Процессы термодиффузии и упрочнения металлов в переменном электромагнитном поле
Покупка
Новинка
Основная коллекция
Тематика:
Горная промышленность. Металлургия
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Авторы:
Кубанцев Виктор Иванович, Трачевский Михаил Леонидович, Пущанский Владислав Викторович, Фармаковский Борис Владимирович
Под науч. ред.:
Пряхин Е. И.
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 249
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
Дополнительное профессиональное образование
ISBN: 978-5-16-018702-0
ISBN-онлайн: 978-5-16-111619-7
Артикул: 801761.01.01
В монографии рассмотрены вопросы формирования коррозионно- и износостойких высокопрочных защитных покрытий металлоизделий способом термодиффузии металлов в электромагнитном поле. Особое внимание уделено физической природе электромагнитных сил в индукторах переменного тока и количественной оценке влияния этих сил на деформацию кристаллической решетки защищаемого металла и скорость диффузии в металл наносимых ингредиентов. Приводятся результаты экспериментального исследования процессов термодиффузии и упрочнения металлов в переменном электромагнитном поле.
Рассчитана на научных и инженерно-технических работников, связанных с разработкой, проектированием, изготовлением и эксплуатацией технологических линий для нанесения металлокомпозитных защитных покрытий металлоизделий промышленного назначения.
Использованный математический аппарат ограничивается объемом вузовского курса математики.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.01: Машиностроение
- 22.03.01: Материаловедение и технологии материалов
- 22.03.02: Металлургия
- ВО - Магистратура
- 22.04.01: Материаловедение и технологии материалов
- Аспирантура
- 15.06.01: Машиностроение
- 22.06.01: Технологии материалов
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
В.И. КУБАНЦЕВ М.Л. ТРАЧЕВСКИЙ Б.В. ФАРМАКОВСКИЙ В.В. ПУЩАНСКИЙ ПРОЦЕССЫ ТЕРМОДИФФУЗИИ И УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ В ПЕРЕМЕННОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ МОНОГРАФИЯ Под научной редакцией Е.И. Пряхина Москва ИНФРА-М 2024
УДК 669-1+533.735(075.4) ББК 22.3 К88 Р е ц е н з е н т ы: Попович А.А., доктор технических наук, профессор (Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого), профессор научно-образовательного центра «Конструкционные и функциональные материалы», главный научный сотрудник лаборатории «Синтез новых материалов и конструкций», директор Института машиностроения, материалов и транспорта; Гюлиханданов Е.Л., доктор технических наук, профессор (СанктПетербургский политехнический университет Петра Великого), профессор научно-образовательного центра «Конструкционные и функциональные материалы» Кубанцев В.И. К88 Процессы термодиффузии и упрочнения металлов в переменном электромагнитном поле : монография / В.И. Кубанцев, М.Л. Трачевский, Б.В. Фармаковский, В.В. Пущанский ; под науч. ред. Е.И. Пряхина. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 250 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/2048109. ISBN 978-5-16-018702-0 (print) ISBN 978-5-16-111619-7 (online) В монографии рассмотрены вопросы формирования коррозионно- и износостойких высокопрочных защитных покрытий металлоизделий способом термодиффузии металлов в электромагнитном поле. Особое внимание уделено физической природе электромагнитных сил в индукторах переменного тока и количественной оценке влияния этих сил на деформацию кристаллической решетки защищаемого металла и скорость диффузии в металл наносимых ингредиентов. Приводятся результаты экспериментального исследования процессов термодиффузии и упрочнения металлов в переменном электромагнитном поле. Рассчитана на научных и инженерно-технических работников, связанных с разработкой, проектированием, изготовлением и эксплуатацией технологических линий для нанесения металлокомпозитных защитных покрытий металлоизделий промышленного назначения. Использованный математический аппарат ограничивается объемом вузовского курса математики. УДК 669-1+533.735(075.4) ББК 22.3 Данная книга доступна в цветном исполнении в электронно-библиотечной системе Znanium © Кубанцев В.И., Трачевский М.Л., Фармаковский Б.В., Пущанский В.В., 2024 ISBN 978-5-16-018702-0 (print) ISBN 978-5-16-111619-7 (online)
Авторский коллектив Кубанцев Виктор Иванович, доктор технических наук, профессор, технический директор общества с ограниченной ответственностью «МеталлРесурс». Трачевский Михаил Леонидович, кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник общества с ограниченной ответственностью «МеталлРесурс». Фармаковский Борис Владимирович, кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник центрального научно-исследовательского института конструкционных материалов «Прометей» имени И.В. Горынина национального исследовательского центра «Курчатовский институт». Пущанский Владислав Викторович, кандидат юридических наук, индивидуальный предприниматель. 3
Предисловие редактора Использование покрытий в последние годы значительно возросло в связи с появлением новых технологических прогрессивных процессов и, соответственно, с применением специального оборудования для их реализации. Применение покрытий позволяет формировать разнородные композитные слои из металлов и неметаллов в поверхностном слое деталей, позволяющие значительно увеличить эксплуатационные характеристики этих деталей, причем до значений, не достижимых на имеющихся специальных сталях и сплавах. Одним из наиболее эффективных способов формирования композитных покрытий на деталях, подверженных воздействию различных коррозионных сред, является процесс термического диффузионного насыщения поверхностного слоя в переменном магнитном поле, позволяющий создавать разнородные композитные слои из металлов и неметаллов в поверхностном слое деталей с высоким уровнем адгезионной прочности покрытий. Это определяется особым механизмом электромагнитной интенсификации диффузионных процессов и, соответственно, повышенной эффективностью деформационного и дрейфового механизмов массопереноса и силового сцепления диффундирующих элементов с основным материалом деталей. Для реализации преимуществ нового процесса его авторы разработали специальное оборудование — установку термодиффузии и упрочнения металлов в переменном электромагнитном поле (ТДМЭ). Для возможности эффективного управления указанным процессом с использованием разработанной установки ТДМЭ авторы монографии провели широкие, многогранные и глубокие исследования по влиянию различных факторов на качество получаемых покрытий. Авторами детально описан механизм электромагнитной интенсификации этих процессов в индукционных установках и выполнено математическое описание всех этапов предложенной новой технологии получения диффузионных покрытий в переменном электромагнитном поле. Важнейшей частью данной монографии является наличие в ней обширных результатов лабораторных исследований качества ТДМЭпокрытий. Проведенные исследования коррозионной стойкости защитных покрытий, анализ металлографического и фазового состава этих покрытий показывает, что способ ТДМЭ обеспечивает по сравнению с другими технологиями более высокие показатели качества покрытий. Важной частью монографии является раздел анализа области применения покрытий в разных областях промышленности и народного хозяйства. 4
Монография состоит из трех частей. Первая часть посвящена анализу физической природы электромагнитных сил на основе авторских концептуальных гипотез. Суть предлагаемой концепции заключается в композиционной структуре материальных тел, в которой эфирная субстанция выполняет функцию матрицы, объединяющей тело в единую неразрывную материю, а вещественный каркас — функцию армирующего наполнителя, придающего материальному телу определенные физико-химические свойства. При этом электромагнитное поле — это активированная электрическими зарядами или токами и находящаяся в движении эфирная субстанция. Во второй части рассматриваются теоретические основы и результаты экспериментального исследования процессов термодиффузии и упрочнения металлов в переменном электромагнитном поле (ТДМЭ). Указанные процессы интенсифицируются силами Ампера, проявляющимися как силы продольного и поперечного сжатия и силы вращения и определяющими усиление деформационного и дрейфового механизмов массопереноса. Показывается, что в результате действия этих механизмов покрытие оказывается металлокомпозитной слоистой системой, состоящей из слоев композитов различного состава. Приводится математическое описание процесса индукционного нагрева металлоизделий, а также результаты экспериментального исследования распределения температурного и магнитного поля. На основании выполненного анализа особенностей процессов термодиффузии и упрочнения металлов в переменном электромагнитном поле описан механизм электромагнитной интенсификации этих процессов в индукционных установках. В третьей части приводятся результаты лабораторного исследования качества ТДМЭ-покрытий и анализа области их применения. На основании материалов исследования коррозионной стойкости защитных покрытий, анализа металлографического и фазового состава показывается, что способ ТДМЭ обеспечивает по сравнению с другими технологиями более высокие показатели качества и имеет более широкую по сравнению с другими способами область применения. Е.И. ПРЯХИН, заведующий кафедрой материаловедения и технологии художественных изделий Санкт-Петербургского горного университета, доктор технических наук, профессор 5
Введение Одним из наиболее распространенных способов защиты от коррозии стальных изделий, эксплуатируемых в агрессивных или влажных средах, является их цинкование. Цинкование применяется в автомобильной, авиационной, судостроительной отраслях промышленности, в энергетике, машиностроении, станкостроении, железнодорожном хозяйстве, агропроме. Среди способов цинкования чаще всего используются гальваническое цинкование, горячее в расплаве цинка и термодиффузионное цинкование (ТДЦ). Общий объем цинкуемых металлоизделий по РФ в настоящее время составляет порядка 150 000 т в год при потребности не менее 500 000 т. На более чем 90% цинкуемых изделий покрытие наносится путем горячего цинкования. В последнее время в связи с ужесточением требований по экологической безопасности как на Западе, так и в РФ особую актуальность приобретают вопросы защиты окружающей среды от токсичных соединений, поступающих со сточными водами гальванических производств в результате недостаточной очистки, и вредных выбросов в атмосферу при проведении работ по нанесению покрытий цинком. Учитывая экологическую вредность, во многих регионах РФ прекращают работу или уже остановлены производства по горячему и гальваническому цинкованию. Кроме того, условия эксплуатации металлоконструкций во многих отраслях, таких как нефтедобывающая отрасль, судостроение, коксохимическая и атомная промышленность, мостостроение, электро- и гидроэнергетика, требуют защитных покрытий нового поколения с повышенной коррозионной стойкостью и механической прочностью. Такие покрытия могут быть получены способом ТДЦ, осуществляемого до настоящего времени в электрических печах сопротивления с радиационным нагревом. Традиционная технология нанесения термодиффузионного цинкового покрытия регламентируется ГОСТ 9.316–2006 [1], согласно п. 6 которого нанесение термодиффузионного покрытия осуществляется в герметически закрываемой реторте с цинксодержащей смесью. Реторту с цинкуемыми деталями помещают в печь, в которой проводят нанесение покрытия при нагреве реторты до температуры от 290 до 450°C при одновременном вращении реторты со скоростью от 0,03 до 0,1 с-1 в течение от 2 до 5 ч. К достоинствам этого способа можно отнести следующие [2, 3, 4]: 6
• • детали цинкуются в герметически закрытых ретортах, поэтому процесс экологически безопасен и не требует создания очистных сооружений; • • за счет диффузионного слоя в виде твердого раствора цинка в железе получаемое покрытие имеет прочную адгезионную связь с подложкой; • • защитная способность покрытия в 2–4 раза выше, чем у гальванических и горячецинковых покрытий; • • диффузионный цинк покрывает детали равномерным слоем без наплывов, точно повторяя профиль цинкуемой поверхности, включая глухие отверстия, элементы сложной конфигурации, щели, полости, резьбу и т.п. изделия; • • метод позволяет, в отличие от других способов, цинковать длинномерные трубы с обеих сторон, а при необходимости — цинковать только внутреннюю или только наружную поверхности труб, в зависимости от размещения порошковых цинксодержащих смесей — снаружи или внутри трубы; • • отходы производства не требуют захоронения; • • диффузионное цинковое покрытие сертификатом Госсанэпиднадзора № 78.1.3.315.П.17512.9.99 от 06.09.99 г. допущено к контакту с водой питьевого и бытового водоснабжения. Сопоставительный анализ свойств защитных цинковых покрытий, полученных широко используемым в промышленности способом горячего цинкования металлоизделий в ваннах с расплавленным цинком и способом термодиффузионного цинкования в электрической печи сопротивления, детально рассмотрен Е.В. Проскуркиным в [3, 4]. Согласно [3, 4], особо жесткими условиями эксплуатации трубопроводов, накопительных емкостей, деталей машин и механизмов характеризуются нефтедобывающая отрасль, судостроение и морской флот, коксохимическая и нефтеперерабатывающая промышленность, энергетика и железнодорожный транспорт. Анализ свойств цинковых покрытий металлоконструкций в перечисленных отраслях промышленности показывает, что покрытия не только должны обладать повышенной прочностью и коррозионной стойкостью, но и быть устойчивыми к эрозионному воздействию агрессивных сред, а также иметь высокую степень сцепления с поверхностью защищаемого изделия. В горячецинковом покрытии присутствует пять фаз (α, γ, δ, ζ, η), последовательность расположения которых находится в точном соответствии с диаграммой состояния системы Fe-Zn по линии температуры цинкования (рис. В.1). 7
Рис. В.1. Диаграмма состояния системы Fe-Zn Расположение слоев цинкового покрытия, полученного методом горячего цинкования, в направлении от стального основания покрываемого изделия к поверхности (краю) покрытия показано на рис. В.2. На снимке рис. В.2 отчетливо видны слои η-фазы различной толщины. Переходной фазой от основного металла к слою покрытия является α-фаза (цинковый феррит). Растворимость цинка в α-фазе при 250°C составляет 4,5%. Выше α-фазы находится γ-фаза, которая выглядит на рис. В.2 как очень узкая (1–3 мкм) темная полоса. Она содержит от 28 до 21% железа и является поставщиком для процесса взаимной диффузии железа в цинковое покрытие и цинка в железо, т.е. протекающего во времени процесса выравнивания состава путем взаимного проникновения частиц. После зоны γ-фазы в цинковом покрытии следует слой δ-фазы с содержанием железа от 11,5 до 7% (по массе). При травлении δ-фаза обнаруживает две зоны: компактную, примыкающую 8
Рис. В.1. Диаграмма состояния системы Fe-Zn Расположение слоев цинкового покрытия, полученного методом его цинкования, в направлении от стального основания покрываемого ия к поверхности (краю) покрытия показано на рис.В.2. к γ-фазе, и столбчатую (волокнистой структуры). Следующая за δ-фазой ζ-фаза обычно имеет ярко выраженную столбчатую структуру. Содержание железа в ζ-фазе составляет 6,2–6,0% (по массе). Верхний слой покрытия (η-фаза) представляет собой твердый расплав цинка. В зависимости от режима цинкования этот верхний слой цинковых покрытий, полученных в расплаве цинка, может составлять от 1/3 до 1/2 (и более) толщины слоя покрытия (см. рис. В.2). В основном состав этой фазы соответствует составу расплава цинка, однако иногда в верхнем слое может быть обнаружено повышенное содержание железа, например, когда в этот слой внедряются кристаллы ζ-фазы. γ-фаза α-фаза Рис. В.2. Микроструктура цинкового покрытия, полученного горячим цинкованием Физико-химические характеристики отдельных фаз покрытия (из [2—4]) приведены в табл. В.1. Рис. В.2. Микроструктура цинкового покрытия, полученного горячим цинкованием На снимке отчетливо видны слои η-фазы различной толщины. Таблица В.1 Характеристики фаз покрытия Плотность, Фаза Формула Содержание Fe,% г/см3 Микротвердость, МПа 1. α-фаза Fe21Zn 95,5 7,7–7,8 1500 21–28 7,36 5047–5390 2. γ-фаза Fe3Zn10 — Fe5Zn21 7–11,5 7,24–7,25 4450–4615 3. δ-фаза FeZn7 — FeZn11 4. ζ-фаза FeZn13 6,0–6,2 7,18 2650 5. η-фаза Zn 0,008–0,028 7,13 360 На рис. В.3 представлена микроструктура цинкового покрытия, полученного диффузионным методом. Как видим, в классическом Переходной фазой от основного металла к слою покрытия является α(цинковый феррит). Растворимость цинка в α-фазе при 250°С вляет 4,5%. Выше α-фазы находится γ-фаза, которая выглядит на рис. В.2 как очень (1–3 мкм) темная полоса. Она содержит от 28 до 21% железа и тся поставщиком для процесса взаимной диффузии железа в цинковое ытие и цинка в железо, т.е. протекающего во времени процесса внивания состава путем взаимного проникновения частиц. 9 11
диффузионном цинковом покрытии, полученном путем химикотермической обработки в порошковых смесях на основе цинка при 290–450°С и продолжительности обработки 3–5 ч, четко наблюдаются в основном три фазы: α-фаза, представляющая собой твердый раствор цинка в железе; затем γ-фаза, представляющая собой тонкий (2–4 мкм) слой, расположенный непосредственно на поверхности покрываемого изделия, и следующая за этим слоем δ-фаза. Фаза γ представляет собой слой интерметаллического соединения, граничащий с одной стороны с твердым раствором цинка в железе (α-фаза), а с другой — с δ-фазой. Фаза δ — также является интерметаллическим соединением. Структура δ-фазы на травленом шлифе выглядит в виде вытянутых (столбчатых) кристаллов (рис. В.3). Фаза δ - также является интерметаллическим соединением. Структура δ-фазы на травленном шлифе выглядит в виде вытянутых (столбчатых) кристаллов (рис. В.3). α-фаза сталь Рис. В.3. Микроструктура цинкового покрытия, полученного термодиффузионным цинкованием в электрической печи сопротивления Отсутствие в данном цинковом покрытии η и ζ-фаз приводит к существенному повышению твердости покрытия по сравнению с покрытием, полученным способом горячего цинкования. В свою очередь, это обеспечивает достаточно высокую сопротивляемость абразивному износу. В табл. В.2 приведены данные по микротвердости различных цинковых покрытий в сравнении с микротвердостью некоторых марок стали, используемых для изготовления труб. Как следует из табл. В2, термодиффузионные цинковые по Рис. В.3. Микроструктура цинкового покрытия, полученного термодиффузионным цинкованием в электрической печи сопротивления Отсутствие в данном цинковом покрытии η и ζ-фаз приводит к существенному повышению твердости покрытия по сравнению с покрытием, полученным способом горячего цинкования. В свою очередь это обеспечивает достаточно высокую сопротивляемость абразивному износу. В таблице В.2 приведены данные по микротвердости различных цинковых покрытий в сравнении с микротвердостью некоторых марок стали, используемых для изготовления труб. крытия с точки зрения прочностных свойств имеют существенные преимущества по сравнению с другими видами покрытий. 10