Дегула А.І. Гетерогенні оксикарбідні покриття за участю титану та хрому на сталі У8А та твердому сплаві ВК8 / А.І. Дегула, В.Г. Хижняк, Т.В. Лоскутова, Д.В. Лесечко // Вісник СумДУ. Технічні науки. - 2009. - №1. -С. 119-123
Дегула А.І., Хижняк В.Г., Лоскутова Т.В., Лесечко Д.В.
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», м.Київ
Досліджено будову багатокомпонентних дифузійних захисних покриттів за участю титану та хрому на сталі У8А і твердому сплаві ВК8. Визначено товщину отриманих шарів їх фазовий склад та мікротвердість. Показано можливість отримання комплексних гетерогенних карбідних та карбооксидних покриттів на сталях і твердих сплавах.
ВСТУП
В останні роки знайшли широке застосування тугоплавкі сполуки, які в якості захисних покриттів підвищують роботоздатність деталей машин, інструменту, оснастки в умовах тертя ковзання, кавітації, дії високих температур та агресивних середовищ [1-3]. До відомих можна віднести одно- та багатошарові покриття на основі карбідів, нітридів, боридів перехідних металів IV-VI груп періодичної системи, які отримують методами хімічного, фізичьного осадження з газової фаз та хіміко-термічної обробки [2,4-6].
Вибір раціонального типу покриття визначається умовами експлуатації певного виробу. При цьому повинні бути враховані наступні властивості та характеристики матеріалу основи і покриття: міцність, твердість, коефіцієнти термічного розширення, жароміцність тощо. Відомо, що порядок розташування в багатошарових покриттях таких сполук як карбіду TiC, нітрид TiN та оксид Al2O3 буде визначати перевагу певних властивостей та характеристик композиції. Наприклад, розташування шарів Al2O3 – TiN – TiC дає можливість отримати покриття з максимумом хімічної стабільності, стійкості до лункоутворення при експлуатації ріжучого інструменту; розташування TiN - Al2O3 – TiC забезпечує мінімальний коефіцієнт тертя покриття зі сталю [ 2,7,8].
В свою чергу вибір покриття та порядку розташування окремих шарів визначаються властивостями та характеристиками фазових складових. У відповідності до відомих результатів високу мікротвердість в покриттях має карбід титану TiC – 30…40 ГПа, мікротвердість нітриду титану TiN, оксиду Al2O3 – на рівні 20 ГПа, карбіду ванадію VC – 23…25 ГПа, карбіду цирконію ZrC – 26…28 ГПа, карбідів хрому Cr7C3, Cr23C6 – 16…18 ГПа. З позиції термічної та хімічної стабільності найкращі характеристики мають оксиди. Так вільна енергія утворення оксиду Al2O3 складає -1582,6 кДж/моль і -1360,7 кДж/моль відповідно при температурах 298 К і 1000 К. Для порівняння вільна енергія утворення у нітриду титану і карбіду титану -309,8 кДж/моль і -180,0 кДж/моль при 298 К [9].
В роботі [10] показана можливість отримання багатофазних матеріалів за участю оксидів металів з гетерогенною структурою шляхом електронно-променевого випаровування з двох незалежних джерел різних речовин, наступним змішуванням парових потоків та конденсацією на підкладці. Таким чином були отримані мікропористі матеріали за участю оксиду алюмінію Al2O3, градієнтні теплозахисні покриття на основі оксидів алюмінію, цирконію, магнію. Останні можуть бути перспективними в якості зносостійких покриттів.
Вибір раціонального типу покриття визначається умовами експлуатації певного виробу. При цьому повинні бути враховані наступні властивості та характеристики матеріалу основи і покриття: міцність, твердість, коефіцієнти термічного розширення, жароміцність тощо. Відомо, що порядок розташування в багатошарових покриттях таких сполук як карбіду TiC, нітрид TiN та оксид Al2O3 буде визначати перевагу певних властивостей та характеристик композиції. Наприклад, розташування шарів Al2O3 – TiN – TiC дає можливість отримати покриття з максимумом хімічної стабільності, стійкості до лункоутворення при експлуатації ріжучого інструменту; розташування TiN - Al2O3 – TiC забезпечує мінімальний коефіцієнт тертя покриття зі сталю [ 2,7,8].
В свою чергу вибір покриття та порядку розташування окремих шарів визначаються властивостями та характеристиками фазових складових. У відповідності до відомих результатів високу мікротвердість в покриттях має карбід титану TiC – 30…40 ГПа, мікротвердість нітриду титану TiN, оксиду Al2O3 – на рівні 20 ГПа, карбіду ванадію VC – 23…25 ГПа, карбіду цирконію ZrC – 26…28 ГПа, карбідів хрому Cr7C3, Cr23C6 – 16…18 ГПа. З позиції термічної та хімічної стабільності найкращі характеристики мають оксиди. Так вільна енергія утворення оксиду Al2O3 складає -1582,6 кДж/моль і -1360,7 кДж/моль відповідно при температурах 298 К і 1000 К. Для порівняння вільна енергія утворення у нітриду титану і карбіду титану -309,8 кДж/моль і -180,0 кДж/моль при 298 К [9].
В роботі [10] показана можливість отримання багатофазних матеріалів за участю оксидів металів з гетерогенною структурою шляхом електронно-променевого випаровування з двох незалежних джерел різних речовин, наступним змішуванням парових потоків та конденсацією на підкладці. Таким чином були отримані мікропористі матеріали за участю оксиду алюмінію Al2O3, градієнтні теплозахисні покриття на основі оксидів алюмінію, цирконію, магнію. Останні можуть бути перспективними в якості зносостійких покриттів.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ
Науково – технічна інформація щодо методів отримання структури, властивостей багатофазних гетерогенних дифузійних покриттів за участю оксидів та карбідів перехідних металів IV-VI груп періодичної системи має обмежений характер [6,11, 12].
Таким чином, метою запропонованої роботи є встановлення можливості утворення комплексних покриттів з гетерогенною структурою на сталі У8А та твердому сплаві ВК8, шляхом послідовної дифузійної металізації хромом і титаном в присутності кисню, і дослідження їх структури та властивостей.
Таким чином, метою запропонованої роботи є встановлення можливості утворення комплексних покриттів з гетерогенною структурою на сталі У8А та твердому сплаві ВК8, шляхом послідовної дифузійної металізації хромом і титаном в присутності кисню, і дослідження їх структури та властивостей.
ЕКСПЕРЕМЕНТАЛЬНІ РЕЗУЛЬТАТИ
Покриття наносили на зразки з твердого сплаву ВК8 і сталі У8А.
В якості вихідних реагентів застосовували порошки хрому і титану, чотирихлористий вуглець, та деревне вугілля. Для реалізації процесу була використана оригінальна установка на базі лабораторної шахтної електропечі опору з герметичною металевою камерою (Рис.1).
В якості вихідних реагентів застосовували порошки хрому і титану, чотирихлористий вуглець, та деревне вугілля. Для реалізації процесу була використана оригінальна установка на базі лабораторної шахтної електропечі опору з герметичною металевою камерою (Рис.1).
Через вакуумний кран 7 в робочій простір вводився CCl4, який взаємодіючи з порошками перехідних металів утворював хлориди. Процес хромування тривав протягом 2-2,5 годин при постійній температурі. Через вакуумний кран вводилася певна експериментально підібрана кількість повітря. Після закінчення процесу хромування, відкривається магнітний конусний затвор 14 і в реакційне середовище вводять порошок титану.
Процес титанування тривав протягом 2 – 3 годин.
Результати пошарового рентгеноструктурного аналізу покриттів на сталі У8А та твердому сплаву ВК8 наведені в таблиці 1.
Процес титанування тривав протягом 2 – 3 годин.
Результати пошарового рентгеноструктурного аналізу покриттів на сталі У8А та твердому сплаву ВК8 наведені в таблиці 1.
Таблиця 1. Фазовий склад та характеристики покриттів на сталі У8А та твердому сплаву ВК8
Вид обробки,
t °C, час насичення |
Марка сплаву
|
Фазовий склад
|
Період кристалічної гратки, нм
|
Товщина шару, мкм
|
Мікро
твердість, ГПа (навантаження 50 грам) |
Титанування
1050°C 3 години |
Сталь У8А
|
TiC
|
a=0,4333
|
17,5
|
35,8
|
ВК8
|
CoTi
|
-
|
1,0
|
-
|
|
TiC
|
a=0,4323
|
5,5
|
37,5
|
||
Хромотитанування
за участю кисню 1050°C 3,5 години |
Сталь У8А
|
TiC
|
a=0,4315
|
5,0
|
35,5
|
Me2O3
|
a=0,4981
c=1,3647 |
13,5
|
17,5-21,5
|
||
Cr23C6
|
a=1,0669
|
||||
Cr7C3
|
a=0,6968
b=1,2173 c=0,4515 |
7,5
|
16,0
|
||
ВК8
|
Fe2Ti
|
a=0,4791
с=0,7805 |
1,0
|
-
|
|
TiC
|
a=0,4310
|
3,0
|
29,5
|
||
Me2O3
|
a=0,4998
c=1,3647 |
12,0
|
17,0-20,5
|
||
Cr23C6
|
a=1,0639
|
||||
Cr7C3
|
a=0,7007
b=1,2223 c=0,4528 |
5,5
|
16,0
|
В поєднанні з методами пошарового мікро рентгеноспектрального, металографічного та дюрометричного аналізу, встановлено присутність в дифузійному оксихромотитанованому шарі наявність трьох зон. Безпосередньо на зовнішній стороні покриття розташовується зона інтерметаліду Fe2Ti і карбіду титану TiC. Джерелом заліза, яке сконцентроване в основному на зовнішній стороні покриття, буде реторта. Періоди кристалічної гратки карбіду ТіС в оксикарбідних покриттях на сталі У8А та твердому сплаві виявляються меншими за періоди гратки при звичайному титануванні. Це зумовлено в першу чергу нижчим вмістом вуглецю в карбідному покритті [10,14]. Наступна зона складається з двох фаз: карбіду хрому Cr23C6 та складного оксиду Me2O3. До третьої зони входить карбід Cr7C3.
Мікроструктури покриттів на сталі У8А та твердому сплаві ВК8 наведені на рисунку 2. Металографічно покриття виявляються в вигляді світлої зони з чіткою границею розділу з основою. Більшу частину покриття займає зона з гетерогенною структурою.
Зерна оксидів Me2O3 темного кольору в більшості випадків мають чітко виражену огранку, неправильну форму, витягнуті вздовж дифузійних потоків нормально до поверхні.
Мікроструктури покриттів на сталі У8А та твердому сплаві ВК8 наведені на рисунку 2. Металографічно покриття виявляються в вигляді світлої зони з чіткою границею розділу з основою. Більшу частину покриття займає зона з гетерогенною структурою.
Як показали результати мікрорентгеноспектральних досліджень (рис. 3) оксиди біля границі з основою, які утворилися на етапі хромування, леговані титаном в незначній мірі.
В той же час, оксиди на зовнішній стороні покриття містять більше титану і значно меншe кількість хрому. Хімічний склад оксидів та їх кількість в гетерогенній суміші «оксиди-карбіди хрому» впливає на мікротвердість окремих зон покриття. Так мікротвердість гетерогенної зони, для сталі У8А коливається в межах 17,5-21,5 ГПа, а для твердого сплаву ВК8 17,0-20,5 ГПа. Максимальну мікротвердість в досліджених покриттях мають шари на основі карбіду титану TiC – 29,5…35,5 ГПа.
Товщина покриттів отриманих за прийнятих умов насичення наведена в таблиці 1. Аналіз отриманих даних показав, що швидкість нанесення оксикарбідних покриттів більша за швидкість нанесення традиційних карбідних відповідно в 1,2 – 2,7 рази. Можна вважати що, причиною інтенсифікації насичення при запропонованому методі є участь в формуванні покриттів не тільки вуглецю, але і кисню. Це підтверджується присутністю в покриттях оксиду Me2O3, кількість якого в деяких зонах покриття досягає 40 – 50%.
Товщина покриттів отриманих за прийнятих умов насичення наведена в таблиці 1. Аналіз отриманих даних показав, що швидкість нанесення оксикарбідних покриттів більша за швидкість нанесення традиційних карбідних відповідно в 1,2 – 2,7 рази. Можна вважати що, причиною інтенсифікації насичення при запропонованому методі є участь в формуванні покриттів не тільки вуглецю, але і кисню. Це підтверджується присутністю в покриттях оксиду Me2O3, кількість якого в деяких зонах покриття досягає 40 – 50%.
ВИСНОВКИ
1. Показана можливість отримання на сталі У8А і твердому сплаві ВК8 карбооксидних хромотитанових покриттів.
2. Особливістю будови покриттів є наявність шару з гетерогенною структурою, яка складається із карбідів хрому Cr7C3, Cr23C6 та оксидів металу Me2O3. Кількість оксиду змінюється за товщиною шару і може досягати 40 – 50%.
3. Встановлено що мікротвердість шару карбіду титану, на даних покриттях, становить 29,5…35,5 ГПа, шару Cr7C3 – 16,0 ГПа, гетерогенної зони змінюється в межах 17,0 – 21,5 ГПа.
SUMMARY2. Особливістю будови покриттів є наявність шару з гетерогенною структурою, яка складається із карбідів хрому Cr7C3, Cr23C6 та оксидів металу Me2O3. Кількість оксиду змінюється за товщиною шару і може досягати 40 – 50%.
3. Встановлено що мікротвердість шару карбіду титану, на даних покриттях, становить 29,5…35,5 ГПа, шару Cr7C3 – 16,0 ГПа, гетерогенної зони змінюється в межах 17,0 – 21,5 ГПа.
GETEROGEN OXYCARBID COVERAGES WITH ADDING TITAN AND CHROME ON STEEL У8А AND CARBOLOY ВК8
Degula A.I., Hizhnyak V.G., Loskutova T.V., Lesechko D.V.
National technical university of Ukraine «Kiev polytechnical institute», Kiev
The structure of the multicomponent diffusive sheeting with adding titan and chrome on steel У8А and carboloy ВК8 has been investigated . Tthe thickness of the received layers, their phase composition and microhardness have been defined. Possibility of receipt of complex geterogen carbidic and carbooxyd coverages on steel and carboloies has been shown.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Химикотермическая обработка металлов и сплавов: Справочник / Борисенко Г.В., Васильев Л.А., Ворошнин Л.Г. и др. М.: Металлургия, 1981. – 424 с.
2. Верещака А.С. Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение. 1986. – 192 с.
3. Лоскутов В.Ф., Хижняк В.Г., Куницкий Ю.А. Диффузионные карбидные покрытия. К.: Техника. 1991. – 168 с.
4. Андриевский Р.А. Синтез и свойства плёнок фаз внедрения // Успехи химии. 1997. -№66(1). -с. 57-71
5. Хижняк В.Г., Король В.І. Стабільність карбідохромових покриттів при підвищених температурах // МОМ. – 2003. - №3. – с.24 -29
6. Хижняк В.Г., Курило Н.А., Шахрайчук М.М. Будова і зносостійкість карбідних і нітрідних покриттів за участю титану, ванадію і хрому на салі У8А // Наукові вісті. -2007. -№3(53). -105-109
7. Deepak G.B., Paul F.W. Coatings for Cutting Tools // Journal of Metalls v.38, 1986. – p. 68-69
8. Wick C. Coatings improve life, ncrease productivity // Manufact. eng.-1986. - № 97. – р.26 - 31
9. Стормс Э. Тугоплавкие карбиды. М.: Атомиздат. 1970. – 304 с.
10. Мовчан Б.А. Неорганические материалы осаждаемые из паровой фазы в вакууме // Сучасне матеріалознавство XXI сторіччя. К.: Наукова думка. 1998.- с.318 - 332
11. V.G. Khijnyak, A.I. Degula, S.M. Chernega Diffusive complex coverages with participation titan and chrome on the hard alloys of ВК8 and Т15К6 // Advanced manufacturing technologies. – 2007. –p.72 – 76
12. Хижняк В.Г., Дегула А.І., Лоскутова Т.В. Титанохромування твердого сплаву ВК8 за умов зниженого тиску в середовищі хлору // МОМ. – 2008. - №4. – с.36-40
1. Химикотермическая обработка металлов и сплавов: Справочник / Борисенко Г.В., Васильев Л.А., Ворошнин Л.Г. и др. М.: Металлургия, 1981. – 424 с.
2. Верещака А.С. Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение. 1986. – 192 с.
3. Лоскутов В.Ф., Хижняк В.Г., Куницкий Ю.А. Диффузионные карбидные покрытия. К.: Техника. 1991. – 168 с.
4. Андриевский Р.А. Синтез и свойства плёнок фаз внедрения // Успехи химии. 1997. -№66(1). -с. 57-71
5. Хижняк В.Г., Король В.І. Стабільність карбідохромових покриттів при підвищених температурах // МОМ. – 2003. - №3. – с.24 -29
6. Хижняк В.Г., Курило Н.А., Шахрайчук М.М. Будова і зносостійкість карбідних і нітрідних покриттів за участю титану, ванадію і хрому на салі У8А // Наукові вісті. -2007. -№3(53). -105-109
7. Deepak G.B., Paul F.W. Coatings for Cutting Tools // Journal of Metalls v.38, 1986. – p. 68-69
8. Wick C. Coatings improve life, ncrease productivity // Manufact. eng.-1986. - № 97. – р.26 - 31
9. Стормс Э. Тугоплавкие карбиды. М.: Атомиздат. 1970. – 304 с.
10. Мовчан Б.А. Неорганические материалы осаждаемые из паровой фазы в вакууме // Сучасне матеріалознавство XXI сторіччя. К.: Наукова думка. 1998.- с.318 - 332
11. V.G. Khijnyak, A.I. Degula, S.M. Chernega Diffusive complex coverages with participation titan and chrome on the hard alloys of ВК8 and Т15К6 // Advanced manufacturing technologies. – 2007. –p.72 – 76
12. Хижняк В.Г., Дегула А.І., Лоскутова Т.В. Титанохромування твердого сплаву ВК8 за умов зниженого тиску в середовищі хлору // МОМ. – 2008. - №4. – с.36-40
Немає коментарів:
Дописати коментар