Подпишитесь на обновления сайта. Получайте новые статьи на почту:

РАЗВИТИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ ТЕХНОЛОГИИ ДИФФУЗИОННОГО КАРБИДНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ (ДКПЛ)

УДК 620.193.01:544.641

 

Товажнянский Л.Л., Чуняева Л.О., Чуняев О.Н., Асриян А.А., Быков А.А.

РАЗВИТИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ ТЕХНОЛОГИИ
 ДИФФУЗИОННОГО КАРБИДНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ (ДКПЛ)

 

Состояние проблемы. Технологический процесс ДКПЛ относится к процессам химико-термической обработки (ХТО) металлов, который сопровождается интенсивным тепло- и массопереносом. В результате, например, при легировании средне- и высокоуглеродистых сталей карбидообразующими элементами Cr, Ti и другими на поверхности этих материалов образуются плотные карбидные слои [1].

Теоретически было показано [2], что покровная карбидная фаза, защищающая сталь от коррозии и изнашивания, образуется не хромом, диффундирующим в основу, а в результате выхода углерода за пределы основы в хемосорбционный слой. В этом слое сорбируемый хром превращается в чистый карбид. Установлено, что процесс термодиффузионного хромирования (титаниравания) стали, при содержании в ней углерода выше 0.2%, обращается в совершенно новый процесс, альтернативный диффузионному насыщению.

С этим хорошо согласуются особенности покровной фазы не свойственные диффузионно насыщаемым поверхностным слоям. Прежде всего, это ее сплошность и столбчатый характер микрокристаллической структуры.

Цель работы — проведение экспериментальных исследований, для обоснования механизма формирования карбидной фазы на сталях подвергнутых защите по технологии ДКПЛ.

Состав и структура легированного слоя. Для поверхностного легирования хромом, титаном, использовали образцы стали 45, содержащие 0.43% углерода. Микроструктуру слоя изучали на металлографическом микроскопе “НЕОФОТ-2”. Фазовый состав – на рентгеновской установке “ДРОН-3”.

Распределение хрома, титана в диффузионном слое исследовали с помощью микрорентгеноспектрального анализа на установке “КАМЕБАКС”.

На рис.1 приведен рентгеновский микроанализ, произведенный с внешней поверхности легированного образца при нормировке к тяжелым металлам, который дает чистый спектр хрома. Железо на его фоне не идентифицируется.

Микрорентгеноспектральное зондирование покрытия, на поперечном шлифе того же легированного образца (рис.2), подтверждает практически полное отсутствие железа в самом поверхностном слое покровной фазы, и показывает постепенное увеличение его содержания с глубиной. Причем, на протяжении первой половины толщины карбидного слоя увеличение незначительное, и более быстрое во второй, завершаемое резким скачком на ее внутренней границе с основой.

В таблице 1 приведены химический состав и процентное содержание элементов в поверхностном карбидном слое, полученном на углеродистой стали 45  после обработки по технологии ДКПЛ.

Рис.1  Рентгеноэлектронный спектр поверхности легированного образца стали 45, нормированный к тяжелым металлам.

 Рис.2 Микрофотография приповерхностной области диффузионно-хромированной стали 45 с кривыми распределения Cr и Fe вдоль линии сканирования электронного зонда (микроанализатор “КАМЕБАКС”), увеличение ´400.

Таблица 1. Состав поверхностного слоя (в масс. %) на углеродистой стали 45, после диффузионного карбидного поверхностного хромирования и титанохромирования.

В зависимости от состава шихты, (см. гр.№ состава) и времени изотермической выдержки концентрация хрома (в масс.%) от 80,4 до 87,4 для процесса хромирования и от 80,7 до 88,3 концентрация титана для титанохромирования. Следует отметить, что при титанохромировании, в поверхностной карбидной фазе мы наблюдаем только карбиды титана. Это объясняется тем, что титан более сильный и более подвижный карбидообразователь, с коэффициентом диффузии в полтора раза большим, чем у хрома и энергией образования карбида титана TiC 210 кДж/моль. Поэтому титан способен связывать первые порции встречного углерода в карбид и способствовать более глубокому продвижению хрома в основу.

Микротвердость диффузионного слоя для стали 45, полученная при обработке по технологии ДКПЛ в различных составах шихты, приведена в таблице 2.

 Таблица 2. Микротвердость диффузионного слоя для стали 45, при различных видах поверхностного легирования.

Фазовый состав диффузионно-хромированного слоя, выполненный на рентгеновской установке “ДРОН-3”, показал, что внешний слой состоит из карбидов Cr7C3 (тригонального) и Cr2C. Распределение хрома и титана на стали 45, после хромирования и титанохромирования, приведено на рис.2 и 3 соответственно. Наибольшая насыщенность хромом наблюдается в карбидной зоне. Плавное падение концентрации хрома в перлитной зоне приповерхностной области иллюстрируется микрофотографией рис.2. Поверхностный титанохромированный слой обогащен в основном карбидами титана (рис.3).

Рис.3 Микрофотография приповерхностной области титанохромированной  стали 45 с кривыми распределения Fe, Ti и Cr вдоль линии сканирования электронного зонда (микроанализатор “КАМЕБАКС”).

Средняя линия – линия сканирования. На глубину до10мкм — наблюдается почти полное отсутствие хрома. Фазовый состав слоя, выполненный с помощью рентгеноструктурного анализа, показал, что природа второй зоны, расположенной под карбидной, характеризуется смешанным составом – тройным твердым раствором Fe – Ti – Cr.

Электрохимические характеристики диффузионно-легированного слоя в растворе, содержащем высокий процент хлоридов. Для более детального анализа физико-химических свойств диффузионно-легированной хромом и титаном стали 45, проводили электрохимические исследования в растворе, содержащем до 250 г/л хлоридов в потенциостатическом режиме. Выдержка электродов составляла от начала погружения до 10 часов, при потенциалах коррозии и в области нестационарных значений.

Как показали исследования (табл.3), при увеличении времени выдержки до 10 часов при потенциале коррозии, титанохромированная сталь уже через 1час после погружения в указанный раствор имеет устойчивую область, при неизменной величине коррозионного тока.

С повышением температуры до 60 0С устойчивое пассивное состояние сохраняется. Таким образом, в растворах, содержащих до 250г/л хлоридов, титанохромированная сталь имеет устойчивую область пассивного состояния, как в области потенциалов коррозии при температурах 25, 60 0С, так и в области нестационарных значений потенциалов.

Таблица 3. Электрохимические параметры, полученные на диффузионно-легированной  ст.45.

Высокое содержание в поверхностном слое не чистого хрома, а химически связанного в карбиды, свидетельствует о чрезвычайно высоких защитных свойствах в сравнении с чистым хромом. Полученные данные согласуются с исследованиями авторов[3,4], показавшими, что карбиды хрома отличаются высокой склонностью к самопассивации. Ими установлено, что в то время, как потенциал коррозии хрома находится в активной области и имеет достаточно отрицательное значение, значение потенциала коррозии карбида хрома (Cr23C6) лежит в пассивной области. Особенно характерна для карбидов хрома чрезвычайно высокая коррозионная стойкость, по сравнению с хромом в пассивной области в кислых хлорид — содержащих средах. Полученные нами закономерности хорошо согласуются с приведенным фактом высокой коррозионной стойкости карбида титана, по сравнению с чистым титаном, которую объясняют присутствием в карбиде прочной связи Ti – C.

Выводы:

  1. При защите углеродистой стали 45 по технологии ДКПЛ хромированием или титанохромированием на поверхности стали образуется сплошная карбидная зона. При хромировании – Cr7C3, Cr2C; при титанохромировании – TiC.
  2. Хром и титан присутствуют в диффузионной зоне (лежащей под карбидной фазой), в основном, в несвязанном состоянии.
  3. Электрохимические исследования, проведенные в потенциостатическом режиме, в растворе, содержащем высокий процент хлоридов, подтвердили высокую коррозионную стойкость карбидного слоя.
  4. Проведенный комплекс физических и электрохимических исследований позволил заключить, что образующийся на стали 45 при защите по технологии ДКПЛ карбидный слой формируется на поверхности стали.

Литература:

  1. Колотыркин  Я. М.,  Новаковский В. М.,  Заец И.И. и др. Поверхностное противокоррозионное легирование черного металла карбидообразователями // Защита металлов.- 1984.- Т.20, №1.- С. 3-13.
  2. Новаковский В. М., Чуняева Л.О. Теоретическая оценка возможности смыкания карбидной фазы в поверхностных слоях диффузионно — хромируемой стали // Защита металлов.-1992.-Т.28, №6.- С.883-893.
  3. Юрченко О.С., Княжева В.М., Колосветов Ю.П., Бабич С.Г. Получение и исследование коррозионно-электрохимических свойств образцов карбидов хрома высокой плотности // Порошковая металлургия.- 1983.- №4.- С. 72-76.
  4. Кожевников В.Б., Бабич С.Г., Княжева В.М. Коррозионно-электрохимические свойства и электронное строение карбидов, нитрида и карбонитрида хрома // Защита металлов.- 1990.-Т.26, №5.- С. 734-739.

     
УДК 620.193.01:544.641

 

Товажнянський Л.Л., Чуняєва Л.О., Чуняєв О.М., Асріян А.О., Биков А.О.

РОЗВИТОК ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ АСПЕКТІВ ТЕХНОЛОГІЇ
 ДИФУЗІЙНОГО КАРБІДНОГО ПОВЕРХНЕВОГО ЛЕГУВАННЯ (ДКПЛ)

За допомогою фізичних методів проаналізовані склад та структура дифузійно-хромованої та титано-хромованої сталі по технології ДКПЛ.

Потенціостатичним методом досліджені корозійно-електрохімічні властивості отриманих на сталі 45 шарів.

Результати експериментальних досліджень дозволили заключити, що карбідний шар формується на поверхні сталі.

 

UDK 620.193.01:544.641

 

Tovazhnyanskyy L.L., Chunyayeva L.O., Chunyayev O.N., Asriyan A.A., Bikov A.A.

DEVELOPMENT OF PHYSICAL-CHEMICAL ASPECTS OF THE

DIFFUSION CARBIDE SURFACE ALLOYING TECHNOLOGY (DCSA)

By means of physical methods the structure and composition of the DCSA technology diffusion-chromium alloyed and titanium-chromium alloyed steel have been analyzed.

Corrosion-electrochemical properties of the layers achieved on 45 steel have been researched by controlled potential method.

The results of experimental research allowed to conclude that carbide layer forms on the surface of steel.

Понравилась статья? Расскажите друзьям.
Общайтесь с нами:

Добавить комментарий