Спосіб нанесення карбідних покриттів на поверхні сталей та сплавів

1 Спосіб нанесення карбідних покриттів на поверхні сталей та сплавів, що включає розміщення деталей в реакційній камері з порош ками карбідоутворюючих металів - ніобію та хрому, вакуумування, нагрів до температури насичення, наступне вакуумування, введення чотирихлористого вуглецю, ізотермічну витримку при температурі насичення та охолодження, який відрізняється тим, що карбідоутворюючі порошки перед розміщенням у реакційну камеру змішують у наступному співвідношенні, % мас хром 88 - 92, ніобій 8-12 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що додатково в реакційну камеру вводять деревне вугілля - 26 г/м2 Винахід відноситься до галузі металурги, а саме до хіміко-термічної обробки (ХТО) металів та може широко використовуватись для підвищення експлуатаційних характеристик виробів Відомий спосіб нанесення карбідних покриттів на поверхню сплавів при зниженому тиску, при якому виріб вміщують у камеру з порошком карбідоутворюючого металу, створюють у камері вакуум 10 1 мм рт ст, нагрівають виріб до температури 950 1000°С, вводять чотирихлористий вуглець, та роблять витримку на протязі 2-4 годин (Кулиба Н А , Рева A T Получение карбидных покрытий на сталях и чугунах при пониженном давлении с применением четыреххлористого углерода В кн «Защитные покрытия на металлах», - Киев Наукова думка, вып 5, 1971 - с 65) Недоліком відомого способу є недостатня корозійна та кавітаційна СТІЙКІСТЬ і значна мікрокрихкість отриманих карбідних покриттів способу є недостатня корозійна та кавітаційна СТІЙКІСТЬ, значна мікропористість та мікрокрихкість отриманих карбідних покриттів В основу винаходу поставлено задачу удосконалити відомий спосіб нанесення карбідних покриттів на сталі та сплави (А С №15556133 С23С12/00, 12 04 1988) шляхом введення в реакційну камеру карбідоутворюючих порошків хрому та ніобію у новому співвідношенні, що забезпечує підвищення кавітаційної та корозійної СТІЙКОСТІ металевих виробів Поставлена задача досягається тим, що в способі, який включає розміщення деталей у реакційну камеру, яка містить хром та ніобій, вакуумування, нагрів до температури насичення, повторне вакуумування, заповнення камери чотирихлористим вуглецем, витримку при температурі насичення та охолодження, новим є те, що перед розміщенням в реакційній камері карбідоутворюючі порошки хрому та ніобію змішують у новому співвідношенні, % мас хром 88 - 92, ніобій 8-12 що забезпечує підвищення кавітаційної та корозійної СТІЙКОСТІ металевих виробів, крім того, для підвищення якості дифузійного шару, що формується, в реакційну камеру додатково вводять деревне вугілля - 26г/м2 Винахід може застосовуватись у машинобуду Найбільш близьким по технічній сутності і результату що досягається є спосіб нанесення карбідних покриттів на сталі та сплави, який включає розміщення деталей у реакційну камеру, яка містить хром (80 - 85 мас %) та ніобій (15-20 мас %), вакуумування, нагрів до температури насичення, повторне вакуумування, заповнення камери чотирихлористим вуглецем, витримку при температурі насичення та охолодження (А С №15556133 С23С12/00, 12 04 1988) Недоліком зазначеного ю ю 54925 ванні для підвищення корозшно-кавітацшної СТІЙКОСТІ деталей машин Спосіб полягає в тому, що деталі розміщують у реакційній камері, яка містить суміш порошків хрому та ніобію, вакуумують до тиску 10 1 мм рт ст, нагрівають до температури насичення 950 1050°С, повторно вакуумують до тиску 10 1 мм рт ст, заповнюють камеру чотирихлористим вуглецем, витримують при температурі насичення та охолодження, вводять чотирихлористий вуглець (ССЦ), проводять ізотермічну витримку і охолоджують При цьому для підвищення корозійної та кавітаційної СТІЙКОСТІ ВМІСТ ЦИХ компонентів повинен бути в наступному співвідношенні, мас % хром 88 - 92, ніобій 8-12 Підвищення корозійно-кавітаційної СТІЙКОСТІ карбідних покриттів обумовлено формуванням структури і фазового складу дифузійного шару Формування ВІДПОВІДНОГО фазового складу дифузійного шару при різних концентраціях ніобію і хрому в насичуючому середовищі пов'язано з фіЗИКО-ХІМІЧНИМИ умовами зародження і росту покриття Після вводу в реакційну камеру чотирихлористого вуглецю формується вільний хлор, який взаємодіє з порошковою сумішшю хрому та ніобію, а також із металевою поверхнею виробів, які піддаються насиченню В цьому випадку можливе формування хлоридів хрому (СгСІ2) та ніобію (NbCI2, NbCI5), хлоридів заліза (FeCI2) На поверхні сплавів, які піддають насиченню, можливі наступні обмінні реакції між хлоридами та металевими матеріалами основи 1) NbCI5 + 27,67CrCI4 + 63,83Fe + СОСІ2 = NbC+ Сг 23 С 6 + 63,83FeCI2 + 2,ЗЗСг2О3, 2) 2NbCI5 + 27,67CrCI4 + 55,33Fe + 7СОСІ2 = Nb2C + Сг 23 С 6 + 55,33FeCI2 + 2,33Cr2O3, 3) NbCI5 + 9,67CrCI4 + 25,83Fe + 4СОСІ2 = NbC + СГ7С3 + 28,333FeCI2 + 1,333Cr2O3, 4) 2NbCI5 + 9,667CrCI4 + 28,333Fe + 4СОСІ2 = Nb2C + СГ7С3 + 55,33FeCI2 + 2,33Cr2O3, 5) 3,8NbCI5 + 23СгСЦ + 62,5Fe + 7СОСІ2 = NbC + Сг 23 С 6 + 62,5FeCI2 + 1,4Nb2O5, 6) 4,8NbCI5 + 23СгСЦ + 65Fe + 7СОСІ2 = Nb2C + Сг 23 С 6 + 65FeCI2 + 1,4Nb2O5, 7) 2,6NbCI5 + 7CrCI4 + 24,5Fe + 4COCI2 = NbC + Cr7C3 + 24,5FeCI2 + 0,8Nb2O5, 8) 3,6NbCI5 + 7CrCI4 + 27Fe + 4COCI2 = Nb2C + Cr7C3 + 27FeCI2 + 0,8Nb2O5 При цьому проходять реакції між вуглецем, що осідає на стальній поверхні, і хлоридними сполуками хрому чи ніобію з формуванням карбідів Сг7С3, Сг23С6, NbC Підвищення кавітаційно-корозійної СТІЙКОСТІ карбідних покриттів у запропонованому способі, порівняно з відомими, при концентраціях карбідоформуючих порошків 8-12 мас % Nb, 88 - 92 мас % Сг обумовлено морфологією (формою та розмірами зерен) структури, будовою та фазовим складом дифузійного покриття При вказаних співвідношеннях компонентів формуються дифузійні покриття наступного фазового складу Сг23Сє, СгуС3 на поверхні покриття, під ними фаза (Nb, Cr)C і безпосередньо до металевої матриці примикає фаза Сг?С3 Будова дифузійного покриття складається із шарів вказаних фаз, які розташовані паралельно поверхні матеріалу, що насичується Дані термодинамічних розрахунків добре співпадають із результатами пошарового рентгеноструктурного аналізу, який показав трьохфазну будову дифузійного покриття Товщина карбідних фаз хрому в середньому складає 10 - 12мкм, при цьому товщина шару Сг23Сє становить 5 - бмкм, Сг?С3 - 5 - бмкм, NbC 11 - 12мкм, та тонка смуга (2 - 3 мкм) Сг?С3, що примикає безпосередньо до матриці При цьому розміри окремих карбідних зерен складають 0,5 2мкм Формування на поверхні дифузійного покриття карбідної фази Сг23Сє, а під нею - Сг?С3 забезпечує високу корозійну СТІЙКІСТЬ, тому що карбідні фази на основі хрому володіють найбільшою корозійною СТІЙКІСТЮ із усіх відомих карбідних покриттів на основі перехідних металів Формування трьохшарових карбідних покриттів призводить до росту кавітаційно-корозійної СТІЙКОСТІ в порівнянні з однофазними покриттями Це зумовлено формуванням карбідних фаз із різними значеннями акустичного опору середовища (р х с), де р - питома густина середовища, с - швидкість поширення звуку в середовищі, що відповідає швидкості ударної хвилі у відповідному середовищі р х сі > р2 х с2 > р3 х с3 Різниця В акустичному опорі середовищ призводить до інтенсивного розсіювання ударних хвиль При цьому ударна хвиля розкладається на відображену і ту, що пройшла через захисний шар Збільшення КІЛЬКОСТІ шарів у захисному покритті призводить до більш інтенсивного розсіювання і затухання ударної хвилі, яка виникає у результаті дії кавітації Примітка вміст деревного вугілля у реакційній камері для прикладів 2, 3, 4, 5, 6 становив 216г/м2 Трьохшарова будова покриттів Nb-Cr зосереджує концентрацію ударних хвиль у захисному покритті і запобігає розповсюдженню ударних хвиль у матеріалі матриці Формування трьохшарових захисних покриттів із різних фаз, розташованих паралельно поверхні, що мають різні значення р х с, у карбідних покриттях системи (Nb,Cr)C при вказаних співвідношеннях ніобію 8 12 мас %, а решта - хром, забезпечують високу корозійну СТІЙКІСТЬ покриттів В герметичну реакційну камеру вміщували суміш порошків хрому (88 - 92 мас %) і ніобію (88 92 мас %) Потім у камеру завантажували металеві вироби і за допомогою форвакуумного насосу формували в ній вакуум 10 1мм рт ст , відключали насос і проводили нагрів до температури насичення (1000, 1050, 1100°С) Після повторного вакуумування до тиску 5 х 10 1 мм рт ст, в реакційну камеру вводили чотирихлористий вуглець із розрахунку 1,5мл на 1м 2 насичуючої поверхні і проводили витримку при температурі насичення протягом 2, 4, 6 годин Після закінчення процесу ХТО деталі разом із реакційною камерою охолоджували до кімнатної температури, вироби вилучали із реакційної камери і, по мірі необхідності, піддавали термічній чи механічній обробці В таблиці наведено приклади зміни характеристик кавітаційної та корозійної СТІЙКОСТІ карбідних покриттів на основі Сг та Nb, отриманих за способом прототипу (приклад 1) та запропонова 54925 ним способом Приклади показують властивості покриттів, отриманих при використанні складу насичуючого середовища, що виходить за рамки запропонованого складу Як видно з даних, наведених у таблиці, введення Nb у насичуюче середовище у співвідношеннях, що заявляються ( 8 - 1 2 мас %, решта Сг), спостерігається збільшення кавітаційної СТІЙКОСТІ в 1,5 раз порівняно з прототипом При введенні в насичуюче середовище Nb у заявлених межах ( 8 - 1 2 мас %) мікрокрихкість покриттів зменшується до 0,2 ум од порівняно з прототипом (0,28 ум од ) Також зменшується мікропористість в 1,7 раз, а товщина покриттів зростає з 10 12мкм до 15 - 16мкм При виході складу порошків за вказані межі (8 - 12 мас % Nb, решта - Сг) спо стерігається незначне збільшення мікропористості від 28 - ЗОод /м 2 до 31 - 34 од /м 2 , мікрокрихкості від 0,2 - 0,21ум од до 0,22 - 0,24 ум од , при цьому, як результат зміни вказаних властивостей зростає кавітаційне зношування з (3,1 - 3,6) х 10 4 г/см 2 х год до 4 - 4,2 х 10 4 г/см 2 х год та зростають втрати на корозію із (3,1 - 3,6) х 10 6 г/см 2 х год (приклади 2, 3, 4) до (3,8 - 4,1) х 10 6 г/см 2 х год (приклади 5, 6) Розроблений спосіб нанесення на поверхню заліза, сталей та твердих сплавів карбідного покриття дозволяє збільшити кавітаційно-корозійну СТІЙКІСТЬ покриттів на виробах в 1,5 - 2 рази порівняно з прототипом та в 10 - 14 разів порівняно з вуглецевими сталями Таблиця Характеристики комплексних карбідних покриттів на основі NbTa Сг на сталі 45 (Тхто = 1050°С, т = 4год) Компоненти Фазовий насичуючого Товщина Мікросклад диМ ікро пористість, Мікротвердість, середовища покриття, крихкість, фузійного один /м 2 ГПа та їх вміст, % мкм ум од шару мас 1) прототип хром - 80 ніобій - 20 50 10-12 18 0,28 2) хром - 88 ніобій - 1 2 ЗО 15 17,5 0,21 3) хром - 92 ніобій - 8 28 15-16 17,5 0,2 4) хром - 90 ніобій - 1 0 28 15-16 17,5 0,2 5) хром - 85 ніобій - 1 5 34 13-14 18 0,24 6) хром - 95 ніобій - 5 31 14 16,5 0,22 Підписано до друку 03 04 2003 р (Сг, Nb) 2 3 C 6 , (Cr,Nb) 7 C 3 1 Cr23C6, Сг7СЗ 2 (Nb,Cr)C 3 СГ7С3 1 Сг 2 3 С 6 , Сг 7 С 3 2 (Nb,Cr)C 3 СГ7С3 1 Cr,Nb) 2 3 C є 2 (Cr,Nb)C 3 СГ7С3 1 Сг23С6 Сг7СЗ 2 (Nb,Cr)C 3 СГ7С3 1 Сг 23 Сб, Сг 7 С 3 Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24 Масовий показник, г/см 2 хгод Корозійної Кавітаційної СТІЙКОСТІ 10 4 СТІЙКОСТІ 106 5,5 5,6 3,6 3,3 3,5 3,1 3,1 3,1 4,2 4,1 4,0 3,8