Технические науки /3.

 

д.т.н., проф. Родионов И.В., асп. Ромахин А.Н., к.т.н., доц. Фомин А.А., к.т.н., доц. Пошивалова Е.Ю., к.т.н., доц. Филимонов Е.В., маг-т Прокопьева М.С.

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

 

Влияние режимов термического оксидирования на химический состав металлокерамических оксидных покрытий, применяемых при упрочнении поверхности стальных колец осадительных центрифуг

 

Введение

В условиях современного рынка промышленные предприятия нуждаются в качественном высокотехнологичном оборудовании, предназначенном для машиностроительной, энергетической и других отраслей производства. В настоящее время при обслуживании промышленных трансформаторов, ремонте авиационной техники возникает необходимость в очистке минеральных масел, загрязненных жидкостей и отходов производств от механических примесей. Решением данных задач занимается предприятие ОАО «НИТИ-Тесар» (г. Саратов), которое выпускает стенды очистки жидкостей (СОГ). Принцип работы данного оборудования основан на разнице плотностей разделяемых субстанций. Например, с помощью центрифугирования легко разделяются смеси таких жидкостей как вода, нефтепродукты, органические масла, сточные воды и другие. Разработка и изготовление сложного технологического оборудования приводят к необходимости решения задач по увеличению ресурса работы и надежности стендов, в частности машины «СОГ-923». Одной из таких задач является увеличение износостойкости  винтовой поверхности плоских колец шнека осадительной центрифуги.

         Шнек стенда типа «СОГ-923» работает на скорости около 4000 об/мин в условиях гидроабразивного износа. Материалом для изготовления колец шнека служит хромоникелевая сталь 12Х18Н9Т, имеющая толщину 3 мм. При контакте с очищаемыми средами, которые могут содержать кварцевый песок, щелочи и кислоты, происходит значительный износ винтовой поверхности колец, что влечет за собой ухудшение качества очистки, а в дальнейшем и выход из строя осадительной центрифуги.

         В настоящее время для повышения твердости и износостойкости хромоникелевых сталей применяют следующие виды обработки:

а) приварка твердосплавных пластин;

б) термическая обработка поверхности;

в) внедрение в поверхность металла кубического нитрида бора  газопламенным методом и др.

         Все эти способы влекут значительные затраты на приобретение дорогостоящего оборудования, содержание штата работников для его обслуживания. Данные финансовые затраты в итоге повышают стоимость выпускаемой продукции, снижая ее конкурентоспособность.

         В условиях современных экономических отношений решающим фактором при реализации изделия является его цена. Применение  перспективных и ресурсосберегающих технологий значительно сокращает затраты при производстве изделий. Наиболее перспективным способом повышения износостойкости и прочности поверхности изделий из нержавеющих хромоникелевых сталей является нанесение механически прочных металлокерамических, в частности, металлооксидных покрытий путем воздушно-термического оксидирования.

Для формирования на поверхности стальных колец шнека функциональных металлооксидных покрытий не требуется применение дорогостоящего оборудования, а по механической прочности и сопротивлению гидроабразивному износу такие покрытия, в ряде случаев, не уступают другим высокотвердым материалам, наносимым на стальные изделия распространенными электрофизическими методами обработки. Кроме того, защитное оксидное покрытие обеспечивает повышенную стойкость металла к химически агрессивным средам, таким как щелочи и кислоты, что немаловажно при эксплуатации шнековых центрифуг. 

Образующиеся на поверхности металлооксидные соединения в виде покрытия отличаются от металла основы повышенными механическими и  теплофизическими характеристиками, а также способностью длительное время сохранять свои функциональные свойства в условиях трения без разрушения металлооксидной матрицы. [1, 2].

Методика исследований

При проведении экспериментальных исследований опытными образцами являлись прямоугольные пластины площадью рабочей поверхности 2 см2 и толщиной 3 мм. Материалом образцов являлась нержавеющая хромоникелевая сталь 12Х18Н9Т (ГОСТ 5632-72). Поверхность пластинчатых образцов подвергалась пескоструйной обработке частицами корундового абразива Al2O3 дисперсностью 250 мкм при давлении воздушно-абразивной струи 0,67 МПа в течение 30 сек с целью создания исходной микрошероховатости, обеспечивающей повышенную прочность сцепления формируемого оксидного покрытия с металлической основой. После предварительной пескоструйной обработки стальные образцы проходили ультразвуковую очистку в спиртовом моющем растворе при частоте УЗ-колебаний 22 кГц в течение 3 мин для удаления имеющихся жировых загрязнений (пленок), ухудшающих взаимосвязь создаваемых оксидных слоев с металлом.

Пескоструйная обработка образцов проводилась на установке «Чайка-20», а их ультразвуковая очистка – в лабораторной УЗ ванне.

Воздушно-термическое оксидирование стальных образцов осуществлялось в экспериментальной трубчатой электропечи сопротивления в виде кварцевой трубки диаметром 40 мм с нихромовым спиральным нагревательным элементом и специальной асбестовой теплоизоляцией.

 Значения напряжения на нихромовом нагревателе задавались с помощью лабораторного автотрансформатора и соответствовали определенным значениям температуры воздушной окислительной атмосферы в рабочей зоне печи. Режим оксидирования предусматривал нагрев образцов в печи до температуры 250, 300, 350 и 4000С с выдержкой 0,5, 1,0 и 1,5 ч при каждой температуре.

Элементный состав покрытий определялся методом энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа (ЭДРФА) с использованием системы INCAPentaFETx3, OXFORD Instruments по спектрам химических элементов на нескольких микроучастках термооксидированной стальной поверхности.

Результаты экспериментальных исследований

Исследование морфологии покрытий методом РЭМ и определение элементного состава термических металлооксидов методом ЭДРФА проводились в режиме сочетания. При этом наряду с электронно-микроскопическим анализом структуры покрытий на трех участках оксидированной поверхности каждого образца снимались спектры химических элементов, входящих в ее состав (рис. 1, табл.).

          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Изображения термооксидированной поверхности нержавеющей стали 12Х18Н9Т, полученные методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) (маркером показаны участки определения химического состава покрытий)

 

Из результатов РЭМ можно сделать вывод, что при увеличении температуры оксидирования структура поверхности оксидного металлокерамического покрытия заметно изменяется (рис. 1). Наблюдается эффект повышения шероховатости поверхности при увеличении температуры и продолжительности оксидирования, что, в первую очередь, связано с образованием на поверхности нержавеющей стали покрытия с развитой микрокристаллической структурой оксидов.

По результатам ЭДРФА термооксидированных поверхностей стали 12Х18Н9Т, полученных воздушно-термической обработкой, построены графические зависимости процентного содержания химических элементов в покрытиях (рис. 2).

Данные результатов исследования элементного состава показали, что покрытия, в основном, состоят из кислорода, титана, хрома, марганца, железа, никеля, а также некоторых других элементов (алюминия, кремния), входящих в состав самого сплава, а режимы оксидирования существенно влияют на количественное содержание этих элементов в металлокерамическом покрытии (табл., рис. 2).

 

Таблица

Результаты энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа (ЭДРФА) термооксидного покрытия на стали 12Х18Н9Т, полученного воздушно-термическим оксидированием

 

Температура оксидирования   t, °С

Продолжительность оксидирования                   τ, ч

Содержание химических элементов в покрытии (ат. %)

Кислород

Титан

Хром

Марганец

Железо

Никель

250

0,5

16,2

0,36

12,64

0,42

45,19

5,72

1,0

20,6

0,89

12,76

0,39

48,45

5,93

1,5

34,9

0,52

10,97

0,51

37,59

4,51

300

0,5

23,5

0,33

10,79

0,05

40,15

5,15

1,0

25,5

0,4

11,96

0,36

44,75

5,41

1,5

26,0

0,56

11,78

0,05

41,52

4,99

350

0,5

22,3

0,26

11,26

0,08

43,28

5,31

1,0

21,5

0,5

12,49

0,36

47,62

5,55

1,5

31,1

0,51

10,22

0,19

39,23

4,96

400

0,5

33,1

0,75

9,79

0,13

35,4

4,3

1,0

26,6

0,44

11,08

0,34

43,32

4,91

1,5

37,2

0,44

10,79

0,32

37,55

4,24

 

Так, содержание кислорода в покрытии более чем в два раза увеличивается при t=250 °С, начиная с продолжительности оксидирования τ=0,5 ч (16,2 ат.%), и заканчивая τ=1,5 ч (34,9 ат.%). При повышенной температуре обработки, составляющей 400 °С, содержание кислорода достигает 37,2 ат.% при τ=1,5 ч.

Содержание титана в создаваемых покрытиях варьируется от 0,26 ат.% до 0,89 ат.% при различных режимах воздушно-термического оксидирования, принятых в эксперименте.

Хром в составе получаемых металлооксидных покрытий содержится в количестве от 9,79 ат.% до 12,76 ат.%, что существенно повышает прочностные характеристики и защитные свойства термооксидированной стальной поверхности.

Количественное содержание марганца в составе оксидных покрытий практически при всех режимах обработки имеет небольшие, так называемые «следовые» значения.

Железо содержится в повышенных количествах (до 48,45 ат.%), а содержание никеля слабо изменяется в зависимости от режимов оксидирования стали и достигает наибольшего значения, равного 5,93 ат.%.

Для хромоникелевой стали наиболее целесообразными технологическими режимами формирования оксидных покрытий воздушно-термическим методом являются:

- температуры оксидирования, равные 300°С и 350°С, т.к. указанные температуры обеспечивают получение покрытий с однородной микроструктурой поверхности;

- продолжительность оксидирования при этих температурах, составляющая от 0,5 ч до 1,5 ч, т.к. при данной продолжительности количественное содержание химических элементов в покрытии, придающих ему высокую антикоррозионную способность и твердость, имеет повышенные значения.

 


        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.  Зависимость содержания химических элементов в металлокерамических оксидных покрытиях стали 12Х18Н9Т от температуры и продолжительности оксидирования

 

          

Заключение

         Методом воздушно-термического оксидирования получены функциональные упрочняющие покрытия на нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н9Т, применяемой в центрифугостроении, в частности, в производстве шнековых осадительных центрифуг для очистки минеральных масел, загрязненных жидкостей и отходов промышленных производств от механических примесей.

Методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа (ЭДРФА) исследована поверхностная структура сформированных металлокерамических оксидных покрытий и определен химический состав термооксидированных поверхностей конструкционной нержавеющей стали.

Выявлены зависимости изменения количественного содержания химических элементов в составе покрытий от технологических режимов воздушно-термического оксидирования.

 

Литература

1. Родионов И.В. Фомин А.А. Ромахин А.Н. Применение процессов термического оксидирования для упрочнения поверхности стали 12Х18Н9Т// Технология металлов. №10,  2013. С. 24-32.

2. Родионов И.В., Фомин А.А., Ромахин А.Н. Газотермическое оборудование для получения упрочняющих оксидных покрытий на металлах и сплавах различного назначения // Упрочняющие технологии и покрытия. №9 (105), 2013. С. 24-30.