ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ И ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА СТАЛЕЙ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ДИФФУЗИОННЫХ НИКЕЛЬСОДЕРЖАЩИХ ПОКРЫТИЙ.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и администрации Краснодарского края в рамках научного проекта №20-43-235003

АННОТАЦИЯ

Никельсодержащие покрытия, влияние углерода сталей, влияние температуры и времени насыщения.

Ключевые слова: диффузионная металлизация, исследования, никельсодержащие покрытия, легкоплавкие жидкометаллические растворы, состав, строение, свойства.

Никельсодержащие покрытия, благодаря комплексному положительному их воздействию на эксплуатационные свойства сталей могут использоваться для нанесения как на конструкционные, так и на инструментальные стали. При нанесении никельсодержащих покрытий на конструкционные стали они придают сталям особые физико-химические свойства: коррозионную стойкость, жаростойкость, стойкость к коррозионному растрескиванию и т.п. Перспективным является использование рассматриваемых покрытий для повышения работоспособности инструмента, например, для повышения разгаростойкости и трещиностойкости штампов, а также, для повышения стойкости режущего инструмента.

В результате диффузионного насыщения сталей никелем из среды легкоплавких жидкометаллических растворов на поверхности изделий образуются однослойные покрытия (рис.1), представляющие собой слой, состоящий из твердых растворов никеля и железа с переменной концентрацией никеля в растворе, которая максимальна на поверхности изделия и достигает 60-65%. Вглубь покрываемого материала концентрация никеля монотонно снижается.

Рисунок 1. Микроструктура стали 10 с никелевым покрытием. Температура 1000^оС, длительность 10 часов. х100

При нанесении покрытий на стали под покрытием образуется слой, обогащенный углеродом. За счет термического воздействия, которое испытывает покрываемый материал, его структура претерпевает изменения. Эти изменения зависят от степени легирования покрываемой стали, от температуры процесса, его длительности, цикличности процесса, а также от скорости охлаждения покрытого изделия.

При нанесении покрытий на легированные стали получаемая после металлизации структура и степень влияния на нее термического воздействия диффузионной металлизации зависит от степени легирования сталей и легирующих элементов. Легированные стали менее склонны к негативным изменениям структуры, а для сталей матренситного и карбидного классов нагрев, который получает материал покрываемого изделия, может быть использован для формирования окончательных механических свойств этого материала.

При двухкомпонентном насыщении никелем и медью диффузионные покрытия также, как и после насыщения никелем, представляют собой однослойные покрытия, состоящие из твердого раствора никеля, железа, меди, а также легирующих элементов, входящих в состав стали (рис. 2.).

Рисунок 2. Микроструктура стали Х12МФ с никель-медным покрытием. Х500

Влияние насыщающей среды. В качестве насыщающей среды (транспортного расплава) при нанесении покрытий на стали могут использоваться расплавы свинца, висмута и их эвтектического сплава.   Расплавы свинца, висмута, а также их эвтектики обладают различной адсорбционной способностью и, вследствие этого, состав покрытий и кинетика их формирования отличаются. Для никельсодержащих покрытий наибольшая скорость формирования покрытий наблюдается в расплаве свинец-литий, а наименьшая - в висмуте (рис.3)

Рисунок 3. Зависимость толщины покрытия от состава транспортного расплава, температура насыщения 1000^оС, длительность 5 часов

1-свинец; 2-свинец-висмут; 3- висмут; 4-свинец-литий.

Влияние углерода стали. При насыщении такими элементами как никель и медь, являющимися некарбидообразующими, кинетика формирования покрытий практически не зависит от содержания углерода. Покрытия, как уже отмечалось, состоят из твердых растворов диффундирующих элементов и элементов покрываемого материала. При этом некарбидообразующие элементы оттесняют углерод с поверхности покрываемой стали, и, вследствие этого, под слоем покрытия образуется зона, обогащенная углеродом.

 Влияние легирующих элементов покрываемой стали. При нанесении диффузионных никелевых и никель-медных покрытий на легированные стали наблюдается интенсивная диффузия таких легирующих элементов, как хром, молибден, вольфрам и оттеснение вглубь покрываемого материала таких элементов, как кремний, углерод.  Подтверждением этому являются представленные на рис. 4 результаты микрорентгеноспектрального анализа никель-медного покрытия, нанесенного на сталь 30ХГСА.

Рисунок 4.  Распределение легирующих элементов в никель-медном покрытии. Сталь 30ХГСА, 1050^ОС, 10 час. 

1 –Ni; 2 – Cu;3 – Cr;4 – Si

Влияние температуры и времени насыщения. При нанесении никельсодержащих покрытий на стали, зависимость толщины покрытия от длительности выдержки носит параболический характер. Увеличение температуры процесса приводит к увеличению скорости роста покрытий.  При нанесении никелевых и никель-медных покрытий увеличение времени выдержки изделий в расплаве не приводит к существенному изменению характера распределения химических элементов в покрытии.

Список литературы

1. Соколов А.Г., Бобылёв Э.Э., Стороженко И.Д. Диффузионная металлизация твердосплавного режущего инструмента как способ повышения качества обработки поверхности// Сборник статей по материалам I Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию Кубанского государственного технологического университета и 60-летию Армавирского механико-технологического института. Армавир – 2019. – с. 173-178
2. Sokolov A.G., Bobylyov E.E. Improvement of wear resistance of austenitic steels by applying of carburization and diffusion saturation in liquid metal media solutions// Journal of physics: Conference series. – 44085. DOI: 10.1088/1742-6596/1399/4/044085
3. Sokolov A.G., Bobylyov E.E. Increase of durability of austenitic steel by overlap of carburization and diffusion saturation from liquid metal medium solutions technologies, J. Sib. Fed. Univ. Eng. & Technol., 2020, 13(4), 502-511. DOI: 10.17516/1999-494X-0241
4. Бобылёв Э.Э. Повышение стойкости режущего твердосплавного инструмента путем управления состоянием и свойствами его поверхностных слоев с помощью комплексной химико-термической обработки. Инженерный журнал: наука и инновации, 2020, вып. 12. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2020-12-2043
5. Пат. №2312164 РФ, МПК С23 С 2/08 (2006.01). Способ нанесения покрытий на стальные изделия / А.Г. Соколов (РФ) – заявлено 02.05.06; опубл. 10.12.07, Бюл. №4
6. Пат. № 2679318 МПК С23С 2/10, С23С 11/02 (2006.01) Способ диффузионного насыщения изделий из аустенитных сталей получения износостойкого покрытия на поверхности сталей. А.Г. Соколов РФ, Э.Э. Бобылев РФ, Р.А. Попов - заявлено 21.03.2018, опубл. 07.02.19, Бюл. № 4.
7. Соколов А.Г. Диффузионное поверхностное легирование конструкционных и инструментальных сталей в среде легкоплавких жидкометаллических растворов / Краснодар: Издательский Дом – ЮГ, 2019. – 272 с.
8. Шатинский В.Ф., Збожная О.М., Максимович Г.Г. Получение диффузионных покрытий в среде легкоплавких металлов. – Киев: Наукова Думка, 1976. – 202 с.
9. Максимович Г.Г., Шатинский В.Ф., Гойхман М.С. Диффузионные покрытия драгоценными металлами. – Киев: Наукова Думка, 1978. – 168 с.
10. Соколов А.Г. Разработка теоретических и технологических основ повышения стойкости режущего и штампового инструмента за счет диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов: Дис. д-ра техн. наук: 05.01.02. – Краснодар, 2008. – 383 с.