Full Text

Введение В XXI в. высокие темпы развития промышленности, интенсификация производственных процессов предъявляют высокие требования к надежной эксплуатации технологического оборудования и строительных конструкций. Особое место в комплексе мероприятий по обеспечению бесперебойной эксплуатации оборудования отводится надежной защите его от коррозии и износа [1-5]. Защита от коррозии является на протяжении многих лет одной из актуальных проблем, имеющих большое значение для промышленности и народного хозяйства. Для сокращения расходов металла, повышения надежности и долговечности деталей машин и оборудования имеются только два пути: 1) применение специальных сталей и сплавов; 2) нанесение покрытий на изделия при их изготовлении или ремонте. Поскольку производство специальных сталей и сплавов связано с расходом особо дефицитных и дорогостоящих материалов и компонентов, то во всех промышленно развитых странах не увеличивают выпуск специальных сталей и сплавов, а используют самые совершенные технологии для нанесения покрытий и упрочнения деталей. Покрытия Al-Fe и Al-Fe-Ti На рис. 1 и 2 показаны электронно-микроскопические (ЭМ) изображения покрытий Al-Fe-Ti в среде аргона и азота. В первом случае средний размер зерна титана, окруженного аморфной оболочкой, составляет 100-150 нм. Такие покрытия называют субмикрокристаллическими [6]. Во втором случае идет образование в основном нитридов титана и железа. Размер зерна составляет около 50 нм. Такие покрытия называют нанокристаллическими [6]. Азотирование покрытия Al-Fe приводит к изменению его структуры за счет образования нитридных фаз (рис. 3). Рис. 1. ЭМ-изображение покрытия Al-Fe-Ti в среде аргона Рис. 2. ЭМ-изображение покрытия Al-Fe-Ti в среде аргона а б Рис. 3. Снимки покрытия Al-Fe до (а) и после (б) азотирования Изменяются и трибологические свойства покрытий. Микротвердость покрытия Al-Fe до азотирования равна 245,6 МПа, а после азотирования - 350,9 МПа, т.е. увеличивается почти в 1,5 раза. Несмотря на образование твердых нитридных фаз, коэффициенты трения после азотирования уменьшаются (табл. 1). Таблица 1 Коэффициенты трения покрытия Al-Fe до и после азотирования Покрытие Коэффициент трения покрытия Медная пластина Алюминиевая пластина Al-Fe до азотирования 0,282 0,327 Al-Fe после азотирования 0,194 0,206 Легирование покрытия Al-Fe титаном приводит к увеличению коэффициентов трения (табл. 2). Однако и в этом случае образование нитридных фаз сопровождается, хоть и незначительным, но уменьшением коэффициентов трения. Таблица 2 Коэффициенты трения покрытий Al-Fe-Ti Покрытие Коэффициент трения Алюминиевая пластина Медная пластина Al-Fe-Ti в среде аргона 0,344 0,255 Al-Fe-Ti в среде азота 0,317 0,230 Результаты исследования на жаростойкость покрытий Al-Fe и Al-Fe-Ti представлены в табл. 3. Жаростойкость оценивалась по массе окисленного покрытия. Таблица 3 Потеря массы покрытия после термической обработки при 600 °С в течение 100 ч № п/п Покрытие Масса окислившегося покрытия, мг 1 Сталь 35 без покрытия 56,8 2 Fe-Al 14,2 3 Fe-Al-Ti (аргон) 15,4 4 Fe-Al-Ti (азот) 11,2 Легирование покрытия Al-Fe титаном незначительно влияет на его жаростойкость. Однако синтезированные покрытия значительно увеличивают жаростойкость, по сравнению с образцом без покрытия примерно в 4 раза. Нитрид железа в форме нитрида тетражелеза Fe4N образуется в вакууме при температуре 440-550 °С. Его микротвердость лежит в пределах 8,2-8,9 ГПа. Нитрид алюминия образуется при азотировании при довольно высокой температуре - более 800 °С. Учитывая, что температура подложки в наших экспериментах была равной примерно 450 °С, образование нитридов алюминия маловероятно. Согласно данным РФЭС, содержание железа в покрытии составляет около 40 %. Образование нитридов железа после азотирования напыленного слоя приводит к увеличению микротвердости покрытия. Из приведенных выше данных по коэффициентам трения, микротвердости, жаростойкости следует, что полученные покрытия Fe-Al и Fe-Al-Ti могут быть использованы как коррозионностойкие, жаропрочные, антифрикционные покрытия на низкосортные сорта стали, увеличивая срок службы деталей из этих сталей в 3-4 раза. Поскольку покрытия имеют толщину 4-6 мкм, экономический эффект использования таких покрытий на деталях из низкосортных марок стали очевиден. Агрессивные свойства шахтных вод связаны с наличием серы, сульфатов железа, магния, алюминия и др. в угольной массе. Это характерно для всех угольных бассейнов мира, включая и Карагандинский угольный бассейн. Откачка шахтных вод из горных выработок приводит к коррозии металлических частей насосов, трубопроводов, арматуры и т.д. В табл. 4 приведены характеристики коррозионной стойкости исследованных в настоящей работе покрытий на некоторых деталях горно-шахтного оборудования. Здесь коэффициент K определяется методом анодного поляризационного инициирования дефектов и изменяется от K = 0 (для плохих покрытий) до K = 1 (для качественных покрытий). Таблица 4 Характеристики различных покрытий Наименование детали Антикоррозионное покрытие Коэффициент K Сталь 35 Без покрытия 0,14 Ниппель 12, Ст. 35 Fe-Al 0,47 Муфта 12 с, Ст. 35 Fe-Al 0,54 Пробка ГВУ 30.002 Ст. 35 Fe-Al-Ti 0,69 Заключение Поскольку толщина ионно-плазменных покрытий составляет от 4 до 6 мкм, то становится очевидным, что нанесение многоэлементных покрытий типа перечисленных выше, например на сталь 45, экономически более выгодно, чем использование дорогостоящих жаростойких сталей и сплавов.

About the authors

E. S Platonova

Karaganda State Technical University

References

Statistics

Views

Abstract - 72

PDF (Russian) - 24

Refbacks

• There are currently no refbacks.