ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Рассмотрены основные способы увеличения работоспособности изделий, изготовленных из конструкционных сталей. Приведено обоснование выбора Ni и Cr в качестве основных компонентов покрытия. Приведено описание технологии диффузионного легирования из среды легкоплавких жидкометаллических растворов (ДЛЛЖР). Целью работы является выявление особенностей формирования покрытий при одновременном диффузионном насыщении никелем и хромом конструкционных сталей по технологии ДЛЛЖР. Методика исследований. ДЛЛЖР подвергались цилиндрические образцы диаметром 20 мм, длиной 30 мм. Образцы были изготовлены из конструкционных сталей марок Ст3, 30ХГСН2А, 40Х и 40Х13. В качестве технологической среды при ДЛЛЖР (транспортный расплав) использовался эвтектический расплав свинец-литий, в который в заданном количестве вводились никель и хром. ДЛЛЖР проводилось при 1050 °С в течение 300 минут. Металлографические исследования выполнялись на микрошлифах, подготовленных по стандартной методике. Исследования по определению толщины покрытий и их структуры проводились на микротвердомере Dura Scan Falcon 500. Определение элементного состава покрытий выполнялось 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 происходит формирование диффузионных Ni-Cr покрытий. Проведение ДЛЛЖР на конструкционных углеродистых и низколегированных сталях приводит к формированию двухслойных покрытий: поверхностный карбидный слой и переходный твердорастворный. При этом содержание хрома в поверхностных слоях может достигать 80 % при содержании никеля 1,5 %. Максимальная концентрация никеля наблюдалась в переходном слое и составила 21 % на глубине 5 мкм на стали 30ХГСН2А и 13 % на глубине 4,5 мкм для стали 40Х. Проведение ДЛЛЖР на сталях, содержащих карбидообразующие элементы в значительном количестве или содержащих углерод в малом количестве, приводит к формированию однослойных покрытий на базе твердых растворов. При этом содержание никеля в покрытии достигает 40 %, содержание хрома для стали Ст3 составило 14,5 %, для стали 40Х13 – 9 %.

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. Effect of surface conditions on the localized corrosion of copper tubes / S.-J. Ko, Y.-H. Lee, K.-S. Nam, E.-H. Park, J.-G. Kim // Materials Chemistry and Physics. – 2023. – Vol. 302. – P. 127747. – DOI: 10.1016/j.matchemphys.2023.127747.

7. 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.

8. A comparative study of the microstructure and corrosion resistance of Fe-based/B₄C composite coatings with Ni-added or Cu-added by vacuum cladding / H. Yu, Z. Luo, X. Zhang, Y. Feng, G. Xie // Materials Letters. – 2023. – Vol. 335. – P. 133730. – DOI: 10.1016/j.matlet.2022.133730.

9. Li R., Cheng C., Pu J. NaCl-induced hot-corrosion behavior of TiAlN single-layer and TiAlN/Ti multilayer coatings at 500°C // Materials Today Communications. – 2022. – Vol. 33. – P. 104421. – DOI: 10.1016/j.mtcomm.2022.104421.

10. Nóvoa X.R., Pérez C. The use of smart coatings for metal corrosion control // Current Opinion in Electrochemistry. – 2023. – Vol. 40. – P. 101324. – DOI: 10.1016/j.coelec.2023.101324.

11. 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, Zh. Li, Y. Wang, P. Du, J. Lu // Corrosion Science. – 2022. – Vol. 203. – P. 110378. – DOI: 10.1016/j.corsci.2022.110378.

12. Sahu J.N., Sasikumar C. 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.

13. 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.

14. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. – М.: Металлургия, 1985. – 256 с.

15. 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.

16. 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.

17. Liu Y.D., Li W. Inhibiting effect of Ni/Re diffusion barrier on the interdiffusion between Ni-based coating and titanium alloys // Materials Today Communications. – 2023. – Vol. 35. – P. 106192. – DOI: 10.1016/j.mtcomm.2023.106192.

18. Соколов А.Г., Бобылев Э.Э. Кинетика формирования покрытий на базе карбида титана, нанесенных по технологии диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов, на сплавах типа ТК и ВК // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2016. – № 2 (71). – С. 59–69. – DOI: 10.17212/1994-6309-2016-2-59-69.

19. 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.

20. Sokolov A.G., Bobylev E.E., Storozhenko I.D. Formation of diffusion coatings based on nickel and chromium in the medium of fusible liquid metal solutions on austenitic steels // Solid State Phenomena. – 2021. – Vol. 316. – P. 851–856.

21. Соколов А.Г. Разработка теоретических и технологических основ повышения стойкости режущего и штампового инструмента за счет диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов: дис. … д-ра техн. наук: 05.16.09. – Краснодар, 2008. – 384 с.