Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Эффективность процессов хто при упрочнении железоуглеродистых сплавов
1.1. Диффузионные покрытия на основе алюминия
1.2. Диффузионные покрытия на основе кремния
1.3. Диффузионные покрытия на основе бора
1.4. Постановка задачи исследования .
Глава 2. Методика и материалы для проведения исследований .
2.1. Материалы и методы их обработки
2.2. Методы исследования
Глава 3. Одно- и двухкомпонентное насыщение серого и высокопрочного чугуна алюминием и хромом
3.1. Особенности формирования и строение алитированных слоев на чугуне
3.2. Структурообразование и фазовый состав диффузионных слоев на чугунах при хромоалитировании
3.3. Свойства алитированных и хромоалитированных слоев на чугунах
Выводы
Глава 4. Одно- и двухкомпонентное насыщение чугуна кремнием и хромом
4.1. Формирование и строение силицированных слоев
4.2. Двухкомпонентные защитные покрытия с участием кремния -хромосилицирование чугуна
4.3. Свойства силицированных и хромосилицированных покрытий на чугунах
Глава 5. Изучение процессов комплексного насыщения
5.1. Некоторые закономерности комплексного борирования
5.2. Свойства чугунов, подвергнутых комплексному бориро-ванию из обмазок
Ввыводы
Заключение
Литература
- Диффузионные покрытия на основе кремния
- Структурообразование и фазовый состав диффузионных слоев на чугунах при хромоалитировании
- Двухкомпонентные защитные покрытия с участием кремния -хромосилицирование чугуна
- Свойства чугунов, подвергнутых комплексному бориро-ванию из обмазок
Введение к работе
В постановлениях ХХУІ съезда КПСС и П съезда Коммунистической партии Республики Куба предусматривается решение ряда актуальных проблем, направленных на совершенствование и подъём технического уровня национальной промышленности.
В В связи с ускоренным и всесторонним развитием техники крайне актуальными стали вопросы повышения надежности и долговечности деталей машин, приборов, инструмента, технологической оснастки, их качества и эффективности работы, а также экономии металлов, борьбы с коррозией, уменьшения износа деталей машин. Всё это особенно важно, так как развитие технологических процессов и условий эксплуатации машин и производственных механизмов в промышленности связано с повышением нагрузок, температур, агрессивності сред и т.п.
Анализ литературных данных показывает, что известные процессы химико-термической обработки углеродистых и легированных сталей, некоторых сплавов весьма глубоко изучены: (закономерности насыщения, строение, фазовый состав и свойства диффузионных слоев) и находят широкое использование. Вместе с тем применительно к различным видам чугунов серым, высокопрочным, ковким - использование процессов диффузионного упрочнения весьма ограничено. Литературные данные ограничены, хотя имеются некоторые основания полагать, что могут быть получены чугунные изделия с весьма высокими показателями эксплуатационных свойств: износо-, жаро-, коррозионной стойкости и др.
Процессы диффузионного насыщения чугуна принципиально не отличаются от используемых методов химико-термической обработки углеродистых сталей. Однако строение и свойства- получаемых в ана-
логичных условиях покрытий могут иметь существенные отличия. Это объясняется прежде всего наличием повышенных концентраций графи-тизирующих элементов - углерода и кремния, а также свободного углерода в виде графита, которые вызывают значительные изменения в кинетике насыщения и структурообразования диффузионных слоев.
Обладая большой универсальностью свойств, чугун является одним из основных литейных конструкционных материалов в различных отраслях машиностроения, эту роль он сохранит и в будущем. Поэтому использование возможностей повышения качества, надежности и долговечности чугунных отливок имеют большое практическое значение и требуют своего решения. Учитывая данное обстоятельство, большой интерес представляет использование новых прогрессивных процессов диффузионного упрочнения применительно к чугунам.
Особенно важно для кубинской промышленности обеспечение возможности использования таких методов химико-термической обработки, которые не требуют изготовления специального оборудования. С учетом этого обстоятельства и выполнена настоящая диссертационная работа.
Актуальность избранной темы подтверждается также тем, что вопросы повышения качества отливок включены в рабочую программу научно-технического сотрудничества между Белорусским ордена Трудового Красного Знамени политехническим институтом и Университетом г. Камагуэй Республики Куба, составленную на основе договора о дружбе, научном и культурном сотрудничестве и являются составной частью исследований, проводимых на кафедрах "Материаловедение и литейное производство" БПИ и "Материаловедение и детали машин" Университета г. Камагуэй.
Основными целями диссертационной работы являются:
Исследование структуры, фазового состава и особенностей структурообразования диффузионноупрочненных слоев на чугунах и для сравнения на стали при насыщении в порошковых и пастообразных смесях.
Установление закономерностей формирования диффузионных защитных покрытий на чугунах, в частности, при алитировании,си-лицировании, борировании, хромоалитировании, борохромировании и боросилицировании.
Изучение важнейших физических, химических, механических и эксплуатационных свойств диффузионных слоев на различных по структуре чугунах.
Разработка оптимальных режимов насыщения чугунов и выявление рациональных условий их использования, в частности, в промышленных условиях Республики Куба.
Методика исследования. При выполнении диссертационной работы использовали различного состава высокопрочный, серый и ковкий чугуны. Для сравнения получаемых результатов использовали образцы из технического железа и стали У8. Диффузионное насыщение проводили в порошкообразных смесях и в технологических обмазках при температурах 900-1000С при времени выдержки от двух до восьми часов. Выбор методов химико-термической обработки и насыщающих сред обоснован в проведенном литературном обзоре и опирается на разработки сотрудников кафедры "Материаловедение и литейное производство" Белорусского политехнического института. В работе использовали методы исследования: микроструктурный, дюрометрический и рентгеноструктурный анализы;
испытания на жаро-, износо- и коррозионную стойкость.
Новые научные результаты:
Впервые осуществлено диффузионное насыщение различных по структуре чугунов с использованием технологических обмазок. Показано, что наиболее перспективна такая обработка применительно к осуществлению комплексных процессов насыщения поверхностных слоев изделий - борохромирования и боросилицирования.
Показано, что в результате одно- и двухкомпонентного борирования жаро-, кислото- и износостойкость чугунов не уступает аналогичным характеристикам углеродистых и экономнолегированных сталей.
Основной отличительной особенностью диффузионного упрочнения чугунов является наличие в его структуре включений свободного углерода, который оказывает решающее влияние на характер и скорость протекания диффузионных процессов.
Показано, что использование процесса хромосилицирования обеспечивает особенно высокие физико-химические свойства диффузИ' онных покрытий у различных по структуре чугунов.
Наибольшей износостойкостью обладают высокопрочные чугуны после диффузионного борирования. Перспективными в этом отношении являются также процессы борохромирования и боросилицирования.
5. Процессы алитирования и силицирования чугунов дают, как
правило, более пористые поверхностные слои, чем получаемые при
обработке сталей. Присутствие в смесях поставщика хрома позволя
ет значительно улучшить качество диффузионных слоев у силициро-
ванных и алитированных чугунов.
На защиту выносят ся следующие ос-новные положения:
Результаты микроструктурного,дюрометрического и рентге-ноструктурного анализов и исследований на жаро-, коррозионную и износостойкость диффузионных защитных покрытий чугунов при али-тировании, силицироваши, борировании, хромоалитировании, хромо-силицировании, борохромировании и боросилицировании.
Анализ фазового состава и строения диффузионных слоев у чугунов и их отличительные черты по сравнению со сталями. При этом приводятся схемы фазового строения слоев.
Сравнительный анализ свойств диффузионных слоев и их отличия по сравнению с аналогичными у сталей.
Обсуждение и основные теоретические объяснения полученных результатов.
Оптимальные режимы насыщения различных по структуре чугунов для каждого исследуемого процесса химико-термической обработки.
Практическая ценность работы:
В изучении основных закономерностей диффузионного насыщения наиболее распространенных в практическом материаловедении чугунов.
В определении возможностей ряда современных методов химико-термической обработки с целью получения повышенных показателей свойств чугунов.
В разработке оптимальных режимов диффузионного насыщения чугунов для исследуемых методов химико-термической обработки.
В установлении возможностей производственного использования технологических обмазок для диффузионного упрочнения различных по структуре чугунов.
Результаты выполненных исследований могут быть использованы для внедрения в промышленности Республики Куба особенно с учётом их простоты и технологичности.
Реализация результатов работы. Полученные в диссертационной работе оптимальные режимы насыщения для каждого метода химико-термической обработки опробированы в лабораторных условиях. Предлагается их внедрение в промышленном производстве Республики Куба (изготовление оборудования сахарной промышленности, сельскохозяйственных машин и др.).
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительные отзывы на итоговых научно-технических конференциях Белорусского политехнического института (Минск, 1982,1983,1984); на конференции "Повышение надежности инструмента и технологической оснастки," г.Владимир (Владимирский политехнический институт, 1983); на конференции "Повышение качества чугуна для отливок", г.Свердловск (1984, Свердловское областное правление НТО черной металлургии); на республиканской конференции "Пути повышения эффективности использования инструментальных материалов", Минск, 1983.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.
Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на -/Ьб страницах машинописного текста, 44 рисунков, 34 таблиц, списка литературы, включающего iS6 наименования.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Впервой главе приведен анлиз литературных данных, показывающий, что методы диффузионного насыщения углеро-
дистых и легированных сталей, специальных и других видов сплавов весьма детально изучены. Применительно к чугунам использование методов химико-термической обработки ограничено и имеющиеся литературные данные недостаточны для достаточно широкого промышленного использования. В литобзоре перечислены задачи, поставленные при выполнении настоящей работы.
Вторая глава посвящена подготовке опытных образцов к исследованиям, приводятся требования к их химсоставу. Изложены сведения о материалах, применяемых для создания насыщающих сред. Приведены методики исследования и используемая аппаратура.
Втретьей главе излагаются результаты диффузионного насыщения чугунов алюминием и хромом в порошкообразных смесях. Особенность алитированных покрытий заключается прежде всего в многофазовом составе слоев и их двухзонном строении. Усложнение строения слоев сопровождается ухудшением состояния поверхности образцов. При образовании двухзонных слоев появляется даже пористость. Формирование двухзонных покрытий объясняется снижением скорости диффузии атомов алюминия, в связи с высокой концентрацией углерода и кремния и наличием свободного углерода в матрице металла.
Структурообразование и фазовый состав хромоалитированных слоев обусловлены прежде всего количественным соотношением в насыщающей смеси карбидообразующих составляющих. Характер формирования двухслойных хромоалитированных покрытий чугунных образцов и активность насыщающей среды значительно изменяются при наличии в смеси более Ъ% алюминия, приближаясь к "чистому" алитированию. В присутствии хрома поверхность опытных образцов заметно улучшается: снижается количество пор или они полностью отсутствуют, уменьшается шероховатость.
Алитированные и хромоалитированные диффузионные покрытия на сером и высокопрочном чугунах отличаются высокой жаростойкостью и приближаются к стойкости аналогичных покрытий на стали и железе.
Выполнена серия экспериментов по изучению коррозионной стойкости алитированных серого и высокопрочного чугунов в 10% растворах соляной, серной и азотной и в 50% растворе уксусной кислот. Из них следует, что диффузионное алитирование значительно увеличивает стойкость. Коррозионную стойкость хромоалитированных чугунов определяли в 10% растворах азотной и серной кислот. Высоким сопротивлением отличается чугун после насыщения в смеси, содержащей 5% АІ и 55% Х70, т.е. когда протекает процесс преимущественного хромирования.
В главе приводится также анализ результатов испытаний на износостойкость высокопрочного чугуна после хромоалитирования при сухом трении скольжения. Наиболее значительное увеличение износостойкости имеет место в случае , когда превалирует процесс хромирования и структура слоя состоит из карбидной фазы и ос-твердого раствора хрома и алюминия в железе. Это позволяет увеличить износостойкость чугуна в 2 раза.
Вчетвертой главе приводятся результаты экспериментов, связанных с насыщением чугунов кремнием и хромом в порошкообразных смесях. Определены оптимальное соотношение поставщика атомов кремния (ФС75) и нейтральной добавки ( Ah^s ) В результате силицирования чугунов в порошках качественные однофа-зовые слои формируются при низкой интенсивности диффузионного источника в узком интервале содержания в смеси поставщика атомов
. При содержании в ней более 5% ФС75 скорость формирования диффузионных слоев резко возрастает, образуются многофазная структура и пористые слои. Практическая ценность таких защитных покры-
тий не представляет особого интереса ввиду низких механических свойств, высокой хрупкости и пористости слоя.
Формирование структуры силицированных диффузионных слоев на чугунах протекает как и при процессе алитирования. Силицирован-ным слоям также свойственны многофазность. Особенности структу-рообразования в значительной мере определяются соотношением протекающих процессов объемной и поверхностной диффузии Si в ос-фазе.
В главе приводятся данные о структуре и толщине силициро-ванных слоев после насыщения при 950, 1000 и І050С в течение 2,4 и б час. На основании полученных результатов предложена структурная диаграмма, показывающая характер строения формируемых слоев на чугуне в зависимости от интенсивности насыщающей смеси.
Исследован процесс насыщения высокопрочного чугуна и контрольных образцов на стали У8 и технического железа в смесях из порошков ФС75, 70% феррохрома Х70, балластной добавки А220э и активатора ЫЩС^ . При хромировании чугуна концентрационный интервал получения качественных хромосилицированных слоев расширяется до 20% ФС75, выше которого резко ускоряется формирование многофазных высококремнистых пористых структур. Оптимальный вариант состава насыщающей среды: 9-12% ФС75, 51-48% Х70, 40% АЛ205 и 1% NHifCi , обеспечивает формирование структуры слоев, из карбидов хрома, ее- и ос'-фаз.
В главе изложены отличительные особенности структуры и свойств силицированных и хромосилицированных чугунов после высокотемпературной длительной выдержки. Опыты проводили при 850 и 900С в течение 10,20,30 и 50 час. Анализ результатов экспериментов характеризует хромосилицирование как наиболее эффективный метод повышения жаростойкости чугуна по сравнению с алитированием, хромоали-
тированием и силицированием. Возрастание массы хромосилицированных образцов ВЧ становится минимальным при насыщении в смеси с 120 ФС75 и 48% Х70 и жаростойкость возрастает в сотни раз по отношению к исходным сплавам без насыщения.
В работе приведен анализ результатов исследований на коррозионную стойкость в 10%-ном растворе азотной, серной и соляной и 50%-ном растворе уксусной кислот.
Силицированные однофазные слои высокопрочного чугуна имеют достаточно высокую стойкость в растворах соляной и уксусной кислот и более низкую - серной и азотной. Особенно отличаются многофазные силицированные слои, которые увеличивают стойкость высокопрочного чугуна в среде серной кислоты до 30 раз. Силицирован? ные однофазные слои почти два раза повышают стойкость в среде уксусной кислоты. Силицированный серый чугун уступает по коррозионно-стойкости, что объясняется большим количеством пластичных графитных включений в слое, нарушающих его целостность. Высокопрочный хромосилицированный чугун имеет близкие по коррозионной стойкости свойства к стали У8 в соляной, серной и азотной кислотах. Серый чугун после ХТО, хотя и имеет более низкую стойкость, тем не менее увеличивает её многократно по сравнению с исходным необработанным чугуном.
Что касается высокопрочного чугуна, то после хромосилициро-вания увеличивает его стойкость в соляной кислоте в 17 раз, а по сравнению с силицированными образцами с ос-слоем - в 3,7 раза и с силицированным многофазным слоем - в 1,2 раза. Стойкость в серной кислоте возрастает в 80 и 60 раз по сравнению со стойкостью силицированных образцов с однофазными и многофазными слоями, соответственно. В среде 10% раствора азотной кислоты такой чугун увеличивает стойкость более, чем в двадцать раз, а по сравнению с
силицированными однослойными образцами - в 15 раз и уступает только силицированным с многофазными слоями. Последние имеют в 2,2 раза более высокую стойкость в азотной кислоте.
Высокая стойкость хромосилицированных чугунов объясняется строением их диффузионных слоев. При насыщении в смеси оптимального состава образуются диффузионные слои, состоящие из ос-фазы, прослойки карбидных фаз (у поверхности располагается небольшое количество с -фазы).
В главе приводятся также результаты изучения износостойкости. В условиях сухого трения скольжения у высокопрочного чугуна после хромосилицирования она увеличивается лишь в 1,3 раза и поэтому практическая ценность использования этого метода для увеличения износостойкости является проблематичной.
Впятой главе излагаются результаты изучения диффузионного насыщения чугунов с использованием технологических обмазок. Образцы высокопрочных, ковких и серых чугунов подвергали борированию, борохромированию и боросилицированию. Насыщение проводили при 900, 950 и І000С в течение от 2 до 8 часов в соответствии с методикой, разработанной на кафедре "Материаловедение и литейное производство" Белорусского политехнического института.
Диффузионные покрытия на основе кремния
В результате диффузионного насыщения поверхностных слоев кремнием (силицирование) повышается коррозионная стойкость,жаростойкость, твердость и износостойкость металлов и сплавов.
Силицирование железоуглеродистых сплавов /50-53/ имеет ограниченное промышленное применение из-за трудностей получения беспористых слоев с высоким содержанием кремния (больше 11-13%), обладающих чрезвычайно высокой кислотостойкостью. Слои кремнистого феррита имеют более низкую коррозионную стойкость. Силицирование проводят в порошкообразных смесях, в расплавах при электролизном и безэлектролизном методах, с индукционным и быстрым электронагревами или газовое. В качестве "поставщика" кремния используют порошки различных кремний-содержащих веществ: кремния, ферросилиция, карбида кремния, силикокальция и т.д. Активаторами служат галогениды (0,5-5,0$) NH4CI,NHi»I,Nl-WF, KF,NaF и др. Как стимулятор диффузии в порошкообразных смесях применяют преимущественно МНцСІ в количестве 2-5% от веса смеси. Для предотвращения её спекания, налипания порошков на обрабатываемые изделия и уменьшения активности смесей с целью получения беспористых слоев кремнистого феррита в смеси вводят до 80-90% инертных добавок: окись алюминия, окись магния, измельченный шамот и др. Использование порошка кремния без окиси алюминия вызывает оплавление образцов. Структура, скорость формирования и свойства силицированных слоев определяются химичес ким составом стали, способом насыщения, составом насыщающей среды, температурой и длительностью процесса.
В работах /54-56/ по силицированию армкожелеза и низкоуглеродистых сталей в порошкообразных смесях разного состава установлено, что для получения насыщенного кремнием слоя толщиной 0,3-0,9 мм необходимы длительные выдержки (более 10 час), высокие температуры (П00-1200С) и значительный расход кремний-содержащих материалов. Механизм силицирования бескремнистого и малокремнистого железа исследовал Фитцер /57/. Уже в этих работах было установлено, что процесс силицирования пригоден для получения у поверхности железных деталей покрытия, содержащего 6-11% 5і предохраняющего металл от коррозии в слабо агрессивных средах. Получение сл«ев с большим содержанием кремния (14--15%) и, следовательно, более стойких в агрессивных средах невозможно, так как в этом случае они легко отслаиваются.
При силицировании в более богатых средах заметно увеличивается протяженность переходной зоны, что связано с образованием в ней соединения Fe5i . Указанные недостатки, к которым следует ещё добавить нежелательный рост зерна, вызванный большими выдержками и температурами, привели к тому, что процесс силицирования из твердой фазы не получил достаточного использования /58/. Перенос кремния к поверхности изделий при вакуумном силицировании осуществляется через паровую фазу и за счет непосредственного контакта с насыщающим веществом . Порошковые смеси можно использовать для газового неконтактного силицирования. Разработана технология силицирования стали в негерметичных контейнерах /59,60/. Процесс газового силицирования позволяет при более низких температурах и непродолжительных выдержках получать плотные, достаточной толщины силицированные слои с содержанием от ІЗ до 16% 5і /53,58,61/.
Для жидкого силицирования используют расплавы на основе силикатов щелочных металов с добавками кристаллического кремния, ферросилиция, силикокальция, карбида кремния и других активных восстановителей /62/. Процесс можно провести в печах любой конструкции. Однако удобнее всего тигельные печи-ванны. Существенный недостаток жидких (электролизного и безэлектролизного) способов силицирования - необходимость применения силиката натрия /30/. Способы силицирования с индукционным и быстрым электронагревом являются разновидностями газового метода силицирования и находятся в стадии лабораторных исследований /63/. Насыщающей средой служат хлориды кремния, образующиеся при пропускании хлора через порошок ферросилиция или смесь паров SiCU и аргона при 900--П00С. При всех исследованных скоростях нагрева образуются пористые слои.
Структура, скорость формирования и свойства силицированных слоев определяются химическим составом стали, способом насыщения, составом насыщающей среды, температурой и длительностью процесса. Независимо от способа и параметров насыщения характер торможения углеродом процесса формирования слоя остается неизменным. Наиболее значительное влияние на толщину слоя оказывает углерод в количестве 0,05-0,2%; при содержании 0,6-1,2% его влияние менее сильно, а при 0,2-0,5% С оно практически отсутствует (при росте ферритного силицированного слоя углерод вытесняется в аустенитный подслой) /62/. Повышение содержания углерода в стали расширяет интервал температур беспористого силицирования и сдвигает нижнюю его границу в сторону более низких температур /28,64/. С повышением содержания углерода в железе толщина кремнийсодержащего слоя уменьшается. Уменьшение толщины силицированного слоя отмечается у сталей с большим содержанием карбидов кремния, препятствующих диффузии этого элемента в железо /58,61/.
Легирование среднеуглеродистой стали никелем способствует уменьшению толщины силицированного слоя. Легирование вольфрамом, хромом, молибденом, кремнием и марганцем приводит к увеличению толщины слоя. Алюминий и медь не оказывают существенного влияния на скорость силицирования. При электролизном силицировании легирование среднеуглеродистой стали молибденом, вольфрамом и хромом способствует уменьшению толщины пористой зоны ос -фазы в диффузионном слое /62/. Результаты измерений микротвердости слоя у образцов на расстоянии 20-30 мкм от поверхности отображают изменение поверхностной концентрации кремния в зависимости от содержания углерода, так как микротвердость кремнистого феррита находится в линейной зависимости от содержания кремния. Распределение микротвердости по толщине силицированного слоя, а также результаты спектрального анализа на косых шлифах показывают, что углерод при температуре насыщения смещает граничную концентрацию tf- oo - превращений в сплавах системы Fe-Si-C в сторону больших концентраций кремния в феррите,на границе раздела составляет 3,4% в то время как в безуглеродистых железокремнистых сплавах при ос- у - превращении она равна 1,94% /65/.
При силицировании в порошковых смесях на основе ферросилиция, кремния и карбида кремния без добавок галогенидов-активаторов у армкожелеза и сталей формируются неравномерные по толщине, зачастую несплошные слои кремничтого феррита. Введение активаторов приводит к образованию хрупких пористых слоев ос -фазы, растущих с большой скоростью. При уменьшении содержания в смеси активатора до 0,5-1,0% и кремния до 10-15% силицирующая способность смеси снижается, что способствует получению беспористых слоев кремнистого феррита.
Структурообразование и фазовый состав диффузионных слоев на чугунах при хромоалитировании
При насыщении серого и высокопрочного чугуна и контрольных сплавов алюминием и хромом активность порошкообразных смесей изменяли за счет соотношения феррохрома Х70 и алюминия АПС-І при постоянной концентрации нейтральной добавки А В20ъ и активатора NHtfC-l . Составы смесей и глубина получаемых при этом диффузионных покрытий при температуре Ю00С в течение 2,4,6 и 8 часов представлены в табл. 3.I.I.
Выбором состава насыщающих сред предусматривали переход от однокомпонетного хромирования (смесь Ъ 4) к двухкомпонентному хромоалитированию - количество алюминия возрастало от 5 к 10 и 15%, а феррохрома - снижалось от 60 к 55, 50 и 45$, соответственно (смеси 5,6 и 7). При этом изменялась и интенсивность образования активных атомов хрома и алюминия, поэтому процессы диффузионного насыщения соответственно сменялись от преимущественного хромирования к хромоалитированию и, наконец, алкмохромированию. Об этом свидетельствуют результаты микроструктурных исследований и сравнительный анализ по отношению к процессам "чистого" алитиро-вания.
Хромирование - медленный процесс насыщения, когда структурообразование слоя в большей мере определяет встречная диффузия атомов углерода и появление хромистых карбидов. Эти обстоятельства также являются определяющими при комплексном насыщении, когда протекают процессы хромирования и алитирования. Сравнительный анализ данных табл. 3.I.I. по хромированию, алитированию и комплексному насыщению опытных сплавов хромом и алюминием свиде тельствует о существенном снижении скорости роста диффузионных хромоалитированных слоев по отношению к чистому алитнрованию. Наличие в насыщающих средах хрома вызывает уменьшение общей толщины получаемых покрытий в этом случае от 3 до 4, 7 до 8 и 10 до 8 раз соответственно в смесях с 5.10 и 1 А4 . По отношению к "чистому" хромированию имеет место увеличение скорости образования получаемых покрытий.
Толщина и характер строения хромированных, хромоалитирован-ных и алюмохромированных диффузионных покрытий на сером и высокопрочном чугуне, стали У8 и железе представлена на рис. 3.2.1, 3.2.2, 3.2.3, 3.2.4 при насыщении в смесях № 4,5,6 и соответственно. По сравнению с алитированными слоями в присутствии хрома состояние получаемых покрытий и поверхность опытных образцов заметно увеличиваются; снижается количество пор или они полностью отсутствуют, уменьшается шероховатость, не обнаруживаются включения фазы гелезоалшиниевых карбидов (предположительно).
При насыщении в смеси }? 4, когда протекает процесс диффузионного насыщения хрома, на сером и высокопрочном чугуне и стали У8 образуются карбидные слои. В состав карбидного слоя, согласно литературным данным /26/, должны входить карбиды хрома Спгъ С& ; Сп?Сс В структуре таких слоев просматривается и «С-фаза, легированная хромом, которая располагается между карбидным слоем и металлической основой сплава (рис. 3.2.5,а).
При хромировании чугуна и стали У8 формируются карбидные слои, толщина которых зависит от времени выдержки, концентрации в сплаве углерода, характера распределения и формы графита в чугуне и других факторов. В общую глубину карбидного слоя входит также и переходная прослойка ос-фазы, толщина которой весьма незначительна по отношению к основному диффузионному покрытию.
На железе образуются слои, представляющие твердый раствор хрома в ос-железе, т.е. «с - фазу. Увеличение времени выдержки повышает толщину в-фазы на железе. На поверхности ос-фазы покрытия на железе после 6 и 8 часов выдержки просматривается очень тонкий слой хрупкой фазы интерметаллидного соединения. При комплексном насыщении хромом и алюминием в смеси № 5 состоящей из Ь%
А и 55ЙХ70 на чугунах и стали У8 формируются слои, состоящие из фаз хромистых карбидов, под которыми располагается зона «с-фазы (твердый раствор хрома и алюминия в ос -железе), на которую приходится уже значительная часть общей глубины диффузионного покрытия (рис. 3.2.5,6). Продолжительность выдержки также увеличивает толщину слоя и, главным образом , за счет роста объема с -фазы (рис. 3.2.2). Из микроструктурного анализа и литературных данных /26/ следует, что в этом случае протекают примерно равнозначные по активности процессы одновременного насыщения поверхности чугунов и стали хромом и алюминием. При насыщении в смеси № 6, состоящий из 10% А-1 и 50% Х70, преобладает уже процесс преимущественного насыщения опытных сплавов алюминием, что приводит к образованию на чугунах и стали двухзонных покрытий, характер строения которых аналогичен тому,когда протекает одноком-понентное насыщение алюминием в смеси № I и 2 с 5 и 10%/4/, соответственно. Диффундирующий быстрее хрома алюминий ( DAI 10 = 170 слг/сутки; 0Сп -Ю5 = 59 см2/сутки) /26/ оттесняет углерод с поверхности железоуглеродистых сплавов к сердцевине и препятствует образованию слоя хромистых карбидов. Концентрация алюминия и хрома в таких слоях уменьшается от поверхности к сердцевине, а богатые алюминием фазы алюминидов, сверхструктур (упорядоченных) и неупорядоченных твердых растворов всегда легированы хромом.
Насыщение в смеси № 6 (рис.3.2.4) приводит к образованию слоев различного строения. Так, после 2 и 4 часов выдержки на чугунах и стали У8 формируются двухзонные слои, состоящие в основном из ос-фазы. Однако после 6 и 8 часов выдержки объем верхней зоны, состоящей из хрупких интерметаллидных соединений Ге и А! , возрастает, увеличивается также и зона ос -фазы -твердого раствора Ах и Сп в гё « . На железе во всех случаях имеет место образование слоев, состоящих преимущественно из ос -фазы, легированных алюминием и хромом.
При насыщении в смеси № 7, содержащей 15% алюминия и 45% феррохрома, процессы диффузионного насыщения алюминием активизируются, что и определяет формирование структур двухзонных покрытий, аналогичных по строению "аистом алитированию. (рис.3.2.5,в). Существенной особенностью состава фаз, которые определяют структуру слоя, является их легированность хромом, концентрация которого постепенно уменьшается от поверхности слоя к металлической основе сплава. Верхней зоне алюминидов, легированных хромом, также характерны хрупкость, высокая твердость и наличие уже определенного количества пор.
При увеличении продолжительности выдержки в смеси № 7 имеет место увеличение общей глубины защитного слоя на чугунах и стали за счет увеличения в структуре объёма верхней и нижней прослойки (рис. 3.2.4).
Общая толщина слоя возрастает на сером и высокопрочном чугуне в пределах от 66 до 161 и 81 до 195 мкм соответственно при увеличении выдержки от 2 до 8 часов. На стали У8 и железе глубина слоев достигает 244 и 272 мкм, соответственно, а их строение являем ся двухзонным.
Насыщение в смеси № 7 вызывает более активную диффузию алюминия и процесс протекает ещё более четко как процесс актирования. Наряду с оС -твердым раствором хрома и алюминия в структуре диффузионных слоев преобладают Fe5 А2 и М , легированные хромом. Строение диффузионных слоев на чугунах - интерметаллид-ные соединения и "С-фаза. Толщина общего слоя и объем каждой фазы увеличиваются при возрастании времении выдержки. Таким образом происходит структурообразование защитных слоев стали У8 и железе. Изменение микротвердости двухзонных диффузионных покрытий имеет такой же характер, как при однокомпонентном насыщении алюминием.
Двухкомпонентные защитные покрытия с участием кремния -хромосилицирование чугуна
Формирование качественных слоев на чугунах при силициро вании с использованием ФС75 лимитируется излишней интенсивностью диффузионного источника и специфическими условиями ускоренного формирования в слое высококремнистых фаз, резко ухудшающих качество слоя. Формирование слоя высококремнистых фаз протекает настолько активно, что подавляется развитие зоны ос-твердого раствора, представляющего наибольший интерес с точки зрения получения высоких качественных показателей силицированного чугуна. При чистом силицировании мощность диффузионного источника всегда оставалась высокой и изменялась за счет добавок ФС75,АЛг0з ШцО , и температуры насыщения. Варьирование условий струк-турообразования силицированных слоев на чугунах возможно путем введения другого насыщающего элемента. Большой интерес в этом отношении представляют добавки хрома. Совместное введение кремния и хрома позволит регулировать скорость диффузионных процессов и формирование диффузионного хромосилицированного слоя.
Исследовали процесс насыщения высокопрочного чугуна и контрольных образцов из стали У8 и железа в порошкообразных смесях из порошков ФС75, 70%-ного феррохрома Х70, балластной добавки МяУз и активатора КІНцСІ . При постоянном содержании АдгОз и МНцСІ составы насыщающих сред изменялись путем варьирования количественного соотношения ФС75 и Х70, которые изменялись в смеси от 1:9 -. 9:1. Параметры процесса насыщения: температура Ю00С, выдержка в течение 6 часов. Составы смесей, толщина и строение получаемых хромосилицированных слоев на ВЧ, стали У8 и железе представлены в таблице- 4.2.1 и на рис. 4.2.1. Микроструктуры диффузионных слоев можно видеть на рис. 4.2.2.
Исследования показали,при низкой интенсивности диффузионного источника по кремнию и высокого - по хрому, когда в насыщающей смеси концентрация феррохрома Х70 превышает 7Ъ% (смеси № I и 2 ), протекают диффузионные процессы преимущественного насыщения опытных сплавов хромом и формирование структур подобных хромоалитированным слоям, описании: в разделе 3.2.
При хромосилицировании у поверхности образцов стали У8 образуется диффузионный слой состояния из карбидов хромаОцСэ и Ch23Ct и 0 "фазы» Твердость карбидного слоя HQQ = 14000-- 17000 МПа. На высокопрочном чугуне (рис. 4.2.2а,б ) толщина карбидного слоя может быть большей, что можно объяснить повышенной концентрацией в сплаве углерода, включая и свободный - графит, следовательно,и более благоприятными условиями формирования и роста карбидных фаз слоя. Повышается несколько и твердость карбидного слоя чугуна (I5000-17000), что можно связать не только с увеличением толщины слоя, но и относительного содержания в нем более твердой фазы Сл зСб . Хромосилицированный слой на железе состоит и ос -твердого раствора кремния и хрома в ос-железе.
Когда в составе насыщающих смесей концентрация поставщика атомов кремния ФС75 превышает 25% (смеси № 3...9), то как и в случае чистого силицирования протекают процессы преимущественного формирования силицированных слоев аналогичного строения и различного соотношения в них ос , ос- , и -фаз (рис. 4.2.26,в). Следует отметить, что при одном и том же фазовом составе низко- и высококремнистые структуры в хромосилициро ванных слоях представлены соответственно твердыми растворами хрома в кремнистом ферите (ос-фаза), сверхструктурой Fe3 i (ос -фаза), силицидом железа FesSij (Ч -фаза) и моносилицидом железа Ysbi (6 -фаза).
Проведенные исследования позволили установить оптимальные режимы насыщения при хромосилицировании высокопрочного чугуна, когда формируется структура диффузионных слоев из ос -фазы и карбидной зоны, у поверхности которой может располагаться незначительной толщины (до 20-50 мкм) зона пористой тс -фазы. В этом случае поверхность опытных образцов приобретает матовый оттенок несколько отличный от хромированной . Формирование желательной структуры у хромосилицированых диффузионных слоев высокопрочного чугуна (ос -фаза, карбидный слой и ос -фаза) имеет место при насыщении в смесях, когда соотношение ФС75/Х70 не превышает 1/4.
При увеличении соотношения ФС75/Х70 (смеси № 3-9) подавляется структурообразование карбидов хрома и происходит активный рост силикохромированных слоев за счет структурообразования высококремнистых Ті - и 6 -фаз, в твердом растворе которых имеется хром. Как и при чистом силицировании силикохромированные слои в этом случае, по-видимому, не представляют особого практи:-ческого интереса ввиду их низкой прочности и высокой хрупкости.
Дальнейшие исследования по хромосилицированию высокопрочного чугуна проводились в смесях оптимальных составов с целью получения качественных диффузионных слоев с точки зрения их твердости, жаростойкости, коррозионной стойкости и т.д.
Свойства чугунов, подвергнутых комплексному бориро-ванию из обмазок
В связи с тем, что широкий круг деталей машин и оснастки эксплуатируются в условиях интенсивного изнашивания, повышенных температур, агрессивных сред,представляют интерес данные по жаро-, коррозионной и износостойкости диффузионноупрочненных образцов из серого ,ковкого и высокопрочного чугунов. При исследовании жаростойкости объектами испытаний явились образцы,подвергнутые борированию, боросилицированию и борохромированию при температуре 950С в течение четырех часов. Испытания на жаростойкость проводили при температурах 800 и 850С и времени выдержки до 50 часов. Высокопрочные чугуны были разделены на четыре группы в зависимости от содержания в них основных графити-зирующих элементов (табл. 5.2.1). Исследуемые образцы подвергали металлографическому анализу до и после испытаний. Результаты проводимых исследований представлены в таблицах 5.2.2 и 5.2.3, а также на рис. 5.2.1. и 5.2.2, Из данных таблицы 5.2.1 следует, что при 850С диффузионноупрочненные чугуны сопротивляются окислению даже хуже, чем не подвергнутые химико-термической обработке.
При температуре же испытаний 800С жаростойкость боридных, боросилицированных , борохромированных чугунов в значительной степени повышается по сравнению с неупрочненными (табл. 5.2.2 , рис. 5.2.1). Из рисунка видно, что наиболее высокую жаростойкость имеют боросилицированные образцы высокопрочного чугуна со сравнительно небольшим содержания углерода (1,9%). Его сопротивление окислению (Т = 800С, ч = 50 час.)в данном повышается в 15 раз. Наименьшая жаростойкость зафиксирована у борированного серого чугуна, которая ненамного выше, чем у образцов, не подвергнутых химико-термической обработке. Данные,представленные на рис. свидетельствуют о том, что в течение 30 часов высокотемпературной выдержки образцы высокопрочного чугуна (1,9%С), практически не изменяют своей массы, что объясняется присутствием в первом случае в боридах кремния, а во втором хрома, спосоьствующих образованию на поверхности плотных окисных плёнок, препятствующих диффундированию через них кислорода. Более длительная выдержка несколько снижает жаростойкость. У борированных высокопрочных чугунов в течение тридцати часов жаростойкость также сохраняется на довольно высоком уровне, затем несколько понижается (рис.5.2.2). После пятидесяти часов выдержки у высокопрочных чугунов сопротивление окислению в случае борирования увеличивается в 3,3 раза, борохромирования - в 10,7 и боросилицирование - в 14 раз.
Чем выше содержание углерода в диффузионноупроченном высокопрочном чугуне, тем ниже его жаростойкость (табл. 5.2.2). Такое явление можно связать с повышением количества графитных включений в слое боридов. Более низкая жаростойкость диффузион-ноупроченного ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным вероятно связана с формированием более тонкого боридного слоя с большим количеством графитных включений. В результате бориро-вания его сопротивление окислению при-800С повышается в 1,7 раз; борохромированию в 1,8, а после боросилицирования в 2,3 раза (табл.5.2.2).
Проведенные испытания показали, что борированные и боро-хромированные образцы серого чугуна имеют сравнительно низкую окалиностойкость, что можно связать со структурой их диффузионных слоев, имеющих довольно небольшую толщину при повышенном содержании в них графитных включений и пор. В случае же боро-силицирования серых чугунов сопротивление окислению повышается в 1,5 раза. Результаты испытаний диффузионноупрочненного ковкого чугуна выше, чем серого,за счет более качественного покрытия, что объясняется в параграфе 5.1. Испытания на корро-зионностойкость диффузионноупрочненных образцов высокопрочного серого и ковкого чугунов проводили в 10-ных растворах азотной, серной и соляной кислот. Опыты осуществляли при комнатной температуре и выдержке до 100 часов. Результаты сопротивления растворению диффузионных слоев в Ю-ной азотной кислоте представлены в таблице 5.2.3.
Результаты выполненных экспериментов показывают в общем весьма низкую стойкость чугунов. Наиболее высокок сопротивление обнаруживают борохромированные высокопрочные, а самую низкое - боросилицированные серые чугуны. Кинетические кривые для высокопрочного чугуна представлены на рис.5.2.3. Уменьшение массы образцов особенно заметно проявляется в первые 5 часов выдержки в растворе азотной кислоты. При более длительных испытаниях скорость растворения диффузионноупрочненных чугунов в данной агрессивной среде замедляется очевидно вследствие образования на поверхности образцов пассивирующих пленок. Увеличение содержания графитизирующих элементов в высокопрочном чугуне приводит к понижению коррозионной стойкости, что можно связать с менее качественньм строением слоя (поры и графитовые включения).
