Технічні науки / Металургія

Середа Б.П., Грицай В.П., Іванов В.І., Моісейко Ю.В.

Запорізька державна інженерна академія

ЛЕГУВАННЯ ХРОМОВАНИХ ПОКРИТТІВ, ОДЕРЖАНИХ НА СТАЛІ ЗА УМОВ СВС, РІДКІСНОЗЕМЕЛЬНИМИ МЕТАЛАМИ

Одним з ефективних засобів підвищення надійності роботи деталей машин і механізмів є нанесення на їх сталеву поверхню захисних покриттів методом саморозповсюджуючого високотемпературного синтезу [1].

Експерименти щодо сумісного нанесення хромованих покриттів і їх легування рідкоземельними металами виконували на сталях 20, 45 і У8А. Хіміко-термічну обробку сталей здійснювали в реакторі відкритого типу з продуванням інертним газом (аргоном). Як насичуюче середовище використовували суміш порошків алюмінію, оксидів алюмінію, хрому, ітрію і лантану, металевого йоду, хлориду ітрію та лантану.

На відміну від відомих методів хромування [1] формування покриття методом саморозповсюджуючого високотемпературного синтезу (СВС) відбувається за неізотермічних умов, коли значну роль виконують хімічні транспортні реакції [2]. Такі реакції протікають за рахунок газових носіїв в порошкових сумішах за наявності градієнта температури. Можливість здійснення хімічного транспорту в хвилі горіння заснована на проходженні протягом даного процесу послідовної зміни температурних режимів. При цьому температура в кожній точці суміші змінюється від первинного значення до температури горіння.

Мікроструктуру зміцнених шарів вивчали на світловому мікроскопі типу "Neophot-21", їх фазовий аналіз здійснювали на рентгенівському дифрактометрі "Дрон-2" і рентгенівському мікроаналізаторі " Jeol Superprobe-733".

Встановлено, що під час хромування в сумішах з додаванням оксидів і хлоридів ітрію та лантану на поверхні формується шар нітриду хрому Сr₂N. В деяких випадках на діфрактограмах фіксуються незначні щодо інтенсивності дифракційні максимуми карбідів хрому (Fe,Cr)₇C₃ і Cr₂₃C₆. Поява карбідів пов'язана з неоднорідністю шихти та малою кількістю сполук ітрію та лантану в зоні знаходження цих зразків.

Під шаром нітриду хрому розташовується твердий розчин хрому в a-залізі з високим вмістом хрому та легуючих елементів (a_,Fe,Cr = 0,2887 нм). Наявність незначної кількості карбідів хрому пояснюється тим, що під час сумісної дифузії хрому з ітрієм і лантаном ці рідкоземельні метали із концентрацією, що вводяться, не створюють самостійних фаз з вуглецем, а легують твердий розчин і, сорбуючись переважно на межах зерен, суттєво зменшують активність і дифузійну рухливість вуглецю. Можна припустити, що атоми ітрію та лантану, які мають значно більший радіус, чим атоми хрому та заліза (0,181 і 0,187 нм порівняно з 0,127 і 0,126 нм відповідно) під час легування твердого розчину створюють у решітках навколо себе значні спотворення. Дані області за зустрічної дифузії можуть бути "пастками" для вуглецю. При зменшенні активності останнього в дифузійній зоні формуються шари, збагачені хромом, причому його масова частка на поверхні становить 80…82%.

Як відомо, хромований шар має стовбчату структуру [3]. За умов газової корозії окислюються переважно межі зерен стовбчатої структури. Також відомо, що рідкісноземельні метали мало розчинюються у хромі, але зменшують розмір зерна та збільшують його стійкість до окислення. Покриття, що містить 0,07% ітрію (у вигляді твердого розчину в хромі), не окислюється під час витримки за температури 1260 °С протягом 100 годин [4]. Рідкісноземельні метали розташовуються переважно на межах зерен. Блокування меж зерен даними металами призводить до того, що спостерігається дифузія хрому в тіло зерна. Як результат цього окислення на межах зерен проходить менш інтенсивно, чим без легування, що і призводить до окалиностійкості покриттів.

Встановлено, що окалиностійкість зразків із досліджуваними покриттями значно вище, ніж у зразків без покриттів при використанні суміші з додаванням оксиду ітрію - у 7…10 разів, хлориду ітрію - у 8…12 разів, хлориду і оксиду лантану - у 6…9 разів.

Література

1. Процессы горения в химической технологии и металлургии / Под ред. А.Г.Мержанова. - Черноголовка: ОИХФ АН СССР, 1975. - 289 с.

2. Дубинин Б.Н. Диффузионное хромирование сталей. - М.: Машиностроение, 1964. - 451 с.

3. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. - М.: Машиностроение, 1965. - 491 с.

4. Плющеев В.С. Справочник по редким металлам. - М.; Мир, 1965. - 946 с.