РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМА МАССОПЕРЕНОСА ПРИ ДКПЛ
2.1 Объекты исследования, методика подготовки образцов шихты и легируемых
сплавов
Объектом исследования в работе являются поверхностно-легированные изделия и
процессы массопереноса, протекающие при ДКПЛ железоуглеродистых сплавов в
насыщающих порошковых смесях карбидообразователей или их ферросплавов, оксида
алюминия и хлористого аммония.
В качестве объектов исследования массопереноса и воспроизводимости результатов
ДКПЛ использовали армко-железо и углеродистые стали 45, 35Л, химический состав
которых приведен в таблице 2.1.
Таблица 2.1 Химический состав материалов, использованных для обработки ДКПЛ.
Материал
Si
Mn
Ni
Cr
Fe
Железо-армко
0,042
0,20
0,025
0,021
0,18
ост.
Сталь 35Л
0,380
0,25
0,029
0,035
0,58
ост.
Сталь 45
0,430
0,21
0,027
0,027
0,73
ост.
Образцы готовили следующих размеров:
для лабораторных исследований на коррозионную стойкость и микротвердость –
прямоугольные 20х15х5 мм;
для рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов – круглые ш –10
мм, h – 5 мм;
для заводских испытаний использовали патрубки высотой 70 – 100 мм, ш – 35 мм,
толщина стенки 2 мм;
опытная партия рабочих колес к насосу типа НХ72/20 (шесть штук, ш –250 мм) была
изготовлена из стали 35Л.
Экспериментальная проверка результатов термодинамического анализа процесса ДКПЛ
и предложенного механизма массопереноса, при поверхностном легировании,
проводилась в насыщающих смесях, приготовленных на основе одного базового
состава: 50% – феррохром, 50% – Al2O3.
Базовые компоненты для исходного состава: феррохром – 50% марки ФХ003, Al2O3 –
50 % марки А1, перемешивали в шаровом смесителе в течение 15 мин, после чего из
них готовили насыщающие смеси, вводя различные катализаторы. Неиспользованный
базовый состав и насыщающие смеси, между обжигами, хранились в герметичной
таре.
В качестве катализаторов использовались – NH4Cl от 2% до 10%, CrCl2 от 2,28 до
11,4%, CrCl3 от 2 до 10%, ферросиликохром марки ФХС48 от 1 до 2,5%, вводился в
качестве раскислителя. Химический состав феррохрома и ферросиликохрома,
использованных для приготовления насыщающих смесей, представлены в таблице
2.2.
Таблица 2.2 Химический состав феррохрома и ферросиликохрома по результатам
спектрального анализа.
Сплав
Массовая доля, %
Cr
Si
Al
ФХ003А
71,2
0,03
1,1
0,02
0,03
0,32
ФХС48
29,3
0,09
47,4
0,03
0,03
0,20
Для проведения сравнительных испытаний, было приготовлено два состава,
содержание базовых компонентов в которых было идентичным. Далее, состав 1
активировали по традиционным методикам – путем введения 5% NH4Cl,
непосредственно, перед первым обжигом и от 2% до 5%, через каждые пять
последующих [6, 7]. Начиная с десятого обжига, совместно с катализатором
вводили свежий базовый состав, в количестве 10% от текущей массы шихты. При
активировании смесей и корректировках, проводили перемешивание в шаровом
смесителе в течение 15 мин.
Состав 2 активировали по новой методике, предложенной на основании проведенного
термодинамического и кинетического анализа ДКПЛ, заключающейся во введении
раскислителей совместно с катализатором, и в уменьшении количества азота в
активном газе, за счет замены NH4Cl на CrCl2. Вместо 5% NH4Cl перед первым
обжигом вводили 5,7% (эквимолярно по хлору) CrCl2 и 2,5% ферросиликохрома
ФХС48. Дальнейшую корректировку шихты проводили путем совместного введения от
2,28 до 5,7% CrCl2, и от 1 до 2,5% – ферросиликохрома через каждые пять
обжигов. В отличие от шихты 1 свежий базовый состав при корректировках в шихту
2 не вводился.
2.2 Методика термодинамического анализа процесса ДКПЛ
Поскольку наибольшее промышленное распространение получил процесс диффузионного
легирования железоуглеродистых сплавов хромом из газовой фазы, и легирования
карбидом хрома по технологии ДКПЛ, имеет смысл проанализировать термодинамику
именно этого процесса. Подход к термодинамической оценке легирования хромом и
карбидом хрома может быть применен и к легированию другими элементами, с
соответствующим пересчетом термодинамической вероятности химических реакций и
кинетики процесса.
При проведении термодинамического анализа ДКПЛ, комплексный процесс
рассматривался как физико-химическое взаимодействие, в следующих подсистемах:
газ – насыщающий компонент, газ – «инертный» компонент, газ – легируемый
металл. Основной целью термодинамического анализа процесса ДКПЛ является
качественное определение преобладающих химических процессов, протекающих по
мере приближения системы к состоянию равновесия в процессе нагрева (равновесное
состояние в исследуемых процессах не достигается), а также ее химического
состава. Физико-химические процессы, протекающие в системе газ – насыщающий
компонент, по мере повышения температуры, в соответствии с [12 – 14, 44], можно
условно разбить по группам на последовательные стадии:
нагрев до температуры интенсивного разложения NH4Cl (210-338 оС),
сопровождающийся удалением адсорбированной воды с поверхности частиц и
избыточного воздуха из контейнера (в результате термического расширения);
разложение NH4Cl, с образованием NH3 и HCl (210-338 оС), вытеснение большей
части остаточного воздуха из контейнера, начальный период травления и
восстановления окисной пленки, находящейся на поверхности частиц феррохрома;
активное хлорирование участков феррохрома, освобожденных от окислов, дальнейшее
восстановление оксидов железа и хрома, интенсивное удаление избыточных газов
(H2O, NH3, N2, НCl, H2 из контейнера);
истощение хлорирующего потенциала газа-носител
- Київ+380960830922