Технические науки/1. Металлургия

Магистрант Байконурова Т.С.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан.

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК, ИСПОЛЬЗУЯ СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПОКРЫТИЯ.

Введение

Коррозионные явления - причина производственных и бытовых аварий, а иногда и настоящих экологических катастроф. Любой может понять то, насколько важна качественная и эффективная защита от коррозии с применением традиционных и новейших средств и методов.

Полностью избежать коррозии, когда речь идет о стальных сплавах и металлах, невозможно. А вот задержать и снизить негативные последствия ржавления вполне реально. Для этих целей нынче существует множество антикоррозионных средств и технологий.

Использование покрытий дает возможность объединять свойства двух и более материалов (подложки и покрытия), в результате чего получившаяся система обладает характеристиками, которые не могут быть получены при использовании одного материала. Выбор конкретной системы покрытия определяется балансом между результатами и затратами, т.е. соотношением между улучшением эксплуатационных характеристик изделия и стоимостью нанесения соответствующего покрытия.

Среди множества различных методов нанесения покрытий особое место занимают вакуумные ионно-плазменные методы, в которых используется низкотемпературная газоразрядная плазма.

Цель исследования

Чтобы обеспечить хорошую защиту от коррозии покрытие должно быть сплошным, иметь хорошую адгезию с основным металлом (сцепление), быть непроницаемым для агрессивной среды, равномерно распределятся по поверхности, обладать высокой износостойкостью, жаростойкостью и твердостью.

Для достижения поставленной цели, было применено магнетронное распыление.

Материал и методы исследования

За материал исследования в настоящей работе приняты четвертичные покрытия Cr-Al-Si-N. Под методами исследования в данной работе можно понимать способы нанесения покрытий.

Для исследований процессов Пленки Cr-Al-Si-N осаждали на зеркальных полированных подложках из нержавеющей стали. Для сравнения также было изготовлено чистое покрытие CrN. 

Исследование проводилось на комбинированной установке магнетронного, ионного распыления и ионной имплантации.

На Рисунке 1 показана схема гибридной системы покрытий. На противоположных сторонах вакуумной камеры были установлены распылитель для источника Al-Si и дугового катодного пистолета для источника Cr. Держатель вращающейся подложки располагался на прямой линии между двумя источниками с расстояниями 350 и 250 мм от дуги и источника распыления до держателя подложки, соответственно.  Чтобы увеличить скорость распыления во время процедуры осаждения, газ аргона (98-99%) вводился в окружающую среду мишеней Cr и Al-Si, соответственно, с общим газовым потоком 50 см³, и азотный газ вводили вблизи держателя подложки.  Перед осаждением ионную бомбардировку проводили Ar-тлеющим разрядом в течение 10 минут с постоянным смещением 800В при 0,8 Па. Мощность варьировалась от 0 до 1 кВт для получения покрытий, легированных Al-Si. Время осаждения составляло 90 мин, за исключением покрытия CrN (120 мин), и температуру осаждения фиксировали при 300⁰С. Держатель подложки непрерывно вращался при 10 об/мин во время процесса осаждения, что привело к образованию однородной текстурной пленки на подложках. 

Рисунок 1. Принципиальная схема системы гибридного осаждения, объединяющая ионное распыление и импульсное магнетронное распыление с высокой мощностью.

Результаты исследования и их обсуждение

Из 2 а-с видно, что не только количество макрочастиц и плотность меняются, но и топографии меняются. Для более четкого исследования поверхностных топографий на пленке была исследована серия пленок Cr-Al-Si-N на электронном растровом микроскопе с различной мощностью Al-Si.  На рисунке 2 a наблюдаются большие и грубые, конусообразные столбчатые структуры. Однако при увеличении целевой мощности Al-Si высоты конусообразных вершин были значительно уменьшены. Когда целевая мощность Al-Si увеличилась до 1 кВт, конусная столбчатая структура почти исчезла. Было обнаружено, что добавление Si в пленку оказало значительное влияние на ее микроструктуру, которая стала мельче по размеру зерен и более случайным образом ориентирована в кристаллографическом направлении.

Рисунок 2. Поперечные морфологии покрытий Cr-Al-Si-N в зависимости от мощности мишени Al-Si (a) 0 кВт; (б) 0,4 кВт; (c) 1 кВт.

Можно сделать вывод, что при уменьшении зерен структуры, увеличивается твердость, что в свою очередь увеличивает износостойкость покрытия.

Также образцы были испытаны в 3,5-% раствора NaCl. Покрытия Cr-Al-Si-N показали более положительный потенциал коррозии и меньшую плотность тока, чем плотность стали с покрытием CrN и без него. Этот результат показал, что покрытия Cr-Al-Si-N обладают лучшей коррозионной стойкостью и могут работать как защитный барьер против коррозионной реакции на подложке. Улучшение характеристик коррозии можно объяснить более плотной структурой, которая может эффективно ограничивать диффузионные пути коррозионной среды. Это покрытие Cr-Al-Si-N может стать перспективным кандидатом для применения при высокотемпературном износе, окислении и коррозии.

Рисунок 3. РЭМ-изображения стали ( a , e ) сталь, ( b , f ) CrN, ( c , g ) Cr-Al-Si-N (0,4 кВт) и ( d , h ) Cr-Al-Si -N (1 кВт) после коррозионных испытаний в водном растворе 3,5-% NaCl.

Выводы

Таким образом, приведенные в статье результаты применения тонкопленочных покрытий при производстве деталей к которым предъявляются определенные требования, показали их высокую эффективность использования в качестве коррозионной защиты. Тем самым повышает уровень механических, технологических свойств стальных изделий.

Литература:

1. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии. – М.: Физматлит, 2002.

2.  Туфанов Д.Г. Коррозионная стойкость нержавеющих сталей, сплавов и чистых металлов: Справочник. 5-е изд. - М.: Металлургия, 2003. 320 с.

3. Газотермическое напыление. - М.: Маркет ДС, 2007. - 344 c.
4. Кузьмичев, А. Магнетронные распылительные системы. Книга 1. Введение в физику и технику магнетронного распыления / А. Кузьмичев. - М.: Аверс, 2008. - 246 c.