Технічні науки / Галузеве машинобудування

Середа Б.П., Грицай В.П., Іванов В.І., Моісейко Ю.В.

Запорізька державна інженерна академія

ФОРМУВАННЯ БАГАТОКОМПОНЕНТНИХ СИЛІЦІЙОВАНИХ ПОКРИТТІВ, ОДЕРЖАНИХ МЕТОДОМ СВС

Одним з недоліків хіміко-термічної обробки є мала товщина дифузійних шарів, що у ряді випадків не дозволяє забезпечити високі експлуатаційні характеристики деталей машин.

Для інтенсифікації процесу насичення багатокомпонентних силіційованих шарів здійснювали хіміко-термічну обробку за умов саморозповсюджуючого високотемпературного синтезу (СВС) [1-3]. Насичення металів і сплавів декількома елементами певною мірою дозволяє об’єднати позитивні сторони процесу насичення окремими елементами.

Хромоалюмосиліційовані сталі відрізняються більшою корозійною стійкістю, чим хромовані, та більшою в’язкістю, чим силіційовані. Прискорення процесу дифузії за умов СВС проводили з використанням трьох позитивних моментів цього явища. За наявності в СВС-суміші додавань, що утворюють рідинну металеву фазу, тривалість процесу формування дифузійних шарів зменшується у 7…10 разів. Тому в СВС-суміші вводили порошок міді. Встановлено, що її оптимальний вміст у порошковій суміші знаходиться в межах 4…7 %. Додавання більшої кількості міді призводить до значного спікання СВС-суміші в результаті утворення порошкових евтектичних композицій на основі даного металу, введення меншої її кількості суттєво впливає на товщину дифузійного шару.

Хромоалюмосиліціювання з додаванням міді (5 %) виконували в сумішах, що містять 10 % кремнію або 20 % крем’янистої складової. Дифузійний шар наносили на технічне залізо, сталі 20, 45 і У8А та чавун СЧ 15. Насичення проводили за температури 950…1050 °С протягом 15…30 хвилин.

До складу СВС-суміші вводили оксид хрому (Cr₂O₃) – постачальник хрому, алюміній – постачальник алюмінію, оксид кремнію або порошок кремнію – постачальники кремнію. Як інертне додавання використовували оксид алюмінію, як газотранспортний агент – хлорид амонію, як елементу, що створює евтектичні композиції – порошок міді. Покриття одержували в режимах горіння та теплового самозаймання.

Під час відновлення оксидів хрому й алюмінію, у першу чергу, спостерігали відновлення менш міцного оксиду (Cr₂O₃), а потім, у міру зменшення його вмісту в суміші, має місце відновлення оксиду кремнію.

Під час процесу хромоалюмосиліціювання одержання активних атомів є можливим через створення галогенидів хрому, кремнію й алюмінію, а також їх розкладання на поверхні металу за реакцією диспропорціонування.

Коефіцієнт дифузії кремнію в g-залізі приблизно у двадцять разів більше, ніж коефіцієнт дифузії хрому та алюмінію. Дифузія кремнію у технічно чисте залізо та залізовуглецеві сплави супроводжується перебудовою g-решітки на a-решітку, що полегшує подальшу дифузію хрому та алюмінію. У чистому залізі перетворення g Þ a відбувається за вмістом кремнію в твердому розчині, що дорівнює 2,15 %. Отже, за сумісної дифузії хрому, кремнію й алюмінію швидкість формування дифузійного шару повинна бути вище, ніж під час проведення окремих операцій.

Для одержання шарів значної товщини вибрали режим евтектичного плавлення. Під час збільшення вмісту вуглецю у підкладці товщина шару зменшується, шар стає компактним і менш пористим.

Швидке зменшення глибини дифузійних шарів у міру зростання вмісту вуглецю від технічного заліза до сталі 20 можна пояснити тим, що швидке дифузійне відведення вуглецю з підшару ускладене його низькою концентрацією. В цьому разі вуглець не дифундує у об’єми металу, які віддалені від шару, а накопичується в підшарі, оскільки для розсмоктування даного вуглецевого підшару градієнт концентрації вуглецю є ще недостатньо великим та не забезпечує його відведення в глиб металу з швидкістю, що дорівнює або більше ніж швидкість зростання дифузійного ферритного шару.

Вплив вуглецю на швидкість силіціювання не виявлявся б так різко у разі можливості виділення частини вуглецю, що міститься в підшаровій високовуглецевій зоні, у вигляді карбіду (що має місце, наприклад, під час борування сталі У8А). Таким чином, під час силіціювання відтиснення вуглецю із шару, що зростає, відбувається у напрямі від маловуглецевих об’ємів до високовуглецевих об’ємів, тобто переміщення вуглецю спостерігається у напрямі пониження його термодинамічної активності. Причиною підвищення термодинамічної активності, що спричинює висхідну дифузію, може слугувати не тільки наявність третього компоненту, кремнію, у системі «залізо-вуглець», але й градієнт температури.

Література

1. Мержанов А.Г. Процессы горения и синтез материалов / Под ред. В.Т.Телепы и А.В.Хачояна. – Черноголовка: ИСМАН, 1998. – 512 с.

2. Середа Б.П., Скачков В.О., Іванов В.І., Усенко Ю.І. Хромування сталей методом газотранспортних СВС-реакцій // Металознавство та обробка металів. – 1999. – № 4. – С. 40-45.

3. Середа Б.П. Теория строения жидкого, кристаллического иаморфного состояния веществ. – Запорожье: ЗГИА, 2002. – 149 с.