Технічні науки / Металургія

Середа Б.П., Скачков В.О., Іванов В.І., Моісейко Ю.В.

Запорізька державна інженерна академія

ОДЕРЖАННЯ ПОКРИТТЯ З МОЛІБДЕНУ НА СТАЛІ МЕТОДОМ ГАЗОТРАНСПОРТНИХ СВС-РЕАКЦІЙ

Одним з основних засобів поліпшення експлуатаційних характеристик і підвищення довговічності деталей машин і механізмів, що працюють за умов зношування, знакозмінних навантажень, високих температур, швидкостей і тиску, є нанесення на їх сталеву поверхню захисних покриттів.

Так, насичення поверхневих шарів сталі молібденом з використанням явища високотемпературного саморозповсюджуючого синтезу (СВС) дозволяє підвищити зносостійкість і корозійну стійкість деталей.

До основи даного методу нанесення покриттів покладено принцип газотранспортних хімічних реакцій [1], коли в єдиному технологічному циклі поєднуються реакції СВС з газофазним транспортом перехідного металу (молібдену) з порошкової суміші на поверхню виробу. Вказані реакції стають можливими за умови введення до початкової екзотермічної суміші спеціальних додавань - газотранспортних агентів. Зазначена речовина в порошковій суміші, що горить, зворотно реагує з перехідним металом (молібденом) із утворенням газоподібних сполук. При цьому переважне протікання реакції у прямому напрямі здійснюється за деякої температури Т₁ шихти, що горить, і концентрації газоподібних сполук швидко зростають до гранично можливих рівноважних значень для цієї температури. У зв'язку з переміщенням хвилі горіння за деякої температури Т₂, відмінної від температури Т₁, рівновага реакції зміщується у бік розпаду газоподібних продуктів, тобто відбувається виділення початкових елементів із газової фази. Частково даний процес відбувається над поверхнею виробу та, як результат, спостерігають газовий транспорт перехідного металу з шихти, що горить, на поверхню оброблюваного виробу та формування на ній захисного покриття.

Під час нанесення молібденових покриттів за режимом теплового самозаймання як компонент, що насичує, використовували молібден і феромолібден. Газотранспортним агентом слугував хлорид амонія у кількості 2…3%. Процес насичення виконували за температури 1100…1200 °С. У таблиці подано результати дослідження кінетики формування захисного шару на поверхні різних марок сталі.

Залежність товщини шару, мм, від тривалості СВС-процесу

Матеріал	Час витрим-ки, год.	Температура процесу, °С
		950	1050	1100	1200
сталь 45	0,25	20	27	36	50
	0,50	27	36	42	60
	0,75	33	43	55	70
	1,00	37	50	65	80
сталь У8А	0,25	12	20	25	33
	0,50	20	28	32	40
	0,75	25	35	39	47
	1,00	30	40	50	62

Під час нанесення покриттів на сталь У8А за температури 1100…1200 °С на її поверхні створюється шар карбіду молібдену (Мо₂С), під яким розташована зона продуктів розпаду g-твердого розчину із включенням Мо₂С, а ще нижче - a-твердый розчин молібдену в залізі. Мікротвердість Мо₂С становить 14800…15200 МПа, a-твердого розчину - 2700…4500 МПа. Як результат нанесення молібденових покриттів було зафіксовано підвищення у 1,2…1,5 разів зносостійкості деталей.

Введення до складу СВС-суміші незначної кількості силіцію дозволяє одержувати шари молібдену з силіцієм. На сталі 45 зазначений шар складається з двох зон: Мо₂С та a-фази, на сталі У8А - тільки із Мо₂С. У інтервалі температур 950…1050 °С на поверхні стали 45 створюється покриття з Мо₂С товщиною 8…15 мкм, в інтервалі температур 1100…1200 °С шар складається із a-фази з включенням Мо₂С і феромолібдену.

Мікротвердість шару молібдену з силіцієм на сталях 45 і У8А становить відповідно 12000 та 13300 МПа.

Випробування на зношення проводили на машинах тертя МТ-5 і СШТ-1. За умов тертя ковзання з мастилом зносостійкість зростає у 1,5…2,1 разів, а під час випробування з абразивно-масляним прошарком - у 1,2…1,8 разів порівняно із загартованим і низьковідпущеним станом. Під час випробувань у децинормальному розчині сірчаної кислоти опір шарів молібдену з силіцієм до електрохімічної корозії збільшується у 1,7…2,5 разів.

Разом з можливістю одержання захисних шарів представляє інтерес використання кінцевого продукту. Реалізація комбінованого СВС-процесу призводить до одержання MoSi₂:

(1)

(2)

(3)

Розрахунки температури горіння для реакцій утворення тугоплавких сполук дозволяє використовувати останні як могутнє теплове джерело, що призводить до зниження матеріальних витрат.

Література

1. Шефер Г. Химические транспортные реакции. - М.: Мир, 1964. - 189 с.