Подпишитесь на обновления сайта. Получайте новые статьи на почту:

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ДКПЛ ПРИ ЛЕГИРОВАНИИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

УДК 620.193.01

 

Л.Л.ТОВАЖНЯНСКИЙ, д-р. техн. наук, проф., И.И.ЗАЕЦ, канд. техн. наук , Л.О.ЧУНЯЕВА, канд. техн. наук, О.Н.ЧУНЯЕВ

 

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ДКПЛ ПРИ ЛЕГИРОВАНИИ

УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

На підставі термодинамічних розрахунків і аналізу кінетики процесу ДКПЛ запропонована нова методика активації та коректування шихти для захисту вуглецевих сталей. Суть нової методики полягає в сумісному введенні каталізатору процесу, що не містить азоту, та активного розкислювача. Методика дозволяє підвищити відтворюваність результатів легування та строк служби шихти при промисловому використанні технології ДКПЛ.

On the bases of thermodynamic computing and kinetic analyses of the DCSA process the new method of activation and correction of the mixture for carbon steel protection has been proposed. The idea of the new method is in combined input of the process catalyst, that is nitrogen-free, and active deoxidizer. The method allows an increase in repeatability of the alloying results and in service life of the mixture during industrial use of the DCSA technology.

1. Актуальность темы. Высокая стоимость нержавеющих сталей и недостаточная стойкость последних, в особо агрессивных средах, стимулировала развитие технологий поверхностного модифицирования сплавов. Как показали теоретические и практические разработки по оценке метода поверхностного легирования углеродистых сталей и чугуна, технология ДКПЛ является наиболее перспективной [1]. Она разработана в харьковском Национальном Техническом Университете “ХПИ” [2, 3, 4] и не имеет аналогов в мире. Фундаментальное отличие технологии ДКПЛ – химическая природа процесса. Легирующий элемент, например хром, переходят не в металлический раствор матрицы, а образуют с углеродом основы металлоподобные соединения – карбиды, которые формируют на поверхности плотные и сплошные слои. Помимо высокой твердости, эти соединения, в сравнении с чистым металлом, обладают гораздо большей износостойкостью и устойчивостью к химическим взаимодействиям [5].

При промышленном освоении технологии ДКПЛ, экономичность процесса зависит от расхода компонентов шихты, а также от качества ее межоперационной корректировки, которая обеспечивала бы стабильность коррозионной защиты при ее повторно-циклическом использовании.

Традиционная методика корректировки шихты, рекомендуемая авторами [6, 7] для технологически сходного метода диффузионного хромирования, позволяет циклически использовать насыщающую смесь до 25 – 30 раз. При этом воспроизводимость основных свойств защитного карбидного слоя с отклонениями в пределах ± 5% сохраняется лишь в течение 10 – 12 циклов.

В настоящей работе, нами были проведены исследования, направленные на повышение воспроизводимости результатов легирования и кратности использования шихтовых материалов, за счет их активирования при введении совместных добавок – катализаторов процесса и раскислителя. Повышение кратности использования шихты в процесс ДКПЛ имеет важное практическое значение, поскольку расходы на приобретение ее компонентов составляют до 50% себестоимости обработки на промышленной линии.

2. Методика исследования. В качестве материала исследования, применяли углеродистые стали 35,45. Базовые компоненты для исходных составов шихты: феррохром – 50%  марки ФХ003, Al2O3 – 50 % марки А1, катализаторы, вводимые сверх базового состава – NH4Cl от 2% до 5%, CrCl2 от 1 до 2,5%, раскислитель – от 1 до 2,5% – ферросиликохром марки ФХС48.

Для проведения испытаний было приготовлено два состава, содержание

базовых компонентов в которых было идентичным. Далее состав 1 активировали по традиционным методикам – путем введения 5% NH4Cl при первом обжиге и от 2% до 5% через каждые пять последующих [6, 7]. Начиная с десятого обжига совместно с катализатором вводили свежий базовый состав в количестве 10% от текущей массы шихты.

Состав 2 активировали по новой методике, заключающейся в введении активных раскислителей совместно с катализатором. Вместо 5% NH4Cl при первом обжиге вводили 2,5% CrCl2 и 2,5% ферросиликохрома ФХС48. Дальнейшую корректировку шихты проводили путем совместного введения от 1 до 2,5% CrCl2, и от 1 до 2,5% – ферросиликохрома через каждые пять обжигов. В отличие от шихты 1 свежий базовый состав при корректировках в шихту 2 не вводился. Термообработку шихты при защите образцов проводили по традиционному режиму: Т = 1050 оС, τ = 6 ч.

Для изучения свойств диффузионного слоя использовали физические, электрохимические, коррозионные методы исследования.

Концентрацию легирующего элемента – хрома изучали на установке КАМЕБАКС (микрорентгеноспектральный анализ), состав слоя на рентгеноструктурной установке ДРОН–3, металлографический анализ на микроскопе НЕОФОТ–2. Для электрохимических исследований использовали стандартную электрохимическую ячейку; вспомогательный электрод – платина, электрод сравнения – хлорсеребряный. Результаты электрохимических измерений пересчитывали на стандартную водородную шкалу.

Качество противокоррозионного легирования определяли также по потенциалу коррозии и плотности предельных диффузионных потоков на анодных поляризационных кривых. Длительные коррозионные испытания рабочих колес насосов, защищенных по технологии ДКПЛ, с использованием различных катализаторов, проводили в промышленных условиях, в средах, содержащих хлориды.

3. Обсуждение результатов. При легировании стали по технологии ДКПЛ, применение хлорида аммония для генерации летучих соединений хрома, давно стало нормой.

Достоинства NH4Cl, как активатора – доступность, низкая стоимость, санитарная и экологическая безопасность, прекрасная хлорирующая способность, образование большого объема избыточных газов, вытесняющих из контейнера остаточный воздух и пары воды, предопределили его широкое использование. Единственным существенным недостатком хлористого аммония является внесение в газовую среду эквимолярного количества аммиака, образующего комплексные аммиакаты с хлоридами переходных металлов и интенсивно диссоциирующего при нагреве выше 500оС являясь источником активного атомарного азота. В качестве  альтернативных активаторов, не загрязняющих термообрабатываемую систему азотом, можно применять хлориды, входящих в легирующий сплав металлов и хлорзамещенные углеводороды, например CrCl2, CCl4.

Такие активаторы значительно дороже хлористого аммония, но их удельная хлорирующая способность выше. Дихлорид хрома, кроме того, позволяет обогащать шихту основным легирующим элементом в активной форме.

Необходимость введения раскислителей в шихту (в проведенном исследовании в качестве раскислителя был выбран ферросиликохром) обусловлена наличием окисных пленок на поверхности легируемого изделия и частиц легирующего компонента (феррохрома), циклически образующихся при межоперационной обработке шихты на воздухе. Поскольку окисные пленки являются дополнительным диффузионным барьером в процессе массообмена между поверхностями легирующего и легируемого компонента, их удаление (восстановление) обязательно для получения равномерных защитных слоев с высокой скоростью. Результаты испытаний защищенных образцов из стали 45, позволяющие судить об активностях шихт, корректировавшихся по методикам 1 и 2, представлены в таблицах 1 и 2 соответственно.

Таблица 1

Средине значения концентрации хрома и углерода на поверхности карбидного слоя, средняя поверхностная микротвердость и потенциал коррозии стали 45 защищенной по технологии ДКПЛ в шихте 1.

Как видно из табл. 1 активность шихты 1, корректировавшейся по традиционной методике, падает уже после 10-го цикла использования, что выражается в постепенном снижении поверхностной концентрации хрома, падении микротвердости и способности к самопассивации защищенных образцов. Скачкообразное снижение концентрации углерода в карбидном слое вызвано частичным его выгоранием в процессе легирования, что говорит об утрате шихтой раскислительной способности по отношению к хрому и железу.

Таблица 2

Средине значения концентрации хрома и углерода на поверхности карбидного слоя, средняя поверхностная микротвердость и потенциал коррозии стали 45 защищенной по технологии ДКПЛ в шихте 2.

Шихта 2, корректировавшаяся по новой предложенной методике сохраняет воспроизводимость результатов в пределах ± 5% отклонения до 60-65-го цикла использования, то есть воспроизводимость возрастает в 6 раз, по сравнению с традиционной методикой корректировки см. табл. 2. При этом даже на 100-й цикл использования шихта остается в раскисленном состоянии и может успешно использоваться для получения покрытий с акцентом на износостойкость защищенных изделий.

Выводы. В результате исследования термодинамики и кинетики процесса ДКПЛ предложена новая методика активирования и корректировки шихты, заключающаяся в совместном введении безазотистых катализаторов (CrCl2) и раскислителей (ферросиликохром ФХС48). Благодаря новой предложенной методике воспроизводимость результатов легирования в пределах ± 5% отклонения сохраняется до 60-65-го цикла использования шихты, по сравнению с 10-12 циклами при использовании традиционной методики. Максимальный срок службы шихты увеличивается с 25-30 до 100 и более циклов.

Список литературы: 1. Чуняева Л.О., Заец И.И., Чуняев О.Н. Противокоррозионное карбидное легирование углеродистых сталей – ресурсосберегающий процесс// Физико-химическая механика материалов.-Львов. -2002.-№3 2. Колотыркин Я.М., Заец И.И., Зайцев И.Д., и др. Открытие №368; Опубл. 1989 г., Сб. Открытия в СССР- 13с. 3.Колотыркин Я.М., Новаковский В.М., Заец И.И. и др.// Защита металлов.-1984.-Т.20,№1.-С.3. 4. А.с. 912772 СССР, / И.И. Заец, И.Д. Зайцев, Г.А. Ткач (СССР); Опубл. 1982, Бюл.№8. 5. Чуняева Л.О., Чуняев О.Н. Коррозионно-механические свойства диффузионнолегированных сталей// Вестник.-НТУ “ХПИ”.-Харьков.-2002.-№9,Т.2 6. Дубинин Г.Н. Диффузионное хромирование сплавов. — М.: Машиностроение, 1964. — 451 с. 7. Самсонов Г.В., Эпик А.П. Тугоплавкие покрытия. М.: Металлургия, 1973.-400 с.

Понравилась статья? Расскажите друзьям.
Общайтесь с нами:

Добавить комментарий