УДК 621.793

ОСНОВНЫЕ РЕАКЦИИ ПРИ ХРОМИРОВАНИИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ В РЕЖИМЕ МИКРОДУГОВОГО НАГРЕВА

 

THE MAIN REACTIONS DURING THE CHROMIUM COATING OF STEEL PRODUCTS IN THE MODE OF MICROARC HEATING

 

Степанов М.С., Домбровский Ю.М. (ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, РФ)

Stepanov M.S., Dombrovskiy Y.M. (Don State Technical University,

Rostov-on-Don)

 

Приведены результаты термодинамического расчета реакций, протекающих при микродуговом хромировании стальных изделий с использованием оксида хрома Cr2O3 в качестве источника диффузанта.

Presented the results of thermodynamic calculation of the reactions during the microarc chromium coating of steel products with the use of chromium oxide Cr2O3 as a source of diffusant.

 

Ключевые слова: микродуговое хромирование стальных изделий, термодинамический расчет химических реакций

Key words: microarc chromium coating of steel products, thermodynamic calculations of chemical reactions

 

Традиционное печное хромирование стальных изделий в порошковых насыщающих средах характеризуется целям рядом недостатков, к которым прежде всего относятся большие продолжительность и энергоемкость процесса [1-3].

Интенсификация процесса хромирования достигается с помощью непосредственного воздействия электрического тока на обрабатываемое изделие и насыщающую среду. Одним из таких методов является микродуговая химико-термическая обработка (МДХТО). Процесс предусматривает электронагрев изделия, погружённого в контейнер с порошком каменного угля [4]. В данном процессе порошок каменного угля выполняет следующие функции. Во-первых, он является электропроводной средой, образующей замкнутую электрическую цепь, необходимую для протекания электрического тока и нагревания стального изделия. Во-вторых, после возгорания он является дополнительным источником тепловой энергии для нагрева изделия до температуры диффузионного насыщения. В-третьих, он является источником ряда веществ, выделяющихся при нагревании угольного порошка в процессе его газификации и участвующих в реакциях при МДХТО.

Изучена возможность осуществления диффузионного хромирования в режиме микродугового нагрева. В качестве источника диффузанта использовали оксид хрома Cr2O3. Для образования поверхностного карбидного покрытия необходима диффузия атомарного хрома, поэтому изучены возможные реакции восстановления оксида Cr2O3. Нагрев органической массы угля сопровождается выделением значительного количества газообразных веществ, что обусловливает присутствие в реакционной среде в качестве восстановителей углерода, монооксида углерода, водорода и метана.

Для выявления наиболее вероятных реакций в температурном интервале МДХТО выполнен расчёт стандартного изменения энергии Гиббса . Расчёты выполнены по общей методике с использованием единых справочных данных, что позволяет ожидать объективности такой оценки. Использовали метод Темкина-Шварцмана, как один из наиболее точных, и учитывающий зависимость теплоёмкости от температуры [5].

Согласно этому методу, если теплоёмкость веществ, участвующих в реакции, выразить с помощью формулы:

,

то изменение энергии Гиббса можно определить из выражения:

,

где Δa, Δb, Δc – алгебраические суммы коэффициентов a, b и c температурного ряда теплоёмкости реакций, вычисленные аналогично расчёту стандартной энтальпии и энтропии, а величины М0, М1 и М-2 для различных температур вычислены Темкиным и Шварцманом. Величины коэффициентов a, b и c заимствованы из справочной литературы.

Анализ полученных результатов показал, что наименьшим значением изменения свободной энергии Гиббса, и, соответственно, наибольшей вероятностью протекания, характеризуется следующая реакция образования атомарного хрома и протекания процесса диффузионного хромирования:

Cr2O3+3C=2Cr+3CO

Для данной реакции зависимость  (кДж) от температуры Т (К) имеет вид:

797,5 – 0,527·Т

Реакция становится возможной при температуре более 1513 К.

При проведении процесса хромирования в порошковых средах в качестве активатора широко применяется хлорид аммония. При его нагревании образуются аммиак и хлористый водород: NH4Cl = NH3+HCl. Атомарный хром реагирует с хлористым водородом с образованием газообразного дихлорида хрома: Cr+2HCl=CrCl2+H2. При контакте дихлорида хрома с поверхностью стального изделия происходит обменная реакция между дихлоридом и железом: CrCl2+Fe=Cr+FeCl2. Образующийся атомарный хром диффундирует в глубь стального изделия, обеспечивая протекание процесса поверхностного насыщения.

Рассмотрим возможность хромирования при температуре ниже температуры восстановления хрома из оксида. Для этого необходимо получение в реакционном пространстве дихлорида хрома другим способом по сравнению с указанным выше. Образование дихлорида хрома возможно через промежуточную стадию образования трихлорида CrCl3. Для этого есть две возможности. Возможна реакция оксида Cr2O3 с хлористым водородом с образованием трихлорида CrCl3 в результате реакции обмена: Cr2O3+6HCl=2CrCl3+3H2O. Кроме того, возможно образование молекулярного хлора по реакции: 4HCl+O2=2Cl2+2H2O. При температуре более 800ºС происходит реакция образования трихлорида CrCl3: Cr2O3+3C+3Cl2=2CrCl3+3CO. При температуре свыше 459ºС возможна реакция восстановления трихлорида водородом с образованием дихлорида CrCl2: 2CrCl3+H2=2CrCl2+2HCl

Таким образом, применение активатора NH4Cl и образование дихлорида хрома по одной из приведённых химических реакций позволяют достичь интенсификации диффузионного насыщения хромом в условиях МДХТО при температурах ниже, чем температуры прямого восстановления оксида хрома углеродом.

Экспериментальная проверка подтвердила справедливость полученных результатов. На поверхность цилиндрических образцов наносили электропроводную обмазку, содержащую оксид хрома Cr2O3. Образцы погружали в контейнер и засыпали порошком каменного угля с размером частиц 0,3-0,6 мм. Процесс МДХТО образцов из стали 20 проводился в течение 3 мин. Установлено формирование карбидного слоя глубиной 20-25 мкм микротвёрдостью 11,5-13,0 ГПа, под которым расположена науглероженная зона с перлитной структурой, а далее исходная ферритно-перлитная структура. Таким образом, установлена возможность одновременного насыщения стального изделия углеродом и хромом и образования поверхностного карбидного покрытия. Хромирование по тем же режимам в обмазке на основе оксида Cr2O3 с добавкой хлорида аммония приводило к образованию карбидного слоя глубиной 40-55 мкм такой же микротвёрдости, что свидетельствует о существенной интенсификации процесса диффузионного насыщения.

 

Список использованных источников

1. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: справочник / Г. В. Борисенок [и др.]. – Москва: Металлургия, 1981. – 424 с.

2. Лахтин, Ю. М. Химико-термическая обработка металлов / Ю. М. Лахтин, Б. Н. Арзамасов. – Москва: Металлургия, 1985. – 256 с.

3. Диффузионные карбидные покрытия / В. Ф. Лоскутов [и др.]. – Киев: Тэхника, 1991. – 168 с.

4. Домбровский Ю.М., Степанов М.С. Микродуговая цементация стальных изделий в порошковых средах. / Упрочняющие технологии и покрытия. -2013. -№ 12.- С. 25-29.

5. Морачевский, А.Г. Термодинамические расчёты в металлургии / А. Г. Морачевский, И. Б. Сладков. – Москва: Металлургия, 1985. – 136 с.