатации, защиту от коррозии необходимо рассматривать уже с точки зрения электрохимических реакций, возникающих в данной агрессивной среде между материалами покрытия и подложки. В случае, когда потенциал покрытия по отношению к стали является отрицательным, то при проникновении агрессивной среды через покрытие к поверхности подложки последняя станет анодом и электрохимически будет защищать свою поверхность. В противном случае происходит ускоренная коррозия подложки. Следовательно, для защиты стали желательно выбирать такой материал покрытия, который по отношению к ней является более отрицательным, т.е. катодом.
Исследование зависимости потенциала коррозии образцов от времени показывает, что со временем потенциалы образцов смещаются в отрицательную область (табл. 3.4). Наиболее положительным потенциалом коррозии из исследованных образцов (-0,385 В) имеет образец, прошедший карбонитраци-онное насыщение (рис. 3.13).
