ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Рассмотрены основные способы увеличения работоспособности изделий, изготовленных из конструкционных сталей. Приведено описание технологий диффузионного легирования из среды легкоплавких жидкометаллических растворов (ДЛЛЖР) и разработанной технологии комплексного диффузионного легирования поверхностных слоев материала изделий (КХТО), включающей технологии ДЛЛЖР и цементацию. Целью работы являлось определение влияния состава сталей на процесс формирования и элементный состав диффузионно-легированных поверхностных слоев (покрытий) на базе хрома, а также установление отличий и закономерностей в процессах формирования диффузионно-легированных покрытий после проведения ДЛЛЖР и КХТО. Методика исследований. ДЛЛЖР подвергались цилиндрические образцы диаметром 20 мм, длиной 30 мм. Образцы были изготовлены из углеродистых и легированных сталей: малоуглеродистых Ст3, 20Х13, среднеуглеродистых 40Х, 40Х13 и аустенитной слали 12Х18Н10Т. При этом часть образцов предварительно подверглась вакуумной цементации. В качестве технологической среды при ДЛЛЖР (транспортный расплав) использовался эвтектический расплав свинец-висмут, в который в заданном количестве вводился хром. Металлографические исследования проводились на микрошлифах, подготовленных по стандартной методике, исследования по определению толщины покрытий, их структуры – на микротвердомере Dura Scan Falcon 500. Определение элементного состава покрытий осуществлялось методом микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) на сканирующем электронном микроскопе Tescan Lyra 3 с системой РСМА Oxford Ultim MAX. Результаты и обсуждение. В результате исследований было выявлено, что при ДЛЛЖР и КХТО происходит формирование диффузионных покрытий. При этом толщина покрытий и их элементный состав зависят от марки стали и применяемой технологии. После ДЛЛЖР процентное содержание хрома варьируется от 96,9 до 91,1 %. При этом максимальная концентрация 96,9 % наблюдается на стали Ст3. После КХТО, на поверхностях всех сталей концентрация Cr снижается по сравнению с покрытиями, полученными по технологии ДЛЛЖР, на сталях: Ст3 с 96,9 до 66,8%; 40Х с 91,1 до 63,18 %; 20Х13 с 93,18 до 62,54 %; Сталь 12Х18Н10Т – с 92,92 до 64,77 %. Общая толщина диффузионно-легированных покрытий, сформированных на всех исследуемых нами сплавах, лежит в пределах от 17 до 17,5 мкм.

1. Corrosion resistance of laser melting deposited Cu-bearing 316L stainless steel coating in 0.5?M?H2SO4 solution / H. Zhao, Y. Ding, J. Li, G. Wei, M. Zhang // Materials Chemistry and Physics. – 2022. – Vol. 291. – P. 126572. – DOI: 10.1016/j.matchemphys.2022.126572.

2. Development of superhydrophobic and corrosion resistant coatings on carbon steel by hydrothermal treatment and fluoroalkyl silane self-assembly / H.-Q. Fan, P. Lu, X. Zhu, Y. Behnamian, Q. Li // Materials Chemistry and Physics. – 2022. – Vol. 290. – P. 126569. – DOI: 10.1016/j.matchemphys.2022.126569.

3. Microstructure and properties of Cr-AlN composite coating prepared by pack-cementation on the surface of Al-containing ODS steel / X. Hou, H. Wang, Q. Yang, Y. Chen, L. Chai, B. Song, N. Guo, S. Guo, Z. Yao // Surface and Coatings Technology. – 2022. – Vol. 447. – P. 128842. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128842.

4. Singh V., Singla A.K., Bansal A. Impact of HVOF sprayed Vanadium Carbide (VC) based novel coatings on slurry erosion behaviour of hydro-machinery SS316 steel // Tribology International. – 2022. – Vol. 176. – P. 107874. – DOI: 10.1016/j.triboint.2022.107874.

5. HVOF sprayed Ni–Mo coatings improved by annealing treatment: microstructure characterization, corrosion resistance to HCl and corrosion mechanisms / K. Yang, C. Chen, G. Xu, Z. Jiang, S. Zhang, X. Liu // Journal of Materials Research and Technology. – 2022. – Vol. 19. – P. 1906–1921. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.05.181.

6. Microstructure and wear resistance of laser cladding Ti-Al-Ni-Si composite coatings / J. Liang, Y. Liu, S. Yang, X. Yin, S. Chen, C. Liu // Surface and Coatings Technology. – 2022. – Vol. 445. – P. 128727. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128727.

7. Mechanical and tribological properties of anodic Al coatings as a function of anodizing conditions / E. Dervishi, M. McBride, R. Edwards, M. Gutierrez, N. Li, R. Buntyn, D.E. Hooks // Surface and Coatings Technology. – 2022. – Vol. 444. – P. 128652. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128652.

8. Bathini L., Prasad M.J.N.V., Wasekar N.P. Development of continuous compositional gradient Ni-W coatings utilizing electrodeposition for superior wear resistance under sliding contact // Surface and Coatings Technology. – 2022. – Vol. 445. – P. 128728. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128728.

9. Enhanced corrosion and wear resistance of gradient graphene-CrC nanocomposite coating on stainless steel / M. Zhang, X. Shi, Z. Li, H. Xu // Carbon. – 2021. – Vol. 174. – P. 693–709. – DOI: 10.1016/j.carbon.2020.12.007.

10. CrC/a-C:H coatings for highly loaded, low friction applications under formulated oil lubrication / M. Keunecke, K. Bewilogua, J. Becker, A. Gies, M. Grischke // Surface and Coatings Technology. – 2012. – Vol. 207. – P. 270–278. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.06.085.

11. Failure mechanisms of CrN and CrAlN coatings for solid particle erosion resistance / D. Wang, S.-s. Lin, Z. Yang, Z.-f. Yin, F.-x. Ye, X.-y. Gao, Y.-p. Qiao, Y.-n. Xue, H.-z. Yang, K.-s. Zhou // Vacuum. – 2022. – Vol. 204. – P. 111313. – DOI: 10.1016/j.vacuum.2022.111313.

12. Microstructure and properties of CrN coating via multi-arc ion plating on the valve seat material surface / C. Ji, Q. Guo, J. Li, Y. Guo, Z. Yang, W. Yang, D. Xu, B. Yang // Journal of Alloys and Compounds. – 2022. – Vol. 891. – P. 161966. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.161966.

13. Oxidation behavior and Cr-Zr diffusion of Cr coatings prepared by atmospheric plasma spraying on zircaloy-4 cladding in steam at 1300 C / Q. Li, P. Song, R. Zhang, Z. Li, Y. Wang, P. Du, J. Lu // Corrosion Science. – 2022. – Vol. 203. – P. 110378. – DOI: 10.1016/j.corsci.2022.110378.

14. Sahu J.N., C S. Development of hard and wear resistant surface coating on Ni-Cr-Mo steel by surface mechano-chemical carburization treatment (SMCT) // Journal of Materials Processing Technology. – 2019. – Vol. 263. – P. 285–295. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2018.08.027.

15. Application of chemical-thermal treatment for hardening of sprayed with supersonic coatings / S. Nurakov, M. Belotserkovsky, T. Suleimenov, K. Aitlessov // Procedia Computer Science. – 2019. – Vol. 149. – P. 360–364. – DOI: 10.1016/j.procs.2019.01.149.

16. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов: учебное пособие для вузов. – М.: Металлургия, 1985. – 256 с.

17. Improving the corrosion resistance of ferritic-martensitic steels at 600 °C in molten solar salt via diffusion coatings / T.M. Meißner, C. Oskay, A. Bonk, B. Grégoire, A. Donchev, A. Solimani, M.C. Galetz // Solar Energy Materials and Solar Cells. – 2021. – Vol. 227. – P. 111105. – DOI: 10.1016/j.solmat.2021.111105.

18. Соколов А.Г., Бобылёв Э.Э. Повышение износостойкости изделий из аустенитных сталей путем совмещения технологий цементации и диффузионного легирования в среде легкоплавких жидкометаллических расплавов // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. – 2020. – Т. 13 (4). – С. 502–511. – DOI: 10.17516/1999-494X-0241.

19. Mechanism and properties diffusion coating formation at carbide forming element base on surface of steel products / A.G. Sokolov, E.E. Bobylyov, I.D. Storogenko, R.A. Popov // AIP Conference Proceedings. – 2021. – Vol. 2389. – P. 080001. – DOI: 10.1063/5.0063579.

20. Патент № 2768647 Российская Федерация, МПК C21D 1/78, C23C 2/10, C23C 8/22, C23C 8/46, C23C 8/66 (2006.01). Способ формирования износостойкого покрытия и коррозионно-стойкого покрытия на поверхности изделий из стали: заявл. 15.10.2021: опубл. 24.03.2022, Бюл. № 9 / Соколов А.Г., Бобылев Э.Э., Попов Р.А.