Нанесение многокомпонентных покрытий большой толщины термодиффузионным методом.

Существующие способы наплавки многокомпонентными сплавами основаны на том, что смесь порошков металлов или ферросплавов содержащих необходимые для покрытия компоненты расплавляется на поверхности детали при помощи соответствующего источника энергии; При этом, как правило, имеет место значительный перегрев поверхности металла, приводящий к ее оплавлению. В то же время металл, находящийся, на некотором расстоянии от поверхности, остается холодным. Значительный градиент температур по сечению наплавляемой детали вызывает большие внутренние напряжения, приводящие («редко к короблению и трещинообразованию»).

Особенностью разработанного авторами способа термодиффузионной наплавки с использованием наплавляемого брикета(брикет может быть и из сплошного металла, например из чугуна) является что процесс не связан с расплавлением порошкообразных тугоплавких металлических компонентов, входящих в состав покрытия, и поэтому не происходит оплавления поверхности детали. Поскольку наплавку производят на нагретую деталь, охлаждение — с малыми скоростями, то возможно возникновение больших внутренних напряжений, приводящих к образованию трещин исключено.

Принцип, положенный в основу способа, заключается в том, что на поверхности обрабатываемой детали создается обо­лочка жидкой фа мы. о которой протекает диффузия легирую­щих элементов, поступающих из насыщающей смеси. Сама жидкая фаза, обогащенная требуемыми элементами, после кристаллизации становится покрытием. Вследствие того, что в жидкой фазе процесс диффузии протекает быстрее, чем в твердой, процесс металлизации в значительной степей интен­сифицируется.

В рассматриваемом способе для создания на поверхности детали жилкой фазы используют наплавляемые брикеты, из­готовляемые из более легкоплавкого, чем упрочняема деталь, материала и компонентов насыщающей смеси сплава.

Наплавляемые брикеты изготовляют в виде обоймы при упрочнении наружной цилиндрической поверхности, втулки, при упрочнении внутренней цилиндрической поверхности, плас­тины при упрочнении плоскости. И устанавливают с минимально возможным зазором на обрабатываемые поверхности детали.

Подготовленные детали, с установленными на них наплав­ляемыми брикетами упаковывают в контейнер (рис. 1) из жа­ростойкой стали, засыпают порошкообразной насыщающей смесью, которую тщательно уплотняют для предотвращения растекания образующейся жидкой фазы во время процесса плавки. После герметизации контейнер устанавливают в печь с температурой 1000 – 1050 ^оC, которую затем доводят до 1260— 1280 ^оC и выдерживают в течение 0,5—3 ч в зависимости от изделия и требуемого состава наплавленного металла. Период расплавления наплавляемого брикета и насыщения жидкой фазы легирующими элементами весьма краток (несколько десятков минут).

Рис. 6.1. Схема технологического процесса термодиффузионной наплавки: 1 — заготовка; 2 — на­плавной элемент; 3 — контейнер; 4 — насыщаю­щая смесь; 5 — наплавленная деталь; 6 — гото­вая деталь.

После завершения процесса контейнер вынимают из печи охлаждают и распаковывают.

Наплавка данным способом может быть осуществлена при различном пространственном положении наплавляемого брикета, поскольку жидкая фаза, образованная при его расплавлении, удерживается на поверхности детали, специально уплотняемой для этой, цели насыщающей порошкообразной смесью в которую добавлено связующее вещество. Наплавочный брикет содержит часть химических элементов которые должны входить в покрытие, остальные требуе­те элемент (Cr, W, V, Al, Мn и др.) имеются в насыщаю­щей смеси в виде порошков металлов, ферросплавов или солей.

Для нанесения на стальные детали износостойких или жа­ростойких покрытий на железной основе в качестве материа­ла наплавного элемента может быть, например, использован чугун и выбраны насыщающие смеси, применяемые при обыч­ливом диффузионном хромировании, силицировании и борировании.

Рис. 6.2. График зависимости содержания хрома в термодиффузионном покрытии от времени выдержке при температуре процесса 1250°С (а) и 1250°С (б) и при различных составах насыщающей смеси: 1 —50 % FeCr, 45% A1₂0₃, 5% NH₄Cl; 2 — 30% FeCr, 65% A1₂0₃,. 5% NH₄C1; 3 —10% FeCr, 85% A1₂0₃, 5% NH₄Cl.

Нами исследовано влияние температуры процесса, времени выдержки и состава насыщающей смеси на качество покрытий системы Fe — Cr — C полученных термодиффузионной наплав­кой. Наплавку осуществляла на образцах диаметром 25 мм и высотой 10 мм из стали 45, на которые устанавливали наплав­ляемые брикеты диаметром 25 мм и толщиной 5 мм из чугуна следующего состава: 3,4% С, 2,2% Si, 0,62% Мn, 0,15% S и 0,13% Р. Вес наплавного элемента для всей серии опытов составил около 18 г.

При наплавке использовали смеси трех составов: 50% FeCr, 45% А1₂0₃, 5% NH₄C1; 30% FeCr, 65% Al₂O₃, 5% NH₄C1, 10% FeCr, 85% А1₂0₃, 5% NH4CL, Вес смеси для всех экспе­риментов был одинаков и составлял 200 г.

Процесс наплавки осуществляли при температуре 1250 и 1280°С и времени выдержки 0,5; 1; 1,5; 3; 5 ч.

На рис. 2 показана зависимость содержания хрома в покры­тии от состава хромирующей смеси, времени выдержки и тем­пературы процесса.

По мере увеличения количества феррохрома в смеси воз­растает процент содержания хрома в покрытии при прочих равных условиях ведения процесса. Существенное влияние на концентрацию хрома покрытии оказывает время выдержки. Чем оно больше, тем богаче хромом оказывается наплавлен­ный слой.

Рис 6.3. Микроструктура наплавленного слоя с различным со­держанием С и Cr: а — 3,4% С, 21,5% Cr; б — 5,4% С, 35,0% Cr.

Это более заметно с увеличением содержания FeCr и насы­щающей смеси. Однако наиболее эффективными оказываются выдержки до 1,5 ч.

Дальнейшее увеличение продолжительности процесса мало влияет на повышение содержания легирующего элемента в покрытии. Это объясняется достижением равновесной концент­рации по хрому па границе раздела жидкость—газообразования фаза и затвердеванием жидкой фазы в результате насыщения ее хромом.

Термодиффузионную наплавку производили в узком интер­вале температур (1250—1280 °С), так как при более низких тем­пературах не происходило расплавление наплавляемого бри­кета, применение более высоких температур ограничивалось возможностями оборудования.

Полученные результаты позволяют заключить, что повыше­ние температуры термодиффузионной наплавки при прочих равных условиях способствует интенсификации процесса на­сыщения поверхности хромом. Это обусловлено увеличением подвижности атомов внутри микрообъёмов жидкости, а так­же самих микрообъемов в результате конвекции. Последнее интенсифицируют реакцию обмена между жидкой и газообразной фазами, создаваемыми насыщающей смесью. Однако следует учитывать, что максимально возможная температура про­веса должна обеспечивать сохранение упрочняемой детали в твердом состоянии.

Проведенные исследования позволяют заранее определять состав покрытия в зависимости от состава смеси и парамет­ров ведения процесса(температура, время).

Металлографические исследования покрытий системы Fe­Cr—С, выполненных термодиффузионной наплавкой, показы­вают, что могут быть получены структуры, соответствующие сплавам ледебуритного класса.

В зависимости от количества хрома, перешедшего из насыщенной смеси, и углерода, содержащегося в наплавляемом месте, структура покрытия может быть доэвтектической, эвтектической и заэвтекткческой (рис. 3).

По мере увеличения содержания хрома в покрытии при по­стоянном значении углерода наблюдается изменение формы и размеров карбидной составляющей.

При содержании хрома более 10—12% (концентрация угле­рода 3,4%) имеет место равномерное распределение дисперс­ных карбидов в эвтектоидной матрице. Это объясняется, во-первых, тем, что вместо карбидов цементитного типа, имеющих часто форму вытянутых пластин, становятся преобладающими равноосные тригональные карбиды; во-вторых, тем, что измельчённость карбидов и равномерность в их распределении достигаются образованием эвтектики.

Рис. 6.4. Влияние на окалиностойкость при 1000 °С (а) и 1100 °С (б) и выдержке 200 ч содержания хрома (в %): 1-— 5; 2 — 10; 3 — 15; 4 — 25; 5 — 30 (везде 3,2% С); 6 — сталь У8 хромированная (дана для сравнения), а также Х12Н10Е.

Полученные данные свидетельствуют о том, что по мере увеличения концентрации хрома о покрытии возрастает микро­твердость карбидов. При содержании в покрытии 7,5% хрома микротвердость составляет 950— 1100 кг/мм², а при 20% хро­ма — 1690—1789 кг/мм². Одновременно с этим понижается микротвёрдость α-твердого раствора за счет уменьшения в нём содержания углерода, идущего на образование карбидов. В ре­зультате этого твердость покрытия несколько уменьшается.

Характерным для микроструктуры получаемых покрытий является большая ее однородность по глубине защитного слоя, что свидетельствует о равномерности химического состава.

Основной металл (переходная зона) на глубину в несколь­ко миллиметров обогащен углеродом и имеет структуру эвтектоидной или заэвтектондной стали.

При небольшой толщине наплавного элемента (1—2 мм), в переходной зоне может наблюдаться появление ферритной зоны толщиной в несколько десятков микрон.

С помощью термодиффузнонной наплавки были получены также покрытия системы Fe—Mn—С, Fe—Cr—Mn—С.

Проведенные исследования показали, что при оптимальном составе и структуре покрытия может быть получена его вы­сокая износостойкость в абразивной среде. Так, наплавка, содержащая 3,5% С; 12—15% Сr; 4—7% Мn, показала сопротивление изнашиванию в абразивной среде в 3 раза более вы­сокое, чем термообработанная сталь У8 (НRС 60).

Испытания на жаростойкость покрытий системы Fe—Сг—С показали, что при содержании хрома 30% (3,5% С) удается обеспечить высокое сопротивление окислению при температурах до 1200°С (рис. 4).

Способ термодиффузнонной наплавки с использованием наплавляемых брикетов был осуществлен применительно к дета­лям относительно простой формы (втулки, пластины). Этим способом, например, были упрочнены рабочие поверхности бил молотковых мелькни.

Выводы

1. Отличительными особенностями термодиффузионной наплавки с использованием наплавляемых брикетов являются: отсутствие оплавления поверхности упрочняемой детали и пе­ремешивания материала покрытия с основным металлом; возможность одновременного упрочнения больших партий дета­лей, а также осуществление наплавки на внутренних, труднодоступных для электродной наплавки, поверхностях.

2. Покрытия, выполненные термодиффузнонной наплавкой при оптимальном химическом составе могут быть применены и качестве защитных против износо- и коррозиоиностойкими и стойкими к окислению при высоких температурах;

3. Для легирования покрытия необходимыми элементами могут быть использованы не только ферросплавы соответствую­щих металлов, но также, их галлоидные соединения.

4. Можно предположить, что уровень внутренних напряжений при термодиффузнонной наплавке должен быть ниже, чем при электродуговой так как покрытие наносится на нагретую до высоких температур деталь, а охлаждение ведется весьма медленно в насыщающей порошкообразной смеси.