Содержание к диссертации
Введение
1 Нитриды хрома и методы их получения 10
1.1 Применение нитридов хрома 10
1.2 Получение нитридов хрома 13
1.3 Метод СВС 17
1.4 Постановка задачи исследований 24
2 Материалы,оборудование и методики экспериментов..27
2.1 Объект Исследования 27
2.2 Методики исследования 32
2.3 Термодинамический анализ 35
3 Синтез нитридов хрома методом СВС 45
3.1 Горение прессованных образцов 45
3.2 Закономерности горения образцов насыпной плотности 54
3.3 Влияние дисперсности порошков на закономерности синтеза 65
3.4 Закономерности азотирования порошка сплава Cr-Al. 76
4 Особенности синтеза образцов большого диаметра 88
4.1 Поверхностный режим распространения волны синтеза 88
4.2 Синтез в реакторе 99
5 Технологический процесс получения нитридов хрома и их физико-химические свойства 108
5.1 Технологический процесс получения нитридов хрома в условиях опытно промышленного участка отдела структурной макрокинетики 108
5.2 Оценка себестоимости получаемых нитридов на примере азотирования порошка хрома ПХ 1С 113
5.3 Физикохимические свойства синтезированных нитридов 114
Основные выводы 124
Список использованной литературы 126
Приложение
- Получение нитридов хрома
- Закономерности горения образцов насыпной плотности
- Поверхностный режим распространения волны синтеза
- Технологический процесс получения нитридов хрома в условиях опытно промышленного участка отдела структурной макрокинетики
Введение к работе
Интерес к нитридам металлов обусловлен их уникальными физико-химическими свойствами. Среди них встречаются соединения тугоплавкие, износостойкие, коррозионностойкие, проводники, полупроводники и изоляторы, а также материалы с другими разнообразными свойствами.
Среди нитридов металлов нитрид хрома является одним из самых стойких к окислению. Покрытия из нитрида хрома обладают повышенной износостойкостью и, кроме того, одним из самых низких коэффициентов отражения в видимой области длин волн, что обуславливает его использование, как в производстве износостойких режущих инструментов, так и в оптическом приборостроении.
Традиционным способом получения нитридов является отжиг в атмосфере азотсодержащего газа (Самсонов Г.В и др.). Недостатками таких технологий являются' высокая энергоёмкость и сложное дорогостоящее оборудование. Представляет интерес применение для получения нитрида хрома метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), открытого А.Г.Мержановым с сотрудниками. Методом СВС получен ряд нитридов металлов (Ті, Hf, Nb, Zr, Al и т.д.), однако публикаций по получению нитридов хрома методом СВС недостаточно. Для. создания технологии получения нитридов хрома необходимо изучение процесса синтеза. Система Cr-N относится1 к системам с диссоциирующим продуктом, так как температура диссоциации CrN при атмосферном давлении меньше- адиабатической температуры горения хрома в азоте. Кроме того, в этой системе известны два нитрида CrN и Cr2N. Азотирование подобных систем методом СВС не исследовано, поэтому изучение синтеза нитридов хрома в режиме СВС имеет и научное значение.
. В предлагаемой работе впервые приводятся результаты изучения синтеза нитридов хрома в самораспространяющемся режиме. Основными регулируемыми параметрами в технологии самораспространяющегося синтеза
5 нитридов являются давление азота, состав и дисперсность исходных порошков, газопроницаемость шихты.
Для технологии являются важными следующие параметры процесса самораспространяющегося синтеза: скорость распространения фронта реакции, которая определяет продолжительность одного цикла синтеза, изменения температуры саморазогрева, которые определяют требования к технологическому оборудованию, глубина превращения, а также микро- и макроструктура продукта, которые определяют его качество.
Работа выполнена в рамках конкурсного проекта фундаментальных исследований СО РАН «Изучение быстропротекающих химических процессов в гетерогенных системах, образующих конденсированные продукты реакции, в условиях физического воздействия». ГР № 01.2.007 01450 и по тематике НИР ОСМТНЦСОРАН.
Целью работы является разработка технологии получения нитридов хрома методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Термодинамический анализ реакции хрома с азотом для расчета
максимальной температуры и равновесного состава продуктов с целью
определения оптимальных условий осуществления процесса.
2. Исследование горения в среде азота образцов, спрессованных из порошка
хрома, а также изучение наблюдающегося при этом нестационарного процесса.
Изучение закономерностей горения в азоте свободнонасыпанных образцов. Исследование стадийности процесса.
Изучение закономерностей синтеза нитридов при использовании в качестве реагентов порошков хромалюминиевых сплавов.
Изучение синтеза образцов большого (больше 0,6 м) диаметра. Определение оптимальных условий синтеза нитридов хрома.
6. Изучение физико-химических свойств полученных нитридов хрома.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Распространение зоны реакции в образцах, спрессованных до
относительной плотности 0,47-^-0,55, происходит в нестационарном режиме.
Причиной нестационарности является трещинообразование и продвижение
фронта реакции по трещинам. При этом продукт разрушается, степень
превращения низкая. Стационарное распространение зоны реакции возможно
только в свободнонасыпанных образцах.
Азотирование в режиме СВС свободнонасыпанного порошка хрома в атмосфере азота при давлениях от 0,5 до 10 МПа позволяет получать продукт, содержащий 14-^-20 мае. % азота и состоящий из фаз CrN и Cr2N. Увеличение давления азота способствует повышению содержания CrN в продукте. При использовании в качестве шихты порошка сплава хрома с 5-6 мае. % алюминия, продукт СВС содержит до 17 мае. % азота и состоит из фаз Cr2N и CrN, и 4-5 мае. % A1N.
Реакция азотирования порошка хрома в режиме СВС протекает в две стадии. На первой стадии происходит реакция 4Cr+N2—*2Cr2N, на второй -2Cr2N+N2—»4CrN. Максимальная температура зоны реакции ограничена температурой диссоциации нитрида CrN. Реакция порошка хрома с азотом происходит преимущественно в твердой фазе.
4. Увеличение диаметра образца переводит послойный режим
распространения зоны реакции в поверхностный. Предложен
модифицированный критерий перехода к поверхностному горению,
учитывающий конечность длины образца. Поверхностный режим
распространения может стать причиной неоднородности продукта. В
центральной части образца может образовываться расплавленный участок с
низким содержанием азота или нерасплавленный участок, состоящий
преимущественно из фазы Cr2N, в зависимости от давления и диаметра образца.
Однородный по составу продукт может быть получен в узком интервале
давлений, зависящем от размеров образца.
Практическая значимость работы.
1. Разработаны составы шихт и технология получения нитридов хрома
методом СВС.
По разработанной технологии получены опытные партии нитридов хрома и нитридов хрома с добавкой нитрида алюминия. Свойства полученных нитридов хрома близки к свойствам нитридов хрома, полученных другими методами.
Синтезированные по разработанной технологии опытные партии нитридов хрома и сплавов нитрида хрома с нитридом алюминия использовались при наплавке электрошлаковым способом в НПО «Импульсные технологии» в качестве электродов для ионной имплантации в ИФПМ СО РАН, для нанесения защитных покрытий на кислородные фурмы в ОАО ЗСМК (г Новокузнецк), в качестве наполнителя в проводящих компаундах в ОСМ ТНЦ СО РАН (акты прилагаются).
Достоверность научных результатов обусловлена применением современного программного обеспечения для выполнения расчетов, использованием современных приборов и методов, сопоставлением полученных результатов с данными других исследований в области СВС и нитридной керамики.
Положения, выносимые на защиту.
Механизм нестационарного режима распространения волны синтеза в образцах, спрессованных из порошка хрома.
Условия осуществления самораспространяющегося синтеза нитридов хрома в атмосфере азота.
Характер роста слоев нитридов на частицах порошка хрома в процессе СВС.
Закономерности синтеза нитридов хрома при горении порошков сплава хрома с алюминием в азоте.
Особенности синтеза в образцах большого диаметра. Закономерности перехода синтеза образцов конечной длины в поверхностный режим, модифицированный критерий поверхностного горения. Влияние
8 неодномерности фильтрации на макроструктуру продукта. Ограничения на размеры образцов при синтезе нитридов хрома.
6. Технологию получения нитридов хрома методом СВС.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на I Всесоюзной конференции по высокоазотистым сталям (Киев, 1990), II Международной конференции по высокоазотистым сталям (HNS, Аахен, 1990), I Международном симпозиуме по СВС (Алма-Ата, 1991), III Международном симпозиуме по СВС (Wuhan, 1995), IV Международном симпозиуме по СВС (Toledo, 1997), V Международном симпозиуме по СВС (Черноголовка, 1999), VI Международном симпозиуме по СВС (Haifa, 2001), Всероссийской конференции «Процессы горения и взрыва в физикохимии технологии неорганических материалов» (Москва, 2002), VII Международном симпозиуме по СВС (Cracow, 2003), XIII Симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 2005), VIII Международном симпозиуме по СВС (Сардиния, 2005),_П Международной конференции по высокоазотистым сталям (HNS, Остенд, 2004), IV международном симпозиуме «Горение и плазмохимия», (Алмааты-2007), а также на научных семинарах отдела структурной макрокинетики Томского научного центра СО РАН.
Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликовано 18 работ в российских и зарубежных научных журналах, в сборниках трудов и материалах конференций и симпозиумов, в том числе 7 статей в рецензируемых журналах и 2 патента.
Автор выражает глубокую благодарность
-научному руководителю, доктору технических наук, профессору Юрию Михайловичу Максимову за постоянное внимание к работе и помощь в обсуждении результатов,
-кандидату технических наук Мансуру Хузиахметовичу Зиатдинову за помощь в проведении экспериментов и обсуждении результатов,
-кандидату технических наук Ольге Клавдиевне Лепаковой за проведение микроструктурных исследований,
-научному сотруднику Владимиру Давидовичу Китлеру за проведение работ на растровом электронном микроскопе и микроструктурный анализ,
-инженеру-технологу Згре Сунгатуловне Ахуновой за проведение химических анализов,
-кандидату химических наук Нине Ивановне Радишевской за проведение ИК-спектроскопии,
-научному сотруднику Александру Ивановичу Иванову за проведение электрофизических измерений,
-научному сотруднику Виталию Георгиевичу Саламатову, за помощь при видеосъемках,
-инженеру-технологу Юрию Владимировичу Цыбульнику за помощь в проведении экспериментов,
-старшему научному сотруднику Александру Николаевичу Аврамчику за помощь в проведении термодинамических расчетов,
научному сотруднику Николаю Николаевичу Голобокову за проведение рентгенофазового анализа,
-доктору физико-математических наук Виктору Кузьмичу Смолякову, кандидату физико-математических наук Воле Исаевичу Итину, доктору физико-математических наук Николаю Ивановичу Афанасьеву за помощь в обсуждении результатов,
-кандидату химических наук Александру Ивановичу Шульпекову, Александру Ивановичу Кирдяшкину, за проведение испытаний,
-а также всему коллективу Отдела структурной макрокинетики томского научного центра СО РАН за помощь в проведении исследований.
Получение нитридов хрома
В земной коре нитриды хрома не обнаруживаются, а нитрид CrN обнаруживается в составе метеоритных пород (минерал Карлсбергит) [10]. В [11] нитрид хрома CrN получали обработкой азотом при 6СКН900 С тонкого пирофорного порошка, полученного разложением амальгаммы.
В [12] исследовали равновесие в системе хром-азот в зависимости от давления и температуры при азотировании чешуйчатого электролитического порошка хрома чистотой 99,4 % (основная примесь - кислород (0,588%)). Температуру варьировали в пределах 1100- -1400 С, а давление азота 0,5- 45 мм рт. ст. При всех использованных значениях давления и температуры получались двухфазные образцы, состоящие из низшего нитрида хрома (Cr2N) и твердого раствора азота в хроме.
В [13] изучали азотирование порошка электролитического хрома, содержащего 99,8 % хрома и 0,2 % железа. Азот для очистки от кислорода пропускали через медную стружку, нагретую до 600- -700 С, затем через медную стружку в насыщенном растворе хлористого амония в аммиаке, затем через серную и соляную кислоты для нейтрализации паров аммиака и осушки газа и через хлорид кальция для окончательной осушки. Азотирование осуществляли пропусканием азота над лодочкой с порошком, помещенной в кварцевую трубку, находящуюся в печи. Давление азота поддерживали постоянным. Температуру измеряли платина-платинородиевой термопарой. Размеры частиц порошка составляли 2- -7 мкм. Изучение азотирования порошка хрома позволило авторам сделать вывод о том, что наиболее эффективным при всех изученных температурах является время выдержки, равное 3600 с. В работе представлены полученные авторами кинетические кривые азотирования хрома. Максимальное поглощение азота наблюдалось при температурах 800- 1000 С. Повышение температуры свыше 1000 С приводит к уменьшению содержания азота в конечном продукте. Это объясняется тем, что высший нитрид CrN теряет устойчивость и при температуре 1050 С разлагается на азот и Cr2N. По кинетическим кривым определяли константы скорости реакции «К» хрома с азотом и энергии активации. Получены следующие значения: для реакции 2Cr+N2=2CrN - К=14.8хехр(-330/Т), энергия активации равна 660 кал/моль для интервала температур 500- 900 С, а для реакции 4Cr+N2=2Cr2N-K=0.45xexp(-5210/T), энергия активации равна 10420 кал/моль. Авторы указывают,что фаза CrN менее устойчива, чем фаза Cr2N, поэтому энергия активации реакции её образования меньше. Реакционная диффузия. Значительная часть реакций твердых тел с газами протекает посредством реакционной диффузии. Реакционная диффузия — это гетерогенная химическая реакция, при которой реагенты доставляются к реакционной зоне посредством диффузии.
Основная часть работ по реакционной диффузии относится к процессам окисления металлов, но аналогичные закономерности выполняются и для процессов азотирования и для реакций металлов с другими газами. Взаимодействие металлов с газом-реагентом начинается с адсорбции молекул газа на поверхности металла, чему способствует ненасыщенность связей поверхностных атомов металла. Адсорбция нейтральных молекул называется физической адсорбцией. При наличии химического сродства металла с адсорбируемым газом и при достаточно высокой температуре происходит химическое взаимодействие атомов газа с поверхностными атомами металла -хемосорбция. Образуется пленка, внутренняя часть которой состоит из атомов металла, а внешняя - из атомов газа. При увеличении толщины пленки, хемосорбированная пленка переходит в пленку продукта. Этот переход сопровождается перемещением атомов металла, для чего требуется значительная энергия активации. В результате поверхность металла покрывается сплошной пленкой продукта, отделяющей реагенты друг от друга. Скорость реакции начинает зависеть от скорости диффузионного переноса реагентов через пленку продукта.
Теория реакционной диффузии исследована в основном в работах К.Вагнера, Н.Мотта, О. Кубашевского, К. Хауффе, В.И. Архарова, В.С.Еремеева и др [14-20]. В работах Вагнера изучался рост окисных пленок, обладающих полупроводниковыми свойствами. Рассматривалась диффузия трех типов заряженных частиц - катионов, анионов, и электронов. Использовались следующие предположения: а) образуется однофазная сплошная пленка с изотропной структурой; б) выделяющееся в процессе реакции тепло достаточно быстро рассеивается в окружающем пространстве, и диффузия протекает при постоянной температуре; в) перенос реагирующих компонентов осуществляется путем объемной диффузии; г) механические напряжения, а также поры, трещины и другие дефекты в пленке продукта отсутствуют; д) кинетические факторы, определяющие кинетику реакции на границах раздела фаз, не лимитируют скорости процесса; е) растворением кислорода в металле можно пренебречь. При таких допущениях для одномерного плоского случая получено выражение для зависимости толщины слоя продукта от продолжительности реакции
Закономерности горения образцов насыпной плотности
Сравнение максимальных температур зоны реакции при различных температурах с температурами диссоциации CrN. - кривая построена по уравнению (2.5), -»- измеренные температуры зоны реакции. расходования Cr2N, а также из-за торможения реакции продуктом (образование слоев CrN между Cr2N и азотом) скорость реакции снижается и скорость тепловыделения от реакции становится меньше скорости теплоотвода. Температура зоны реакции начинает уменьшаться. На участке 6 волны реакции скорость теплоотвода выше скорости тепловыделения, но еще продолжается дореагирование с уменьшающейся скоростью. На участке 7 скорость тепловыделения от реакции становится пренебрежимо малой по сравнению со скоростью теплоотвода и происходит практически инертное остывание.
На рисунке 3.15 приведено изображение отдельных частиц хрома, находящихся вблизи от остановленного фронта горения (ОФГ). Видно, что частицы покрыты слоем продукта. Согласно рентгенофазовому анализу этим продуктом является нитрид Cr2N. На начальном этапе реакции эта фаза образует сплошной , «защитный» слой.
На рисунке 3.16 приведено, полученное в растровом электронном микроскопе, изображение излома закаленного образца вблизи от остановленного фронта реакции. Частицы порошка имеют округлую форму, подобную форме исходного порошка (рисунок 3.17) и гладкую поверхность. Реакция хрома с азотом на этом этапе происходит путем диффузии реагентов через слой нитрида.
Увеличение толщины слоя продукта сопровождается разрушением -поверхностного слоя. Это видно на оптических снимках, полученных на шлифах закаленных образцов (рисунки 3.18, 3.19), и на электронно 56 микроскопических изображениях, полученных на изломах аналогичных образцов (рисунок 3.20). Вероятно, как и в случае окисления металлов [17], с
Конечный продукт. Оптическое изображение. Шлиф. ростом толщины пленок новой фазы в них увеличиваются механические напряжения, обусловленные различием удельных объемов и коэффициентов термического расширения. При определенной критической толщине эти напряжения могут превысить предел прочности и в слое продукта возникают трещины и отколы.
Из приведенных изображений видно, что мелкие частицы не испытывают разрушения. Их диаметр меньше удвоенной критической толщины. На рисунках 3.21, 3.22 представлены электронномикроскопические изображения структуры конечного продукта, состоящего в основном из фазы CrN. На крупных частицах видны следы разрушения поверхностных слоев, а мелкие частицы имеют относительно гладкую поверхность. На рисунке 3.23 приведено оптическое изображение микроструктуры шлифа конечного продукта. Отдельные частицы порошка спеклись. Преобладающая часть шлифа занята фазой CrN. Отдельные белые пятна - остатки недореагировавшего Cr2N. На рисунке 3.24 приведено электронномикроскопическое изображение участка шлифа, представленного на рисунке 3.23. В процессе синтеза произошло спекание частиц продукта, полученного из порошка хрома.
Основными причинами разрушения слоев новой фазы считаются различие удельных объёмов, а также различие коэффициентов термического расширения образующейся фазы и подложки [19].
Приведённые фотографии показывают, что на первой стадии реакции, в которой образуется Cf2N, частицы сохраняют округлую форму, поверхность частиц остается гладкой. В дальнейшем происходит растрескивание и разрушение слоя продукта. При этом поверхность частиц претерпевает искажения и происходит отделение фрагментов продукта от исходных частиц.
Поверхностный режим распространения волны синтеза
Приближённый вывод критерия перехода к поверхностному режиму горения представлен также в [130]. Однако, в этих работах не учитывалось влияние конечности длины образца на величину фильтрационного потока газа.
В настоящей работе приводится приближённое аналитическое рассмотрение, которое позволяет качественно выявить влияние конечности длины образца на условия перехода к поверхностному горению. Критерий перехода к поверхностному режиму горения определяется, как и в [130], путём сравнения массовой скорости потребления газа-окислителя во фронте горения и скорости фильтрационного подвода окислителя. Предполагается, что зона горения узкая, фронт горения распространяется с постоянной массовой скоростью со, а содержание газа-окислителя в порах образца пренебрежимо мало по сравнению с количеством газа, необходимым для полного превращения металлического компонента в конечный продукт и, следовательно, практически весь газ потребляемый в реакции поступает к зоне горения из внешнего пространства путём фильтрации.
Размеры образца следующие: L - высота, 2г - ширина, b - толщина (рисунок 4.5), x0 - расстояние пройденное плоским фронтом реакционной зоны к рассматриваемому моменту времени. Так как продукты горения обычно обладают значительно меньшей проницаемостью, чем исходная смесь, то потоком газа к фронту горения через слой продуктов можно пренебречь и считать, что газообразный реагент поступает только через боковые грани перед зоной реакции. Для того, чтобы образец горел в послойном режиме с плоским фронтом фильтрационный поток газа окислителя к центральной части фронта горения должен быть не меньше, чем скорость поглощения газа в зоне реакции.
Рассмотрим участок боковой поверхности высотой dx расположенный на расстоянии х - х0 от фронта горения по оси х. Расстояние от этого участка до центральной части фронта l = /r2 +(х-х0) . Массовый поток газа через этот участок боковой поверхности к центральной части фронта будет равен q = pkf——bdx, где р — плотность газа.
Это условие подобно критерию, полученному в [63] и [131]. Отличие k0 заключается в множителе —у . , , который появляется из г за конечности длины образца. Из (4.6) следует, что: 1) при горении образцов конечной длины условие перехода к поверхностному режиму зависит от длины образца L и от расстояния, пройденного фронтом горения х0. Поэтому при различных начальных условиях переход к поверхностному горению должен происходить на разном расстоянии от нижнего торца образца. 2) При любых начальных условиях должен происходить переход к поверхностному режиму, если становится достаточно малым. На рисунке 4.6 приведено изображение поверхностного горения образца с L = 0,1 м, шириной 0,03 м. Образец горел при давлении азота 2 МПа. Переход к поверхностному режиму произошёл на расстоянии 0,065 м от нижнего торца. На рисунке 4.7 приведен кадр видеосъёмки поверхностного горения образца с L=0,1 м, г = 0,03 м . Давление азота - 3 МПа. Переход к поверхностному горению произошёл на расстоянии 0,045 м от нижнего торца. При давлении азота 4,5 МПа переход к поверхностному горению происходит на расстоянии 0,025 - 0,035 м от нижнего торца( рисунок 4.7).
Приведенные изображения показывают, что переход к поверхностному режиму распространения фронта реакции происходит на разном расстоянии от основания образца в зависимости от давления, что подтверждает вывод о влиянии длины образца на процесс перехода к поверхностному режиму. Поверхностный режим горения ограничивает диаметр образцов, в которых методом самораспространяющегося синтеза может быть получен равномерно проазотированный продукт.
Технологический процесс получения нитридов хрома в условиях опытно промышленного участка отдела структурной макрокинетики
Полученный синтезом в реакторе из порошка хрома по предлагаемой технологии при давлении азота 4 МПа материал состоит практически из одной фазы CrN. На рисунке 5.5 приведена рентгенограмма материала. Отражения соответствующие фазам Сг и Cr2N отсутствуют. На рисунке 5.6 а и б приведены изображения структуры материала при различных увеличениях.
Продукт синтеза получается в виде спеченных брикетов пористостью 30-50 % с равномерно распределенными порами размером до 0,1 10"3м. Прочность на сжатие 2,0-5,0 МПа. Содержание азота 19-21 %, содержание кислорода 0,3 мае. %.
По двухточечной схеме определяли зависимость поверхностного удельного сопротивления образца из нитрида хрома от температуры в интервале 0+400 С. Результаты приведены на рисунке 5.7. Видно, что, в интервале температур от комнатной до 370 С, удельное сопротивление нитрида хрома практически не меняется, что делает это соединение перспективным материалом для использования в нагревательных устройствах.
Дериватограмма нитрида CrN, полученного СВС методом, приведена на рисунке 5.8. Кривые ТГ и ДТГ показывают, что масса CrN до температур 800-900 С практически не изменяется, что говорит об устойчивости нитрида хрома к окислению на воздухе.
На рис 5.9 приведены результаты ДТА и ТГ для нескольких нитридов. Видно, что CrN обладает наибольшей стойкостью к окислению среди изученной группы нитридов.
По описанной выше методике определяли некоторые механические свойства продуктов синтеза (таблица 5.4).
Микротвердость фаз близка к известным значениям [11, 12], по прочности и коэффициенту интенсивности напряжений литературные данные отсутствуют. Из результатов определения механических свойств видно, что фаза CrN обладает меньшей прочностью и меньшей пластичностью, чем фаза Cr2N.
В лаборатории импульсных технологий сварки и наплавки ИФПМ СО РАН нитрид хрома содержащий 20 %мас. азота, полученный по предлагаемой технологии, использовали для нанесения электрошлаковых наплавок пластинчатым электродом на плоскую горизонтальную поверхность [150].
Наплавку осуществляли на установке УЭШН-1, разработанной в лаборатории импульсных технологий сварки и наплавки ИФПМ. Использовали следующую схему наплавки. На поверхность наплавляемой детали наносили слой высокомарганцовистого высококремнистого оксидного флюса АН-348-А (шлаковая система MnO-Si02), на него укладывали плавящийся электрод из стали СтЗ, затем слой дополнительного присадочного материала - смесь порошков нитрида хрома, стали Х18Н10 и наполнителей в таких пропорциях, чтобы состав наплавленного слоя был близок составу стали Х15Н5. При расчете состава наплавочной смеси учитывали, что химический состав готового покрытия зависит от состава плавящегося электрода, дополнительного присадочного материала и частично сварочного флюса. Токоподводы от сварочного источника питания ВДУ-1201 подключали к устройству крепления электрода и наплавляемой детали. Расплавленный электродный металл при кристаллизации образовывал слой наплавленного металла, покрытый сверху застывшим шлаком. Наплавляли слои толщиной около 5 х10" м. Содержание азота в наплавках изменялось в зависимости от количества нитрида хрома в шихте от 0,4 до 1,5 мае. %. Для сравнения наплавили слой подобного состава без нитрида хрома. Содержание азота в наплавках изменялось от 0,4 до 1,5%. Согласно результатам микрорентгеноспектральных анализов, выполненных на приборе «Camebax», содержание легирующих элементов, за исключением азота, в наплавленных слоях близко к их содержанию в шихте. Так, в образце, содержащем 0,4 мае. % азота, содержание никеля составляет 4,5+5,5 мае. % (в зависимости от фазовой составляющей матрицы). Несколько ниже оказалось содержание хрома.
Изображения шлифов наплавленных слоев в характеристических излучениях Cr-Кц и Ni- Ка позволяют сделать вывод о равномерном распределении легирующих элементов. Металлографический анализ наплавленных слоев не выявил заметного количества пор и микротрещин.
По данным рентгенофазового анализа структура всех исследованных образцов наплавленных покрытий в основном представляет собой легированные твёрдые растворы на основе a-Fe и y-Fe. Присутствие азота практически не влияет на величину параметров решетки основных фаз. В образцах с содержанием азота 0,4 мае. % это может быть связано с относительно невысокой его концентрацией.
На рисунке 5.10 приведено изображение микроструктуры участка наплавленного слоя с содержанием 0,4 мае. % азота, представляющей собой смесь игольчатого феррита, мартенсита и бейнита с долей аустенитной фазы. Большую часть поверхности шлифа занимает структура игольчатого феррита типа «плетённой корзины (Basketweave)», обеспечивающая в силу такой особенности максимальную сопротивляемость металла развитию трещин.
Такая структура характеризуется сочетанием высокой вязкости и прочности. Чем больше доля игольчатого феррита в стали, тем ниже температура перехода в хрупкое состояние. Твёрдость наплавленного слоя с содержанием 0,4 мае. % азота составляет 46 HRC, что на 10 единиц выше твёрдости наплавленного слоя, не содержащего азот.
Микроструктура наплавленного слоя, не содержащего азота приведена на рисунке 5.11. В структуре безазотистого образца заметно больше доля бейнитно-перлитной фазы в областях, окруженных доэвтектоидным ферритом, выделившимся по границам бывших аустенитных зерен.
