ПРОБЛЕМЫ ВНЕДРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ.
УДК 620.193.01:546.261.8
Товажнянский Л.Л., Чуняева Л.О., Чуняев О.Н.
ПРОБЛЕМЫ ВНЕДРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ.
Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”
Постановка проблемы. В настоящее время постепенный переход к выпуску и использованию материалов с оптимизированными поверхностными свойствами приобретает глобальные масштабы. Особенно активно это происходит в тех сферах производства, где основными конструкционными материалами являются металлические сплавы.
Для повышения поверхностной стойкости к износу широко используются методы газовой цементации, азотирования, нитроцементации, а также плакирование твердыми сплавами. Такие способы улучшения поверхностной коррозионной стойкости металлических сплавов как нанесение органических покрытий (лакокрасочных, высокополимерных), покрытий на неорганической основе (окисные, фосфатные, хроматные), гальванических покрытий, в том числе многослойных, нанесение металлических покрытий путем погружения в расплав, плакирования, а также металлизационных покрытий, широко используется, и продолжает развиваться.
Параллельно с указанными видами покрытий, разрабатывались и внедрялись диффузионные. Формально причисленные к защитным покрытиям, они, реально, являются одним из видов легирования металлических сплавов – поверхностным легированием.
Очевидно, что, по сравнению с объемным легированием – созданием сплавов с требуемым соотношением элементов и фаз, поверхностное легирование обладает существенным потенциальным преимуществом – колоссальной экономией легирующих элементов. Логическим следствием этого должно было стать быстрое и широкомасштабное промышленное внедрение технологий поверхностного легирования. Однако, несмотря на многочисленные разработки и исследования, перспективы массового промышленного использования поверхностного легирования наметились лишь к концу 90Х годов. Основные причины, тормозящие оправданный переход к выпуску поверхностно-легированных металлических изделий, включают:
- физико-химические и технологические сложности получения качественных поверхностных высоколегированных слоев на большинстве промышленных сплавов
- необходимость индивидуальной адаптации технологий поверхностного легирования для каждого вида металлопродукции или групп изделий
- высокие современные требования к технологическим линиям по ресурсо- и энергосбережению
- отсутствие базы государственных и отраслевых норм и стандартов на поверхностно-легированную продукцию
Ввиду очевидной экономической, технической и экологической перспективности технологий поверхностного легирования на некоторых вышеперечисленных сдерживающих причинах следует остановиться более подробно.
Анализ физико-химических и технологических сложностей получения качественных поверхностных высоколегированных слоев.
В этой группе сдерживающих факторов основную роль играют:
- условие высокой растворимости легирующего элемента в легируемом сплаве
- необходимость использования высоких температур, как основного способа интенсификации процесса диффузионного поверхностного легирования
- высокая стоимость, металлоемкость и низкая производительность существующего вакуумного высокотемпературного печного оборудования
- деформация готовых изделий при высокотемпературном диффузионном насыщении, вызывающая необходимость финишной доводки геометрических размеров
Одним из основных препятствий к получению поверхностных высоколегированных слоев является условие высокой, оптимально – стопроцентной, растворимости легирующего элемента в легируемом сплаве. В случае слабой растворимости легирующего элемента скорость его диффузии будет лимитирована одной или несколькими причинами, одновременно ответственными и за низкую растворимость, например:
- большой атомный радиус легирующего элемента, сильно искажающий параметры кристаллической решетки легируемого сплава
- химическое сродство насыщающего элемента к образующим сплава, приводящее к его химическому связыванию в поверхностной фазе и потере диффузионной подвижности
- высокая термическая стабильность некоторых легирующих элементов или их соединений, не препятствующая объемному легированию (сплавлению компонентов при высоких температурах), но имеющих чрезвычайно низкие коэффициенты диффузии практически во всем интервале температур вплоть до температуры плавления
Из вышеуказанных причин низкой диффузионной подвижности особо следует выделить химическое взаимодействие насыщающего элемента с образующими сплава. Образование химических соединений при поверхностном легировании может играть как отрицательную, так и положительную роль, поэтому должно рассматриваться применительно к каждому сплаву и насыщающему элементу. Например, при легировании железоуглеродистых сплавов, содержащих 0,10 – 0,15 % углерода карбидообразователями, образуется поверхностный легированный слой с ярко выраженной межкристаллитной карбидной сеткой. Такие слои имеют умеренную износостойкость и быстро корродируют даже в умеренно-агрессивных средах. Однако, если содержание углерода в сплаве более 0,20 %, согласно зарегистрированному открытию [1], образуется беспористый поверхностный карбидный слой с высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью в серно- и азотнокислых, щелочных, окислительных и других агрессивных средах.
Образование менее стойких, чем карбиды, нитриды, бориды или силициды, химических соединений – интерметаллидов, при поверхностном легировании также может существенно изменять скорость массопереноса и физико-химические характеристики защитных слоев. Например, образование интерметаллидов: (Cr, Ni, Fe)Al, NiAl, (Fe, Ni)Al, Fe3Al, при алитировании жаропрочных сталей (типа Х25Н20С2), снижает скорость диффузии алюминия в 2-3 раза [2], по сравнению с алитированием углеродистой стали (в которой образуется в основном Fe3Al и раствор Al в железе). Образование интерметаллидов вызывает твердение и охрупчивание поверхностного слоя, что в некоторых случаях (детали, подлежащие гибке, правке, ударным нагрузкам) нежелательно.
Известно, что скорость диффузионных процессов экспоненциально возрастает с повышением температуры. Для интенсификации процессов поверхностного легирования многих сплавов, в том числе железоуглеродистых, жаростойких, жаропрочных, теоретически рационально использовать температуры порядка 1200 – 1400 оС [11]. Однако использование высокотемпературных режимов представляет новые, технологические трудности:
- необходимость проведения процесса в защитных атмосферах или вакууме в связи с интенсивным окислением металлических материалов
- высокая стоимость и низкая производительность вакуумного печного оборудования значительно снижает экономическую эффективность обработки
- невозможность использования контактных методов легирования из-за усиленного спекания насыщающих смесей
- усиление геометрических деформаций изделий в процессе обработки
Инженерное совершенствование вакуумного термического оборудования позволит превзойти существующие препятствия, однако в настоящее время крупных, экономически рентабельных, промышленных вакуумных установок поверхностного легирования нет.
После краткого обзорного рассмотрения проблем развития и внедрения поверхностного легирования металлопродукции, следует подробно рассмотреть технологии диффузионного поверхностного легирования черного сортового металлопроката и изделий из железоуглеродистых сплавов.
Серый и ковкий чугун, углеродистые и низколегированные высокопрочные стали являются основными конструкционными материалами современной техники. Следовательно, совершенствование и внедрение новых технологий модифицирования поверхностных свойств этих материалов (повышения поверхностной коррозионной и эрозионной стойкости, сопротивления усталости, кавитационной стойкости, жаростойкости и других специальных свойств) позволит повысить эксплуатационные характеристики самых массовых изделий, во многих случаях – заменить более дорогие высоколегированные нержавеющие стали и специальные сплавы, а также увеличить объемы выпуска коррозионно-стойкой металлопродукции при минимальном расходе ценных легирующих элементов. Поэтому целью данной статьи является анализ современных технологий поверхностного легирования изделий из железоуглеродистых сплавов и определение перспектив их промышленного внедрения.
Перспективы перехода к выпуску поверхностно-легированного проката и изделий из железоуглеродистых сплавов.
На основании проведенных теоретических исследований и многочисленных промышленных испытаний была сформулирована принципиально новая концепция технологии противокоррозионного легирования сплавов на железной основе, как процесса, призванного модифицировать не объемные, а только поверхностные свойства материала или изделия [3].
Основные принципы концепции состоят в следующем:
- Сплав должен иметь резко-неоднородную функционально организованную макроструктуру, при которой все содержание противокоррозионных легирующих элементов сосредоточено в поверхностном слое изделия.
- Распределение должно быть устойчивым, т.е. практически равновесным. Это возможно, если легирующие элементы находятся в составе коррозионно-стойкой избыточной фазы, практически нерастворимой в основе
- Фаза должна быть собственной структурной составляющей полученного сплава, и в то же время покровной и сплошной
- Для обеспечения длительной коррозионной стойкости покровная фаза должна быть износостойкой
- Легирование должно быть финишным (т.е. заключительной стадией обработки).
Традиционные технологии термодиффузионного насыщения не полностью удовлетворяют требованиям новой концепции. В настоящее время разработаны и продолжают развиваться две технологии карбидного поверхностного легирования железоуглеродистых сплавов удовлетворяющих основным ее положениям:
- Технология карбидного поверхностного легирования циркуляционным методом (разработана в Киевском политехническом институте авторами [9]).
- Технология диффузионного карбидного поверхностного легирования ДКПЛ газовым (контактным) методом (разработана авторами [1] в НТУ “ХПИ”).
Физико-химические характеристики карбидных поверхностно-легированных слоев полностью удовлетворяют условиям новой концепции, благодаря следующим основным отличительным особенностям:
- концентрация легирующего компонента на поверхности изделия, значительно выше, чем у самых высоколегированных марок сталей (~ 85-90 %);
- слой имеет 100% сплошность (рис. 1), что доказано теоретически и экспериментально авторами [4, 5];
- карбиды большинства карбидообразователей – основных легирующих элементов (Cr, Ti, V, Nb, W, Ta) химически более инертны, чем чистые металлы и их оксидные пленки. Карбидам переходных металлов присуща протяженная и устойчивая область пассивного состояния в большинстве агрессивных сред [10];
- высокая твердость карбидного слоя (до1800 НV для СrхСу, и до 3800 НV для ТiС, ТаС) обеспечивает стойкость к абразивному износу;
- когезионная связь с металлом основы исключает отслаивание;
Рис. 1
Обе технологии карбидного поверхностного легирования позволяют решить физико-химические сложности легирования железоуглеродистых сплавов. Однако переход к поверхностному легированию по технологии ДКПЛ позволяет преодолеть и физико-химические, и технологические трудности промышленного внедрения благодаря следующим особенностям:
- Многие активные карбидообразователи Cr, V, Тi обладают высокой растворимостью в железе и большой диффузионной подвижностью.
- Реакции карбидообразования активно идут при 950-1000 оС, а при температурах выше 1150 оС начинается интенсивное растворение большинства стойких карбидных фаз в аустените [6, 7], в связи с чем, необходимости проведения процесса ДКПЛ при 1150 оС и выше нет.
- Умеренная температура изотермической выдержки и применение адсорбционных регенерируемых слоев при упаковке загрузки позволяет вести процесс ДКПЛ на воздухе.
- Равномерный нагрев и охлаждение деталей в насыщающей смеси, при легировании по технологии ДКПЛ, создает эффект термообработки “под прессом”, что подтверждается нетипично-низкими для высокотемпературной обработки деформациями изделий (10-30 мкм на линейный размер ~100 мм, с поправкой на прирост карбидного слоя и структурные изменения сплава).
Технологические недостатки циркуляционного метода:
- Карбидное поверхностное легирование циркуляционным методом возможно только в вакуумируемой печи с регулируемой атмосферой.
- Рабочие газовые среды, применяемые для реализации циркуляционного метода, содержат токсичные галогенпроизводные углеводороды, хлор, фосген, что требует применения особых мер безопасности.
- Свободное расположение деталей на несущей сетке при обработке не предотвращает деформации.
Выводы.
Использование сложного печного оборудования для реализации циркуляционного метода и низкая экономическая эффективность защиты крупногабаритных деталей, при его применении, дает основания считать технологию ДКПЛ наиболее перспективной для защиты металлопроката и труб. Принципиально новое технологическое решение межоперационной обработки шихтовых материалов и использование противоточной туннельной печи, для проведения высокотемпературной стадии процесса, позволяет многократно повысить удельную производительность линии и снизить энергоемкость обработки.
По последним имеющимся данным [8] мировое производство листового проката с покрытиями составляет более 52 млн.т/год и постоянно увеличивается. Первое место по объемам производства занимает оцинкованный прокат – более 25 млн.т/год, белая жесть – 15 млн.т./год, прокат с органическими покрытиями – 10 млн.т/год. В крупнейших странах-производителях постоянно ведутся поисковые работы по разработке покрытий, превышающих по коррозионной стойкости цинковые и многослойные полимерные. Поверхностно-легированный прокат, произведенный по технологии ДКПЛ, в ближайшие годы может полностью удовлетворить имеющийся свободный сегмент рынка.
Литература:
1.Закономерность изменения коррозионной стойкости черных металлов: Открытие диплом №368,Заявка № ОТ-11298/ Колотыркин Я. М., Заец И. И., Зайцев И. Д., Ткач Г.А., Новаковский В.М.; Заявлено 31.01.1986; Опубл. 13.07.1989, Бюл. №4.–С.3.
2.Ляхович Л.С. Химико-термическая обработка металлов и сплавов.- М.: Металлургия, 1981.-162 с.
3.Чуняева Л.О. Новая концепция защиты железоуглеродистых сплавов // ІТЕ –Інтегровані технології та енергозбереження.-Харків: НТУ “ХПІ”, 2002. — № 1.-С. 110-114.
4.Чуняева Л.О. Кинетика насыщения углеродистых сталей карбидом хрома. // Защита металлов.- М.,2001.- Т.37,№ 1.-С. 50-54.
5.Товажнянский Л.Л., Чуняева Л.О. Разработка высоконадежной антикоррозионной защиты аппаратуры химических производств// ІТЕ – Інтегровані технології та енергозбереження.-Харків: НТУ “ХПІ”,2001. — № 3.-С. 106-110.
6.Charlie R. Brooks. Principles of the Heat Treatment of Plain Carbon and Low Alloy Steels.- Knoxville, TN: The University of Tennessee, 1996.- 451 р.
7.ЛахтинЮ.М. Металловедение и термическая обработка металлов.- М.: Металлургия, 1977.- 410 с.
8.Ноговицин А., Шевченко Л. Состояние и перспективы производства в Украине металлопроката с защитными покрытиями. // Фізико-хімічна механіка матеріалів.-Львів: 2002. — спеціальний випуск №3.-С.470-472
9.Диффузионные карбидные покрытия / В.Ф. Лоскутов,В.Г. Хижняк,Ю.А. Куницкий , М.В. Киндрачук /- К.: Техніка, 1991.-167 с.
10.Бабич С.Г. Коррозионно-электрохимические свойства карбидов и нитрида хрома и их влияние в качестве избыточных фаз на коррозионное поведение нержавеющих сталей: Автореф. диссертации канд. хим. наук: 05.17.14 / НИФХИ имени Л.Я. Карпова.-М., 1988.-24 с.
11.Металлизация сталей и сплавов в вакууме /Е.П. Пономаренко,А.И. Плышевский , В.К. Супрунчук,Ю.К. Белов /Под ред. Е.П. Пономаренко.- К.: Техніка, 1974.- 296 с.
УДК 620.193.01:546.261.8
Товажнянський Л.Л., Чуняєва Л.О., Чуняєв О.М.
ПРОБЛЕМИ ВПРОВАДЖЕННЯ ПОВЕРХНЕВОГО ЛЕГУВАННЯ МЕТАЛЕВИХ ВИРОБІВ.
Розглянуто основні проблеми впровадження технологій поверхневого легування готових металевих виробів і металопроката. Дано якісну оцінку головних стримуючих факторів і перспективи їхнього подолання. Обґрунтовано можливість і доцільність переходу до випуску поверхнево-легованих виробів і прокату з залізовуглецевих сплавів з освоєнням технології дифузійного карбідного поверхневого легування (ДКПЛ).
UDS 620.193.01:546.261.8
Tovazhnyanskyy L.L., Chunyayeva L.O., Chunyayev O.N.
PROBLEMS OF THE INTRODUCTION OF METAL PARTS SURFACE ALLOYING INTO
INDUSTRY.
The major problems of the introduction of surface alloying technologies of finished metal parts and metal-roll have been revised. Quality evaluation of main limitative factors and perspective to overcome them has been presented. Possibility and expediency of transition to production of surface-alloyed parts and metal-roll made of iron-carbon alloys with mastering of diffusion carbide surface alloying technology (DCSA) have been proved.
Общайтесь с нами:
Добавить комментарий
Для отправки комментария вы должны авторизоваться.