Автореферат (1173090), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Для исследованиявыбраны углеродистые стали Ст3, 10, 45, а также низколегированные конструкционныестали 15ХСНД, 09Г2С. Выбор сталей с различным содержанием углерода и легирующихэлементов позволяет сопоставить строение и фазовый состав получаемыхмодифицированных слоев. В качестве модельного материала использовали армко-железо.Из выбранных сталей изготавливали образцы для металлографических исследований,электрохимических и механических испытаний.Одновременныйпроцессдиффузионнойметаллизациицинкомвазотосодержащей среде (ДМЦ+азотирование) представляет собой диффузионноецинкование, совмещенное с азотированием.
Для диффузии цинка использовалишликерный метод, заключающийся в предварительном нанесении на поверхность сталисуспензии, содержащей порошок цинка и связующее вещество (клей ПВА). В составешликера помимо цинковой пусьеры (25%) содержался кварцевый песок (70%) дляудержания частиц цинка на стальной поверхности при его расплавлении и созданияэффекта кипящего слоя и хлорид аммония NH4Cl (5%) в качестве транспортного агента.Образцы сталей с нанесенной шликерной обмазкой подвергали отжигу в насыщвющейатмосфере аммиака на экспериментальной установке для проведения процессов ХТО.Температура процесса 600⁰С выбрана из соображений эффективного протеканиядиффузии, с одной стороны, и предотвращения разупрочнения стали, с другой стороны.Для изучения физико-химических процессов при совместном насыщении цинком и азотомисследовали процессы при температурах до 1000⁰С.
Время ХТО варьировали от 1 до 4часов.Для реализации последовательного процесса азотирования ЦНП на образцысталей наносили цинкнаполненные композиции с двумя видами связующего:органическим и силикатным. Цинкнаполненную композицию на органическомсвязующем изготавливали на основе модифицированного полиуретанового предполимера,содержание цинка до 85% по массе. Цинксиликатная композиция содержала в качествесвязующего натриевое жидкое высокомодульное стекло с плотностью 1,2 г/см3 спластифицирующей добавкой. Цинк-силикатные композиции отличались содержанием9цинкового порошка (от 50%Zn до 85%Zn).
На подготовленную поверхность образцакистью наносили ЦНП (расход композиции – 300-350 г/м2 на один слой), проводилисушку (полное время высыхания 48 часов). Затем проводили газовое азотированиеобразцов с покрытиями при температуре 540ºС в течение 24 часов в атмосфере чистогоаммиака на лабораторной установке.Металлографический микроанализ покрытий и диффузионных слоев проводили напоперечных микрошлифах с помощью оптического микроскопа AXIOVERT 25СА приувеличениях от 200 до 1000.
Для измерений микротвердости использовали прибор ПМТ-3при нагрузках 0,1Н, 0,25Н и 0,5Н.Исследование строения поверхности образцов, определение элементного состава вточках слоя выполняли на сканирующем (растровом) электронном микроскопе JEOL JSM6480LV с аналитической приставкой волновой дисперсии.
Определение химическогосостава поверхностных слоев образцов стали проводили методом Оже-спектроскопии наустановке PHI-680 фирмы "Physical Electronics". На основе сопоставления элементногосостава с диаграммами состояния проводилась оценка фазового состава слоев и ихотдельных участков.Комплекс методов исследования коррозионной стойкости модифицированныхслоев и покрытий включал электрохимический метод коррозионных испытаний вразличных средах, метод поляризационного сопротивления для изучения кинетикикоррозионного процесса, испытания в соляном тумане.Электрохимическим методом определяли плотность тока коррозии, отвечающегоскорости коррозионного процесса, по данным об изменении электродных потенциалов.Определение параметров коррозии проводили путем снятия классических анодныхкривых, анодных пассивационных кривых и потенциодинамических кривых налабораторной установке, состоящей из потенциостата IPC, токоизмерительного прибора итрехэлектродной ячейки типа ЯСЭ-l.Метод поляризационного сопротивления на универсальном коррозиметре«Эксперт-004» использовали для определения скорости протекания коррозионныхпроцессов.
Коррозионные испытания образцов в камере соляного тумана Ascott S120iPпроводили при температуре +35°С и влажности 95-100%. Время испытаний от 24 до 240часов.Испытания на износ проводили на трибометре CSMTRB фирмы CSM InstrumentsTRB. Коэффициент трения определяли контактным методом путем истирания образца оконтр-тело при возвратно-поступательном движении образца согласно стандарту ASTMG99.
Для вычисления величины износа измеряли глубину и ширину дорожек,образованных при испытании образцов, на профилометре Hommel Tester T8000-RC120400.Адгезионные испытания проводили методом нормального отрыва стальныхобразцов на приборе ПСО-МГ4, предназначенном для контроля прочности сцеплениязащитных покрытий с основанием по ГОСТ 28574-90. Адгезионную прочностьопределяют как отношение силы, при которой произошел отрыв приклеенного к образцу ввиде диска (пластины) алюминиевого «грибка», к площади поперечного сечения пятнаотрыва.10Третья глава посвящена теоретическому анализу физико-химических процессов,происходящих при диффузионном насыщении железа и сталей цинком и азотом дляобоснования условий получения слоев и покрытий требуемого фазового состава. Наоснове анализа диаграмм состояния Fe-Zn, Fe-N и Fe-Zn-N определены возможные фазы всистемах, проведено сравнение их термодинамических, кристаллографических имеханических характеристик.
Анализ возможных фаз в системе Fe-Zn-N приведен в табл.1.Таблица 1. Анализ возможных фаз в системе Fe-Zn-NФазаОбласть гомогенности(% по массе)Тип кристаллическойрешеткиТвердые растворыαZn–Feα(Zn)4,5…20%ZnαN – Feα(N)<0,11%N (5900С)γ- Feγ(N)<2,8%Nη –Zn(Fe)<0,028%Fe (4500С)*Zn(N)0,006…0,012%N (4480С)*ИнтерметаллидыГ–Fe3Zn1023,5…28%FeГ1-Fe11Zn4017…19,5%FeСвойстваОЦКОЦКГЦКГПУГПУтвердостьпластичностьпластичностьпластичность*в жидком ZnОЦКГЦКтвердость,хрупкостьδ–FeZn7 илиδ1- FeZn107…11,5%Feгексагональнаяζ- FeZn13Нитриды5…6,2%Feмоноклиннаяхрупкостьξ-Fe2Nε-Fe2-3N11,07…11,18%Nромбическаяхрупкость4,55…11,2%NГПУγ'- Fe4N5,3…5,75%NГЦКизносостойкость,корроз.стойкостьтвердостьγ′Zn-(Fe,Zn)4N<20%Zn (5000С)ГЦКтвердостьεZn-(Fe,Zn)3N<2,5%Zn (500 С)ГПУизносостойкость12,41%Nкубическая анти-Mn2O3Zn3N20пластичность,корроз.
стойкостьболее устойчив, чемнитриды FeУстановлено, что в многокомпонентных системах на основе Fe-Zn-N создаютсяусловия для образования твердого раствора цинка и азота в железе Feα(N, Zn); цинкнезначительно снижает растворимость азота в феррите. Образование твердого раствора набазе цинка маловероятно по причине крайне низкой растворимости в нем железа и азота.Поэтому взаимодействие цинка с железом приводит к формированию интерметаллидов сразличными строением и свойствами; наиболее хрупкими являются Г- и ζ-фазы, анаиболее коррозионно-стойкой и пластичной δ-фаза.
В присутствии азота возможнообразование комплексных нитридов вследствие растворения цинка в γ′- и ε-фазе, а такжесамостоятельного нитрида цинка Zn3N2, термодинамически более устойчивого по11сравнению с нитридами железа. Образование нитридов является предпосылкойупрочнения диффузионного слоя. Наиболее коррозионностойким нитридом является εфаза; наивысшую износостойкость имеют сплошные нитридные слои из ε-фазы Fe3N сминимальным содержанием азота.Обоснование возможности диффузии цинка в железе при нагреве цинковогопокрытия (Гл. 1) позволяет применить модель диффузионного массопереноса изисточника конечной толщины в полубесконечное тело для описания диффузии цинка изпокрытия в железную подложку.Начальные и граничные условия для решения диффузионной задачиСZn = С0 при τ ≥0, -а/2 < x < a/2;(1)СZn = 0 при τ = 0, |x| > a/2;(2)СFe = 0 при τ ≥ 0, -а/2<x<a/2(3)определены на основании следующих допущений: (1) в начальный момент времени τконцентрация цинка в железе СZn за пределами цинкового покрытия толщиной a равнанулю; (2) концентрация цинка СZn в покрытии постоянна и в любой момент времени равнаисходной С0 (в предельном случае 100%Zn); (3) концентрация железа СFe в покрытии вкаждый момент времени равна нулю, т.е.
диффузией железа в цинке пренебрегали.Решение классического уравнения Фика в данных условиях дает следующеевыражение для концентрации диффундирующего металла в данной точке слоя хС() () =02{[2−√()+] + [2√() ]},(4),где DZn(Fe) – коэффициент диффузии цинка в железе, зависящий от температуры процессаТ, erf(u) – функция ошибок Гаусса.Путем математических преобразований выражение (4) приводится к видуС() () =021−1+√√{erf[2 ] + [2 ]},(5),где безразмерный параметр y=Dτ/a2, являющийся постоянным при заданных временинасыщения, температуре процесса и толщине исходного цинкового покрытия, можнорассматривать как кинетический критерий роста диффузионного слоя.На основе выражения (5) построены графические зависимости, связывающиеотносительные параметры концентрации цинка в данной точке слоя СZn/C0 и толщиныдиффузионного слоя x/a для спектра значений кинетического критерия y (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
