Дифузійна металізація азотованих шарів на сталях та твердих сплавах - Автореферат

Сполучення високої твердості, теплостійкості, зносостійкості, жаро-та корозійної стійкості і хімічної інертності поверхневих шарів покриттів з міцністю, вязкістю матеріалу основи найбільш повно реалізується в сталях та твердих сплавах із захисними покриттями. Підвищення працездатності деталей машин та інструментів за рахунок реалізації нової технології, яка складається з комбінації двох процесів: азотування в середовищі аміаку та подальшою дифузійною металізацією титаном, ванадієм та хромом за умов зниженого тиску в середовищі хлору. Провести теоретичний аналіз фізико-хімічних умов дифузійної металізації в середовищі хлору з використанням термодинамічних розрахунків рівноважного складу газових та конденсованих фаз багатокомпонентних систем з азотом, вуглецем, киснем, титаном, ванадієм, хромом та хлором в інтервалі температур 500-1500 К і тиску 105-103 Па. Визначити фазовий та хімічний склад, мікроструктуру і товщину захисних покриттів на технічному залізі, сталях 20, 45, У8А, 9ХС, ХВГ, ШХ15, Х12М та твердих сплавах ВК8 і Т5К10 після азотування та азотування з подальшою металізацією титаном, ванадієм, хромом. Товщина карбідного шару TIC контролюється підведенням вуглецю з основи, нітриду титану TIN - титаном від поверхні та азотом з основи.У дисертаційній роботі вирішено важливу науково-технічну задачу підвищення працездатності деталей машин та інструментів нанесенням захисних покриттів комбінацією двох дифузійних процесів: азотуванням в середовищі аміаку та подальшою дифузійною металізацією титаном, ванадієм та хромом у середовищі хлору. Дослідження фізико-хімічних умов процесів дифузійної металізації рівноважного фазового складу закритих систем за участі титану, ванадію, хрому, вуглецю, азоту, хлору, заліза та кисню в інтервалі температур 500 - 1500 К при тиску 1 102 Па показало, що: - основними конденсованими фазами є TIN, TIC; VN, VC; CRN, Cr2N, Cr3C2, кількість яких залежить від вмісту азоту, вуглецю у вихідному стані та від температури. Найбільшу мікротвердість має шар ?" - фази (Fe4N) на сталі Х12М - 14,0 ГПА, максимальна мікротвердість шару ?-фази (Fe2-3N) була зафіксована на сталі У8А - 5,6 ГПА. При азототитануванні, азотованадіюванні та азотохромуванні (Т=1050 0С, ?=4 год.) сталей та твердих сплавів (Т=1050 0С, ?=2 год.) формуються двошарові покриття. Показано, що: - при азототитануванні вуглецевих, легованих сталей та твердих сплавів утворюється покриття з карбіду титану TIC та нітриду титану TIN.Курило // Вісник Сумського державного університету. Курило // Проблеми тертя та зношування: науково-технічний збірник Національного авіаційного університету. Хижняк, Н. А.Курило, І. В. Курило // Проблеми тертя та зношування: науково-технічний збірник Національного авіаційного університету. Спосіб нанесення карбонітридних дифузійних покриттів на поверхню сталей та твердих сплавів / Хижняк В. Г., Курило Н. А., Шахрайчук М. М., Лещенко С. М., Чуриков М. В.; заявник та патентовласник НТУУ “КПІ”.

Основний зміст дисертації відображено у наступних публікаціях

У дисертаційній роботі вирішено важливу науково-технічну задачу підвищення працездатності деталей машин та інструментів нанесенням захисних покриттів комбінацією двох дифузійних процесів: азотуванням в середовищі аміаку та подальшою дифузійною металізацією титаном, ванадієм та хромом у середовищі хлору.

1. Дослідження фізико-хімічних умов процесів дифузійної металізації рівноважного фазового складу закритих систем за участі титану, ванадію, хрому, вуглецю, азоту, хлору, заліза та кисню в інтервалі температур 500 - 1500 К при тиску 1 102 Па показало, що: - основними конденсованими фазами є TIN, TIC; VN, VC; CRN, Cr2N, Cr3C2, кількість яких залежить від вмісту азоту, вуглецю у вихідному стані та від температури. З підвищенням температури вірогідність існування нітридної фази TIN зменшується, карбідної TIC - збільшується;

- основними компонентами газової фази є хлориди насичувальних елементів різної валентності;

- за наявності в системі кисню утворюються оксиди насичувальних елементів Ti4O7, VO, V2O3 та Cr2О3, область існування яких обмежена низькими температурами.

2. Азотування технічного заліза, сталей 20, 45, У8А, ШХ15, ХВГ, 9ХС та Х12М при температурі 540 0С протягом 20-36 год. в атмосфері аміаку при рівні його дисоціації 25-35 % приводить до формування на поверхні азотованого шару товщиною 340,0-550,0, мкм з товщиною зони нітридів 15,5- 27,0 мкм. Найбільшу мікротвердість має шар ?" - фази (Fe4N) на сталі Х12М - 14,0 ГПА, максимальна мікротвердість шару ?-фази (Fe2-3N) була зафіксована на сталі У8А - 5,6 ГПА.

3. При азототитануванні, азотованадіюванні та азотохромуванні (Т=1050 0С, ?=4 год.) сталей та твердих сплавів (Т=1050 0С, ?=2 год.) формуються двошарові покриття. На зовнішньому боці дифузійної зони розтаміщується карбідний шар насичувального елемента, під яким безпосередньо до основи примикає шар нітриду. Показано, що: - при азототитануванні вуглецевих, легованих сталей та твердих сплавів утворюється покриття з карбіду титану TIC та нітриду титану TIN. У структурі технічного заліза формується одношарове покриття з нітриду титану TIN. Період кристалічної ґратки нітриду титану TIN технічного заліза а=0,43158 нм; сталей 20, 45 У8А а=0,42602- 0,42570 нм; сталей 9ХС, ХВГ, ШХ15, Х12М а=0,4253-0,4251 нм;

- при азотованадіюванні сталей утворюються карбідний шар V2C з параметрами ґратки для сталі У8А а=0,5025 нм, с=0,4604 нм, під яким до основи примикає шар нітриду ванадію VN а=0,4169 нм;

- при азотохромуванні сталей формується покриття з карбідного шару складу Cr23C6 і Cr7C3. та нітридного Cr2N. Параметри відповідних фаз становлять Cr23C6 а=1,0710 нм; Cr7C3 а=0,7043 нм, с=0,4543 нм, b=1,2180 нм; Cr2N а= 0,4811 нм, с=0,4466 нм.

4. Показано, що кількість заліза в карбідній зоні багатошарового покриття у кілька разів менша, ніж у відповідному одношаровому покритті. Так, вміст заліза в одношаровому покритті TIC становить 1,3 % (мас.), у двошаровому 0,5 % (мас.). Нітридний шар відіграє роль барєра, який стримує дифузію заліза з основи. За збільшенням концентрації заліза в карбідних шарах захисні покриття після комплексної обробки можна розмістити в ряд VC- TIC- Cr23C6 -Cr7C3. У свою чергу, насичувальний елемент розчиняється в основі сталей, утворюючи перехідну зону. У захисних шарах розчиняються елементи основи: хром, вольфрам, кремній, марганець.

5. У комплексному покритті шар карбіду титану TIC суцільний, однорідний за структурою і товщиною, практично безпористий, розміщений на зовнішньому боці покриття. Шар нітриду титану TIN тонкий, жовтувато-золотавого кольору, розміщений під шаром TIC. Встановлено, що після азотованадіювання та азотохромування зовнішні карбідні та внутрішні нітридні шари не містять тріщин, рівномірні за товщиною.

6. Карбідний шар TIC на поверхні твердих сплавів ВК8 та Т5К10 виявляється у вигляді білої смуги, однорідний за структурою. Нітридний шар TIN має характерний жовтувато-золотавий колір. Після азотохромування захисне покриття на поверхні твердого сплаву ВК8 виявляється у вигляді двох послідовно розміщених шарів із чіткою межею поділу з основою білого кольору, межі зерен не протравлені.

7. Максимальна товщина шару карбіду титану TIC після азототитанування (Т=1050 0С, ?=2 год.) зафіксована на сталі У8А - 13,5 мкм, мінімальна - на ВК8 - 4,0 мкм. Встановлено, що товщина нітридного шару TIN зростає до 3,5-4,0 мкм в перші 2 год. насичення і з подальшим збільшенням часу не змінюється, що зумовлено гальмуванням підведенням титану утвореним карбідним шаром TIC.

8. Максимальна мікротвердість карбідного шару зафіксована після азототитанування на сталі У8А - 38,6 ГПА, мінімальна мікротвердість карбідного шару - після азотохромування на сталі 45 Cr7C3 - 16,0 ГПА. Максимальна мікротвердість нітридного шару зафіксована після азототитанування на сталі Х12М - 30,4 ГПА, мінімальна - після азотохромування на сталі 45- 7,4 ГПА. Встановлено, що мікротвердість карбіду титану TIC на твердих сплавах ВК8 і Т5К10 становить 34,0- 35,0 ГПА. Мікротвердість нітридного шару TIN - 27,0 ГПА. Встановлено, що мінімальну мікропористість мають покриття, що формуються у результаті азотохромування. Показано, що максимальну мікроміцність 981,9 МПА має шар Cr7C3 після хромування, мінімальну 391,1 МПА VC - після ванадіювання. Максимальний показник мікрокрихкості 91,2 зафіксовано в карбідному шарі TIC після титанування, мінімальний 15,4 - в нітридному шарі Cr2N сталі У8А. За збільшенням адгезії з основою покриття можна розмістити в ряд TIC, VC, V2C VN, TIC TIN, Cr23C6 Cr7C3, Cr23C6 Cr7C3 Cr2N.

9. У результаті випробувань сталі У8А з комплексними покриттями на знос в умовах тертя ковзання без змащування відбувається перенесення матеріалу контртіла на покриття біля зони безпосереднього контакту. Комплексна обробка приводить до підвищення зносостійкості сталі У8А у 1,2-1,5 раза. За збільшенням зносостійкості сталі У8А після насичення можна розмістити так: азотування, титанування, азототитанування, ванадіювання, азотованадіювання, хромування, азотохромування.

10. Проведені виробничі випробування твердосплавних пластин ВК8 після азотохромування. Встановлено підвищення стійкості порівняно з серійними у 2,0-2,5 раза. Результатом виробничих випробувань вставки матриці витяжного штампа зі сталі Х12М після азототитанування при обробці сталі 20 є підвищення експлуатаційної стійкості порівняно зі вставкою без захисного покриття у 2,2-2,8 раза.