Упрочнение деталей прокатного оборудования многокомпонентными титановыми покрытиями с помощью инновационной СВС-технологии

Abstract

Рассмотрена СВС-технология получения многокомпонентных титановых покрытий в режиме теплового самовоспламенения на сталях массового назначения. Исследованы закономерности и механизмы их формирования. Экспериментально установлена роль активаторов в процессе диффузионного насыщения, а также зависимость толщины покрытий от технологических параметров процесса (температуры и продолжительности изотермической выдержки). Экспериментально установлено, что максимальная концентрация порошка меди в СВС-шихте не должна превышать 7-8%, так как ее рост приводит к резкому увеличению максимальной температуры воспламенения tm, что приведет к перегреву металла основы и снижению ее физико-механических свойств, а также к спеканию шихты и, следовательно, уменьшению ее газопроницаемости для составляющих газовой фазы. По результатам рентгеноструктурного и металлографического анализов установлено, что полученные покрытия имеют многофазное строение: на поверхности технически чистого железа и углеродистых сталей образуется слой алюминида Fe₂Al₅, твердых растворов FeAl, Fe₃Al, легированных титаном и зона твердого раствора Ti и Al в α-Fe. Изучено влияние составов реакционных смесей на свойства полученных покрытий. Показаны результаты исследований структуры и свойств комплексных титановых покрытий, полученных в условиях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в различных составах реакционных шихт. Приведен сравнительный анализ эксплуатационных характеристик СВС-покрытий и диффузионных покрытий, полученных методом химико-термической обработки. Испытания показали, что коррозионная стойкость СВС-покрытий в 1,6-1,7 раза выше, чем покрытий, полученных в результате диффузионного насыщения. Это может быть обусловлено микролегированием зерен покрытия (как границ, так и тела зерна) алюминием и хромом при СВС-процессе.

The SVS-technology for producing multicomponent titanium coatings in the thermal self-ignition mode on steels of mass purpose is considered. The laws and mechanisms of their formation are investigated. Experimentally established the role of activators in the process of diffusion saturation, as well as the dependence of the thickness of the coatings on the technological parameters of the process (temperature and duration of isothermal exposure). It was established experimentally that the maximum concentration of copper powder in the SHS mixture should not exceed 7-8%, since its growth leads to a sharp increase in the maximum ignition temperature tm, which will lead to overheating of the base metal and decrease its physical and mechanical properties, as well as sintering the mixture and, consequently, reducing its gas permeability for the components of the gas phase. According to the results of X-ray structural and metallographic analyzes, it was found that the coatings obtained have a multiphase structure: a layer of aluminide Fe₂Al₅, solid solutions FeAl, Fe₃Al doped with titanium and a solid solution Ti and Al in α-Fe are formed on the surface of technically pure iron and carbon steel. The effect of the composition of the reaction mixtures on the properties of the coatings obtained was studied. The results of studies of the structure and properties of complex titanium coatings obtained under conditions of self-propagating high-temperature synthesis in various compositions of the reaction mixtures are shown. A comparative analysis of the operational characteristics of SHS coatings and diffusion coatings obtained by the method of chemical heat treatment is given. Tests have shown that the corrosion resistance of SHS coatings is 1.6-1.7 times higher than that obtained as a result of diffusion saturation. This may be due to the micro-alloying of the coating grains (both the boundaries and the grain body) with aluminum and chromium during the SHS process.