Общая характеристика коррозионностойких покрытий на основе карбида вольфрама

В условиях современного машиностроения и приборостроения к материалам, используемым в производстве, предъявляются особые требования: способность работать в агрессивных средах, при высоких температурах и давлениях, вибрации и т.д. На детали машин и механизмов наносят защитные покрытия, наделяющие поверхности предметов необходимыми свойствами. Повышение технических и экономических требований ставит вопрос о разработке новых твердых покрытий способных противостоять абразивному износу, коррозии, эрозии под воздействием высоких нагрузок.

В настоящее время на практике применяют множество технологий упрочнения металлических поверхностей, твердых покрытий, однако технологий, удовлетворяющих основным требованиям современного машиностроения, практически нет. Поэтому создание новых технологий формирования твердых покрытий весьма актуально. Среди последних ведущую роль играют газофазные методы, которые представляют собой нанотехнологии формирования твердых слоев конструкционного назначения.

Для получения коррозионно-стойких покрытий высокой твердости применяют осаждение карбидов металлов. Хорошо известен фторидный метод осаждения тугоплавких металлов и их соединений. Газофазное осаждение карбидов вольфрама с различным фазовым составом позволяет получить эрозионно - и коррозионно-стойкие покрытия с высокой адгезионной прочностью на различных материалах, в том числе стали. Метод химического газофазного осаждения карбида вольфрама относиться к наиболее перспективным способам формирования покрытий, в виду того что химический подход обеспечивает сборку наноструктур по принципу «снизу – вверх».

Основные характеристики покрытий конструкционного назначения следующие: микротвердость, максимальная толщина, вязкость (трещиностойкость), адгезия к подложке (главным образом к стали), пористость, сопротивление абразивному износу, эрозии и коррозии. Микротвердость покрытия можно определить фазовыми, структурными факторами и внутренними напряжениями. Рентгенографическим методом установлено, что покрытия из карбидов вольфрама являются наноструктурными материалами. К примеру, размер кристаллитов (области когерентного рассеивания) субкарбида составляет величину около 20 нм, полукарбида -16…20 нм, гексагонального монокарбида-4…5нм и кубического монокарбида вольфрама-2…3 нм. Более полные сведения представлены в таблице 1.

Таблица 1 -Свойства карбидных покрытий

Тип карбида	Тип решетки	Микротвердость, Кг/мм2	Максимальная толщина, мкм
WC	Гекс	2400	10
WC(1-X)	Куб	3800	12
W2C	Ромб	3500	18
W3C	Куб	3100	20
W12C	Куб	2900	25

Рисунок 1 – Зависимость микротвердости карбидных слоев от содержания углерода в них.

На рисунке 1 изображена зависимость микротвердости карбидовольфрамовых слоев от концентрации углерода в них. Судя по графику можно сделать вывод, что индивидуальные карбиды вольфрама или их смеси являются особо твердыми материалами. Их микротвердость варьируется в пределах 25 - 42 ГПа. Рассматривая, кубический монокарбид вольфрама его можно отнести к уникальным карбидам, так как обладает твердостью на уровне карбида бора 37 - 42 ГПа. Повышенные механические свойства монокарбида вольфрама можно отнести за счет наноструктуры, так как зерна диаметром менее 10 нм не могут содержать дислокаций [1]. Высокая микротвердость карбидных слоев отражается на их износостойкости.

Рисунок 2- Результаты измерений абразивной стойкости исследуемого покрытия W2C (толщина 20 мкм, микротвердость 33 ГПа) и твердого сплава ВК-6(18 ГПа).

Данные по абразивной износостойкости полукарбида вольфрама, приведены на рисунке 2, показывают, что абразивная стойкость карбидного покрытия в 2 раза выше, чем у твердого сплава ВК-6. При этом в присутствии смазки абразивная стойкость покрытия увеличивается в 20 раз, а стойкость сплава ВК6-в 3 раза. Стойкость против абразивного износа в присутствии смазки у покрытия W2C оказалась выше в 10 раз, чем у ВК-6 [2].

Карбидные покрытия абсолютно безпористые, а материал покрытия коррозионно устойчив в расплавленных металлах, кислых средах, в сероводородных растворах и во многих других средах. Недостаточная коррозионная стойкость наблюдается только в окислительной атмосфере при температуре выше 400°С и в щелочных растворах.

Разброс данных по микротвердости определяется в основном различным уровнем внутренних напряжений роста в пленках. Эти ростовые напряжения и термические напряжения, связанные с разницей в коэффициентах термического расширения карбидной пленки и стальной подложки, являются ответственными за растрескивании приповерхностного слоя покрытия. Максимальная толщина покрытия, при которой не наблюдается растрескивание, представлена в таблице. Видно, что максимальная толщина карбидного слоя на углеродистой стали повышается уменьшением содержания углерода в них, что коррелирует с разницей в коэффициентах термического расширения (КТР).

Главный недостаток твердых и сверхтвердых монолитных покрытий заключается в их природной хрупкости, и карбиды вольфрама не являются исключением. Из данных, представленных на рисунке 1, можно сделать вывод о возможности осаждения разнообразных карбидовольфрамовых композиций, наделенных различными физико-механическими свойствами. Повышение вязкости карбидовольфрамовых композиций можно осуществлять двумя способами:

- получение многослойных покрытий (карбид вольфрама-вольфрам);

- одновременное осаждение вольфрама и карбида вольфрама.

Покрытия на основе карбида вольфрама нашли широкое применение в области нефтегазового, бурового а также горно-шахтного оборудования. Карбидовольфрамовые композиции, занимают свою нишу на рынке покрытий в области толщин 10-100 мкм и являются уникальными с точки зрения упрочнения практически любых материалов. Использование этих покрытий основаны на возможности термического CVD метода покрывать твердым слоем детали сложной геометрии, недоступной для нанесения PVD способом или методом распыления. Карбид вольфрама химически инертен, поэтому изделия из него не представляют опасности для человека при нормальных условиях. Летальная доза карбида вольфрама для человека не определена.

Список использованной литературы

1. Goncharov V.L., Lakhotkin Yu.V., Kuzmin V.P., et al., Corrosion resistance of tungsten carbide coatings deposited from gas phase. // The European corrosion congress «EUROCOR 2003». – Budapest, Hungary. – 2003. – Book of abstracts. – P. 309.

2. Goncharov V.L., Lakhotkin Yu.V., Rozhanskii N.V., Kuzmine V.P. TEM study of carbon nanocrystals grown in the process of low-temperature CVD synthesis of tungsten carbides coatings // Nanotechnology in northern Europe congress and exhibition «NTNE 2006». – Helsinki, Finland. –2006. – Book of Abstracts. – P. 71