Подпишитесь на обновления сайта. Получайте новые статьи на почту:

ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА ПОДГОТОВКИ ШИХТЫ НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИФФУЗИОННОГО СЛОЯ

Леонид Товажнянский, Инна Заец, Антон Быков

 

ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА ПОДГОТОВКИ ШИХТЫ НА

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИФФУЗИОННОГО СЛОЯ

 

Национальный Технический Университет “ХПИ”

Украина, 61002, г. Харьков, ул. Фрунзе, 21

 

L. TOVAZHNYANSKYY, I. ZAYETS, A .BIKOV

 

INFLUENCE OF THE MIXTURE PREPARATION PROCESS ON PFISICOCHEMICAL PROPERTIES OF THE DIFFUSION LAYER

 National Technical University “KPI”

Ukraine, 61002, Kharkov, Frunze St., 21

SUMMARY. Physical, mechanical, and corrosion properties of the diffusion layer and the influence of mixture preparation process on these properties have been researched. Physic-chemical analysis performed at the NTU “KhPI” revealed that the mixture preparation process is one of the dominant steps in diffusion carbide surface alloying technology (DCSA). It consists of milling the mixture components (if their initial grain size is too large) and mixing them together. The grain size of the main alloying components (chromium, titanium powders, micro additions, and their ferroalloys) in the experiment was 0,5 – 2 mm, and the grain size of aluminum oxide and ammonium chloride was 0,05 – 0,15 mm. Initial components were loaded into the ball mill and mixed for 20 min. The ball mill was chosen due to is high power output and reliability (it is not sensitive to foreign particles that can not be disintegrated inside the mill). Based on the experiment ball miss have been recommended for service in the industrial DCSA line.

 

KEY  WORDS: diffusion layer, mills, ball mills, mixing, milling, corrosion properties, grain size, surface alloying.

 

 

ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Многокомпонентные покрытия позволяют в значительной мере изменять свойства поверхностных слоев [1-4]. Разработка эффективных диффузионных покрытий для агрессивных химических сред  приводит к необходимости использования фундаментальных исследований в области теории диффузии, дефектов структуры, диаграмм состояния, физико-химических процессов образования покрытий.

Диффузионный слой характеризует:

  • фазовый состав и структура;
  • распределение концентрации элементов;
  • поверхностная микротвердость и распределение ее по толщине слоя;
  • однородность, сплошность и равномерность распределения по конфигурации изделия.

Проведенный в НТУ “ХПИ” системный физико-химический анализ процесса диффузионного карбидного поверхностного легирования (ДКПЛ) углеродистых сталей [5] показал, что подготовка шихты для изделий, является одним из важнейших этапов технологии защиты, которая включает размол сырья (если поставляемые ферросплавы имеют крупную фракцию) и смешение компонентов.

Поскольку активность насыщающей смеси характеризуется химическим и гранулометрическим составом исходных компонентов, целью данной работы было проведение исследований по определению влияния основных легирующих компонентов на физико-химические свойства слоя и разработка рекомендаций для использования метода ДКПЛ на промышленной линии.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

            Нами были проведены исследования составов, содержащих основные легирующие порошки условным диаметром от 0.5 до 2 мм, а также порошки окиси алюминия и хлористого аммония условным диаметром от 50 до 150 мкм. Исследования проводились с использованием легирующих порошков хрома, титана, с различными микродобавками, а также их ферросплавы.

При защите опытных партий образцов по технологии ДКПЛ использовалась такая схема приготовления насыщающей смеси: компоненты шихты загружались в шаровую мельницу, перемешивание продолжалось в течение 20 минут. Затем насыщающую смесь выгружали контейнер, в котором проводился обжиг образцов. От более продолжительного перемешивания отказались, т.к. это приводило к переизмельчению шихты. В этом случае шихта становилась  менее технологичной из-за спекания мелких фракций.

Перемешивание проводили перед каждым обжигом для повышения активности насыщающей смеси.

Для химико-термической обработки (ХТО) использовали образцы углеродистых сталей 35, 45, 38Х3МФА.

Защиту проводили порошковым методом в специальных контейнерах из сплава ЭИ-435, в составах для:

  • титаноалитирования;
  • хромоалитирования;
  • хромосилицирования.

Контроль качества диффузионного слоя исследовали с помощью рентгеноструктурного анализа (установка “ДРОН-3”), микрорентгеноспектрального анализа (установка “КАМЕБАКС”).

Микроструктуру покрытий и толщину диффузионного слоя определяли на микроскопе “НЕОФОТ-2”, распределение  микротвердости по глубине слоя на микротвердомере ПМТ-3.

Сравнительные коррозионные испытания проводили гравиметрическим методом.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В таблице 1 приведены значения микротвердости диффузионного слоя, полученные нами,  для трех видов химико-термической обработки.

Микрорентгеноспектральный анализ хромалитированного слоя показал, что при ведении процесса при температуре 10000С и длительности (τ) 2 часа, и  процентном соотношении компонентов (70 Cr + 30 Al) + 17,0 Al2O3 + 3 NH4Cl происходит совместная диффузия хрома и алюминия в сталь. При выбранном соотношении сталь насыщается преимущественно алюминием. Глубина диффузии алюминия в основной металл значительно выше, чем хрома. Внешняя зона (на поверхности образца) отделена от основной части слоя четкой линией раздела. Эта зона отличается высокой твердостью 900 – 1100 Hv. Ниже линии раздела наблюдается плотная зона диффузионного слоя с переменным содержанием хрома от 15 до 70%. Согласно диаграмме тройной системы FeCr-Al, состав этой зоны соответствует тройному твердому раствору FeCr-Al. Зона, примыкающая к основному металлу, состоит из крупных зерен ά-твердого раствора. Различие в содержании диффундирующих элементов в слое обусловлено большей скоростью диффузии алюминия, в сравнении с хромом (DAl– 1.7×10-3см2/сут, DCr – 5.9×10-5 см2/сут).

Таблица 1. Микротвердость диффузионного слоя для стали 45, при различных видах поверхностного легирования.

Table 1. Microhardness of  the diffusion layer on 45 steel after various types of surface alloying.

Для титаноалитирования в наших исследованиях использовали чистые порошки титана и алюминия в процентном соотношении 40 и 20 соответственно. Остальное инертная добавка и катализатор процесса          NH4Cl.             Исследование микроструктуры показало, что диффузионный слой состоит из двух зон: внешней, состоящей из карбидов титана, наблюдаемый пик твердости слоя – 2000 Hv и внутренней, прилегающей к основному металлу толщиной до 80 мкм, которая содержит в процентах 50 Al, 40 Ti и 10 Fe. Судя по бинарным диаграммам состояния элементов и по высокой твердости слоя, можно предположить, что он содержит ά-твердый раствор алюминия в титане и растворенные в нем химические соединения TiAl3, TiFe, TiC. Ниже линии раздела наблюдается обезуглероженная зона, состоящая из столбчатых зерен ά-твердого раствора алюминия в железе.

                Влияние структуры и фазового состава диффузионного слоя после ХТО изучали также на образцах сталей 45 и 38Х3МФА, защищенных хромосилицированием.

Таблица 2. Составы порошкообразных смесей для хромосилицирования.

Table 2. Compositions of powdered mixtures for chromium-silicon alloying.

Как показали результаты исследований образцов защищенных по технологии ДКПЛ в различных составах порошкообразных смесей для хромосилицирования (таблица 2) наилучшие условия формирования слоя и его термообработки получены в условиях опыта №3. этот режим был принят как оптимальный. Ударная вязкость болтов после хромосилицирования примерно в 1,4 раза выше в сравнении с незащищенными (таблица 4).

Толщина и микротвердость диффузионных слоев в зависимости от времени обработки даны в таблице 3. Как показали результаты, при изотермической выдержке в течение 4-6 часов формируются плотные слои серебристо-серого цвета. Увеличение времени выдержки до 8-10 часов приводит к охрупчиванию слоя и соответственно снижению микротвердости до 700 Hv. Очевидно, это связано с обезуглероживанием основы и нарушением структуры диффузионного слоя. По результатам, приведенным в таблице 3, введение кремния до 5,5% в состав для хромирования является оптимальным.

Таблица 3. Толщина и микротвердость диффузионного слоя в зависимости от времени изотермической выдержки.

Table 3. Thickness and microhardness of the diffusion layer depending on isothermal dwell time.

Таблица 4. Результаты механических испытаний хромоалитированных болтов

Table 4. Results of mechanical testing of the chromium-aluminum alloyed bolts

Результаты механических испытаний приведены в таблице 4. Сравнительные коррозионные испытания образцов проводили гравиметрическим методом. Для испытаний проводили защиту болтов в составах для хромосилицирования и титаноалитирования. Для сравнения использовали защиту кадмированием и цинкованием (метод электроосаждения). Длительность испытаний составила 5,15, 25 часов. Результаты испытаний сведены в таблицу 5.

Таблица 5. Результаты сравнительных испытаний коррозионной стойкости стали 45, защищенной хромосилицированием, титаноалитированием и электроосаждением кадмия и цинка в растворах  кислот

Table 5. Results of comparison corrosion testing of steel 45, treated by means of chromium-silicon, titanium-aluminum alloying and electroplated with cadmium and zinc

Стойкость диффузионнозащищенных болтов в 50%  HNO3 и 80% H2SO4 в 1000 раз выше оцинкованных и кадмиевых. В этих кислотах цинковые и кадмиевые покрытия после 5 часов испытаний растворялись полностью.

Для измельчения шихты в промышленных условиях  рекомендованы шаровые мельницы. Шаровые мельницы, будучи весьма энерго- и металлоемкими, имеют ряд достоинств, обеспечивающих их долговечность как вида оборудования и широкое применение в промышленности. Прежде всего, это высокий уровень мощности и надежности, простота устройства и условий эксплуатации, способность в течение длительного времени обеспечивать получение продукта с заданной дисперсностью. Шаровые мельницы, наряду с измельчением, производят эффективное перемешивание компонентов шихты.

Принципиальной особенностью шаровых мельниц является использование в качестве рабочих органов свободных мелющих тел – шаров.  Недостатком свободных мелющих тел является гравитационный принцип накопления и реализации энергии разрушения частиц материала, что накладывает жесткое ограничение на интенсификацию процесса. Отдельные попытки использования электромагнитов для привода шаров в движение или щитов – отражателей внутри мельницы приводят к ограниченному успеху  [6-8].

Вместе с тем, именно свободные мелющие тела обеспечивают высокую живучесть этого типа оборудования. Мельница практически нечувствительна к попаданию в рабочую зону инородных не дробимых тел. Кинематическое звено «бронефутеровка – мелющее тело» имеет предельно высокую надежность в зоне интенсивных ударных нагрузок. Процесс измельчения в шаровой мельнице характеризуется широким спектром  разрушающих нагрузок и является стохастическим по существу[9]. Сложность процесса не позволила к настоящему времени создать математическую модель мельницы, поэтому в исследованиях использовались преимущественно экспериментальные методы.

 

ВЫВОДЫ

1. Ударная вязкость болтов после хромосилицирования примерно в 1,4 раза выше в сравнении с незащищенными.

2. Стойкость диффузионнозащищенных болтов в 50%  HNO3 и 80% H2SO4 в 1000 раз выше оцинкованных и кадмиевых.

3. При изотермической выдержке в течение 4-6 часов формируются плотные слои серебристо-серого цвета. Увеличение времени выдержки до 8-10 часов приводит к охрупчиванию слоя и соответственно снижению микротвердости до 700 Hv.

4. Разработанные составы для хромоалитирования, титаноалитирования, хромосилицирования были рекомендованы для использования на промышленной линии для химико-термической обработки метизов, пресс-форм для литья под давлением, инструментальных сталей.

5. Для измельчения в промышленных условиях рекомендованы шаровые мельницы, которые позволяют получить продукт требуемой дисперсности и производить смешение компонентов насыщающей смеси.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Дубинин Г.Н. Диффузионное хромирование сплавов. М.: Машиностроение, 1964.- 451 с.

2. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. М.: Машиностроение, 1965-.491 с.

3. Горбунов Н.С. Диффузионные покрытия на железе и стали. М.: Академиздат, 1958 – 206 с.

4. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1985 – 254 с.

5. Чуняева Л.О. Кинетика насыщения углеродистых сталей карбидом хрома. // Защита металлов-2001.-Т37. №1. С. 59-63.

6. А.с. № 224295 СССР, 1962. Электромагнитная шаровая мельница //  Хомерики Г.П.

7. А.с №656657 СССР, 1977.Отражательный экран для сверхкритических барабанных мельниц // Сыса А.Б., Серго Е.Е.

8. Горшкова Н.М. О механизме измельчения в шаровой мельнице // “Обогащение полезных ископаемых”, Киев, 1982, №31. С. 15-19.

9. Горловский И.А., Сакар А.Т. Исследование скольжения шаровой загрузки в барабане шаровой мельницы. // “Лакокрасочные материалы и их применение”. 1971. — №5. С. 57-59.


Понравилась статья? Расскажите друзьям.
Общайтесь с нами:

Добавить комментарий