8_Loburak.doc Підвищення експлуатаційних характеристик осаджених покриттів на сталі 12Х18Н10Т методом термодифузійної обробки Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 48 Лобурак В.Я., Лук’янюк М.В. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна ПІДВИЩЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОСАДЖЕНИХ ПОКРИТТІВ НА СТАЛІ 12Х18Н10Т МЕТОДОМ ТЕРМОДИФУЗІЙНОЇ ОБРОБКИ Вступ Сталь 12Х18Н10Т володіє рядом переваг перед залізовуглецевими сталями, такими як висока корозійна стійкість, пластичність, технологічність, але не може бути ефективно застосована у вузлах тер- тя та експлуатації її в умовах підвищених температур, тобто не є достатньо жаростійкою. Для підвищення, наприклад, зносостійкості вуглецевих сталей застосовують газове чи плазмове напилення твердим сплавом та порошками. А з метою підвищення корозійної та жаростійкості наносять покриття із корозійно та жаростійких матеріалів гальванічним чи дифузійним способом, або осадженням їх парів на виріб у вакуумі. Заслуговує на увагу метод осадження на поверхню деталі композиційних електролітичних покриттів (КЕП), бо цим методом досягається одночасно підвищення жаро- і зносостійкості покриття. Однак, усі осадженні покриття мають недолік – недостатнє зчеплення з поверхнею виробу і це є особливо відчутним при нанесенні таких осадів на поверхню нержавіючої сталі 12Х18Н10Т. Отже, є по- треба в розробці ефективних схем зміцнення захисних покрить та дослідження їх структури, яка формується при додатковій їх хіміко-термічній обробці з метою підвищення міцності зчеплення з по- верхнею виробу, а також їх ущільнення та покращення властивостей. Постановка задачі дослідження та проведення експериментів Ставилась задача дослідити структуру покриттів, осаджених на поверхні сталі 12Х18Н10Т та підсилення їх контакту з поверхнею в результаті дифузійного відпалу, з одночасним насиченням їх різними елементами методом хіміко-термічної обробки з порошкових сумішей, які служили одночасно захисним середовищем від високотемпературного окислення. Для цього наносились покриття методом газополум’яного чи плазмового напилення, а також хімічним і електрохімічним способом, як чистими елементами так і композитами. Осадження проводи- лось в широкому діапазоні температурних і часових значень без підігріву та з підігрівом підложки, тобто – зразків. Дослідженню піддавались нанесені покриття у вихідному стані і після термічної та хіміко- термічної обробки. З метою порівняння, нанесення таких покриттів та їх термообробка проводилась і на залізовуглецевих сталях. Хіміко-термічна обробка здійснювалась із стандартних порошкових сумішей. Хімічне та електрохімічне осадження проводилось з класичної ванни нікелювання та хромування. Для осадження композиційних покриттів (КЕП) використовувались порошки оксидів карбідів, як твердих зносостійких фаз, а також чистих металів (Ni, Mo, Cu) з метою подальшого їх дифузійного легування різними компо- нентами. Жаростійкість покриттів досліджувалась на циліндричних зразках діаметром 10 мм і висотою 15 мм. Окислення проводилось у фарфорових, попередньо відпалених до постійної маси, тиглях у повітряному середовищі муфельної печі при температурах 800, 900 і 1000 °С при витримці 10 … 150 го- дин. Оцінка жаростійкості здійснювалась гравіметричним методом за збільшенням маси, віднесеної до вихідної площі поверхні зразка. Зважування проводились на аналітичних вагах ВЛА-200М з точністю до 10-4 грама. Випробування зносостійкості проводились на машині тертя типу Шкода-Савіна та СМИ-2. Результати експериментів та їх обговорення 1. Структуроформування покриттів На рис. 1 показані фотографії мікроструктури плазмо напиленого залізного порошку (а); гальванічно нанесеного шару нікелю (б) та електрохімічного осадженого композиту Ni-TiC (в) на зразки сталі 12Х18Н10Т. А на рис. 2 приведені мікроструктури цих покрить після хіміко-термічної обробки різними елементами. Слід відмітити, що після дифузійного насичення бором напилений шар заліза нагадує структуру борованого заліза. А структура гальванічно осадженого нікелю після алітування є грубозернистою, що слід пов’язати із здатністю алюмінію утворювати цілий ряд хімічних та електронних сполук і їх здатністю переходити з однієї фази в іншу при певних температурах і концентраціях компонентів. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Підвищення експлуатаційних характеристик осаджених покриттів на сталі 12Х18Н10Т методом термодифузійної обробки Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 49 а б в Рис. 1 – Мікроструктури нанесених покриттів на сталь 12Х18Н10Т × 300: а – плазмонапилений шар порошку заліза; б – гальванічно нанесений шар нікелю; в – елекрохімічне осадження композиту Ni-TiC а б в Рис. 2 – Мікроструктури нанесених покрить на сталь 12Х18Н10Т після хіміко-термічної обробки, × 300: а – борування плазмонапиленого залізного порошку; б – алітування гальванічно осадженого шару нікелю; в – хромування електролітично осадженого композиту Ni-TiC Осаджені електролітичні композити найменш чутливі до зміни структури при насиченні багатьма елементами. Так, після хромування осадженого композиту Ni-TiC (рис. 2, в) його структура практично не зазнала суттєвих змін, але в усіх випадках характеризується зміною концентраційного розподілу по глибині шару і відсутністю різкої границі між покриттям і основою, що відповідно підсилює його зчеп- лення з основою. Одночасно зменшується пористість такого покриття. 0 80 160 240 320 400 x, мкм Ti І, имп/с Cr Ni Рис. 3 – Розподіл елементів в шарі осаду Ni-TiC після дифузійного хромування PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Підвищення експлуатаційних характеристик осаджених покриттів на сталі 12Х18Н10Т методом термодифузійної обробки Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 50 На рис. 3 приведений розподіл елементів по глибині покриття електрично осадженого композиту Ni-TiC. Підвищення концентрації титану на поверхні можна пояснити присутністю в електролітичній ванні незначної кількості порошку чистого титану, а також можливістю дисоціації його карбіду в процесі термообробки. Суттєве зменшення концентрації нікелю на поверхні покриття завдячує інтенсивному дифузійному насиченню його тонких поверхневих шарів хромом і титаном, що і забезпечує зниження концентрації нікелю саме на поверхні захисного шару. 2. Жаростійкість покриттів В табл. 1 узагальнені дані, отримані експериментально на зразках сталі 12Х18Н10Т, жаростійко- сті покриттів в залежності від виду хіміко-термічної обробки, проведеної при температурі дифузійного насичення 1050 °С та ізотермічній витримці 8 годин. Таблиця 1 Приріст маси зразків після 100-годинної витримки в атмосферному середовищі при температурі 1000 °С Приріст маси зразків (г/м2) після дифузійного насичення різними елементами Вид покриття без насичення Cr Al Cr-Al Cr-Si Плазмонапилений залізний порошок ПЖЗМ 290 7,92 5,86 8,90 18,80 Гальванічне нікелювання 25,92 5,90 8,75 7,80 7,55 Електролітичне осадження композиту Ni-TiC 30,5 33,5 30,5 26.6 23,25 Як видно з наведених даних, дифузійне насичення плазмонапиленого порошку будь-яким із на- ведених елементів сильно підвищує жаростійкість покриття. Таке покриття без дифузійного насичення повністю окисляється, тобто згорає при такій температурі. Також суттєво підвищується жаростійкість гальванічно осадженого нікелю, що пояснюється ущільненням структури і формуванням на границі поділу покриття - основа дифузійного шару (рис.2, б), який забезпечує високу ступінь зчеплення покрит- тя з основою, що запобігає проникненню кисню через покриття. А незначне підвищення жаростійкості електролітично осадженого композиту Ni-TiC, з нашої точки зору, пояснюється досить високою щільністю осадженого матеріалу, а також стійкістю компонентів цього композиту. 3. Зносостійкість покриттів Результати випробувань на зносостійкість при різних навантаженнях та часу приведені на рис. 5 та 6 з яких видно, що усі види хіміко-термічної обробки підвищують зносостійкість покриттів. Суттєвої різниці в зносостійкості дифузійнонасичених покриттів в залежності від температури і часу процесу ХТО не спостерігалось, на відміну від виду самого покриття. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 400 800 1200 1600 2000 Шлях тертя, м О б' єм не з но ш ув ан н я, м м .к уб . 1 2 3 4 5 6 Рис. 5 – Залежність величини зношення нанесених покрить на сталь 12Х18Н10Т: 1 – плазмонапилений шар заліза без ХТО; 2 – плазмонапилений шар заліза після хромування; 3 – електролітично осаджений нікель; 4 – хромований електролітично осаджений нікель; 5 – електролітично осаджений композит Ni-TiC; 6 – електролітично осаджений композит Ni-TiC після дифузійного хромування PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Підвищення експлуатаційних характеристик осаджених покриттів на сталі 12Х18Н10Т методом термодифузійної обробки Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 51 Так, зносостійкість плазмонапиленого залізного порошку є нижчою за зносостійкість сталі 12Х18Н10Т без покриття і суттєво підвищується після дифузійного насичення хромом, нікелем та хро- мом і нікелем одночасно. На рис. 5 приведена величина зношення покриттів до і після дифузійного насичення хромом. Після дифузійного хромування найменша зносостійкість відповідає плазмонапиленому залізному по- рошку, що можна пояснити грубозернистістю насиченого покриття. Осаджений композит Ni-TiC характеризується достатньо високою густиною. А тому його зносостійкість є суттєвою як без дифузійного хромування, так і після нього. Варто також відмітити, що зносостійкість КЕП при сухому терті, як показали наші дослідження, залежить від зернистості наповнювача ТіС, що підтверджує залежність в першу чергу лише від пористості нанесених покриттів, бо чим дисперсні ший наповнювач, тим вища густина осадженого покриття. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0 10 20 30 40 50 60 Час випробовування, хв З но ш ен ня , r . 1 2 3 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0 10 20 30 40 50 60 Питоме навантаження, Н/мм кв З но ш ен ня , r . 1 2 3 Рис. 6 – Вплив умов випробовувань на величину зношення осаджених покрить після дифузійного хромування: 1 – напилений залізний порошок; 2 – гальванічно осаджений нікель; 3 – електролітично осаджений композит Ni-TiC На рис. 6 приведена залежність зносостійкості нанесених покриттів після дифузійного хрому- вання від умов випробування. Як видно з графіків рис. 6, залежність зносостійкості, як від часу випробу- вань, так і питомого навантаження є практично лінійною в межах товщини отриманого покриття, що свідчить про його надійність в умовах дослідження. Як і очікувалось, найвищою зносостійкістю після хіміко-термічної обробки володіють електролітично осаджені композиційні покриття Ni-TiC. Аналогічна залежність спостерігається також після титанування та хромотитанування осаджених покриттів. Висновки Хіміко-термічною обробкою доцільно обробляти напилені, гальванічно та електролітично осаджені на поверхню сталі покриття з метою підвищення їх жаро- і зносостійкості за рахунок ущільнення структури та формування легованого поверхневого шару покриття. Дифузійне насичення хромом та іншими елементами змінює структуру осаджених покриттів, зменшує пористість і підвищує зчеплення покриття з основою завдяки дифузійним процесам. Література 1. Мельник П.І., Остафійчук Б.К., Сидоренко С.І. Дифузійні процеси та твердофазні перетворення в металах і сплавах. – І-Ф.: «Плай». – 1999. – 220 с. 2. Лучка М.В., Киндрачук М.В., Микитюк Р.Ю., Соколовский М.Ф. Иносостойкие дифузиционно-легированные композиционные покрытия. – К: Техника, 1993. – 144 с. Надійшла 18.06.2012 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com