Формирование гидроабразивностойких оксидных покрытий на основе воздушно-термической модификации поверхностного слоя стальных изделий Ромахин Александр Николаевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Методы упрочнения металлических поверхностей в современном машиностроении. Технологические особенности нанесения функциональных износостойких покрытий 12

1.1. Особенности взаимосвязи и износа поверхностей 12

1.1.1. Геометрические характеристики качества поверхности 12

1.1.2. Закономерности и механизмы изнашивания 15

1.1.3. Гидроабразивный износ 17

1.2. Характеристика и особенности методов упрочнения металлических поверхностей 20

1.2.1. Упрочнение материалов с изменением химического состава поверхностного слоя 21

1.2.2. Упрочнение, связанное с изменением структуры поверхностного слоя 22

1.2.3. Упрочнение с изменением энергетического запаса поверхностного слоя 23

1.2.4. Упрочнение с изменением микрогеометрии поверхности и наклепом 23

1.2.5. Упрочнение с изменением структуры всего объема металла 24

1.2.6. Упрочнение с образованием пленки на поверхности 26

1.3. Виды нанесения функциональных упрочняющих покрытий газотермическим способом 28

1.3.1. Газопламенное напыление проволокой или стержнями 28

1.3.2. Газопламенное напыление порошком 28

1.3.3. Газопламенное напыление пластиков 30

1.3.4. Сверхзвуковое газопламенное напыление 30

1.3.5. Детонационное напыление 31

1.3.6. Плазменное напыление 31

1.3.7. Лазерное напыление 32

1.3.8. Электродуговая металлизация 32

1.3.9. Холодное напыление 33

1.3.10. Функциональные оксидные покрытия в машиностроении и направления их промышленного применения 33

1.4. Общие сведения о стенде очистки жидкостей СОГ-923 37

1.4.1. Описание конструкции стенда 37

1.4.2. Устройство и принцип работы центрифуги 39

Выводы 44

2. Методика выполнения экспериментальных исследований 45

2.1. Модельные представления процесса формирования оксидных покрытий методом воздушно-термического оксидирования на изделиях из нержавеющих хромоникелевых сплавов 47

2.2. Опытные образцы для исследований и особенности их изготовления 47

2.3. Особенности формирования термических оксидных покрытий на стальных образцах 51

2.4. Методы исследования характеристик термических оксидных покрытий. Контрольно-измерительное оборудование и аналитическая техника 52

Выводы 55

3. Результаты исследования комплекса свойств и характеристик упрочняющих термооксидных покрытий 56

3.1. Шероховатость и микрорельеф оксидных покрытий 56

3.2. Морфологические характеристики оксидных покрытий 64

3.3.Электронно-микроскопическое исследование структуры металлокерамических термооксидных покрытий 75

3.4. Исследование структуры и элементного (химического) состава металлооксидных керамических покрытий 89

3.5. Исследование механических свойств металлооксидных покрытий 98

3.6. Исследование толщины покрытий термооксидированных стальных образцов 114

Выводы 120

4. Испытание образцов с упрочняющими металлокерамическими покрытиями на гидроабразивный износ 122

4.1. Методика проведения испытаний 122

4.2. Результаты испытаний и их анализ 124

4.3. Определение рациональных режимов воздушно-термического оксидирования 133

4.4. Рекомендации для применения на производстве и технологическая схема формирования оксидного покрытия 137

4.5. Технология и специализированное оборудование для термооксиди рования колец шнековых осадительных центрифуг в воздушной среде 138

4.6. Технологические рекомендации по воздушно-термическому

оксидированию колец шнековых осадительных центрифуг 141

Выводы 143

Общие выводы по работе 145

Заключение 147

Список литературы 148

• Характеристика и особенности методов упрочнения металлических поверхностей
• Опытные образцы для исследований и особенности их изготовления
• Исследование структуры и элементного (химического) состава металлооксидных керамических покрытий
• Рекомендации для применения на производстве и технологическая схема формирования оксидного покрытия

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время машиностроительной
отраслью России выпускается специализированное оборудование, отдельные
детали которого работают в условиях гидроабразивного изнашивания и
изготавливаются их нержавеющих хромоникелевых сталей, которые имеют
недостаточную твердость и износостойкость. Примером могут служить
детали гидронасосов, турбин, запорной арматуры, а также осадительные
шнековые центрифуги, используемые для очистки производственных
сточных вод, гальваностоков, смазочно-охлаждающих и моющих

технологических жидкостей. В данной работе на примере стенда СОГ-923, изготавливаемого на предприятии ОАО НИТИ-Тесар г. Саратова разрабатывается технология и оборудование для упрочнения поверхности колец шнековых центрифуг.

Основным рабочим узлом осадительной центрифуги СОГ-923 является шнек, выполненный из листовой нержавеющей стали 12Х18Н9Т, толщиной 3 мм и работающий на скоростях 4000 об/мин в агрессивных гидроабразивных средах. Поверхность данного шнека должна иметь высокую гидроабразивную стойкость и параметр шероховатости не выше R_a 6,3 мкм, заданный технологическими режимами работы машины. Незащищенная поверхность колец шнека со временем изнашивается, что приводит к ухудшению качества очистки, а в дальнейшем и выходу из строя осадительной центрифуги.

В качестве материалов для изготовления деталей, работающих в
условиях гидроабразивного изнашивания применяют такие материалы, как
титан и сплавы на его основе, однако использование данных металлов
существенно увеличивает себестоимость продукции, именно поэтому они не
нашли широкого промышленного применения. Нержавеющие

хромоникелевые стали обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью, пластичностью и меньшей стоимостью в сравнении с титановыми сплавами, однако имеют такие недостатки, как низкие показатели твердости и гидроабразивной стойкости. В связи с этим детали из нержавеющих хромоникелевых сталей подвергают процессам повышения механических характеристик поверхности:

– газотермическое нанесение карбида вольфрама;

–термическая и химико-термическая обработка;

Газотермическим нанесением карбида вольфрама получают
поверхность высокой твердости (1000-1300 HV), однако данный метод
отличается сложностью технологического процесса, характеризуется
высокой стоимостью и большими энергетическими затратами на
производство. Такие способы получения покрытий, как химико-

термическая обработка, например, цементация и закалка (получаемая
твердость покрытия до 400-500 HV), требуют применения

специализированного оборудования и обусловливаются высокой

продолжительностью процесса обработки (до 7-ми и более часов).

Работы по повышению твердости и износостойкости металлических
поверхностей сегодня активно проводятся учеными Тольяттинского

государственного университета и направлены на создание функциональных покрытий с высокими физико-механическими свойствами.

Актуальность темы определяется необходимостью повышения
гидроабразивной устойчивости изделий из нержавеющих

хромоникелевых сталей путем формирования упрочняющих

высокотвердых покрытий, получаемых с применением

ресурсосберегающих и малоотходных технологических процессов при минимальных затратах на материалы и оборудование.

Целью работы является исследование и разработка перспективного процесса воздушно-термического упрочнения поверхности деталей из нержавеющих хромоникелевых сталей для повышения их гидроабразивной устойчивости.

На основании анализа проблемы, возникшей при изготовлении машин, работающих в условиях гидроабразивного изнашивания, а также изучении перспективных методов повышения гидроабразивной и коррозионной устойчивости хромоникелевых сплавов необходимо решить следующие

основные задачи:

1. Разработать методику создания тонкослойных оксидных покрытий на нержавеющих хромоникелевых сталях и методику исследования их свойств;

2. Экспериментально исследовать влияние режимов воздушно-термического оксидирования стальных (12Х18Н9Т) образцов на физико-механические характеристики и структуру поверхности получаемых оксидных покрытий;

3. Определить рациональные режимы термомодифицирования поверхности деталей из хромоникелевых сплавов, работающих в условиях гидроабразивного изнашивания;

4. Разработать технологию, специализированное оборудование и дать технологические рекомендации по термооксидированию колец шнековых осадительных центрифуг в воздушной среде.

Научная новизна:

5. Экспериментально определены и научно обоснованы физико-технические условия получения оксидных покрытий с повышенной твердостью на поверхности стальных деталей из хромоникелевых сплавов, основанные на применении предварительной абразивноструйной обработки, позволяющей упрочнять тонкий слой исходного металла путем локальных микродеформаций и наклепа с повышением его химической активности и структурной неоднородности, которые усиливают реакционную способность поверхности при оксидировании и обеспечивают формирование механически прочных агломератов с микро- и наноразмерными частицами оксидов.

6. Установлены зависимости изменения химического состава, толщины, шероховатости поверхности, морфологии и микротвердости покрытий от режимов воздушно-термического оксидирования стальных образцов, показывающие, что с ростом температуры от 250⁰ С до 400⁰ С и продолжительности обработки от 0,5 ч до 1,5 ч происходит существенное изменение указанных характеристик покрытий.

3. Определены рациональные технологические режимы воздушно-термического оксидирования, позволяющие создавать при температурах t=350⁰ С и продолжительности =1,0 ч, =1,5 ч и t=400⁰ С с =0,5 ч, =1,0 ч тонкопленочные гидро- и абразивоустойчивые покрытия на нержавеющих хромоникелевых сталях.

4. Разработана перспективная упрочняющая и ресурсосберегающая воздушно-термическая технология и нагревательное оборудование для повышения гидроабразивной стойкости поверхности нержавеющих хромоникелевых сталей, позволяющие существенно повысить твердость и ресурс поверхностного слоя деталей за счет создания механически прочных металлокерамических покрытий на основе смеси собственных оксидов металлов, входящих в состав хромоникелевого сплава.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования производились с использованием положений технологии машиностроения и материаловедения. Экспериментальные исследования покрытий, созданных воздушно-термическим оксидированием, проводились в лабораторных условиях.

Шероховатость и микрорельеф поверхности покрытий

исследовались профилометрическим методом измерения параметров
микронеровностей на микропроцессорном профилограф-профилометре
«Калибр-117071», морфологические характеристики изучались методом
бесконтактного определения размерных параметров частиц и углублений с
использованием анализатора изображений микроструктур АГПМ-6М.
Морфология поверхности получаемых покрытий также исследовалась
методом растровой электронной микроскопии с применением

аналитического оборудования типа MIRA II LMU, Tescan.

Элементный состав покрытий определялся методом

энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа с

использованием системы INCAPentaFETx3, OXFORD Instruments.

Механические свойства получаемых оксидных покрытий оценивали методами микро- и наноиндентирования при использовании тестера механических свойств NANOVEA Ergonomic Workstation. Основными определяемыми величинами являлись твердость по шкале Виккерса и модуль упругости оксидированной поверхности, которые исследовались при выбранных нагрузках, равных 100 мН и 10 мН, прикладываемых к индентору Берковича.

При анализе толщины пленочных термооксидных покрытий использовался прибор Calotest, позволяющий определять толщину PVD, CVD и других видов покрытий от 0,1 мкм до 50 мкм методом формирования на поверхности образца сферической выемки.

Испытание образцов с упрочняющими металлокерамическими покрытиями на гидроабразивный износ проводилось, исходя из условий работы деталей, работающих в условиях гидроабразивного изнашивания. Исследования проводились в сертифицированных лабораториях СГТУ имени Гагарина Ю.А. и экспериментальном участке завода ОАО «НИТИ-Тесар».

Достоверность полученных результатов обеспечивается

использованием комплекса современного сертифицированного

аналитического оборудования и подтверждается совпадением в частных случаях результатов экспериментальных данных, полученных автором, с

результатами в технической литературе (твердость нержавеющей стали 12Х18Н9Т при цементации, шероховатость поверхности титановых образцов).

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. Установлена возможность повышения стойкости поверхности нержавеющих хромоникелевых сталей к гидроабразивному изнашиванию путем модификации методом воздушно-термического оксидирования.

2. Созданы опытные стальные 12Х18Н9Т образцы с оксидными покрытиями, обладающими повышенной твердостью, в 4-5 раз превышающей твердость поверхности той же стали после проката, и характеризуемые повышенной гидроабразивной устойчивостью в условиях предварительных лабораторных испытаний (1-2 % износа).

3. Разработана перспективная технология воздушно-термического упрочнения, которая относится к ресурсосберегающим и малоотходным процессам обработки нержавеющих сталей и обладает возможностью широкого внедрения в современный машиностроительный комплекс.

4. Предложена конструкция специализированной нагревательной установки для воздушно-термической модификации поверхности стальных колец шнековых центрифуг с получением оксидных покрытий повышенной твердости.

5. Результаты работы могут с высокой эффективностью использоваться на предприятиях машиностроения, разрабатывающих и выпускающих шнековые центрифуги и их аналоги, запорную арматуру, детали насосов и турбин, работающих в условиях гидроабразивного изнашивания.

Апробация результатов работы. Диссертационная работа

выполнялась при поддержке гранта РФФИ (номер проекта 13-03-00248). Основные положения диссертации были доложены, обсуждены и одобрены на конференциях различного уровня, таких, как: 2-ая международная научно-практическая конференция «Перспективы развития науки, техники и технологий» (г. Курск 2012); 2-ая международная научно-практическая конференция «Современные материалы, техника и технология» (г. Курск 2012); I-я международная научно-практическая конференция «Технические науки: современные проблемы и перспективы развития» (г. Йошкар-Ола 2012); 9-а международная научна практична конф. «Achievement of high school» (Болгария 2013); 12-ая всероссийская с международным участием научно-техническая конференция «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (МАТИ 2013); IX Midzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Nauka i inowacja» (Польша 2013); II Международная конференция молодых ученых «Актуальные проблемы теории и практики электрохимических процессов» (г. Саратов 2014); 10-ая международна научна практична конф. «Динамиката на съвременната наука» (Болгария 2014); X mezinrodn vdecko-praktick konference «Zprvy vdeck ideje – 2014» (Чехия 2014); II Международная научно-практическая конференция «Инжиниринг Техно» (г. Саратов 2014); X International scientific and practical conference «Fundamental and applied science» (Англия 2014).

Личный вклад автора заключается в планировании и проведении теоретических и экспериментальных исследований, систематизации полученных данных, формулировке выводов.

На защиту выносятся следующие положения:

6. Физико-технические особенности и методика формирования упрочняющих оксидных покрытий методом воздушно-термического модифицирования поверхности нержавеющих хромоникелевых сталей для повышения их стойкости к гидроабразивному изнашиванию.

7. Влияние предварительной абразивноструйной обработки поверхности на физико-механические свойства и структуру получаемых оксидных покрытий.

8. Влияние технологических режимов воздушно-термической обработки на изменение параметров шероховатости, химического состава, структурно-морфологических характеристик, а также твердости, модуля упругости и толщины оксидных покрытий.

9. Технология и нагревательное оборудование для воздушно-термической модификации поверхности колец из нержавеющей стали марки 12Х18Н9Т, используемой при производстве шнековых осадительных центрифуг.

Публикации. В ходе выполнения диссертации опубликованы 23 работы, в том числе 7 статей в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка используемой литературы. Текст диссертационной работы изложен на 164 страницах, содержит 79 рисунков, 20 таблиц, список используемой литературы включает 165 наименований.

Характеристика и особенности методов упрочнения металлических поверхностей

Стойкость против гидроабразивного изнашивания зависит от многих параметров, главные из которых: твердость, состав и структура наплавленных слоев.

В соответствии с ГОСТ 27674-88 износостойкость материала – это свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, а также это один из триботехнических показателей изделий. Износостойкость деталей оценивается при испытаниях на стенде или в эксплуатационных условиях по длительности работы подвергаемых испытаниям материалов или изделий до заранее заданного или предельного значения износа. Она определяется как их условная техническая характеристика при испытании на специальных лабораторных машинах, обеспечивающих моделирование реальных процессов изнашивания [125-127].

Гидроабразивное изнашивание – процесс постепенного изменения размеров, формы или состояния поверхности, происходящий в результате воздействия твердых абразивных частиц, взвешенных в жидкости и перемещающихся вместе с последней относительно изнашиваемой поверхности. Результатом гидроабразивного изнашивания деталей является гидроабразивный износ. Он является основным из факторов, определяющих эффективность применения гидромашин.

Сущность процесса гидроабразивного изнашивания заключается в совместном воздействии на изнашиваемую поверхность твердых частиц и несущей жидкости, которое проявляется в виде трения и ударного контактирования твердых частиц и несущей жидкости с рабочими поверхностями центрифуг [12-14, 154, 155]. Процесс гидроабразивного изнашивания шнеков центрифуг является следствием суммарного действия всех видов разрушения: абразивного, кавитационного, эрозионного и коррозионного. Износ шнеков может быть либо равномерно распределенным по всей поверхности, либо возникающим только на определенных участках, наиболее подверженных гидроабразивному износу. Обычно поток гидросмеси в каналах центрифуг турбулентен. Вместе с тем в потоке гидроабразивной смеси происходит интенсивное вихреобразование, которое обуславливает пульсации абразивных частиц жидкости, находящихся в вихревом движении. Вследствие наличия вихрей и турбулентности потока мгновенная скорость частиц может изменяться в любых направлениях. В результате этого твердые частицы, содержащиеся в потоке, ударяют по поверхности деталей под различными углами атаки, вызывая тем самым е износ [131, 132].

Обычно последствия износа гидромашин в результате изнашивания их рабочих деталей в гидроабразивных средах проявляются двояко. Во-первых, ухудшаются технологические и энергетические показатели машин (снижаются производительность и КПД; возрастают потери ценных компонентов и расход электроэнергии), во-вторых, для проведения ремонтных работ по устранению последствий износа рабочих деталей требуются значительные затраты труда, материалов и запчастей.

Основные методы защиты от гидроабразивного износа винтовых поверхностей шнеков можно разделить на: 1) активный – применение новых конструкторских решений, снижающих контакт абразива и деталей центрифуги; – снижение частоты вращения ротора центрифуги; 2) пассивный – подбор износостойких материалов; – применение наплавок; – нанесение защитных покрытий; 3) режимный – эксплуатация оборудования в диапазоне режимов, соответствующих минимальной интенсивности гидроабразивного износа [15-19, 156-158].

В различных отраслях промышленности, в том числе машиностроительном производстве, при работе механизмов в узлах, испытывающих знакопеременные нагрузки, парах трения, происходит износ деталей. Детали деформируются, вероятно вырывание металла с поверхности, в узлах механизмов образуются зазоры, что приводит к выходу машины из строя. Как правило, для механизмов требуются высокие качественные характеристики составляющих их деталей, таких как твердость, износостойкость, коррозионная стойкость. Нанесение функциональных покрытий на детали позволяет получить необходимую твердость поверхности детали в сочетании с пластичностью более глубоких слоев изделий [20, 150].

В настоящее время не существует универсального способа упрочнения поверхности деталей. Различные методы предназначены для разных условий эксплуатации обработанных деталей. Рациональный выбор метода нанесения покрытия зависит от физико-химических и механических свойств упрочняемого материала [21, 145, 148].

Опытные образцы для исследований и особенности их изготовления

Шероховатость и микрорельеф поверхности покрытий определялся профилометрическим методом. При данном виде исследований определялись такие параметры поверхности как Rа, Rz, Rmax, Sm по десяти базовым линиям.

На основе измерения профиля поверхности в автоматическом режиме строилась профилограмма, отражающая микрорельеф и позволяющая определить необходимые параметры. Оборудованием, используемым для измерений параметров шероховатости, служил микропроцессорный профилограф-профилометр «Калибр-117071» (рисунок 2.8) и прибор Hommel Tester Т1000 Basic (Hommel Etamic) для контроля шероховатости [117, 119].

Морфологические характеристики оксидных покрытий исследовались методом бесконтактного определения размерных параметров выступающих частиц и имеющихся углублений. Для данных измерений использовались анализатор микроструктур АГПМ-6М, а также компьютерная программа PlotCalc, объединенные в эффективный оптико-компьютерный комплекс.

С помощью программной обработки изображения поверхности при увеличении в 100 крат, преобразовывались в монохроматическое изображение, что позволяло определить структуру поверхности, а именно характер распределения пор и выступов поверхности. Морфология и структура поверхности также определялась с помощью растровой электронной микроскопии, с применением комплекса MIRA II LMU, Tescan. Элементный состав покрытий определялся методом энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа с использованием системы INCAPentaFETx3, OXFORD Instruments по спектрам химических элементов на нескольких микроучастках термооксидированной стальной поверхности. Количество исследуемых локальных участков (спектров) составляло от 3 до 11 с последующим усреднением данных по содержанию того или иного химического элемента в составе покрытия.

Исследование морфологии покрытий методом растровой электронной микроскопии и определение элементного состава методом проводилось в режиме сочетания. Механические свойства получаемых оксидных покрытий оценивали методами микро- и наноиндентирования при использовании высокоточного тестера механических свойств NANOVEA Ergonomic Workstation. Основными определяемыми величинами являлись твердость и модуль упругости оксидированной поверхности, которые исследовались при выбранных нагрузках, равных 100 мН и 10 мН, прикладываемых к индентору Берковича. Для анализа толщины пленочных термооксидных покрытий использовался прибор Calotest (Швейцария), позволяющий определять толщину PVD, CVD и других видов покрытий от 0,1 мкм до 50 мкм (рисунок 2.7) методом формирования на поверхности образца сферической выемки [134].

Метод формирования сферической выемки основан на истирании локального участка покрытия вращающимся на специальной оснастке твердосплавным металлическим либо алмазным шариком, имеющим в зависимости от площади поверхности образца различный диаметр (от 1 мм и более). Частота вращения шарика выбирается с учетом материала исследуемого покрытия, продолжительность вращения – определяется истиранием покрытия по всей его толщине до момента контакта шарика с основным металлом.

В зависимости от материала покрытия и его предполагаемой толщины частота вращения составляет от 10 об/мин (min) до 2990 об/мин (max), а время вращения – 600, 900, 1500 и 3000 с.

В эксперименте при исследовании толщины полученных оксидных слоев на стали 12Х18Н9Т применялся металлический шарик диаметром d=1 мм, частота его вращения составляла 300 об/мин, время истирания покрытия по толщине равнялось ист=1500 с. Данные режимы выбирались исходя из диапазона твердости покрытия (300-700 HV) и толщины покрытия (3-20 мкм), определенных при предварительной обработке пробных образцов.

Разработана методика и рассмотрены физико-технические особенности создания тонкослойных оксидных покрытий на нержавеющих хромоникелевых сталях. Приведена методика исследования свойств получаемых функциональных покрытий, включающая 4 последовательных этапа. Методика подготовки поверхности образцов из нержавеющих хромоникелевых сталей предусматривает применение абразивноструйной (пескоструйной) обработки, что позволяет создать, во-первых, исходную микрошероховатость поверхности для получения адгезионно-прочных покрытий, во-вторых, при предварительной обработке образцов корундовым абразивом на их поверхности возникают энергетически неоднородные участки и повышается химическая активность зон локальных микродеформаций. При последующем воздушно-термическом оксидировании данные зоны абразивного деформирования являются активными центрами с повышенной реакционной способностью, где при взаимодействии с нагретой воздушной атмосферой усиливаются процессы образования и роста оксидных кристаллов различной формы и размеров. 3. Результаты исследования комплекса свойств и характеристик упрочняющих термооксидных покрытий

Исследование структуры и элементного (химического) состава металлооксидных керамических покрытий

Исследование химического состава покрытий стальных образцов проводилось методом энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа на нескольких участках термооксидированных поверхностей для получения наиболее достоверной статистической информации о содержании элементов в составе оксидных слоев. Количество исследуемых локальных участков (спектров) составляло от 3 до 11 с последующим усреднением данных по содержанию того или иного химического элемента в составе покрытия. При этом в режиме сочетания проводился анализ структуры покрытий образцов методом растровой электронной микроскопии. Это позволило получить более широкий массив научных данных о структурном состоянии и элементном составе создаваемых покрытий в одном эксперименте (рисунки 3.31-3.34).

Анализ полученных электронно-микроскопических изображений поверхности показал, что структура металлооксидов носит микрогетерогенный характер, обусловленный образованием оксидных кристаллов различной геометрической формы и размеров на стальной поверхности, имеющей исходную микрошероховатость после предварительной пескоструйной обработки. Скорость роста кристаллов на такой микрошероховатой и энергетически неоднородной поверхности неодинакова на разных участках, что приводит к возникновению некоторой морфологической гетерогенности создаваемых пленочных покрытий. Образуются микро- и нанопоры, структурные несплошности и частицы различного строения, которые обусловливают сложную микрогеометрию и создают микроразвитый рельеф профиля получаемых покрытий. Химический состав покрытия, ат.%

Результаты растровой электронной микроскопии (РЭМ) и энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа (ЭДРФА) термооксидного покрытия на стали 12Х18Н9Т, полученного воздушно-термическим оксидированием при ґ=250С и различной продолжительности Химический состав покрытия, ат.% Результаты растровой электронной микроскопии (РЭМ) и энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа (ЭДРФА) термооксидного покрытия на стали 12Х18Н9Т, полученного воздушно-термическим оксидированием при t=3000 С и различной продолжительности Спектр Химический состав покрытия, ат.% Al Si Ті Cr Mn Fe Ni

Результаты растровой электронной микроскопии (РЭМ) и энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа (ЭДРФА) термооксидного покрытия на стали 12Х18Н9Т, полученного воздушно-термическим оксидированием при ґ=400С и различной продолжительности Химический состав покрытий, сформированных при различных технологических режимах воздушно-термического оксидирования, также отличался процентным (ат. %) содержание элементов, в том числе, и на разных исследуемых участках поверхности образцов. Особенно заметно отличалось содержание таких элементов как О, Al, Fe, Cr, Ni, которые составляли основную массу покрытий. Такой химический элемент, как Al не заявлен в составе стали 12Х18Н9Т, однако данный элемент присутствует в нержавеющем сплаве, так как он используется при получении сплава при выплавке. Этим и объясняется наличие Al в составе оксидного покрытия.

Из результатов РЭМ можно сделать вывод, что при увеличении температуры оксидирования структура поверхности оксидного металлокерамического покрытия заметно изменяется (рисунки 3.30-3.34). Наблюдается эффект повышения шероховатости поверхности при увеличении температуры и продолжительности оксидирования, что, в первую очередь, связано с образованием на поверхности нержавеющей стали покрытия с развитой микрокристаллической структурой оксидов.

Результаты энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа (ЭДРФА) термооксидных покрытий на стали 12Х18Н9Т, полученных воздушно термическим оксидированием при различных режимах

Температураоксидирования t,С Продолжительностьоксидирования, ч Содержание химических элементов в покрытии (ат. %)

Примечание: приведены среднестатистические значения содержания основных элементов, входящих в состав покрытия, в результате усреднения числовых данных спектров, представленных на рисунках 3.30 3.34. Данные результатов исследования элементного состава показали, что покрытия, в основном, состоят из кислорода, титана, хрома, марганца, железа, никеля, а также некоторых других элементов (алюминия, кремния), входящих в состав самого сплава, а режимы оксидирования существенно влияют на количественное содержание этих элементов в металлокерамическом покрытии (таблица 3.5). Так, содержание кислорода в покрытии более чем в два раза увеличивается при t=2500 С, начиная с продолжительности оксидирования =0,5 ч (16,2 ат.%), и заканчивая =1,5 ч (34,9 ат.%). При повышенной температуре обработки, составляющей 4000 С, содержание кислорода достигает 37,2 ат.% при =1,5 ч. Содержание титана в создаваемых покрытиях варьируется от 0,26 ат.% до 0,89 ат.% при различных режимах воздушно-термического оксидирования, принятых в эксперименте. Хром в составе получаемых металлооксидных покрытий содержится в количестве от 9,79 ат.% до 12,76 ат.%, что существенно повышает прочностные характеристики и защитные свойства термооксидированной стальной поверхности. Количественное содержание марганца в составе оксидных покрытий практически при всех режимах обработки имеет небольшие, так называемые «следовые» значения. Железо содержится в повышенных количествах (до 48,45 ат.%), а содержание никеля слабо изменяется в зависимости от режимов оксидирования стали и достигает наибольшего значения, равного 5,93 ат.%, при t=2500 С и =1,0 ч. Следует отметить, что степень насыщения стальной поверхности кислородом воздуха при оксидировании тем больше, чем выше температура обработки и продолжительность процесса. Кроме того, при каждой температуре обработки, принятой в эксперименте, содержание кислорода возрастает с увеличением продолжительности воздушно-термического оксидирования (таблица 3.5). Причем наибольшее содержание кислорода характерно для покрытий, полученных при t=2500 С, 3000 С, 3500 С, 4000 С и =1,5 ч. По результатам ЭДРФА термооксидированных поверхностей стали 12Х18Н9Т, полученных воздушно-термической обработкой, построены графические зависимости процентного содержания химических элементов в покрытиях (рисунке 3.35). Таким образом, методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа (ЭДРФА) исследована поверхностная структура сформированных металлокерамических оксидных покрытий и определен химический состав термооксидированных поверхностей конструкционной нержавеющей стали. Выявлены зависимости изменения количественного содержания химических элементов в составе покрытий от технологических режимов воздушно-термического оксидирования [134].

Рекомендации для применения на производстве и технологическая схема формирования оксидного покрытия

Твердость металлооксидной пленки, сформированной при t=250 С и =0,5; 1,0; 1,5 ч, имела значения в диапазоне от 152 до 284 единиц по шкале HV при нагрузке 100 мН (таблица 3.7; рисунок 3.36). При этом модуль упругости составлял 347-584 ГПа при нагрузке на индентор 100 мН.

Опираясь на результаты измерения характеристик поверхности оксидного слоя, характер и степень разрушения покрытия, можно сделать вывод о недостаточной твердости и износостойкости защитного металлокерамического слоя, полученного при t=250 С и =0,5; 1,0; 1,5 ч для использования на деталях, подвергаемых гидроабразивному изнашиванию.

При температуре оксидирования t=300 С и продолжительности =0,5; 1,5 ч, были получены результаты износа поверхности 5 и 4 % соответственно, а при продолжительности 1,0 час, износ составил 2 %. Полученные результаты говорят о увеличении характеристик износостойкости покрытия. Участки разрушения оксидного слоя имеют неравномерный характер распределения на поверхности образцов при данной температуре оксидирования (рисунок 4.4), размеры и форма следов износа неоднородны по своей структуре, наблюдаются как крупные участки разрушения, так и незначительные сколы покрытия.

Твердость металлооксидной пленки, сформированной при t=300 С и =0,5; 1,5 ч, имела значения в диапазоне от 134 до 185 HV при нагрузке 100 мН (таблица 3.9; рисунок 3.39). При этом модуль упругости составлял 168-455 ГПа при нагрузке на индентор 100 мН. Покрытие, сформированное при t=300 С и =1,0 ч отличается от предыдущих результатов повышенной твердостью, равной 362 HV и сравнительно высоким модулем упругости 407 ГПа. Наблюдается зависимость результатов измерения твердости и износостойкости покрытия, равной 2 % (таблица 4.1). Однако, при данном режиме оксидирования наблюдаются разноразмерные участки разрушения покрытия, которые имеют локализованный характер расположения на поверхности, что также негативно скажется на износостойкости покрытия в гидроабразивной среде. При режимах обработки t=350 С и продолжительности =0,5; 1,0; 1,5 ч, износ покрытия составил 1-2 %. Полученные результаты свидетельствуют о высоких характеристиках износостойкости поверхности. Количество участков разрушения минимально в сравнении с предыдущими режимами оксидирования, сколы покрытия имеют распределенный характер расположения на поверхности (рисунок 4.4), это говорит о высокой однородности покрытия.

Твердость металлооксидной пленки, сформированной при t=350 С и =0,5; 1,0; 1,5 ч, имела значения 322; 334; 380 HV соответственно при нагрузке 100 мН (таблица 3.12; рисунок 3.42). При этом модуль упругости имел тенденцию к увеличению с ростом продолжительности оксидирования при данной температуре от 106 до 287 ГПа при нагрузке на индентор 100 мН.

Основываясь на результатах измерения характеристик поверхности оксидного слоя, характере и степени разрушения покрытия, можно сделать вывод о высокой твердости и износостойкости защитного металлокерамического слоя, полученного при t=350 С и =1,0; 1,5 ч для использования на деталях, подвергаемых гидроабразивному изнашиванию. Покрытие, сформированное при продолжительности 0,5 ч имеет низкий модуль упругости, равный 106 ГПа, что может привести к его разрушению при деформации колец шнека и в связи с этим не рекомендуется к применению в гидроабразивных средах.

При температуре оксидирования t=400 С и продолжительности =0,5; 1,0 ч, были получены значения износа поверхности 1 %. Полученные результаты говорят о высоких характеристиках износостойкости покрытия. Размеры и участки разрушения оксидного слоя имеют равномерный характер распределения на поверхности образцов при данной температуре оксидирования (рисунок 4.4), размеры следов износа составляют несколько десятков микрометров, что заметно меньше, чем в предыдущих режимах обработки, наблюдаются однородные равнораспределенные участки 135 разрушения на поверхности образцов. При продолжительности оксидирования 1,5 часа, износ составил 10 %. При анализе полученных микроизображений (рисунок 4.6) наблюдаются множественные локальные разрушения оксидного слоя, расположение участков износа носит неоднородный характер. При определении формы и размеров разрушенных участков наблюдается разноразмерный характер пятен износа, что говорит о высокой степени разрушения покрытия.

Твердость металлооксидной пленки, сформированной при t=400 С и =0,5; 1,5 ч, имела значения равные 344 и 575 HV при нагрузке 100 мН (таблица 3.9; рисунок 3.38). При этом модуль упругости составлял 440 и 457 ГПа при нагрузке на индентор 100 мН соответственно.

Покрытие, сформированное при t=400 С и =1,5 ч отличается от предыдущих результатов пониженной твердостью, равной 97 HV и модулем упругости 292 ГПа. Наблюдается зависимость результатов измерения твердости и износостойкости покрытия, равной 10 % (таблица 4.1). В данном случае можно говорить о значительном понижении износостойкости при уменьшении твердости покрытия. При данном режиме оксидирования наблюдаются разноразмерные и крупные участки разрушения покрытия, в сравнении с предыдущими результатами. Сколы покрытия имеют ассиметричную, неправильную форму, участки разрушения оксидного слоя легко различимы на поверхности даже невооруженным глазом. Данный режим получения покрытия является критическим, толщина слоя достигает наивысших значений в эксперименте (таблица 3.19), поверхность оксидной пленки не способна противостоять износу в гидроабразивной среде и поэтому не рекомендуется для применения на производстве.