Диссертация (Повышение коррозионной стойкости конструкционных сталей комбинированными методами хто, включающими цинкование и азотирование), страница 14

Коэффициенттрения определяли контактным методом путем истирания образца о контр-телопри возвратно-поступательном движении образца (рис. 2.17) согласно стандартуASTM G99 “Standard Test Method for wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus”.Рисунок 2.17 – Трибометр CSM.84В результате проведения нескольких пробных циклов и отработки методикииспытаний были подобраны следующие параметры испытаний:­ контр-тело: шар диаметром 3 мм, материал – закаленная сталь марки Inox420;­ длина прохода индентора – 6 мм (1/2 амплитуды – 3мм);­ максимальная линейная скорость – 6 см/сек;­ количество циклов – 4000 (полная длина прохода индентора – 48м);­ нормальная нагрузка – 1,5 Н.Измеренияпроводиливнормальныхусловиях:притемпературеокружающей среды +22±3ºС, влажности 60% и атмосферном давлении754 мм.рт.ст.

в специальной комнате.Для вычисления величины износа глубину (h) и ширину (b) дорожек,образованных при испытании образцов на трибометре, измеряли на профилометреHommel Tester T8000-RC120-400 контактным методом движения иглы поповерхности образца (рис. 2.18). Затем вычисляли объем получившейся бороздкии величину износа по формуле:Vб = l·b·h, мм3,(2.7)гдеVб – объем бороздки, мм3, l – длина бороздки, мм; b– ширина бороздки, мм;h– глубина бороздки, мм.Рисунок 2.18 – Профилометр Hommel Tester T8000-RC120-400.Отношение данного объема ко времени испытания принято показателеммеханического износа материала И:85И = Vб/tисп,,мм3/ч.(2.8)гдеVб – объем бороздки, мм3; tисп – время проведения испытания.Обработку результатов измерений производили при помощи программногообеспечения Tribo4.4U (рис.

2.19).Рисунок 2.19 – Интерфейс программного обеспечения.2.5.2 Адгезионные испытанияДля определения прочности сцепления цинковых покрытий с металломосновой были исследованы образцы стали с различными цинкнаполненнымипокрытиями.Испытания проводились на приборе ПСО-МГ4 [119], предназначенном дляконтроляпрочностисцеплениязащитных,лакокрасочныхпокрытийсоснованием, методом нормального отрыва стальных дисков (пластин). Внешнийвид прибора показан на рисунке 2.20. Конструктивно прибор состоит из: 1)силовозбудителя, снабженного рукоятью нагружения; 2) электронного блока, напередней панели которого размещены жидкокристаллический дисплей иклавиатура; 3) опорной плиты на трёх опорах.86Прибор используется при испытании на адгезию защитных покрытий поГОСТ 28574-90.

Принцип метода заключается в измерении силы, приложенной киспытываемому образцу. При нагружении силовозбудителя тензометрическийпреобразовательвырабатываетэлектрическийсигнал,изменяющийсяпропорционально приложенной нагрузке, который регистрируется электроннымблоком и преобразуется в силу. Пределы допускаемой основной относительнойпогрешности измерений силы составляют 2%.Рисунок 2.20 – АдгезиметрПСО-МГ4.В приборах предусмотрено вычисление адгезионной прочности сцепленияпокрытий с основанием R (Мпа) по формуле:R=F/S,(2.9)где R – адгезионная прочность сцепления покрытия с основанием, мПа; F – силаотрыва диска (пластины), кН; S – площадь поперечного сечения диска (пятнаотрыва), выбираемая прибором автоматически при вводе размера диска(пластины), см2.В лабораторных условиях к стальным образцам с цинкнаполненнымипокрытиями приклеиваются с помощью эпоксидного клея алюминиевые образцыстандартного размера – «грибки» (пластина с поверхностью 50х50 мм или грибокс поверхностью круга диаметром 20 мм).87Выводы по второй главе1.

Для экспериментальных исследований выбраны объекты исследования.Для исследований выбраны углеродистая сталь 45, широко используемая длядеталей машиностроения, и легированная сталь 09Г2С, применяемая длямостовых металлоконструкций.2. Предмет исследования: комбинированные методы: 1) нанесение цинкнаполненых покрытий с последующим азотированием (ЦНП+азотирование) и 2)диффузионный метод цинкования (ДМЦ + азотирование).3. Определен порядок эксперимента.4. Выбраны методы исследования строения модифицированных слоев: металлографический; дюрометрический; метод растровой электронной микроскопии; метод Оже-электронной спектроскопии.5.

Определены методы исследования коррозионной стойкости покрытий: электрохимические методы коррозионных испытаний; метод поляризационного сопротивления; коррозионные испытания в соляном тумане.6. Определены методы исследования механических свойств покрытия:–метод,определяющийкоэффициенттренияскольженияиизносвтрибологических испытаниях;–метод, определяющий адгезию цинковых покрытий по отношению к металлуоснове.88ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ ПРИ ДИФФУЗИОННОМНАСЫЩЕНИИ ЖЕЛЕЗА И СТАЛЕЙ ЦИНКОМ И АЗОТОМ3.1 Физико-химический анализ взаимодействий в системе Fe-Zn-NПрикомбинированныхспособахнанесенияцинковыхпокрытийвазотосодержащей среде возникает взаимодействие в тройной системе Fe-Zn-N собразованиемфаз,которыеописываютсясоответствующимидиаграммамисостояния.

Фазовые превращения и образование химических соединений протекаютпараллельно с диффузионными процессами. Анализ условий образования фаз и ихсвойств позволяет теоретически обосновать условия протекания процессов дляполучения коррозионностойкого покрытия требуемого фазового состава.Модель формирования диффузионных многофазных покрытий [73,74,120]предполагает, что при образовании диффузионных слоев в системе образуютсявсе фазы, соответствующие диаграмме фазового равновесия. Это предположениедопускает выполнение условия квазиравновесности процессов в каждый моментвремени процесса взаимной диффузии. Граничные концентрации элементов всоответствующих участках диффузионной зоны при этом соответствуютконцентрациям элемента в фазе на диаграмме состояния.Отсутствие в диффузионном слое фазы, имеющейся на диаграммесостояния, может быть связано с ее узкой областью гомогенности. Кроме того,фаза может не образовываться, если коэффициент диффузии насыщающегоэлемента в ней существенно меньше его коэффициента диффузии в соседнихфазах.

На основе этих предположений выполнен анализ возможных фаз в двойныхсистемах Fe-Zn, Fe-N, и многокомпонентных системах на основе Fe-Zn-N дляпрогнозирования строения диффузионных слоев при насыщении железа и сталейцинком и азотом.893.1.1 Взаимодействие в системе Fe-ZnВозможные фазы в системе Fe-Zn анализировали по диаграмме состояния(рис. 3.1).Рисунок 3.1 – Диаграмма состояния железо-цинк [121].В соответствии с классическими представлениями в системе Fe-Zn врезультате протекания фазовых превращений в равновесных условиях могутформироваться следующие фазы: твердые растворы на основе железа (α) и цинка(η) и интерметаллидные соединения, образующиеся в результате перитектическихреакций: Γ-фаза, δ-фаза, ζ-фаза (табл.

3.1).При комнатной температуре растворимость цинка в α-железе составляетоколо 4% по массе, в реальных условиях возможно насыщение железа цинком до6%. Максимальная растворимость железа в цинке составляет 0,008%, и возрастаетдо значения 0,028% (ат.) при температуре 4500С [50-52]. Таким образом, можносчитать, что η-фаза по составу представляет собой практически чистый цинк. ηфаза – твердый раствор замещения FeвZn, который образуется на поверхностинепосредственно из расплавленного цинка.Диаграмма состояния двойной системы Fe-Zn за последние десятилетияпретерпеваланеоднократныеизменения[122-126].Особоеисследователями уделяется уточнению природы интерметаллидных фаз.внимание90Таблица.3.1 – Фазы в системе Fe-Zn и их характеристикиФазаОбластьгомогенности(%Fe по массе)4,5…20%ZnТипкристаллическойрешеткиОЦКГ–Fe3Zn10Г1-Fe11Zn4023,5…2817…19,5ОЦКГЦК670…780δ–FeZn7/δ1- FeZn107…11,5гексагональная530…670ζ- FeZn135…6,2моноклинная530η –[Zn]<0,0028ГПУ419α–Fe(Zn)Температураплавления, ⁰С<1510СвойстваHV=1500 МПаHV=5500 МПа,тонкая, твердая,хрупкаяHV=4500 МПа,пластичная,коррозионностойкаяHV=2700 МПахрупкаяHV=370 МПапластичнаяНедавние исследования [127-132] установили наличие различных форм δфазы, существующих в разных температурных интервалах – δ1 и δ, которые взарубежной литературе принято обозначать δ1k и δ1p.

Фазы имеют одинаковуюкристаллическую решетку, но отличаются размерами блоков и морфологиейвыделения: δ1k – плотная, сцепленная с подложкой, δ1p – столбчатая (рис. 3.2.).Выявлены разновидности гамма-фазы Γ и Г1, отличающиеся по составу истроению. На рис. 3.3 показан «цинковый» угол диаграммы состояния Fe-Zn поновейшим данным [133].Рисунок 3.2 – Типичная структура гальванического цинкового покрытия [132].91Рисунок 3.3 – «Цинковый» угол диаграммы Fe-Zn [133].В условиях, близких к равновесным, последовательность расположения фазв диффузионном слое цинкового покрытия на железе находится в соответствии сдиаграммой состояния Fe-Zn (рис. 3.4.).δ1pδ1kFeζZnГ Г1Рисунок 3.4 – Последовательность выделения фаз в диффузионном слое всоответствии с диаграммой Fe-Zn.Вработе[134]предложеноописаниемеханизмаобразованияинтерметаллидных фаз при нанесении покрытия методом горячего цинкования.

Вконтактирующейпареобразующимисяфазами;Fe/Znнаблюдаютсяподслоиканалыобразуютсяивбороздкимеждусоответствиистермодинамическими свойствами фаз в определенном порядке. Предполагается,что в слое на границе Fe-Zn Γ1 фаза образуется первой, в течение следующихнескольких секунд образуются подслои δ1k и δ1p фаз. Толщина подслоя Г(Г1) фазыне превышает 1…2 мкм и составляет не более 5% от всей толщины покрытия.92Подслой может расщепляться на Г+Г1. Протяженность подслоев δ1k и δ1p фаз,также как и ζ-фазы зависит от параметров обработки и может быть оченьзначительной.На практике процесс диффузии цинка в железе протекает в нестационарныхусловия, так как количество одного из компонентов (цинка) непрерывновозрастает.