Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 6
1.1 Хром, кремний и марганец как легирующие элементы компактных материалов на основе железа 6
1.2 Особенности многокомпонентного диффузионного насыщения хромом, кремнием и марганцем изделий из порошковых материалов на основе железа 16
1.3 Основные способы изменения свойств поверхности 34
1.4 Методы интенсификации химико-термической обработки металлов и их влияния на диффузионные процессы 39
1.5 Выводы, цели и задачи исследования 42
2 Материалы, оборудование и методики проведения исследований 45
2.1 Характеристики исходных материалов 45
2.2 Оборудование, оснастка и технология изготовления образцов 48
2.3 Описание технологических процессов изготовления образцов 50
2.4 Оборудование и методики исследования структуры материалов 51
2.4.1 Микроструктурный анализ 51
2.4.2 Определение микротвёрдости 52
2.4.3 Микрорентгеноспектральный анализ 52
2.5 Оборудование и методики исследования характеристик и свойств
материала 52
2.5.1 Определение общей пористости 52
2.5.2 Испытания на изгиб 55
2.5.3 Испытания на ударную вязкость 56
2.5.4 Испытания на усталостную долговечность 57
2.5.5 Трибологические испытания 58
2.5.6 Испытания на коррозионную стойкость 61
2.5.7 Испытания на жаростойкость 63
3 Влияние режимов мдн хромом, кремнием и марганцем на микроструктуру изделий из порошковых материалов на основе железа 65
3.1 Структура образцов из порошковых материалов после проведения многокомпонентного диффузионного насыщения хромом, кремнием и марганцем 67
3.2 Изучение микроструктуры образцов из порошковых материалов на основе железа после проведения многокомпонентного диффузионного насыщения хромом, кремнием и марганцем методом рентгеноспектрального анализа 70
3.3 Влияние различных факторов многокомпонентного диффузионного насыщения хромом, кремнием и марганцем на строение приповерхностного слоя 75
3.3.1 Формирование диффузионного слоя в зависимости от состава насыщающей смеси 75
3.3.2 Влияние температуры и времени насыщения на формирование приповерхностного слоя 79
3.3.3 Влияние вида активатора на формирование диффузионного слоя 81
3.3.4 Влияние количества активаторов на толщину диффузионного слоя 84
3.3.5 Определение микротвёрдости образцов после проведения многокомпонентного диффузионного насыщения хромом, кремнием и марганцем 85
3.4 Выводы 87
4 STRONG Исследование механических и эксплуатационных свойств изделий из порошковых материалов на основе железа после проведения мдн хромом, кремнием и марганцем 89
4.1 Механические свойства изделий из порошковых материалов, подвергнутых МДН хромом, кремнием и марганцем STRONG 89
4.2 Трибологические свойства изделий из порошковых материалов, подвергнутых МДН хромом, кремнием и марганцем 95
4.3 Исследование коррозионной стойкости изделий из порошковых материалов, подвергнутых МДН хромом, кремнием и марганцем 101
4.4 Жаростойкость изделий из порошковых материалов, подвергнутых МДН хромом, кремнием и марганцем 109
4.5 Выводы 114
5 Возможные области применения результатов мдн изделий из порошковых материалов на основе железа с целью повышения эксплуатационных свойств 116
Общие выводы 119
Литература
- Основные способы изменения свойств поверхности
- Оборудование и методики исследования структуры материалов
- Изучение микроструктуры образцов из порошковых материалов на основе железа после проведения многокомпонентного диффузионного насыщения хромом, кремнием и марганцем методом рентгеноспектрального анализа
- Исследование коррозионной стойкости изделий из порошковых материалов, подвергнутых МДН хромом, кремнием и марганцем
Введение к работе
Актуальность проблемы
Развитие машиностроения, с/х, химической, радиотехнической, энергетической и других отраслей промышленности, а также ядерной техники и космоса предъявляет весьма жесткие требования к рабочим свойствам изделий: их сопротивлению изнашиванию, коррозии в жидких и газообразных средах и многим другим видам внешних воздействий.
Разрушение деталей машин, инструмента и других изделий в подавляющем большинстве случаев начинается с поверхности, и именно к поверхностным слоям относятся перечисленные выше требования. В связи с этим объёмное легирование сплавов, как правило, является неэкономичным, а во многих случаях и неосуществимым из-за почти полной потери ими пластичности и вязкости. Поэтому в последние годы всё большее внимание исследователей и производственников уделяется различным методам поверхностного упрочнения. Одним из основных методов поверхностного упрочнения является химико-термическая обработка.
В настоящее время достаточно широко применяют процессы насыщения металлов и сплавов одним элементом: цементацию, азотирование, алитирование, хромирование. Насыщение двумя, тремя и большим количеством элементов применяют весьма ограниченно. Практически используется промышленностью -нитроцементация или цианирование. Насыщение поверхности изделий двумя и большим количеством элементов (многокомпонентное насыщение) позволяет в значительно большей мере изменять свойства поверхностных слоев.
Многокомпонентное диффузионное насыщение тремя элементами, например, хромом, кремнием и марганцем применительно к изделиям из порошковых материалов не изучено. Поэтому разработка и исследование метода многокомпонентного диффузионного насыщения поверхности изделий из порошковых материалов хромом, кремнием и марганцем, позволяющего повысить их эксплуатационные свойства является актуальной задачей.
Изучение влияния режимов и установление закономерностей многокомпонентного диффузионного насыщения хромом, кремнием и марганцем на микроструктуру и физико-механические свойства порошковых материалов на основе железа в порошковой засыпке с печным нагревом с целью повышения износостойкости, коррозионной стойкости и жаростойкости изделий.
В соответствии с поставленной целью решались следующие ЗАДАЧИ:
1. Выявление влияния состава насыщающей среды, технологических режимов
многокомпонентного диффузионного насыщения (МДН) на основании широкого
комплекса исследований структуры;
2. Установление закономерностей влияния параметров многокомпонентного
диффузионного насыщения (температура, время насыщения, состав насыщающей
смеси, вид активатора) на механические свойства образцов с диффузионным
покрытием;
3. Исследование эксплуатационных свойств образцов (износостойкость,
коррозионная стойкость и жаростойкость), подвергнутых МДН;
4. Разработка рекомендаций по практическому использованию результатов
исследований.
1. Разработан процесс многокомпонентного диффузионного насыщения
хромом, кремнием и марганцем порошковых материалов на основе железа в
порошковой засыпке состава:
30 % Х99 + 20 % ФМн 90 + 20 % ФС 75 + 28 % А1203 + 2 % NH4C1; Методом рентгеноспектрального анализа в интервале температур 900 - 1200С и времени 1-4 часа определены кинетические зависимости изменения ширины диффузионного слоя в процессе многокомпонентного диффузионного насыщения хромом, кремнием и марганцем; Установлено, что толщина диффузионного слоя достигает 600-850 мкм, а толщина функционального карбидного слоя составляет примерно 200 мкм;
2. Металлографическими исследованиями изделий порошковых материалов
на основе железа, подвергнутых насыщению хромом, кремнием и марганцем
показано, что диффузионный слой состоит из карбида типаСг7Сз, представленного в виде дисперсных включений в приповерхностной зоне образца и феррита, легированного хромом, кремнием и марганцем;
3. Установлено, что введение в насыщающую смесь марганца приводит к увеличению скорости диффузии хрома и кремния в образцах из стали 80п и порошка железа ПЖР 2.200.28.
1.Предложены технологические схемы и режимы, обеспечивающие МДН изделий из порошковых материалов на основе железа с заданными значениями характеристик прочности, пластичности, износостойкости и коррозионной стойкости.
2. Разработаны режимы по выбору температуры нагрева, времени
проведення многокомпонентного диффузионного насыщения с учётом пористости
заготовок, содержания углерода, а также назначения изделий.
3. Для изделий из порошковых материалов на основе железа, подвергнутых
МДН хромом, кремнием и марганцем, определены зависимости:
—> изнашивания при удельной нагрузке 5 МПа, скорости скольжения 0,568 м/с, в
условиях сухого трения от пути трения (150 м);
—> ударной вязкости, предела прочности на сжатие, усталостной долговечности,
относительного удлинения, относительного сужения, микротвердости
поверхностного слоя от содержания углерода в пределах 0,2-1,2 %;
—* толщины диффузионного слоя от температуры и времени насыщения, от
состава насыщающей смеси;
-* коррозионной стойкости в: а) 20 %-ном растворе НС1; б) 50 %-ном растворе
H2S04; в) 20 %-ном растворе HN03; г) 20 %-ном растворе Н3Р04; д) 20 %-ном
растворе КОН; е) 10 %-ном растворе NaOH; ж) 3 %-ном растворе NaCl
(имитирующем атмосферную коррозию и морскую воду) от времени процесса;
—> жаростойкости от температуры 900, 1000, 1100 С;
4. На основании проведённых исследований предложены области
применения метода диффузионного насыщения хромом, кремнием и марганцем.
Это детали металлургической, химической, нефтяной, бумажной, с/х, пищевой промышленности: кольца, втулки, гнёзда клапанов, вкладышей, крепёжных деталей, детали насосов (шестерни, плунжера, втулки). Рекомендовано применять МДН данными элементами для деталей, работающих в различных средах, где они превосходят по коррозионной стойкости более дорогие коррозионностойкие стали. Метод МДН можно использовать с целью повышения жаростойкости деталей печной арматуры, оправок для отжига, шипов котлов, деталей тепловых двигателей (колец, втулок, клапанов, сопловых аппаратов турбин, корпусных и крепёжных деталей), работающих при температурах 900-1100 С. Кроме того, высокий и стабильный коэффициент трения изделий после МДН позволяет рекомендовать их для работы во фрикционных узлах - тормозных устройствах и во фрикционных передачах (сцеплениях, вариаторах и т.п.).
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
-
IV Международной Конференции Молодых Специалистов «Металлургия XXI века» (г. Москва, февраль 2008 г., ВНИИМЕТМАШ); По итогам конференции работа получила высокую оценку экспертов и была удостоена гранта Фонда содействия развития малого предпринимательства в научно-технической сфере по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса 2008»;
-
Научно-технической конференции Московского государственного вечернего металлургического института «Экология. Ресурсосбережение. Материаловедение в производстве высококачественных материалов» (г. Москва, июнь 2008 г., МГВМИ);
-
Международная конференция «Материаловедение тугоплавких соединений: достижения и проблемы» (г. Киев, май 2008 г.);
-
Второй международный научно-практический семинар «Новые материалы и
изделия из металлических порошков. Технология. Производство.
Применение.» (ТПП-ПМ 2008), (г. Йошкар-Ола, июнь 2008 г.).
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 статей в центральных рецензируемых журналах. Поданы документы на получение патента Российской Федерации.
Автор выражает благодарность за помощь и поддержку в проведении металлографических исследований сотрудникам ООО «Инженерный центр прочности, надёжности, долговечности и ресурса оборудования атомной техники» В.Я. Абрамову и Н.С. Крестникову.
СТРУКТУРА И ОБЪЁМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ:
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, библиографического списка, содержащего 100 источников; содержит 120 страниц машинописного текста, 69 рисунка, 10 таблиц, приложение.
Основные способы изменения свойств поверхности
Первым российским учёным, давшим наиболее полную и обоснованную классификацию процессов диффузионного насыщения поверхностей изделий металлами и металлоидами, был Георгий Николаевич Дубинин. В его работе [4] по насыщению сплавов металлами были изложены основы, а затем в работе [5] и детальная классификация методов диффузионного насыщения.
Из исследований, выполненных в нашей стране и за рубежом, видно, что многокомпонентные покрытия разрабатываются на основе какого-либо одного элемента, путём усложнения его предварительным или последовательным введением других элементов [6].
Рассмотрим влияние хрома, кремния и марганца на формирование диффузионного слоя и свойств материала, подвергнутого насыщению.
Хром и большинство других карбидообразующих элементов, в сплавах с железом усиливают взаимодействие ионов за счет увеличения числа неспаренных d-электронов у железа, уменьшают рост зерна [7].
Установлено [8,9,10], что диффузионное насыщение железа хромом уменьшает его концентрацию в поверхностном слое, что в свою очередь приводит к уменьшению температуры полиморфного а = у превращения. При хромировании происходит постепенное замещение атомов железа атомами хрома, образуется непрерывный ряд твердых растворов замещения. Это объясняют небольшим различием размеров атомов (rFc=2, 5бА; rCr=2,52A) [11,12]. С увеличением процентного содержания хрома в твердом растворе наблюдается увеличение параметров решётки a-Fe. Хром понижает точку А4 в его сплавах с железом, образуя замкнутую у - область с предельной растворимостью хрома 12,8% при температуре 1150С. При содержании хрома около 45% и температуре ниже 820С образуется химическое соединение FeCr-ст - фаза. Эта фаза образуется из твердого раствора с объемоцентрированной кубической решёткой при медленном охлаждении, она соответствует формуле FeCr и, судя по рентгенографическим исследованиям, имеет деформированную а- решётку [13,14]. Перепад концентрации на границе раздела фаз сохраняется и после охлаждения и отражается в структуре диффузионного слоя при комнатной температуре [15]. Авторами [16,17] обнаружен концентрационный скачок на границе раздела а и у фазы, который (согласно диаграмме Fe-Cr) должен составлять 2%масс. Сг; фактически он оказался намного больше и концентрация Сг в у-фазе после диффузионного хромирования не превышала 1-2%масс. Автором [18] предложен механизм, объясняющий формирование такого диффузионного слоя с неравновесной структурой с точки зрения реакционной диффузии и учитывающий влияние начальных условий, предшествующих процессу диффузии. Этот механизм иллюстрирует положение о влиянии физико-химических, кинетических факторов насыщения, а также метода его проведения на процесс формирования диффузионного слоя.
Диффузионный слой имеет близкую к блочной структуру и часто он распространяется из диффузионной зоны за линию раздела по направлению к сердцевине образца. Механизм его образования рассмотрен в [19]. Структура хромированного слоя зависит от метода насыщения. Процесс диффузионного хромирования сплавов протекает сложнее, чем хромирование чистых металлов. Он сопровождается диффузионным перераспределением и происходящими в сплаве фазовыми превращениями, влияющими как на структуру слоя, так и на кинетику его формирования [20,21]. Диффузионные слои на сплавах могут иметь одно- или многофазное строение (чаще двухфазное) [22,23]. Механизм формирования диффузионного слоя при хромировании сталей с различным содержанием углерода и возможность предопределения его структуры с использованием диаграмм состояния тройной системы сплавов Fe-Cr-C рассмотрены в работе [24]. Однако в процессе хромирования при формировании диффузионного слоя может происходить перераспределение химического состава сплава, особенно вблизи поверхностной зоны, которое не фиксируется равновесными концентрациями на границе образующихся фаз. При хромировании стали на её поверхности образуется карбидная фаза, возникновение которой связано с диффузией углерода из сердцевинных зон стали навстречу диффундирующему хрому. Встречной диффузии углерода способствует большое химическое сродство хрома и углерода [25,26,27].
Исследованиями авторов [28,29] установлены зависимости структуры хромированного слоя от содержания углерода, метода хромирования и его режима. Поэтому при рассмотрении формирования диффузионных зон необходимо учитывать эти факторы.
При хромировании сталей диффузионный слой представляет собой карбиды двух видов: Сг2зСб и Сг7Сз- Карбид Сг2зСб формируется на поверхности в зонах с повышенной концентрацией хрома, а Сг7Сз- в более глубоких зонах, обогащенных углеродом.
Карбиды хрома, образующиеся в диффузионном слое, имеют следующий стехиометрический состав и свойства: Сг23Сб - температура плавления 1520 С, содержание углерода- 5,46 %, кристаллическая решётка-сложный гранецентрированный куб, плотность- 6,970 10 кг/м ; Сг7Сз-соответственно: 1780С, 9,0%С, решётка гексагональная, плотность- 6,920 103 кг/м3 [30,31,32].
Кремний относится к группе элементов, увеличивающих устойчивость феррита. На диаграмме системы Fe — С он повышает точки А! и А3, понижает точку А4, сдвигает точки S и Е в сторону меньшего содержания углерода, тем самым сужая у-область и снижая содержание углерода в эвтектоиде [33,34,35]. Так, при содержании 2 % кремния эвтектоид образуется при 0,55 % углерода [36]. Увеличение содержания кремния свыше 0,4...0,5 % вызывает повышение прокаливаемое стали.
Оборудование и методики исследования структуры материалов
Существенным недостатком многих традиционных процессов химико-термической обработки (ХТО) является их сравнительно большая продолжительность (часы и десятки часов). Это в ряде случаев вызывает ухудшение структуры и свойств сердцевины изделий, коробление, значительные энергозатраты и достаточно высокую себестоимость. Поэтому все более широкое промышленное применение продолжают находить различные методы интенсификации процессов ХТО. Многие из них являются комплексными, одновременно оказывая влияние на протекание нескольких стадий процесса. Любая из стадий ХТО в общем случае может оказаться преобладающей для всего процесса. По мнению автора [97] наиболее целесообразно все методы интенсификации ХТО разделить на две группы.
К первой группе относятся методы, в которых варьируются такие параметры процесса: температура, давление, состав насыщающей среды, виды активаторов.
Во вторую группу входят методы, основанные на физическом воздействии извне на изделие или рабочую среду. К ним относятся следующие: электродуговой нагрев, электрический разряд, ультразвук, электростатическое поле, электронный удар, высокочастотное электромагнитное поле, ультрафиолетовое излучение, облучение нейтронами и другие.
Наиболее действенным методом интенсификации процессов ХТО является повышение температуры. Это обусловлено тем, что константы скорости химических реакций связаны с температурой экспоненциальной зависимостью. Но применение данного метода, особенно при медленном печном нагреве, ограничивается значительным ростом зерна, повышенным короблением, снижением механических свойств поверхности и сердцевины изделий [98]. В ряде случаев диффузионная подвижность и химическая активность возрастают при повышении температуры, в то время как константа скорости адсорбции уменьшается. В ряде случаев диффузионная подвижность и химическая активность возрастают при повышении температуры, в то время как константа скорости адсорбции уменьшается [24]. Число п адсорбированных атомов или молекул на поверхности металла связано с температурой t зависимостью: n=k-e Q/RT/Vt, (1.1) где k-постоянная; Q-энергия адсорбции. Интенсификация диффузионного насыщения также способствует и колебание температуры процесса в области фазовых и полиморфных превращений. Производственное применение нашли двух- и трёхступенчатые режимы азотирования [20]. Авторы работы [99] добились интенсификации ХТО данным способом при борировании и алитировании стали.
Влияние увеличения давления насыщающей среды на активацию третьей стадии процесса установили авторы [24] соответственно при цементации и азотировании стали. Автором [67], при насыщении марганцем стали газовым методом, было установлено, что с увеличением парциального давления хлоридов марганца заметно возрастает глубина получаемого слоя. В частности, для стали (t=1150C) при изменении давления с 0,1 до 0,3 МПа толщина диффузионного слоя возрастает с 5 до 15 мкм. Подвод активной среды к насыщаемому изделию и отвод продуктов взаимодействия интенсифицируют поверхностные реакции при ХТО. Так автором [18] установлено, что чем выше концентрация насыщающего элемента на поверхности, тем больше глубина диффузионного слоя. Это достигается при определенном соотношении скорости доставки атомов в активной форме к поверхности изделия Va и их диффузии в глубь металла Уд. Должно выполняться условие Va Уд. Увеличение скорости подачи среды к изделию при цементации [20] и газовом борировании никеля [27] также увеличивало скорость насыщения.
Авторы [23] установили наличие газообразных барьеров из продуктов реакции у поверхности насыщаемого металла, затрудняющих доступ активных атомов (или молекул) в реакционную зону. Поэтому были разработаны различные способы удаления этих барьеров, интенсифицирующие процесс насыщения. Среди них наиболее известны следующие: использование кипящего слоя [28-30], виброкипящего слоя и циркуляционного метода [31,32].
Авторы [100] пришли в выводу, что для интенсификации насыщения путем варьирования составом среды необходимо знать теплоты хемосорбции и десорбции насыщающих веществ и продуктов реакции; энергии активации хемосорбции веществ; направление дипольных моментов их молекул; теплоты образования термодинамически возможных фаз. Тогда создание оптимальных насыщающих составов будет сведено к сопоставлению перечисленных выше величин. Среда должна подбираться таким образом, чтобы атомы насыщающего компонента имели высокую теплоту хемосорбции и прочно адсорбировались на поверхности. В то же время продукты реакции должны иметь низкое значение теплоты адсорбции на поверхности изделия.
Широкое распространение получили методы интенсификации ХТО, основанные на правильном подборе активаторов [20,23,35]. Активаторы должны ускорять доставку насыщающего элемента к изделию путём образования газовой фазы, разлагаться и испаряться при нагреве и вытеснять воздух из рабочего объёма, способствовать удалению оксидных плёнок с поверхности изделий.
Изучение микроструктуры образцов из порошковых материалов на основе железа после проведения многокомпонентного диффузионного насыщения хромом, кремнием и марганцем методом рентгеноспектрального анализа
Многокомпонентное диффузионное насыщение холодно прессованных и горячепрессованных порошковых материалов проводили при 900-1200 С в течение 0,5 4 часов. Горячее прессование (ГП) осуществлялось при 1100 С, 10 мин, что обеспечивало высокую плотность в пределах (7,70-7,75)103 кг/м . На рис. 3.1 (а, б) показана микроструктура образца из стали 80п в состоянии после ГП. Она представляет собой перлит с участками феррита в сердцевине (рис. 3.1,а) с микротвердостью, соответственно, 3000 и 1500МПа и троостито-бейнит в приповерхностной зоне (рис. 3.1,6).
Структура не подвергнутой МДН стали 80п в состоянии после ГП. а - сердцевина, х 200; б - поверхностный слой, х 200.
В связи с тем, что объектом исследований являлись материалы на железной основе, структура сердцевины существенных изменений при разных режимах МДН не наблюдалась. Структура зависела, в основном, от содержания углерода и скорости охлаждения после различных видов обработки, связанной с нагревом: после насыщения, горячего прессования и закалки. В указанном порядке перечисления структура исследованных сталей доэвтектоидного состава изменялась следующим образом: феррито-перлит, количество перлитных участков возрастает с увеличением содержания углерода. Микротвердость феррита - 1500 МПа, перлита - 1800 МПа. На рис. 3.2 показан характерный участок структуры сердцевины образца стали 80п, полученного по схеме СХП—»(МДН+СП)—ГП. Насыщение проводилось после горячего прессования при 1000 С в течение 3-х часов;
перлит с ферритными участками. Структура сердцевины образцов подвергаемых МДН в целом идентична показанной на рис. 3 Л, а;
Рис. 3.2. Структура сердцевины образца стали 80п. Режим получения: СХП- (МДН+СП)- ГП; Насыщение при 1000С, 3 ч.
Сердцевина железных образцов из порошка марки ПЖВ 2.200.28 имеет ферритную структуру (рис.3.3). На начальной стадии насыщения средне- (20-25%) и высокопористых ( 25%) заготовок до формирования на поверхности сплошного насыщенного слоя происходит диффузия хрома, кремния и марганца по каналам открытых пор. Это приводит к некоторому обогащению границ зерен феррита хромом, кремнием и марганцем, что хорошо видно при микрорентгеноспектральном анализе (рис. 3.4). Структура сердцевины образца из порошка ПЖР 2.200.28. Режим получения: СХП—(МДН+СП)— ГП, насыщение при 1200С, 2ч; пористость заготовки - 20%, х 200.
Структура и фазовый состав диффузионных поверхностных слоев порошковых материалов оказались зависимыми от режима МДН, технологической схемы получения материала, пористости заготовок, подвергаемых насыщению, содержания углерода и других факторов, влияние которых будет описано ниже. 3.2. Изучение микроструктуры образцов из порошковых материалов на основе железа после проведения многокомпонентного диффузионного насыщения хромом, кремнием и марганцем - методом рентгеноспектрального анализа. Свойства изделий из порошковых материалов, а также диффузионная подвижность атомов во многом определяется размером, формой и равномерностью распределения пор, а также наличием на поверхности пор неметаллических включений. На заготовке, вырезанной из середины образца стали 80п, размером были проведены рентгенеструктурные исследования, результаты которых представлены на рис.3.5.
Середина образца из стали 80п вместе с картой распределения элементов в рентгеновских лучах: а) изображение в отражённых электронах; б) карта распределения в рентгеновских лучах Fe -Ка; в) карта распределения в рентгеновских лучах С-Ка; г) карта распределения в рентгеновских лучах О -Ка; д) карта распределения в рентгеновских лучах Al -Ка. Как можно заметить на поверхности пор содержатся сложные оксиды типа А12Оз-МпО, форма пор - протяжённая, что при взаимодействии диффундирующих элементов с галогенами может рассматриваться как благоприятная среда для межчастичной диффузии.
Наиболее детальному анализу подвергались приповерхностные участки образцов из стали 80п после проведения МДН хромом, кремнием и марганцем с целью изучения структуры и природы упрочняющего слоя, а также глубины проникновения диффундирующих элементов. При помощи метода РСА анализировалось содержание элементов в приповерхностном слое, как для боковой, так и для осевой поверхности круглого образца. По результатам анализа был определён карбидный слой, который состоял из карбидов типа СГ7С3, определённый по стехиометрическому соотношению содержания хрома и углерода. Толщина карбидного слоя составляла 200 мкм (рис.3.6). Распределение диффундирующих элементов по различным направлениям в образце из стали 80п оказалось идентичным (рис. 3.7, 3.8), что может свидетельствовать о равномерном и завершённом процессе многокомпонентного диффузионного насыщения хромом, кремнием и марганцем в из стали 80п в порошков засыпке следующего состава:
Характер распределения хрома, кремния и марганца в радиальном направлении определялся по результатам микрорентгеноспектрального анализа на определённом расстоянии от поверхности образца (причём на одном расстоянии проводилось 25 измерений) (рис.3.9).
Исследование коррозионной стойкости изделий из порошковых материалов, подвергнутых МДН хромом, кремнием и марганцем
В большинстве случаев причиной выхода из строя машин и механизмов является износ трущихся сопряжений [11]. В процессе износа происходит разрушение поверхностного слоя как компактных, так и порошковых материалов. Многокомпонентное диффузионное насыщение позволяет повысить износостойкость вследствие того, что диффузионный слой имеет повышенную твердость по сравнению с основой.
Исследование износостойкости производилось на приборе «TRIBOMETR» (см.гл.2), путь трения составлял 150 м, испытания проводили под нагрузкой. 1, 2, 3, 5 и ЮН. Подвергнутые диффузионному насыщению порошковые материалы с различным химическим составом основы (порошковое железо, порошковая сталь 80п) получали разными способами МДН по 2-м технологическим схемам. В качестве образцов-контролеров использовались порошковая сталь 80п в состоянии после ГП.
На представленных на рис.4.6 кривых трения (путь 150 м, нагрузка 5 Н) представлены результаты испытаний образцов из стали 80п подвергнутых МДН хромом, кремнием и марганцем.
Данные представленных зависимостей показывают, что после проведения МДН коэффициент трения по сравнению с образцом контролером уменьшился в 2,5 раза. ij З І
Исследование пятна износа шарика из закаленной стали 18Х8СТ также показали, уменьшение износа на теле трения. Данные результаты представлены на рис.4.7
Как видно из рис. 4.7, износ контртела также уменьшился в 2-3 раза, что позволяет сделать вывод, что проведение МДН снижает не только коэффициент трения, но и значительно уменьшает износ трущихся тел.
Исследования дорожек трения показало, что материал без нанесения покрытия сильно изнашивается и износ образца достигает 67 мкм. после проведения МДН износ материала уменьшился до 33 мкм. На рис.4.8 видно, что поверхность образца из стали 80п сильно изношена, в то время как поверхность образца из стали 80п + МДН, практически не изношена.
Исследование кривых шероховатостей исследуемых образцов показало (рис.4.9), что у образцов без нанесения покрытий после проведения трибологических испытаний образуется значительный профиль износа порядка 0,745 мм, у образцов с МДН профиль износа был получен порядка 0,15. Point Profile
Зависимость коэффициента трения от приложенной удельной нагрузки в условиях сухого трения для образцов из стали 80п подвергнутых МДН по различным технологическим схемам
Уменьшение коэффициентов трения объясняются тем, что коэффициент трения материалов после МДН высок из-за более высокой прочности оксидной пленки. На разрушение этой пленки при окислительном изнашивании требуются значительно большие усилия, чем на разрушение FeO или железа при адгезионном изнашивании образца-эталона. Причем, по-видимому, при окислительном изнашивании насыщенных слоев на них образуется пленка, состоящая из Сг2Оэ и из SiC 2, количество Si02 тем больше, чем выше содержание кремния в слое. Поэтому с понижением содержания хрома и кремния в диффузионном слое, а следовательно, и твердости слоя, понижается коэффициент трения. С повышением нагрузки возрастают температуры в зоне трения и происходит разупрочнение материала, в результате чего он может разрушаться при меньших усилиях.
Зависимость диаметра пятна износа от пути трения в условиях сухого трения для образцов из порошкового железа и порошковой стали 80 представлена на рис.4.11. 700 у со
Зависимость диаметра пятна износа (мкм) от пути трения (м) в условиях сухого трения для образцов из стали 80п при различных схемах насыщения.
Исследования износостойкости диффузионных слоев от пути трения показали, что по мере истирания слоев их износостойкость уменьшается в 1,5-2 раза. Это происходит потому, что твердость диффузионных слоев уменьшается по глубине слоя. Поэтому у таких слоев на сталях зависимость износа от пути трения имеет характер, близкий к линейному, а у железных образцов - к экспоненциальному. С этой точки зрения предпочтительней использование для МДН сталей, а не железа, несмотря на то, что глубина диффузионных слоев на них ниже.
Таким образом, МДН хромом, кремнием и марганцем позволяет существенно повысить износостойкость изделий из порошковых материалов (в 2-3 раза). Наилучшей износостойкостью обладают насыщенные диффузионные слои на стали 80п, полученной по схеме ГП— МДН. Другие материалы несколько уступают ей. Коэффициенты трения материалов, подвергнутых МДН отличаются высокой стабильностью и большими значениями (0,49-0,56), превосходящими коэффициенты трения не подвергнутых МДН материалов.
Повышение износостойкости изделий из порошковых материалов после проведения многокомпонентного диффузионного насыщения хромом, кремнием и марганцем объясняется высокой микротвердостью диффузионного слоя, а также низкой адгезионной способностью вследствие образования на поверхности материала оксидных пленок хрома, кремния и марганца.
Исследование коррозионной стойкости изделий из порошковых материалов после проведения диффузионного насыщения хромом, кремнием и марганцем Исследования образцов на коррозионную стойкость, подвергнутых насыщению хромом, кремнием и марганцем и образцов без насыщения, проводили в соответствии с ГОСТ 9.905-2007 (ИСО 7384:2001, ИСО 11845:1995) «Методы коррозионных испытаний. Общие требования».
Образцы изготавливались в соответствии с ГОСТ 9.905-2007, плоского типа, размером 3x30x30 мм.
Исследования коррозионной стойкости порошковых материалов после МДН проводились на образцах из стали 80п, полученных по следующим технологическим схемам: СХП- (МДН+СП)- ГП, ГП- МДН. Для сравнения с ними испытывались образцы из стали 12Х18Н10Т, которая получила наибольшее распространение в машиностроении как коррозионностойкий материал, а также образцы, изготовленные из стали 80п не подвергнутые МДН. На рис. 4.12 (а, б, в, г, д, е, ж) представлены результаты коррозионных испытаний железных образцов в растворах с различным уровнем РН.
