Жаростойкими покрытиями медных изделий и изделий из жаропрочных медных сплавов [1] серьёзно занимаются во всем мире с большим или меньшим успехом. Действительно, если медные низколегированные дисперсионно твердеющие сплавы справляются с нагрузками до 6000С [2], а дисперсно-упрочненные материалы, например, внутреннеокисленные типа «Глидкоп» – до 800-10000С [3], то, с точки зрения высокотемпературного окисления, разницы между медью и жаропрочными материалами на медной основе практически нет. В то же время сопла-горелки при аргоно-дуговой сварке труб, например, из коррозионностойкой стали, фурмы доменных и конверторных печных плавильных агрегатов, держатели дуговых сталеплавильных печей и некоторые другие изделия безусловно требуют вмешательства профессионалов в решение проблемы повышения их жаростойкости.
Отдавая себе отчет в недостаточной компетентности при оценке взаимодействия множества факторов, воздействующих на фурмы и электрододержатели, среди которых жаростойкость при знакопеременном воздействии систем охлаждения, взаимодействие со шлаками, контактными углерод-содержащими материалами и др., мы постарались решить одну из «частных» проблем, возникающих при аргоно-дуговой сварке труб. Тем более, что материалом сопелгорелок являлась хромовая бронза, исследованию которой отдано много времени и сил [4].
Аргоно-дуговая сварка стальных труб из нержавеющей стали проводилась с использованием неплавящегося вольфрамового электрода. При этом было опробовано нанесение на газозащитные сопла-горелки алюминиевых покрытий толщиной 0,3-0,7 мм, содержащих железо, титан или никель. Необходимость жаростойкого покрытия вызвана тем, что стабильность горения дуги и хорошее формирование шва в значительной степени зависят от стойкости сопла к окалинообразованию, связанному с высокой температурой сварочной дуги и ограниченными возможностями его принудительного охлаждения. Стойкость сопел, материалом которых является хромовая бронза, невелика (3-5 суток), что приводит к большому расходу металла и значительным затратам на их изготовление. Особенно быстро сопла выходят из строя при силе сварочного тока Iсв = 450 А и выше.
Покрытие наносили комплексным диффузионным насыщением поверхности. При этом металлическая часть реакционной смеси содержала 10-60% порошка железа, титана или никеля и 40-90% алюминия. Для достижения хорошего качества поверхности в реакционную смесь вводили еще около 1% хлористого аммония. В качестве инертной добавки применяли оксид алюминия. Металлографическое исследование структуры покрытий показало, что одновременное насыщение поверхности сопел из хромовой бронзы алюминием и никелем, алюминием и титаном, алюминием и железом приводит к образованию диффузионного слоя, состоящего из двух зон: внутренней, прилегающей к основе и представляющей собой твердый раствор алюминия и хрома в меди, и внешней гетерогенной зоны, в которой между зернами фазы располагаются участки дисперсного эвтектоида и интерметаллических соединений. Результаты анализа диффузионных слоев на хромовой бронзе представлены в табл. 1.
Присутствие в диффузионном слое железа, никеля или титана замедляет диффузию алюминия в сплав, что способствует повышению концентрации алюминия на поверхности до 30-33% по сравнению с чистым алитированием (концентрация алюминия 15%). Результаты испытаний на жаростойкость хромовой бронзы без покрытия и с покрытиями при 10000С приведены на рис. 1. Образцы хромовой бронзы без покрытия интенсивно окисляются и через 8 ч представляют собой практически одну окалину.
Рис. 1 Жаростойкость хромовой бронзы при 10000С: 1 – до нанесения покрытия; после насыщения: 2 – алюминием и никелем; 3 – алюминием и титаном; 4 – алюминием и железом
Таблица 1 Результаты анализа диффузионных слоев на сплаве БрХ1 (режим насыщения 8000С, 3 ч)
| Вид насыщения | Толщина слоя, мкм | Микротвердость, HV | Фазовый состав | |
| α-твердый раствор | эвтектоид | |||
| Алюмотитанирование | 220-300 | 160-250 | 390 | α, Ni3Тi , Cu9Al4 |
| Алюможелезнение | 250-600 | 190-280 | 360-400 | α, Fe2Al5,FeAl3,Cu9Al4 |
| Алюмоникелирование | 500-700 | 160-300 | 450-500 | α, NiAl, Ni3Al,Cu9Al4 |
Все испытанные покрытия существенно повышают жаростойкость хромовой бронзы. Лучшие защитные свойства имеет алюможелезнение, повышающее жаростойкость хромовой бронзы в 25 раз. Изучение кинетических кривых окисления показало, что окисление хромовой бронзы без покрытия подчиняется параболической зависимости, а с покрытиями описывается логарифмическим уравнением вида Δm = a + b lgτ. Исходя из полученных результатов металлографического и рентгеноструктурного исследований поверхности после высокотемпературного окисления, высокую жаростойкость покрытий на хромовой бронзе, способствующую уменьшению скорости диффузионных процессов на границе оксид-кислород и металл-оксид, можно объяснить рядом факторов. Во-первых, насыщение двумя элементами дает возможность получить на поверхности сплава (при испытании в окислительной атмосфере) наряду с оксидом алюминия сложные оксиды типа шпинели (например, FeAl2O4), скорость диффузии в которых ощутимо меньше. Во-вторых, введение в хромовую бронзу наряду с алюминием элементов переходной группы с недостроенной d-оболочкой (Fe, Ni, Ti) снижает подвижность быстро диффундирующего алюминия, так как облегчается образование атомных группировок с локализованными связями. В-третьих, алюминий, никель, железо и особенно титан снижают электропроводность меди и повышают электроизолирующие свойства оксидной пленки. Испытания опытной партии алюможелезненных сопел показали, что срок их службы возрастает в десяток раз по сравнению с соплами, не подвергнутыми химико-термической обработке. Окалинообразование и утонение стенок значительно замедляется (рис. 2).
С увеличением жаростойкости сопел повышается стабильность процесса сварки и улучшается качество сварного шва, сокращается расход наконечников, уменьшаются непроизводительные потери времени на их замену, повышается производительность труда.
Выше приведен лишь один пример довольно эффективного и простого решения сложного вопроса повышения жаростойкости (окалиностойкости) изделия, работающего при высоких температурах. Но ведь в промышленности в подобных условиях эксплуатируются множество изделий из меди и медных сплавов различного назначения. Так что в заключение хочется пожелать производственникам посмотреть вокруг и определить для себя объекты, где процесс диффузионного насыщения поверхности комплектующих деталей или изделий другого назначения будет наиболее полезен.
Рис. 2 Внешний вид сопел из хромовой бронзы после работы на стане 20-102 АДС: а - без покрытия через 5 суток; б - с покрытием через 30 суток
Литература:
- Николаев А.К. Жаропрочные (низколегированные) сплавы на основе меди. В Сб. «Медь. Латунь. Бронза» под общей редакцией Ю.Н. Райкова. // М.: ОАО «Институт Цветметобработка», 2006. С. 21-52.
- Николаев А.К. Дисперсионное твердение – эффективное направление синтеза конструкционных сплавов. // РИТМ, № 3 (2011). С. 31-35.
- Николаев А.К. Знакомые и незнакомые композиты. // РИТМ, № 7 (2011). С. 35-40.
- Николаев А.К., Новиков А.И., Розенберг В.М. Хромовые бронзы. // М.: Металлургия, 1983. С. 177.
Николаев А.К., профессор, д.т.н.,
журнал «РИТМ», август 2012 г.