Підвищення властивостей сталей і твердих сплавів нанесенням багатошарових карбідних та карбооксидних дифузійних покриттів на основі титану, ванадію і хрому - Автореферат

До таких покриттів можна віднести одно - та багатошарові покриття на основі карбідів, нітридів, боридів перехідних металів IV-VI груп періодичної системи отримані методами хіміко-термічної обробки. Наприклад, певна послідовність розташування шарів Al2O3 - TIN - TIC дає можливість отримати покриття з максимумом хімічної стабільності, стійкості до лункоутворення при експлуатації різального інструмента, а розташування TIN - Al2O3 - TIC забезпечує мінімальний коефіцієнт тертя покриття по сталі. Відомо, що високу мікротвердість покриттям надає карбід титану TIC - 30-40 ГПА, мікротвердість нітриду титану TIN та оксиду Al2O3 - на рівні 20-25 ГПА, карбіду ванадію VC - 23-25 ГПА, карбіду цирконію ZRC - 26-28 ГПА, карбідів хрому Cr7C3, Cr23C6 - 16-18 ГПА. Слід зазначити, що дифузійні покриття на відміну від покриттів, отриманих іншими методами, характеризуються поєднанням стабільності властивостей в різних умовах експлуатації, високою адгезією з основою за рахунок значного проникнення насичуючих елементів в основу, а елементів основи в покриття. Мета роботи й завдання дослідження: отримання на сталях та твердих сплавах комплексних дифузійних багатошарових покриттів, які мають в своєму складі карбіди і оксиди титану, ванадію, хрому.В дисертації викладені результати досліджень, які були отримані при вирішенні науково-технічної задачі створення багатошарових карбідних та карбооксидних гетерогенних покриттів, вивченні їх структури і властивостей, у створенні технології багатокомпонентного дифузійного насичення сталей та твердих сплавів карбідоутворюючими елементами та киснем в одному технологічному циклі. Дослідження фізико-хімічних умов отримання карбідних і карбооксидних покриттів у закритому реакційному просторі за умов зниженого тиску показали, що для систем Ti-C-Cl, V-C-Cl, Cr-C-Cl збільшення вмісту металів супроводжується підвищенням парціального тиску вищих хлоридів металів. Оксиди титану, хрому, ванадію стабільно існують в інтервалі температур 600 - 1500 К при відношенні кисню до хлору 1:6, зменшення кількості кисню призводить до стабільного існування оксидів лише в області низьких температур. Вперше при визначенні фазового і хімічного складів, структури та особливостей формування комплексних покриттів: - встановлено, що при хромотитануванні вуглецевих сталей 45 і У8А на поверхні утворюється карбідне покриття з шарів карбідів Cr7C3,Cr23С6,ТІС; за аналогічних температурно-часових умов насичення на сталі 20 та твердих сплавах Т15К6 і ВК8 дифузійний шар складається з карбідів Cr23С6,ТІС.

багатошаровий реакційний дифузійний ванадій

В дисертації викладені результати досліджень, які були отримані при вирішенні науково-технічної задачі створення багатошарових карбідних та карбооксидних гетерогенних покриттів, вивченні їх структури і властивостей, у створенні технології багатокомпонентного дифузійного насичення сталей та твердих сплавів карбідоутворюючими елементами та киснем в одному технологічному циклі.

1. Дослідження фізико-хімічних умов отримання карбідних і карбооксидних покриттів у закритому реакційному просторі за умов зниженого тиску показали, що для систем Ti-C-Cl, V-C-Cl, Cr-C-Cl збільшення вмісту металів супроводжується підвищенням парціального тиску вищих хлоридів металів. При підвищенні температури процесу парціальний тиск хлоридів зростає. У конденсованому стані в інтервалі температур 600-1500К вірогідне існування карбідів металів TIC, Cr3С2, Cr7С3, Cr23C6, VC, в системах за участі кисню і азоту в конденсованому стані спостерігається наявність оксидів Ti2O3, Ti4O7, Cr2O3, V2O3. Оксиди титану, хрому, ванадію стабільно існують в інтервалі температур 600 - 1500 К при відношенні кисню до хлору 1:6, зменшення кількості кисню призводить до стабільного існування оксидів лише в області низьких температур.

2. Вперше при визначенні фазового і хімічного складів, структури та особливостей формування комплексних покриттів: - встановлено, що при хромотитануванні вуглецевих сталей 45 і У8А на поверхні утворюється карбідне покриття з шарів карбідів Cr7C3,Cr23С6,ТІС; за аналогічних температурно-часових умов насичення на сталі 20 та твердих сплавах Т15К6 і ВК8 дифузійний шар складається з карбідів Cr23С6,ТІС. Дифузійні шари, отримані хромованадіюванням, складаються з карбіду хрому Cr23C6 і карбіду ванадію VC;

- вперше показано, що на поверхні карбооксидних покриттів знаходиться шар карбіду титану TIC, під яким розташована зона, яка складається з карбіду хрому Cr23C6 і оксиду Ме2О3 , безпосередньо під нею знаходиться шар Cr7C3, що межує з основою;

- підтверджено, що елементи основи розчиняються в покриттях, а елементи покриття в основі. Розчинність заліза в карбіді титану досягає 1,9%(мас.), у карбіді хрому Cr23C6 20,0%(мас.), у карбіді ванадію 0,5%(мас.);

- визначено, що оксиди в комплексному покритті містять титан і хром, що дає можливість ідентифікувати оксидну фазу як (Cr,Ti)2O3;

- мікроструктура карбооксидних покриттів гетерогенна і складається з карбідів хрому та титану і оксиду (Cr,Ti)2O3. Встановлено, що оксиди мають витягнуту форму і орієнтовані перпендикулярно до границі розділу покриття-основа. Їх довжина коливається в інтервалі 6-15мкм, а ширина 2-3 мкм. Ближче до основи оксидні включення мають рівновісну форму і розміри до 1 мкм;

- досліджено кінетику росту карбідних покриттів, які формуються при комплексному насиченні сталей і твердих сплавів. При прийнятих умовах залежність товщини покриттів від часу насичення має параболічний характер. За збільшенням товщини на сталях і твердих сплавах покриття можна розташувати в такий ряд: VC>TIC>(Cr7C3 Cr23C6)>Cr23C6 VC>(Cr7C3 Cr23C6) TIC> Cr7C3 (Cr23C6 Me2O3) TIC;

- запропоновані раціональні температурно-часові параметри процесів комплексного багатокомпонентного насичення сталей і твердих сплавів;

3. На основі проведених досліджень запропоновано механізм формування карбооксидного покриття, який складається з наступних етапів: хромування сталей та твердих сплавів з утворенням шару з карбідів хрому Cr7C3 Cr23C6, окислення шару карбіду хрому Cr23C6 з утворенням оксидів Cr2O3, титанування в процесі якого утворюються карбід титану ТІС і оксид (Cr,Ti)2O3. Можна вважати, що значна товщина комплексних покриттів зумовлена присутністю оксидів у структурі покриття в кількості 30-40%.

4. Розподіл мікротвердості по товщині багатошарових покриттів характеризується поступовим її зменшенням від поверхні до основи. Так, мікротвердість карбіду титану ТІС в оксихромотитановому покритті становить 34,0-33,0ГПА, центральної зони - 21,0-19,5ГПА, карбіду хрому Cr7C3 - 16,5-16,0ГПА.

5. Показано, що дифузійні комплексні хромотитанові покриття на вуглецевих сталях мають достатню жаростійкість до температури 760°С. Це дозволяє проводити термічну обробку великої групи інструментальних сталей з даним типом покриттів без застосування захисних атмосфер.

6. Корозійна стійкість сталей з хромотитановими і хромованадієвими покриттями вища, ніж корозійна стійкість сталей без покриттів. Визначено, що для морської води і 10% розчину HCL краще зарекомендували себе багатошарові покриття Cr23C6 VC, коефіцієнт підвищення стійкості для яких на сталі 45 становить 6,1 і 97,2 відповідно. У 10% розчині H2SO4 і 10% HNO3 кращі показники має покриття Cr23C6 TIC, коефіцієнт підвищення стійкості для яких становить 31,1 і 85,6 відповідно.

7. Встановлено зносостійкість в умовах тертя ковзання без змащування непереточуваних твердосплавних пластин з комплексними дифузійними карбідними покриттями. Показано, що тверді сплави з комплексними покриттями мають зносостійкість вищу в 2-6 разів у порівнянні з вихідними. За збільшенням зносостійкості покриття можна розташувати в такий ряд: CRXCY > VC > TIC > CRXCY VC > CRXCY TIC > CRXCY Me2O3 TIC.

В умовах повздовжнього різання сталей карбідні покриття підвищують експлуатаційні властивості багатогранних твердосплавних пластин з механічним кріпленням. При хромованадіюванні коефіцієнт збільшення стійкості становить 1,3 - 3,5, при хромотитануванні 2,5 - 4,0 і оксихромотитануванні 4,5-6,0 разів.

8. Розроблено новий спосіб і конструкцію реакційної камери для отримання комплексних багатошарових покриттів в одному технологічному циклі.

1. Дегула А.І. Будова та зносостійкість карбідних та нітридних покриттів титану, ванадію та хрому на сталі У8А / А.І. Дегула, Н.А. Курило, В.Г. Хижняк // Наукові нотатки: міжвузівський збірник. Випуск №20.- Луцьк, - 2007. - С.130-133.

2. Хижняк В.Г. Будова та зносостійкість покриттів за участю титану та хрому на твердих сплавах ВК8 та Т15К6 / В.Г. Хижняк, А.І. Дегула, М.В. Карпець // Проблеми тертя та зношування: науково-технічний збірник. - №48. -Київ, -2007. -С. 169-174.

3. Сігова В.І. Термодинамічні умови отримання комплексних покриттів / В.І. Сігова, В.Г. Хижняк, А.І. Дегула // Вісник СУМДУ. Технічні науки.-2007. - №2. - С. 63-67.

4. Хижняк В.Г. Хімізм і термодинаміка процесу титанохромування сталей / В.Г. Хижняк, Т.В. Лоскутова, М.М. Бобіна, А.І. Дегула // Наукові вісті. НТУУ«КПІ». - 2008. - №1(57). - С.71-75.

5. Хижняк В.Г. Диффузионные комплексные покрытия с добавкой титана на твердых сплавах ВК8 и Т15К6 / В.Г. Хижняк, Ю.М. Помарин, А.І. Дегула, О.Д. Смиян // Современная электрометаллургия. -Киев.- 2008.- №2(91). - С. 52-55.

6. Хижняк В.Г. Комплексні зносостійкі покриття на основі тугоплавких сполук титану та хрому / В.Г. Хижняк, А.І. Дегула, Т.В. Лоскутова, Н.А. Курило // Проблеми тертя та зношування. - Київ. - 2008. - №49, Том 2. - С. 66-70.

Размещено на .ru