Підвищення властивостей сталей і твердих сплавів нанесенням багатошарових карбідних та карбооксидних дифузійних покриттів на основі титану, ванадію і хрому

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. У сучасній промисловості при вирішенні проблеми підвищення експлуатаційних властивостей деталей машин, штампів та інструменту великого значення набувають розроблення та впровадження нових технологічних процесів з нанесення захисних зносостійких покриттів.

Останнім часом знайшли широке застосування тугоплавкі сполуки, які в якості захисних покриттів суттєво підвищують працездатність деталей машин, термін служби інструменту в умовах тертя ковзання, кавітації, дії високих температур та агресивних середовищ. До таких покриттів можна віднести одно - та багатошарові покриття на основі карбідів, нітридів, боридів перехідних металів IV-VI груп періодичної системи отримані методами хіміко-термічної обробки. Значні досягнення в галузі нанесення покриттів було зроблено відомими вченими-металознавцями В.Ф. Лоскутовим, П.І. Мельником, М.В. Лучкою, В.Є. Панаріним, О.В. Білоцьким, М.В. Кіндрачуком.

Вибір оптимального складу покриття та технології його нанесення визначається умовами експлуатації певного виробу. При цьому повинні бути враховані такі властивості та характеристики матеріалу основи і покриття як: міцність, твердість, коефіцієнти термічного розширення, жароміцність тощо. Відомо, що порядок розташування в багатошарових покриттях таких сполук, як карбіду TiC, нітриду TiN та оксиду Al2O3, буде визначати перевагу тих чи інших властивостей та характеристик. Наприклад, певна послідовність розташування шарів Al2O3 - TiN - TiC дає можливість отримати покриття з максимумом хімічної стабільності, стійкості до лункоутворення при експлуатації різального інструмента, а розташування TiN - Al2O3 - TiC забезпечує мінімальний коефіцієнт тертя покриття по сталі.

У свою чергу, вибір складу покриття та порядку розташування окремих шарів визначається властивостями та характеристиками фазових складових. Відомо, що високу мікротвердість покриттям надає карбід титану TiC - 30-40 ГПа, мікротвердість нітриду титану TiN та оксиду Al2O3 - на рівні 20-25 ГПа, карбіду ванадію VC - 23-25 ГПа, карбіду цирконію ZrC - 26-28 ГПа, карбідів хрому Cr7C3, Cr23C6 - 16-18 ГПа. Для забезпечення високої термічної стабільності та хімічної інертності найкраще використовувати оксиди. Це підтверджується тим, що вільна енергія утворення оксиду Al2O3 становить -1582,6 кДж/моль і -1360,7 кДж/моль відповідно при температурах 298 К і 1000 К. Для порівняння вільна енергія утворення нітриду титану і карбіду титану становить -309,8 кДж/моль і -180,0 кДж/моль при 298 К відповідно.

У теперішній час використовується велика кількість методів нанесення на вироби різноманітних покриттів. Кожен із них, маючи певні особливості, забезпечує отримання покриттів, які відрізняються за складом, структурою, щільністю, адгезією і комплексом корисних властивостей. Слід зазначити, що дифузійні покриття на відміну від покриттів, отриманих іншими методами, характеризуються поєднанням стабільності властивостей в різних умовах експлуатації, високою адгезією з основою за рахунок значного проникнення насичуючих елементів в основу, а елементів основи в покриття. Експериментально встановлено, що особливо високі показники механічних, корозійностійких, трибологічних властивостей мають багатокомпонентні покриття з більш ніж двома фазами проникнення. Але регулярних досліджень в цьому напрямку не проводилося і лишається перспективним розробка нових складів та технологічних прийомів хіміко-термічної обробки нанесення багатошарових дифузійних покриттів.

Таким чином, дослідження спрямовані на розроблення процесів багатокомпонентного дифузійного насичення сталей і твердих сплавів карбідоутворюючими елементами IV-VI груп періодичної системи є актуальними, а створені на основі нової технології отримання покриттів конкурентоспроможні у сучасній промисловості.

Мета роботи й завдання дослідження: отримання на сталях та твердих сплавах комплексних дифузійних багатошарових покриттів, які мають в своєму складі карбіди і оксиди титану, ванадію, хрому. Встановлення особливостей механізму структуроутворення цих покриттів та розроблення оптимальних режимів дифузійної металізації для формування захисних шарів з підвищеними експлуатаційними властивостями.

Відповідно до мети в роботі були поставлені такі задачі:

1. Дослідження фізико-хімічних умов насичення сталей 45, У8А, ШХ15 та твердих сплавів ВК8 і Т15К6 титаном, хромом - титаном, хромом - ванадієм, хромом - титаном - киснем у закритому реакційному просторі за умов зниженого тиску в середовищі хлору.

2. Визначення фазового та хімічного складу, мікроструктури, кінетики росту багатошарових покриттів.

3. Вибір технологічних параметрів процесу нанесення багатошарових покриттів в одному технологічному циклі при послідовному введенні в реакційний простір порошків хрому, титану і ванадію.

4. Дослідження впливу дифузійної металізації на мікротвердість, зносостійкість, жаростійкість та корозійну стійкість сталей та твердих сплавів.

5. Встановлення впливу дифузійних покриттів на експлуатаційні характеристики твердих сплавів в умовах різання.

1. Інформація про методи отримання покриттів

Розглянуто методи хімічного і фізичного осадження тугоплавких сполук та наведена галузь їх застосування, розглянуто методи хіміко-термічної обробки з властивими їм перевагами та недоліками. Наведено характеристики відомих багатокомпонентних покриттів.

На основі проведеного аналізу літературних джерел для отримання багатокомпонентних покриттів вибрано найбільш економічно доцільний і відносно екологічно чистий метод дифузійної металізації в закритому реакційному просторі у середовищі хлору. Показано перспективність створення та дослідження багатофазових карбідних і оксидних покриттів.

2. Відомості про використані матеріали, методику отримання покриттів, а також методи досліджень, які були використані в ході виконання дисертаційної роботи

З метою отримання даних щодо властивостей матеріалів із нанесеними покриттями в якості матеріалу основи було обрано тверді сплави ВК8, Т15К6, вуглецеві сталі Сталь20, Сталь45, У8А, У10А та армко- залізо. Основними вимогами до твердих сплавів, які використовуються для різального інструменту, є висока міцність та твердість. Вуглецеві сталі після відповідної термічної обробки використовують для різноманітних деталей в усіх галузях машинобудування. З інструментальних сталей виготовляють різальний, штампувальний інструмент тому вони повинні мати високу твердість та міцність.

Як вихідні реагенти, застосовували порошки титану, хрому, ванадію та активатор чотирихлористий вуглець. Для підвищення вуглецювальної здатності насичуючого середовища в реакційний простір додатково вводили деревне вугілля або на дні камери розміщували графітову вставку.

Покриття наносили в оригінальній установці, розробленій на базі шахтної електропечі опору, процес насичення реалізували в спеціальній герметичній металевій камері.

Рентгеноструктурний аналіз зразків проводили на установці ДРОН УМ-1 у мідному монохроматизованому випромінюванні. Отримані результати обробляли за допомогою програми Powder Cell 2.2. Для визначення хімічного складу покриттів застосовували електронно-зондовий рентгенівський мікроаналізатор Cameca SX-50, скануючий електронний мікроскоп Jeol JSM-6490LV з спектрометром. Мікроструктурні дослідження проводили на мікроскопі NEOPHOТ-21 в інтервалі збільшень 200 - 1000 разів. Визначення мікротвердості і товщини отриманих шарів здійснювали на приладі ПМТ-3 шляхом вдавлювання алмазної чотиригранної піраміди при навантаженнях 0,2 - 0,5 Н. При визначенні жаростійкості покриттів використовували диференціальний термічний аналіз на дериватографі марки Q- 1500D. Жаростійкість сталей із карбідними та карбооксидними покриттями досліджували в інтервалі температур 20 - 950°С протягом 60 хвилин. Корозійну стійкість карбідних покриттів оцінювали за зміною маси зразків після визначеного часу в хімічно активному середовищі. Для дослідів виготовлялися зразки з попередньо нанесеними покриттями і без покриттів. При визначенні зносостійкості твердих сплавів був використаний метод «зворотного обертання шпинделя». Основою методу є імітація реальних умов різання шляхом виключення безпосередньо самого процесу різання і заміни його тертям за рахунок зміни напрямку обертання шпинделя.

3. Дослідження фізико-хімічних умов процесу дифузійного насичення сталей і твердих сплавів карбідоутворюючими елементами Ti, V, Cr

Для обґрунтування вибору технологічних параметрів нанесення захисних покриттів у даній роботі проведено аналіз фізико-хімічних умов насичення, який базується на термодинамічному підході і спрямований на теоретичне визначення рівноважного стану реакційного середовища. Для проведення розрахунків використовували пакет прикладних програм «Астра», який дозволяє спрогнозувати утворення тих чи інших фаз у реакційному просторі за заданих умов.

Аналіз теоретичних розрахунків показав, що:

- збільшення відношення атомів метал / хлор супроводжується підвищенням парціального тиску вищих хлоридів. У газовій фазі перебувають хлориди металів, причому при збільшенні температури їх парціальний тиск зростає;

- в конденсованому стані утворюються карбіди металів TiC, Cr3С2, Cr7С3, Cr23C6, VC. Карбіди титану, хрому і ванадію стабільно існують в інтервалі досліджуваних температур;

- у системах за участі кисню і азоту в конденсованому стані в досліджуваному інтервалі температур встановлено наявність оксидів Ti2O3, Ti4O7, Cr2O3, V2O3, також можливе утворення нітридів;

- оксиди титану, хрому, ванадію стабільно існують при 600 - 1500 К при відношенні кисню до хлору 1:6, при збільшенні кількості хлору - зменшенні кисню оксиди перехідних металів існують в конденсованому стані в області низьких температур.

Аналіз отриманих результатів показав можливість нанесення карбідних та оксидних покриттів на основі титану, хрому і ванадію на сталі та тверді сплави.

4. Відомості щодо методики нанесення багатошарових карбідних і карбооксидних покриттів, підбору оптимального складу вихідних компонентів

Показано можливість отримання багатошарових покриттів методом дифузійної металізації в одному технологічному циклі.

Процес реалізується в герметичній металевій камері (рис. 1). У реторту 10 вставляється графітове дно 15 або додається експериментально підібрана кількість вуглевмісної домішки, чашечка 6 з порошком хрому і розміщеними на підвісці зразками 11. В стакан кришки 13, заблокований конусним затвором 14, засипається порошок титану (ванадію) і затвор фіксується в нерухомому стані за допомогою магнітів 1 та 12. Герметичність між кришкою 2 та корпусом 10 забезпечується за допомогою ущільнювального елемента 3. Нагрівання ведеться до температури 1050°С при постійному відкачуванні повітря. Температура в печі контролюється термопарою. При виході на температурний режим припиняється відкачування повітря. Через вакуумний кран 7 у робочий простір вводиться CCl4, який, взаємодіючи з порошком хрому, утворює його хлориди.

Рис. 1. Удосконалена водоохолоджувана герметична камера (реторта) з магнітним конусним затвором

Процес хромування триває протягом 2-2,5 годин при температурі насичення. Надалі проводиться повторне введення CCl4 через вакуумний кран та подача порошку титану (ванадію) із стакана 13 шляхом роз'єднання магнітно-конусного затвора. Порошок титану (ванадію) ізолює хром від реакційного середовища, що приводить до утворення хлоридів титану (ванадію). Процес титанування (ванадіювання) триває протягом 2 годин.

Для реалізації процесу хромо-титано-оксидування на етапі переходу від хромування до титанування в реакційний простір запускалася експериментально підібрана кількість повітря з витримкою 2-10 хв. і подальшим введенням CCl4.

Фазовий склад і основні характеристики карбідних покриттів (товщина, мікротвердість, мікрокрихкість та ін.) визначаються температурно - часовими умовами ведення процесу насичення і кількістю вихідних реагентів. Тому при розробленні нових методів насичення необхідно встановити оптимальні технологічні параметри.

При хромотитануванні кількість вуглевмісної домішки становить 0,03-0,035 кг/м2. Витрати чотирихлористого вуглецю на першому етапі хромування становлять 0,7-0,72л/м3, на другому етапі титанування 0,45-0,5л/м3. При хромованадіюванні кількість вуглевмісної домішки - 0,03-0,035 кг/м2. Витрати чотирихлористого вуглецю - 0,73-0,75л/м3 при хромуванні та 0,6-0,65 л/м3 при ванадіюванні.

У роботі також проводилися експерименти з отримання комплексних багатошарових покриттів за участі карбідів та оксидів перехідних металів.

Особливістю процесу є те, що на другому етапі насичення у формуванні покриття, разом з титаном і вуглецем, приймає участь кисень. Це призводить до утворення гетерогенної структури. Впливу азоту повітря на формування покриттів не виявлено. За даними експериментальних досліджень встановлено оптимальну кількість джерела кисню - повітря, яке вводиться в реакційний простір шляхом заповнення камери через вакуумний кран 7 (рис. 1). Максимальна товщина покриттів спостерігається в інтервалі 0,5-1 заповнення реакційної камери повітрям. Слід відзначити, що гетерогенні покриття значно товщі, ніж карбідні покриття отримані без участі кисню. Аналіз отриманих даних показав, що ефект збільшення товщини комплексних покриттів особливо значний при обробці твердих сплавів.

5. Дослідження фазового та хімічного складу, структури і кінетики росту покриттів

Комплексні карбідні і карбооксидні покриття на основі титану, ванадію та хрому мають різноманітні властивості, які визначаються типом і складом фаз, що утворюються в процесі насичення.

За результатами рентгеноструктурного аналізу покриттів отриманих послідовним хромотитануванням на сталі У8А спостерігається присутність фаз ТіС і Cr7C3. На твердих сплавах та низьковуглецевій сталі 20 внаслідок недостатньої кількості вуглецю в основі утворюється карбід хрому Cr23C6. Для хромованадієвих покриттів на сталі У8А характерне утворення шарів Cr23C6 і VC.

Аналіз результатів досліджень фазового складу покриттів показав, що матеріал основи впливає на формування як фазового складу, так і на параметри кристалічних граток отриманих фаз, зі збільшенням вмісту вуглецю в сталях періоди кристалічних граток карбідів TiC, VC зростають.

Мікрорентгеноспектральним аналізом хромотитанованої сталі У8А встановлено, що карбід титану, який знаходиться на зовнішньому боці покриття, містить 1,7-2,1%(мас.) заліза і 1,3-1,9%(мас.) хрому.

При хромотитануванні твердого сплаву Т15К6 на поверхні формується покриття з карбіду хрому Cr23C6 і карбіду титану ТіС. У карбіді титану ТіС розчинено близько 2,22%(мас.) хрому та 1.82%(мас.) кобальту. Джерелом кобальту буде основа, хрому - швидше за все газова фаза, в якій частково залишилися хлориди хрому. У той самий час відбувається легування титаном 1,29%(мас.) карбіду хрому. Дифузія хрому в основу не спостерігається.

Хромованадіювання сталі У8А призводить до утворення пошарової структури з чітко вираженими зонами. Верхній шар містить ванадій і вуглець, що відповідає карбіду ванадію VC, в якому розчинено залізо до 0,5%(мас.). Безпосередньо під ним розташований шар карбіду хрому Cr23C6, у верхній частині якого спостерігаються включення складу: Cr-68,50%(мас.), Fe-14,04%(мас.), V-17,46%(мас.). В карбіді хрому розчиняється 9,9%(мас.) заліза, до того ж спостерігається незначний вміст хрому та ванадію в перехідній зоні Cr-2,6%(мас.), V-1,3%(мас.).

Був проведений мікрорентгеноспектральний аналіз оксихромотитанованого твердого сплаву ВК8.

У карбооксидних покриттях на сплаві ВК8, за даними рентгеноструктурного та металографічного аналізів, виявлена складна гетерогенна структура з добре вираженими зонами окремих складових: карбідів і оксидів насичуючих металів.

Розподіл елементів у покриттях та основі можна визначити за їх характеристичним рентгенівським випромінюванням.

Максимальна концентрація титану має місце на поверхні покриття, що відповівдає фазі TiC. Центральна зона покриття збагачена киснем, який разом із вуглецем і хромом утворює складний карбооксид Me2O3.

Комплексне послідовне дифузійне насичення двома карбідоутворюючими елементами в одному технологічному циклі формує пошарову структуру. При послідовному дифузійному хромотитануванні в одному технологічному циклі формується покриття, яке складається з шару карбіду хрому, що прилягає до основи і шару карбіду титану, який знаходиться зовні.

На сталі У8А після насичення хромом протягом 3 годин і титаном протягом 1 години при температурі 1050°С утворюється карбідне покриття загальною товщиною близько 20 мкм. Причому зона карбідів хрому складається з двох шарів - Cr7C3 і Cr23C6.

Послідовне хромованадіювання проводили при температурі 1050°С і часу витримки 2 години хромування і 2 години ванадіювання. Загальна товщина хромованадієвого шару на сталі 45 становить 12,0-14,0 мкм, а на сталі У8А 15-17 мкм.

У роботі показано, що залежність товщини покриттів від тривалості насичення близька до параболічної, це підтверджує дифузійний характер процесів при ХТО.

У перші години насичення спостерігається максимальна швидкість росту покриттів, яка в подальшому поступово дещо зменшується. Такі зміни в кінетиці росту обумовлені впливом швидкості дифузії вуглецю в основі до покриття і через покриття до границі розділу з насичуючим середовищем.

На основі проведених досліджень запропоновано механізм формування карбооксидного покриття, який складається з наступних етапів: хромування сталей та твердих сплавів з утворенням шару, який складається з карбідів хрому Cr7C3+Cr23C6, окислення шару карбіду хрому Cr23C6 з утворенням оксидів Cr2O3, титанування в процесі якого з поверхні утворюється карбід титану, а оксид легується титаном із утворенням (Cr,Ti)2O3.

6. Відомості щодо властивостей отриманих покриттів на сталях та твердих сплавах

Захисні карбідні та карбооксидні покриття дозволяють підвищити комплекс властивостей сталей та твердих сплавів. Відмінною рисою отриманих захисних покриттів на основі карбідів перехідних металів є висока мікротвердість, абсолютне значення якої визначається типом і складом утворених фаз (табл.1). Найбільш раціональні, як для сталей, так і для твердих сплавів, є карбооксидні покриття, які забезпечують поступове зменшення мікротвердості від поверхні до основи.

Працездатність деталей машин та інструмента з захисними покриттями залежить значною мірою від жаростійкості покриття, яка є однією з найважливіших фізико-хімічних характеристик. Результати отримані при дослідженні жаростійкості сталевих зразків із покриттями після титанування та послідовного хромотитанування показали, що на кривих ДТА протягом часу спостерігається наявність двох піків при температурах 642°С і 915°С. Перший відповідає поліморфному перетворенню ТіО2 (б-анатаз) > ТіО2 (в-анатаз), другий - ТіО2 (в-анатаз) > ТіО2 (рутил), які супроводжуються поглинанням тепла (рис.7).

Однокомпонентні покриття на основі карбіду титану мають жаростійкість нижчу, ніж комплексні. На кривих зміни маси (ТГ) та швидкості зміни маси (ДТГ) зразків сталі У8А після титанування при температурі 660°С починається інтенсивне окислення. Покриття, одержані послідовним насиченням хромом і титаном, незначно окислюються в інтервалі температур 760 -780°С.

У роботі досліджено вплив карбідних покриттів на корозійну поведінку сталей. Корозійні властивості карбідних шарів залежать від складу і структури покриття, а також значною мірою від корозійного середовища. Встановлено, що при нанесенні на поверхню сталі У8А двокомпонентного покриття Cr - Ti корозійна стійкість збільшується в 7,4 рази, карбіду титану 1,7 рази, карбіду хрому 3,9 рази. Таким чином, двокомпонентні титано-хромові покриття мають більшу корозійну стійкість, ніж однокомпонентні. При цьому найбільший вплив на гальмування корозії мають хромові покриття. Зіставлення захисних властивостей двокомпонентних шарів показало, що при корозії в морській воді і в 10% HCl хромованадієве покриття має більші захисні властивості, ніж хромотитанове, але поступається йому в таких кислотах, як 10% H2SO4 і 10% HNO3. Це пов'язано з різною корозійною стійкістю в названих середовищах відповідних карбідів перехідних металів.

Було досліджено зносостійкість і експлуатаційні властивості твердих сплавів із захисними покриттями. Зносостійкість різального інструмента є однією з його найважливіших характеристик.

Як методику визначення трибологічних характеристик було запропоновано метод «зворотного обертання шпинделя». У роботі було проведено випробування твердого сплаву Т15К6 з комплексними покриттями на основі карбідів титану, хрому, ванадію і оксикарбідними покриттями.

Порівняння проводили з твердосплавними пластинами тієї ж партії без покриття. Режими випробування підбирались так, щоб вони імітували процес різання для чистової обробки. Випробування проводили при різних швидкостях різання в діапазоні від 1,6 до 3,2 м/с, а також при різному навантаженні. Контактні навантаження, які виникали на задній поверхні різального інструмента, знаходилися в діапазоні 10-80 МПа. Час випробувань в усіх випадках був однаковий і становив 60 секунд. На рисунку 8 наведено графік залежності величини зносу випробуваних різальних матеріалів від контактного навантаження, яке виникає на задній поверхні різального інструмента.

Аналіз наведених результатів показав, що найкращу зносостійкість мають твердосплавні пластини з гетерогенними карбооксидними покриттями.

Коефіцієнт збільшення стійкості визначали як відношення часу стійкості пластин з покриттями до часу стійкості без покриттів. За період випробувань вибирали час до утворення лунки зносу по заданій поверхні 0,7мм. Випробування проводили при повздовжньому точінні заготовок, виготовлених зі сталей різних класів і міді. Істотний вплив на стійкість багатогранних пластин має фазовий склад карбідних покриттів.

Висновки

багатошаровий реакційний дифузійний ванадій

В дисертації викладені результати досліджень, які були отримані при вирішенні науково-технічної задачі створення багатошарових карбідних та карбооксидних гетерогенних покриттів, вивченні їх структури і властивостей, у створенні технології багатокомпонентного дифузійного насичення сталей та твердих сплавів карбідоутворюючими елементами та киснем в одному технологічному циклі.

1. Дослідження фізико-хімічних умов отримання карбідних і карбооксидних покриттів у закритому реакційному просторі за умов зниженого тиску показали, що для систем Ti-C-Cl, V-C-Cl, Cr-C-Cl збільшення вмісту металів супроводжується підвищенням парціального тиску вищих хлоридів металів. При підвищенні температури процесу парціальний тиск хлоридів зростає. У конденсованому стані в інтервалі температур 600-1500К вірогідне існування карбідів металів TiC, Cr3С2, Cr7С3, Cr23C6, VC, в системах за участі кисню і азоту в конденсованому стані спостерігається наявність оксидів Ti2O3, Ti4O7, Cr2O3, V2O3. Оксиди титану, хрому, ванадію стабільно існують в інтервалі температур 600 - 1500 К при відношенні кисню до хлору 1:6, зменшення кількості кисню призводить до стабільного існування оксидів лише в області низьких температур.

2. Вперше при визначенні фазового і хімічного складів, структури та особливостей формування комплексних покриттів:

- встановлено, що при хромотитануванні вуглецевих сталей 45 і У8А на поверхні утворюється карбідне покриття з шарів карбідів Cr7C3,Cr23C6,ТіС; за аналогічних температурно-часових умов насичення на сталі 20 та твердих сплавах Т15К6 і ВК8 дифузійний шар складається з карбідів Cr23C6,ТіС. Дифузійні шари, отримані хромованадіюванням, складаються з карбіду хрому Cr23C6 і карбіду ванадію VC;

- вперше показано, що на поверхні карбооксидних покриттів знаходиться шар карбіду титану TiC, під яким розташована зона, яка складається з карбіду хрому Cr23C6 і оксиду Ме2О3 , безпосередньо під нею знаходиться шар Cr7C3, що межує з основою;

- підтверджено, що елементи основи розчиняються в покриттях, а елементи покриття в основі. Розчинність заліза в карбіді титану досягає 1,9%(мас.), у карбіді хрому Cr23C6 20,0%(мас.), у карбіді ванадію 0,5%(мас.);

- визначено, що оксиди в комплексному покритті містять титан і хром, що дає можливість ідентифікувати оксидну фазу як (Cr,Ti)2O3;

- мікроструктура карбооксидних покриттів гетерогенна і складається з карбідів хрому та титану і оксиду (Cr,Ti)2O3. Встановлено, що оксиди мають витягнуту форму і орієнтовані перпендикулярно до границі розділу покриття-основа. Їх довжина коливається в інтервалі 6-15мкм, а ширина 2-3 мкм. Ближче до основи оксидні включення мають рівновісну форму і розміри до 1 мкм;

- досліджено кінетику росту карбідних покриттів, які формуються при комплексному насиченні сталей і твердих сплавів. При прийнятих умовах залежність товщини покриттів від часу насичення має параболічний характер. За збільшенням товщини на сталях і твердих сплавах покриття можна розташувати в такий ряд: VC>TiC>(Cr7C3+Cr23C6)>Cr23C6+VC>(Cr7C3+Cr23C6)+TiC> Cr7C3+(Cr23C6+Me2O3)+TiC;

- запропоновані раціональні температурно-часові параметри процесів комплексного багатокомпонентного насичення сталей і твердих сплавів;

3. На основі проведених досліджень запропоновано механізм формування карбооксидного покриття, який складається з наступних етапів: хромування сталей та твердих сплавів з утворенням шару з карбідів хрому Cr7C3+Cr23C6, окислення шару карбіду хрому Cr23C6 з утворенням оксидів Cr2O3, титанування в процесі якого утворюються карбід титану ТіС і оксид (Cr,Ti)2O3. Можна вважати, що значна товщина комплексних покриттів зумовлена присутністю оксидів у структурі покриття в кількості 30-40%.

4. Розподіл мікротвердості по товщині багатошарових покриттів характеризується поступовим її зменшенням від поверхні до основи. Так, мікротвердість карбіду титану ТіС в оксихромотитановому покритті становить 34,0-33,0ГПа, центральної зони - 21,0-19,5ГПа, карбіду хрому Cr7C3 - 16,5-16,0ГПа.

5. Показано, що дифузійні комплексні хромотитанові покриття на вуглецевих сталях мають достатню жаростійкість до температури 760°С. Це дозволяє проводити термічну обробку великої групи інструментальних сталей з даним типом покриттів без застосування захисних атмосфер.

6. Корозійна стійкість сталей з хромотитановими і хромованадієвими покриттями вища, ніж корозійна стійкість сталей без покриттів. Визначено, що для морської води і 10% розчину HCl краще зарекомендували себе багатошарові покриття Cr23C6 + VC, коефіцієнт підвищення стійкості для яких на сталі 45 становить 6,1 і 97,2 відповідно. У 10% розчині H2SO4 і 10% HNO3 кращі показники має покриття Cr23C6 + TiC, коефіцієнт підвищення стійкості для яких становить 31,1 і 85,6 відповідно.

7. Встановлено зносостійкість в умовах тертя ковзання без змащування непереточуваних твердосплавних пластин з комплексними дифузійними карбідними покриттями. Показано, що тверді сплави з комплексними покриттями мають зносостійкість вищу в 2-6 разів у порівнянні з вихідними. За збільшенням зносостійкості покриття можна розташувати в такий ряд:

CrxCy > VC > TiC > CrxCy+VC > CrxCy+TiC > CrxCy+Me2O3+TiC.

В умовах повздовжнього різання сталей карбідні покриття підвищують експлуатаційні властивості багатогранних твердосплавних пластин з механічним кріпленням. При хромованадіюванні коефіцієнт збільшення стійкості становить 1,3 - 3,5, при хромотитануванні 2,5 - 4,0 і оксихромотитануванні 4,5-6,0 разів.

8. Розроблено новий спосіб і конструкцію реакційної камери для отримання комплексних багатошарових покриттів в одному технологічному циклі.

Література

1. Дегула А.І. Будова та зносостійкість карбідних та нітридних покриттів титану, ванадію та хрому на сталі У8А / А.І. Дегула, Н.А. Курило, В.Г. Хижняк // Наукові нотатки: міжвузівський збірник. Випуск №20.- Луцьк, - 2007. - С.130-133.

2. Хижняк В.Г. Будова та зносостійкість покриттів за участю титану та хрому на твердих сплавах ВК8 та Т15К6 / В.Г. Хижняк, А.І. Дегула, М.В. Карпець // Проблеми тертя та зношування: науково-технічний збірник. - №48. -Київ, -2007. -С. 169-174.

3. Сігова В.І. Термодинамічні умови отримання комплексних покриттів / В.І. Сігова, В.Г. Хижняк, А.І. Дегула // Вісник СумДУ. Технічні науки.-2007. - №2. - С. 63-67.

4. Хижняк В.Г. Хімізм і термодинаміка процесу титанохромування сталей / В.Г. Хижняк, Т.В. Лоскутова, М.М. Бобіна, А.І. Дегула // Наукові вісті. НТУУ«КПІ». - 2008. - №1(57). - С.71-75.

5. Хижняк В.Г. Диффузионные комплексные покрытия с добавкой титана на твёрдых сплавах ВК8 и Т15К6 / В.Г. Хижняк, Ю.М. Помарин, А.І. Дегула, О.Д. Смиян // Современная электрометаллургия. -Киев.- 2008.- №2(91). - С. 52-55.

6. Хижняк В.Г. Комплексні зносостійкі покриття на основі тугоплавких сполук титану та хрому / В.Г. Хижняк, А.І. Дегула, Т.В. Лоскутова, Н.А. Курило // Проблеми тертя та зношування. - Київ. - 2008. - №49, Том 2. - С. 66-70.

Размещено на Allbest.ru