Файл: Многокомпонентные диффузионные покрытия..pdf

Авторский коллектив:

Л. С. ЛЯХОВИЧ, Л. Г. ВОРОШНИН, Г. Г. ПАНИЧ, Э. Д. ЩЕРБАКОВ

Л я х о в и ч Л. С. и др. Многокомпонентные диффузи­ онные покрытия. Минск, «Наука и техника», 1974, стр. 288.

В монографии рассматриваются процессы и результаты одновре­ менного диффузионного насыщения сталей и сплавов двумя и более химическими элементами, что во многих случаях позволяет создать на поверхности металлов диффузионные слои, свойства которых су­ щественно превосходят качества слоев монокомпонентного насы­ щения.

Приводится обширный материал, касающийся конкретных про­ цессов насыщения сталей и сплавов широким рядом элементов одно­ временно с бором, кремнием, хромом и алюминием, а также сочета­ ниями из трех элементов. Исследованы способы получения многоком­ понентных покрытий, их структура и свойства. Показана перспек­ тивность применения математического планирования эксперимента при исследованиях в области химико-термической обработки.

Предназначена для научных сотрудников, работающих в обла­ сти получения защитных покрытий на металлах; может быть полез­ на работникам производства, аспирантам и студентам-металловедам.

Таблиц 90. Рисунков 131. Библиография — 367 названий.

Р е ц е н з е н т ы :

доктор технических наук Г. В. Самсонов, доктор химических наук Н. Г. Плющенко, кандидат технических наук А. П. Эпик

ЛР3125 ?52._, 125—74 М316—74

( с ) Издательство «Наука и техника», 1974.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие машиностроения, химической, радиотехнической и новых отраслей промышленности, энергетики и ядерной тех­ ники предъявляет весьма жесткие требования к рабочим свой­ ствам изделий: их сопротивляемости износу, коррозии в жид­ ких и газообразных средах, кавитационной эрозии и мно­ гим другим видам внешних воздействий.

Разрушение деталей машин, инструмента и других изделий в подавляющем большинстве случаев начинается с поверхно­ сти, и именно к поверхностным слоям относятся перечисленные выше требования. В связи с этим объемное легирование спла­ вов, как правило, является неэкономичным, а во многих случа­ ях и неосуществимым из-за почти полной потери ими пластич­ ности и вязкости. Поэтому в последние годы все большее внимание исследователей и производственников уделяется раз­ личным методам поверхностного упрочнения. Одним из основ­ ных методов поверхностного легирования (а следовательно, и упрочнения) является химико-термическая обработка.

В настоящее время достаточно широко применяют процес­ сы насыщения металлов и сплавов одним элементом: цемента­ цию, азотирование, алитирование, хромирование и т. д. Насы­ щение двумя, тремя и большим количеством элементов приме­ няют весьма ограниченно. Практически используется промышленностью только один процесс — нитроцементация, или цианирование.

Совершенно очевидно, что насыщение поверхности изделий двумя и большим количеством элементов (многокомпонентное насыщение) позволяет в значительно большей мере изменять свойства поверхностных слоев.

В настоящее время монографическая литература, посвя­ щенная многокомпонентному насыщению, исчерпывается рабо­ той Г. В. Земскова [1] и книгами Б. Прженосила [2] и А. В. Криулина [3].

3

Г л а в а I

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО НАСЫЩЕНИЯ

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Известны три основные стадии любого процесса химико­ термической обработки:

1. Образование активных атомов в среде, которая обеспечи­ вает необходимое легирование поверхностного слоя. Очевидно,

нентных процессов.

2. Адсорбция образовавшихся активных атомов поверхно­ стью обрабатываемого изделия. Процессы взаимодействия по­ верхности металлов (сплавов) с элементами и соединениями, их окружающими, довольно сложны и в настоящее время изу­ чаются во многих аспектах. Однако можно утверждать, что про­ цессы адсорбции при химико-термической обработке, завер­ шающиеся в последующем диффузией адсорбированного эле­ мента в глубь изделия, практически не изучены. Сведения, из которых можно было бы почерпнуть знания о механизме обра­ зования адсорбционного слоя, очень ограничены.

3. Диффузия элемента в глубь металла (сплава). Этот про­ цесс изучен наиболее полно. Имеется большое количество ра­ бот по качественной и количественной сторонам диффузии: самодиффузии и гетеродиффузии. В последние годы уделяется все больше внимания закономерностям диффузии при много­ компонентном насыщении.

Все эти три стадии процесса насыщения влияют на кинети­ ку химико-термической обработки, структуру и фазовый состав образующегося слоя.

7

Указанные элементарные процессы насыщения тесно свя­ заны между собой, и зачастую бывает трудно рассмотреть влияние каждого из них отдельно.

В настоящей работе рассматривается влияние процессов, происходящих в первой и третьей стадиях, на результаты мно­ гокомпонентного насыщения. Как уже отмечалось выше, сведе­ ния о промежуточной стадии (второй) весьма ограничены и не позволяют сделать обобщающих заключений.

2. СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ОБЩИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ МНОГОКОМПОНЕНТНОМ НАСЫЩЕНИИ

В рассматриваемой проблеме вопросом первостепенной важности является систематизация возможных сочетаний диффузантов, позволяющая прогнозировать результаты насы­ щения.

Группой исследователей под руководством В. И. Архарова в основу такой классификации положен характер взаимодей­ ствия диффузантов с насыщаемым металлом [5, 6]. По мнению В. И. Архарова, все сочетания насыщающих элементов (при двухэлементном насыщении) можно разделить на три вида:

1. Оба насыщающих элемента образуют с обрабатываемым металлом соединения, причем в псевдобинарной системе, образованной этими соединениями, имеет место неограничен­ ная взаимная растворимость. В результате насыщения обра­ зуется однофазный диффузионный слой с плавным распреде­ лением диффузантов по глубине.

При насыщении переходных металлов двумя неметаллами к первому типу систем с некоторой натяжкой можно отнести систему Мо—С—N [7]. В псевдобинарных системах, образо­ ванных интерметаллидами, описанный случай встречается, по всей видимости, более часто.

2. Оба насыщающих элемента образуют с обрабатываемым металлом соединения, между этими соединениями имеет место ограниченная взаимная растворимость. Образуется двухфаз­ ный диффузионный слой: ближе к насыщаемому металлу рас­ полагается соединение того диффузанта, который обладает большей диффузионной подвижностью. Распределение быстродиффундирующего диффузанта имеет экстремальный харак­ тер. По данным [5, б, 8, 9], ко второму типу можно отнести системы Сг—О—N, Сг—N—S, Сг—N—С.

3. Оба насыщающих элемента могут образовывать соединения с насыщаемым металлом, но взаимной раствори­ мостью эти соединения не обладают. Диффузионный слой однофазный состоит из соединения обрабатываемого метал-

8

ла с тем диффузантом, у которого к нему выше химическое сродство. Второй элемент в насыщаемый металл не проникает и соединения не образует, хотя в данных условиях оно вполне термодинамически устойчиво. К системам такого типа можно отнести: Сг—О—S, W—С—N, Nb—В—С [10—12].

К сожалению, авторы работ [5, 6 и др.] ограничиваются рассмотрением сочетаний диффузантов, образующих с насы­ щаемым металлом только химические соединения.

Из рассмотрения исключен весьма широкий круг элемен­ тов, образующих между собой (с учетом взаимодействия с на­ сыщаемым металлом) псевдобинарные системы типа химиче­ ское соединение — твердый раствор и твердый раствор I — твердый раствор II.

Наибольшее количество экспериментальных работ по на­ сыщению металлов и сплавов несколькими элементами выпол­ нено в Одесском политехническом институте под руководством Г. В. Земскова [1, 13—23 и др.].

В основу классификации процессов многокомпонентного насыщения, по Г. В. Земскову, положен характер взаимодей­ ствия насыщающих элементов между собой. Все сочетания насыщающих элементов в соответствии с этой классификацией можно разделить на три группы.

1. К первой группе относятся элементы, образующие между собой твердые растворы или интерметаллические соединения с широкой областью гомогенности. В диффузионном слое обра­ зуются твердые растворы на базе соединений двойных систем металл—насыщающий элемент или твердые растворы на осно­ ве насыщаемого металла. Область совместной диффузии эле­ ментов, в которой наблюдается изменение структуры, сдвинута в сторону диффузанта, имеющего меньшую скорость диффу­ зии. Глубина слоя плавно увеличивается по мере увеличения в смеси количества быстродкффундирующего элемента; экстре­ мальные точки на кривой состав смеси — глубина слоя отсут­ ствуют.

К сочетаниям диффузантов подобного рода автор [13] от­ носит: А1—Si, Сг—А1, Сг—Si, Ті—Al, Ti—Si, Cr—Ti и др.

2. Ко второй группе относятся насыщающие элементы, об­ ладающие при температуре насыщения очень малой взаимной растворимостью и образующие химические соединения. На диаграммах состав смеси — глубина слоя при определенных составах имеется четко выраженный минимум. В насыщающей смеси образуется соединения насыщающих элементов. К дан­ ной группе автор [13] относит: В—А1, В—Si, В—Ti, Сг—Zг, В—Мп, А1—Се.

3. К третьей группе относятся элементы, не образующие твердых растворов, а образующие устойчивые химические со­ единения с очень узкой областью гомогенности. При опреде-

9

ленных составах смесей в этом случае диффузионные слои от­ сутствуют вообще или имеют очень незначительную глубину

(В—Сг, В—Се).

Нетрудно заметить, что различие между второй и третьей группами систем несущественное и носит скорее количествен­ ный, нежели качественный характер.

Минимум на кривых глубина слоя — состав смеси авторы [13] объясняют образованием в насыщающей среде устойчи­ вых химических соединений насыщающих элементов; коорди­ ната минимума глубины слоя связывается с точкой на диа­ грамме, соответствующей стехиометрическому составу химиче­ ского соединения.

Несмотря на некоторые неточности (в системах диффузантов Ті—Al, Ti—Si имеются устойчивые при температуре насы­ щения химические соединения фиксированного состава или с узкими областями гомогенности, и они должны быть отнесены ко 2-й или 3-й группе; в системах же В—А1 и В—Si при темпе­ ратурах насыщения химические соединения, как правило, не образуются, и их следует отнести к 1-й группе), классифика­ ция Г. В. Земскова заслуживает пристального внимания.

Сам факт существования этих двух классификаций свиде­ тельствует о необходимости при прогнозировании результатов многокомпонентного насыщения учета как взаимодействия диффузантов между, собой в насыщающей смеси, так и каждо­ го из них с насыщаемым металлом, иначе говоря, на результа­ ты многокомпонентного насыщения оказывает влияние степень химического сродства всех участвующих в формировании диф­ фузионного слоя элементов. В подтверждение правильности высказанного выше утверждения можно привести следующий пример. В работах [13, 24] приведены результаты насыщения технического железа, углеродистых сталей и сплава ЖС6К. одновременно бором и титаном. Обращает на себя внимание тот факт, что координата минимума глубины слоя зависит от природы насыщаемого металла. Последнее не должно было бы иметь места, если бы результаты насыщения определялись только взаимодействием диффузантов в насыщающей смеси.

Наиболее полно результаты многокомпонентного насыще­ ния описываются диаграммами глубина слоя — состав смеси (правильнее было бы их называть диаграммами состав сме­ си — глубина слоя — фазовый состав слоя), в этом случае они содержат наиболее важную и сравнительно полную информа­ цию о результатах насыщения.

Из анализа приведенных в работах [і, 13—23, 325 и др.] сведений следует, что, помимо химического сродства элемен­ тов, на результаты насыщения (т. е. на диаграммы состав сме­ си — глубина слоя — фазовый состав) влияют мощность диф­ фузионного источника, диффузионная подвижность элементов

10