Технічні науки / Металургія

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

Запорізька державна інженерна академія

ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК БАГАТОКОМПОНЕНТНИХ ПОКРИТТІВ, ОДЕРЖАНИХ МЕТОДОМ СВС

(Повідомлення І)

Вирішення завдань підвищення надійності та довговічності машин і механізмів, що працюють за умов зростання навантажень, температури, агресивності корозійних середовищ, пов'язане із зміцненням їх поверхневих шарів шляхом нанесення захисних покриттів.

Змінювання властивостей поверхні виробів за необхідним напрямком можливе різними методами, які можна поділити на два види:

– нанесення на поверхню нового матеріалу з необхідними властивостями;

– змінювання складу поверхневого шару металу, що забезпечує досягнення заданих властивостей.

У першому випадку застосовують такі добре відомі покриття як хімічні, гальванічні та інші. У другому випадку поверхневі шари металу піддають дифузійній хіміко-термічній обробці з утворенням на них нового сплаву, що суттєво відрізняється. Такий метод дозволяє одержувати у поверхневому шарі виробу сплав практично будь-якого складу та забезпечити комплекс необхідних фізико-механічних властивостей.

Проте всі відомі методи характеризуються енергоємністю та тривалістю. В зв'язку з цим актуальною є розробка нових технологій, що дозволяють регулювати склад і структуру покриттів, забезпечувати необхідні експлуатаційні характеристики за мінімальної тривалості їх формування. Такими технологіями можуть слугувати методи нанесення покриттів із використанням явища розповсюдження фронту горіння у сумішах порошків тугоплавких хімічних сполук [1-3]. Узагальнена хімічна схема процесу, що отримав назву саморозповсюджуючого високотемпературного синтезу (СВС), має вигляд:

, (1)

де Х – Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Мо, W; Y – B, C, N, Si, S, Se, Al; Z – бориди, карбіди, нітриди, силіциди та інші.

Елементи Х (елементи-пальні) є порошками металів; елементи Y (елементи-окислювачі) використовують у порошкоподібному, рідкому або газоподібному стані; продукт Z (цільовий продукт) є тугоплавким і за температури горіння знаходиться у твердому стані. Хімічна взаємодія елементів Х і Y відбувається із виділенням значної кількості теплоти, що і зумовлює можливість горіння. Таким чином, СВС-процес є сильно екзотермічною взаємодією хімічних елементів у конденсуючій фазі, що протікає за режимі горіння.

На базі СВС-систем розвиваються різні комбіновані процеси. Одним із них є поєднанням СВС і металотермії. Можливі дві схеми процесу:

(2)

(3)

де MeX_m – відновлювана сполука; Y – елемент-відновник та окислювач; Me₀ – елемент-відновник; X – елемент окислювач; MeY_n, MeX_n – цільові продукти; YX_k, MeX_k – побічні продукти.

Нанесення покриттів за умов СВС під час протікання супутніх газотранспортних реакцій відбувається за нестаціонарних умов, коли ні теплова, ні хімічна рівновага до повного завершення процесу й охолодження продуктів є неможливою. Швидкості протікання хімічних процесів визначаються кінетичними закономірностями, що залежать як від температури, так і від дифузійних чинників.

Основними критеріями під час визначення оптимальних технологічних параметрів одержання багатокомпонентних покриттів за режимом горіння є узагальнений час (число Фур'є), протягом якого здійснюють хімічні транспортні реакції, темп охолоджування (критерій Біо) та відношення маси реакційної шихти до маси деталі.

Формування титано-хромо-алюмо-силіційованих покриттів за режимом горіння виконували на зразках технічного заліза у суміші складу 85 % ХС + 7 % Ti + 7 % Si + 1 % J₂ (ХС – хромова складова). Введення до суміші більше 2% газотранспортного агента супроводжується значним роз'ятренням поверхні зразка. Вказане покриття складається з силіциду (Ti,Fe₅Si₃) і a-твердого розчину титану, кремнію, алюмінію та хрому. Вміст титану в шарі складає 47,3…49,2%, кремнію – 8,4…9,6%.

Нанесення боро-хромо-алюмо-силіційованих покриттів здійснювали у суміші: 85 % ХС + 10 % Si + 7 % В + 1 NH₄Cl % + 1 NаF %.

Встановлено, що борований шар має характерну голчату будову та складається з легованого хромом бориду Fe₂B, рівномірного розподіленого у шарі крем'янистого фериту.

Результати, одержані на рентгенівському мікроаналізаторі, вказують на те, що кремній у процесі насичення утворює крем'янистий ферит, а хром переважно розташовується у верхній області дифузійного шару. Вміст хрому в поверхні складає 1,8…2,2%. Збільшення темпу охолоджування призводить до зменшення товщини шару.

Література

1. Мержанов А.Г. Процессы горения и синтез материалов. – Черноголовка: ИСМАН, 1998. – 798 с.

2. Шефер Г. Химические газотранспортные реакции. – М.: Мир, 1964. – 189 с.

3. Коган Я.Д., Штессель Э.А., Середа Б.П. Высокоинтенсивный метод получения покрытий в условиях СВС // МиТОМ. – 1991. – № 6. – С. 39-40.