RU2781715C1 - Способ формирования коррозионно-стойкого износостойкого покрытия на сталях - Google Patents
Способ формирования коррозионно-стойкого износостойкого покрытия на сталях Download PDFInfo
- Publication number
- RU2781715C1 RU2781715C1 RU2022123056A RU2022123056A RU2781715C1 RU 2781715 C1 RU2781715 C1 RU 2781715C1 RU 2022123056 A RU2022123056 A RU 2022123056A RU 2022123056 A RU2022123056 A RU 2022123056A RU 2781715 C1 RU2781715 C1 RU 2781715C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- corrosion
- steel
- chromium
- resistant
- coating
- Prior art date
Links
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 30
- 239000010959 steel Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 21
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 20
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 230000035882 stress Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 11
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 7
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 6
- 238000005255 carburizing Methods 0.000 description 5
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 3
- -1 chromium carbides Chemical class 0.000 description 3
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 2
- 229910000746 Structural steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- TWXTWZIUMCFMSG-UHFFFAOYSA-N nitride(3-) Chemical compound [N-3] TWXTWZIUMCFMSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к способу формирования коррозионно-стойкого износостойкого покрытия на стали. Проводят диффузионное насыщение стали при температуре 900-1070°С в течение 2-5 ч в свинцовом расплаве, содержащем следующее соотношение компонентов, мас.%: свинец 98,4-93,9, литий 0,5-0,8, хром 1-5, тантал 0,1-0,3. Обеспечивается повышение износостойкости, коррозионной стойкости и эксплуатационного ресурса изделий, изготовленных из конструкционных сталей, в условиях воздействия на них высоких контактных напряжений, знакопеременных нагрузок и агрессивного воздействия рабочей среды. 4 пр., 1 табл.
Description
Изобретение относится к технологиям, обеспечивающим повышение стойкости изделий из конструкционных сталей к механическому износу и агрессивному воздействию рабочих сред за счет изменения элементного состава и структурного состояния их поверхностных слоев, и может быть использовано для увеличения эксплуатационного ресурса изделий, испытывающих воздействие механического износа и агрессивных сред.
Известны способы повышения износостойкости изделий из малоуглеродистых, легированных и аустенитных коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочных сталей путем их азотирования, цементации, нитроцементации, обеспечивающих повышение твердости поверхностных слоев за счет формирования в них нитридных, карбидных, карбонитридных соединений с легирующими элементами стали.
Известно также применение для повышения износостойкости аустенитных сталей способов цементации и нитроцементации (Белякова В.И. Диффузионно-дисперсионный способ упрочнения поверхности аустенитной стали / В.И. Белякова, А.А. Верещагина, И.П. Банас // Металловедение и термическая обработка металлов - 1991. - №11. - С. 2-4) Цементация и нитроцементация проводились при температурах 950-1050°С. В результате на аустенитной стали получены высокопрочные слои до 1 мм толщиной, последующая термическая обработка позволила повысить HV до 700.
Существенным недостаткам азотирования, цементации и нитроцементации является отсутствие после этих обработок стойкости сталей к коррозионно-механическому изнашиванию.
Известен также способ нанесения покрытий на стальные изделия [пат. №2312164], включающий диффузионное насыщение стальных изделий в расплаве, содержащем свинец, литий, никель, хром, при температуре 650-1250°С, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Свинец – 84,2-96,5
Литий – 0,5-0,8
Никель - 1-5
Хром – 2-10
При введении хрома в расплав, в котором производится нанесение диффузионных покрытий, на поверхности изделий формируется двухслойное диффузионное покрытие. Наружный слой покрытия содержит карбиды хрома и, вследствие этого, обладает высокой твердостью. Помимо этого, наличие хрома на поверхности изделия обеспечивает повышение жаростойкости и коррозионной стойкости материала изделия. Данный способ выбран в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является то, что данный способ нанесения покрытий не обеспечивает достаточной коррозионной стойкости, помимо этого, покрытия обладают высокой хрупкостью.
Задачей заявляемого изобретения является повышение износостойкости, стойкости к коррозионно-механическому изнашиванию поверхностных слоев изделий, изготовленных из конструкционных сталей, при воздействии на покрытие значительных контактных напряжений, знакопеременных нагрузок, агрессивного воздействия рабочей среды.
Технический результат - повышение износостойкости, коррозионной стойкости и эксплуатационного ресурса изделий, изготовленных из конструкционных сталей, в условиях воздействия на них высоких контактных напряжений, знакопеременных нагрузок, агрессивного воздействия рабочей среды.
Технический результат достигается тем, что способ формирования коррозионно-стойкого износостойкого покрытия на сталях, включающий проведение диффузионного насыщения в свинцовом расплаве, содержащем свинец, литий и хром, отличающийся тем, что диффузионное насыщение проводят при температурах 900-1070 °С в течении 2-5 часов, а расплав дополнительно содержит тантал, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Свинец – 98,4-93,9
Литий – 0,5-0,8
Хром – 1-5
Тантал – 0,1-0,3
Введение тантала в количестве 0,1-0,3 масс. % позволяет повысить вязкость покрытия при сохранении высокой микротвердости и коррозионной стойкости. За счет введения в расплав тантала, формирование покрытия происходит на основе сложных карбидов типа (СrTa)C, обладающих высокой микротвердостью, износостойкостью, коррозионной стойкостью. При этом, хрупкость покрытия также снижается за счет снижения содержания в покрытии более хрупких карбидов хрома. Под карбидным слоем в диффузионном покрытии формируется слой, представляющий собой твердый раствор никеля, хрома и железа. Такой твердый раствор обладает высокой вязкостью, которая обеспечивает повышение вязкости.
Кроме этого, введение тантала повышает коррозионную стойкость изделий. При формировании покрытий на основе карбидов хрома связкой служит твердый раствор хрома в железе. В случае введения в состав расплава тантала, связка также легируется танталом. Это способствует выделению дисперсных фаз типа Fe2Ta, Cr2Ta при охлаждении изделия после диффузионного насыщения, что способствует повышнию коррозионной стойкости связки, и всего изделия в целом.
Также, в отличие от прототипа, при диффузионной металлизации поверхностных слоев стальных изделий из состава технологической среды исключается никель. Исключение никеля из состава легкоплавкого расплава, обусловлено необходимостью формирования карбидного покрытия, имеющего высокую износостойкость. В данном случае, наличие в составе технологической среды никеля способствует снижению микротвердости, и как следствие, износостойкости покрытия.
Таким образом, благодаря введению в расплав, в котором происходит формирование покрытий, тантала на поверхности изделия образуются диффузионные покрытия, повышающие износостойкость изделий, а также обеспечивающие материалу изделия высокую коррозионную стойкость.
Пластинчатые образцы, изготовленные из сталей: Ст3, 40Х, 20Х13, 12Х18Н10Т, по технологическим вариантам:
1-й вариант - пластины подвергались диффузионному насыщению никелем, хромом в легкоплавком расплаве - по технологии прототипа;
2-й вариант - пластины подвергались диффузионному насыщению хромом, титаном в легкоплавком расплаве - по технологии заявляемого способа.
При этом выбирались одинаковые значения температур и длительности процесса диффузионного насыщения изделий.
Пример 1. Пластины из стали 20Х13, 40Х, 12Х18Н10Т подвергались обработке по варианту 1 (прототип) - диффузионному насыщению в расплаве, содержащем свинец (89,2 масс. %), литий (0,8 масс. %), никель (5 масс. %) и хром (5 масс. %), при температуре 1000°С, длительность выдержки 5 часов.
Пример 2. Пластины из стали 20Х13, 40Х, 12Х18Н10Т подвергались обработке по варианту 2 (заявляемый способ) – диффузионному насыщению в расплаве, содержащем свинец (94,05 масс. %), литий (0,8 масс. %), хром (5 масс. %) и тантал (0,15 масс. %), при температуре 900°С, длительность выдержки 5 часов.
Пример 3. Пластины из стали 20Х13, 40Х, 12Х18Н10Т подвергались обработке по варианту 2 (заявляемый способ) – диффузионному насыщению в расплаве, содержащем свинец (98,07 масс. %), литий (0,8 масс. %), хром (1 масс. %) и тантал (0,13 масс. %), при температуре 1000°С, длительность выдержки 5 часов.
Пример 4. Пластины из стали 20Х13, 40Х, 12Х18Н10Т подвергались обработке по варианту 2 (заявляемый способ) – диффузионному насыщению в расплаве, содержащем свинец (93,9 масс. %), литий (0,8 масс. %), хром (5 масс. %) и тантал (0,3 масс. %), при температуре 1070°С, длительность выдержки 2 часа.
Сравнительная оценка эффективности заявляемого способа повышения износостойкости изделий из сталей Ст3, 40Х, 12Х18Н10Т проводилась на основании анализа изменения твердости их поверхности по Роквеллу - шкала HRA и измерений ударной вязкости. Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Варианты Обработки Образцов № Примера |
Марка покрываемой стали |
Твердость покрытия, HRA | Ударная вязкость, кДж/м2 |
Прототип. Пример №1 |
20Х13 | 61 | 80 |
40Х | 65 | 140 | |
12Х18Н10Т | 71 | 220 | |
Заявляемый способ. Пример №2 |
20Х13 | 70 | 83 |
40Х | 75 | 142 | |
12Х18Н10Т | 80 | 222 | |
Заявляемый способ. Пример №3 |
20Х13 | 77 | 86 |
40Х | 79 | 145 | |
12Х18Н10Т | 81 | 225 | |
Заявляемый способ. Пример №4 |
20Х13 | 80 | 88 |
40Х | 82 | 147 | |
12Х18Н10Т | 81 | 228 |
Как следует из результатов исследований, представленных в таблице 1, прототип, несмотря на высокую поверхностную твердость основного слоя, не обеспечивает возможность формирования покрытия, в котором отсутствуют растрескивания при воздействии на него высоких контактных механических нагрузок, которыми являются, в частности, воздействия индентора при измерении твердости. Так, на покрытиях, сформированные по технологии прототипа, при замере твердости по Роквеллу при воздействии индентора выявлены трещины, что свидетельствует о высокой хрупкости покрытия. Также, образец, покрытый по технологии прототипа, имел более низкую ударную вязкость.
После обработки поверхности сталей – 20Х13, 40Х, 12Х18Н10Т по заявляемому способу твердость поверхностного слоя увеличивается. Так, твердость по Роквеллу сталей 20Х13, 40Х, 12Х18Н10Т возрастает до 80-82 HRA, что соответствует твердости инструментальных сталей, это значительно повышает стойкость покрытия к продавливанию и растрескиванию, а также, вследствие отсутствия этих явлений, к коррозионно-механическому изнашиванию.
Таким образом, предложенный способ, включающий проведение диффузионного насыщения в расплаве, содержащем свинец, литий, хром, тантал, позволяет значительно повысить твердость и износостойкость, стойкость к коррозионно-механическому изнашиванию поверхностных слоев изделий, изготовленных из конструкционных сталей, при воздействии на покрытие значительных контактных напряжений, то есть решить техническую задачу заявляемого изобретения и добиться поставленного технического результата - повышения износостойкости, стойкости к коррозионно-механическому изнашиванию поверхностных слоев изделий, изготовленных из конструкционных сталей, при воздействии на покрытие значительных контактных напряжений, знакопеременных нагрузок, агрессивного воздействия рабочей среды.
Claims (2)
- Способ формирования коррозионно-стойкого износостойкого покрытия на стали, включающий проведение диффузионного насыщения стали в свинцовом расплаве, содержащем свинец, литий и хром, отличающийся тем, что диффузионное насыщение проводят при температуре 900-1070°С в течение 2-5 ч, а упомянутый расплав дополнительно содержит тантал, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
-
Свинец 98,4-93,9 Литий 0,5-0,8 Хром 1-5 Тантал 0,1-0,3
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2781715C1 true RU2781715C1 (ru) | 2022-10-17 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR974684A (fr) * | 1947-11-10 | 1951-02-23 | British Non Ferrous Metals Res | Procédé de formation de couches métalliques sur les métaux ou alliages |
RU2312164C1 (ru) * | 2006-05-02 | 2007-12-10 | ГОУВПО Кубанский государственный технологический университет | Способ нанесения диффузионных покрытий на стальные изделия |
RU2758506C1 (ru) * | 2020-12-01 | 2021-10-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | Способ повышения износостойкости и коррозионной стойкости изделий из аустенитных сталей |
RU2768647C1 (ru) * | 2021-10-15 | 2022-03-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" | Способ формирования износостойкого покрытия и коррозионно-стойкого покрытия на поверхности изделий из стали |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR974684A (fr) * | 1947-11-10 | 1951-02-23 | British Non Ferrous Metals Res | Procédé de formation de couches métalliques sur les métaux ou alliages |
RU2312164C1 (ru) * | 2006-05-02 | 2007-12-10 | ГОУВПО Кубанский государственный технологический университет | Способ нанесения диффузионных покрытий на стальные изделия |
RU2758506C1 (ru) * | 2020-12-01 | 2021-10-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | Способ повышения износостойкости и коррозионной стойкости изделий из аустенитных сталей |
RU2768647C1 (ru) * | 2021-10-15 | 2022-03-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" | Способ формирования износостойкого покрытия и коррозионно-стойкого покрытия на поверхности изделий из стали |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Karamiş | An investigation of the properties and wear behaviour of plasma-nitrided hot-working steel (H13) | |
Habig et al. | Wear behaviour of boride layers on alloyed steels | |
RU2781715C1 (ru) | Способ формирования коррозионно-стойкого износостойкого покрытия на сталях | |
Singh et al. | Effect of surface alloying on wear behaviour of EN-47 steel | |
RU2679318C1 (ru) | Способ диффузионного насыщения изделий из аустенитных сталей | |
Jellesen et al. | Erosion–corrosion and corrosion properties of DLC coated low temperature gas-nitrided austenitic stainless steel | |
JPS61264170A (ja) | チエ−ン用ピン | |
Karamiş et al. | An evaluation of the using possibilities of the carbonitrided simple steels instead of carburized low alloy steels (wear properties) | |
RU2758506C1 (ru) | Способ повышения износостойкости и коррозионной стойкости изделий из аустенитных сталей | |
US8083866B2 (en) | Method for hardening the surfaces of work pieces made of stainless steel, and a molten salt bath for realizing the method | |
Triwiyanto et al. | Low temperature thermochemical treatments of austenitic stainless steel without impairing its corrosion resistance | |
Ghelloudj | RESEARCH PAPER MICROSTRUCTURE, MECHANICAL AND TRIBOLOGICAL BEHAVIOUR OF AISI 316L STAINLESS STEEL DURING SALT BATH NITRIDING | |
Riyaz et al. | Experimental Investigation of Chromium and Nickel Thin Sheets on EN8 Steel by Plating Technique | |
SU671740A3 (ru) | Способ обработки пил из низколегированной инструментальной стали дл резки древесины и неметаллических материалов | |
US7981480B2 (en) | Hot dip coating apparatus | |
RU2293792C1 (ru) | Способ повышения износостойкости стальных изделий | |
RU2439171C2 (ru) | Способ обработки чугунных изделий | |
Rabah et al. | Effect of the carburizing layer on the morphology of chromium carbides | |
RU2345160C1 (ru) | Белый износостойкий чугун | |
RU2386726C1 (ru) | Способ упрочнения поверхностей стальных поршневых колец | |
JP2018176195A (ja) | 熱延工場サイドガイド部材 | |
JPH0280539A (ja) | 窒化用鋼素材 | |
RU2779651C1 (ru) | Способ упрочнения металлических деталей и покрытие для них | |
RU2379376C2 (ru) | Способ обработки поверхности стальных изделий | |
Cook | Low temperature active-screen plasma surface alloying of precipitation hardening stainless steels |