УДК 621.762

СОСТАВ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ

НИТРИДСОДЕРЖАЩИХ ПОРОШКОВ И ПОКРЫТИЙ,

ПОЛУЧЕННЫХ НА ИХ ОСНОВЕ

 

COMPOSITION, STRUCTURE AND PROPERTIES OF COMPOSITE POWDERS CONTAINING NITRIDES AND COATINGS OBTAINED ON THEM BASIS

 

Жигунов В.В. (Тульский государственный университет, г.Тула, РФ),

Касимцев А.В. ( ООО Метсинтез, г.Тула, РФ),

Жигунов К.В. (Тульский государственный университет, г.Тула, РФ)

 

Zhigunov V.V. (Tula State University, Tula, RF)

Kasimtsev A.V. (Metsynthez LLC, Tula, RF)

Zhigunov K.V. (Tula State University, Tula, RF)

 

Приводятся данные о свойствах композиционных порошков, содержащих нитриды металлов, и защитных покрытий, полученных из этих порошков

Provides information about the properties of composite powders containing nitrides of metals, and protective coatings obtained from these powders

 

Ключевые слова: свойства, порошки, нитриды, композиционная структура, защитные покрытия

Key words: properties, powders, nitrides, composite structure, protective coatings

 

Установление закономерностей и механизмов образования интерметаллидов и фаз внедрения в ходе гидридно-кальциевого процесса [1-4] указало на возможность создания композиционных порошковых материалов с участием этих соединений, представляющих собой новый класс жаропрочных и износостойких конструкционных материалов.

В работах [5-7] были рассмотрены процессы, протекающие при получении композиционных порошковых сплавов, содержащих интерметаллиды и нитриды, что позволило сформулировать общий подход к проблеме выбора их состава: должна быть реализована возможность образования и выделения тугоплавких соединений в матрице, не образующей нитридов при заданных параметрах процесса. Установлено, что это условие достигается, если в качестве нитридообразующих элементов использовать переходные металлы IV, V, VI групп периодической системы (Меx), а в качестве матрицы – металлы группы железа (Меy).

Технологически производство металлонитридных композиций осуществляется в два этапа. На первом этапе, используя метод гидридно-кальциевого восстановления, получают интерметаллид состава (Меx)n(Меy)m [1, 8], а на втором, протекающим после завершения процесса образования интерметаллида, проводят его азотирование при температурах 1000 – 1200 °С с последующим охлаждением при избыточном давлении азота.

Для оптимизации параметров азотирования и рационального выбора кинетических характеристик процесса должна быть разработана его модель, включающая установление условий, при которых реализуется режим внутреннего азотирования, без протекания которого становится невозможным формирование композиционной структуры. Именно развитие модельных представлений о процессах диффузионных взаимодействий в многофазных системах [6, 7, 9-12], во многом способствовало созданию технологий получения широкого спектра порошков различного состава, частицы которых имеют композиционную структуру вида МеxN – Меy.

В таблице 1 приведены свойства порошковых металлонитридных сплавов. Анализ данных показывает, что изготовленные по описанному способу металлонитридные порошки представляют собой двухфазные сплавы, состоящие из нитридной и металлической составляющих. Данные химического анализа по содержанию основных металлов и азота согласуются с данными рентгеновского фазового анализа.

 

Таблица 1 – Химический и фазовый состав нитридосодержащих порошков

Марка сплава

Химический состав, масс. %

Основные фазовые

составляющие

Ti

Ni

N

Cr

Al

O

Ca

ПН-НТ

осн

38,8

13,5

-

-

0,2

0,3

TiN1,0   Ni  

ПТ88Н12-НТ

осн

5,8

15,9

-

-

0,1

0,2

TiN1,0   Ti2Ni 

ПТ65Ю35-НТ

осн

-

16,1

-

9,0

0,2

0,3

TiN1,0   TiAl 

ПН85Ю15-НТ

 

осн

6,8

-

9,2

0,2

0,1

TiN1,0   Ni3Al

ПХ20Н80-НХ

-

осн

4,4

39,2

-

0,2

0,2

Cr2N, CrN,  тв. р-р Cr

в Ni состава Х20Н80

ПХ30Н70-НХ

-

осн

1,8

38,7

-

0,3

0,2

Cr2N, тв. р-р Cr  в

Ni состава Х30Н70

ПАТН-НА

15,2

19,8

24,9

-

осн.

0,3

0,1

AlN, TiN~1,0. тв. р-р

на основе Ni

 

На рисунке 1 приведены структуры частиц порошков металлонитридных сплавов, на которых отображено композиционное строение частиц: светлая фаза соответствует интерметаллидной основе, а более темная фаза – выделениям нитрида титана.

Регулируя содержание нитридообразующего металла, например, титана, и время азотирования, можно получать композиционные порошки с практически любым содержанием нитридной фазы. Например, содержание нитрида титана в сплаве ПН-НТ составляет 60 % (масс.), в сплаве ПТ88Н12-НТ достигает 70 %, а в сплаве ПН85Ю15-НТ не превышает 30 %.

Одним из перспективных направлений применения композиционных порошков с тугоплавкими нитридами являются защитные покрытия. В таблице 2 представлены свойства покрытий из металлонитридных композиционных порошков, полученные методом плазменного напыления.

а

б

Рисунок1 – Микроструктуры частиц композиционных порошков (1000)

а – ПН85Ю15-НТ (Ni3Al-TiN); б – ПТ65Ю35-НТ (TiAl-TiN)

 

Таблица 2 – Свойства защитных покрытий из металлонитридных композиций

 

п/п

Марка

композиции

Характеристика покрытий

твердость

HRC

адгезия с подложкой, МПа

пористость,% об.

сравнительная

износостойкость

1

ПТ88Н12-НТ

62 ± 2

20 ± 4

18 ± 2

в 2,6 раза выше,

чем у ПН55Т45

2

ПН85Ю15-НТ

24 ± 1

30 ± 5

12 ± 1

в 1,5 раза выше,

чем у ПН85Ю15

3

ПХ30Н70-НХ

33 ± 3

36 ± 5

11 ± 1

в 7 раза выше,

чем у ПХ20Н80

4

ПХ20Н80-НХ

20 ± 2

40 ± 4

9 ± 0,5

в 5 раза выше,

чем у ПХ20Н80

 

Покрытия, на основе нитрида титана не могут конкурировать по твердости и износостойкости с покрытиями на основе карбида титана из-за большей твердости последнего. Поэтому наибольший эффект в увеличении износостойкости был получен при введении тугоплавких нитридов в состав интерметаллидов систем Ni-Ti и Ni-Al, и сплавов системы Ni-Cr. Добавка 20...30 % (масс.) твердой нитридной фазы позволила значительно увеличить износостойкость различных пар трения по сравнению с покрытиями из серийно выпускаемых сплавов ПН55Т45, ПН85Ю15, ПХ20Н80 без ухудшения их жаро- и коррозионностойких свойств, т.к. нитриды хрома и титана являются достаточно тугоплавкими и коррозионностойкими соединениями. Это позволило рекомендовать порошковые нихромы с нитридной фазой и интерметаллид Ni3Al (марка ПН85Ю15) с нитридом титана для нанесения износостойких покрытий на детали дизельных двигателей.

Список использованных источников

1. Касимцев, А.В. Фазовые и структурные превращения при получении порошков интерметаллидов / А.В. Касимцев, В.В. Жигунов // Изв. вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2009. № 3. С.5-12.

2. Восстановление –карбидизация оксида титана гидридом и карбидом кальция / В.И. Котенёв, А.В. Касимцев, В.В. Жигунов, В.Я. Котенёва // Порошковая металлургия. 1988.  №3. С.12-16.

3. Жигунов, В.В. Физико-химические и технологические свойства порошков на основе кобальта / В.В. Жигунов, А.В. Касимцев, Е.В. Козина // Новые материалы и технологии в машиностроении. 2006. Вып. 5. С.40-43.

4. Касимцев, А.В. Механизм и кинетика получения монокристаллических порошков карбида титана гидридно-кальциевым методом / А.В. Касимцев, В.В. Жигунов // Изв. вузов. Цветная металлургия. 2008. № 6. С.42-48.

5. Касимцев, А.В. Композиционные порошки, содержащие тугоплавкие нитриды / А.В. Касимцев // Изв. вузов. Цветная металлургия. 2002. № 6. С.51-56.

6. Касимцев, А.В. Получение композиционного порошка Ni-TiN азотированием никелида титана / А.В. Касимцев, Ю.В. Левинский, В.В. Жигунов // Изв. вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2008. № 2. С.3-8.

7. Касимцев, А.В. Механизм процесса получения композиционного порошка Ni-TiN / А.В. Касимцев, Ю.В. Левинский, В.В. Жигунов // Новые материалы и технологии в машиностроении. 2008. Вып. 8. С.35-38.

8. Жигунов, В.В. Структурный фактор в процессах получения порошков интерметаллидов / В.В. Жигунов, А.В. Касимцев // Изв.вузов. Цветная металлургия. 2005. №4. С.63-66.

9. Жигунов, В.В. Математическое описание процесса фазообразования при получении микро- и нанокристаллов / В.В. Жигунов, А.И. Лавит // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов: межвуз. сб. науч. тр. / под общ. ред. В.М. Самсонова, Н.Ю. Сдобнякова. Тверь, 2011. Вып. 3. С.34-46.

10. Жигунов, В.В. Математическое моделирование диффузии с учетом появления и исчезновения фаз / В.В. Жигунов, А.И. Лавит // Известия ТулГУ. Естественные науки.  2013. Вып. 1. С.202-214.

11. Жигунов, В.В. Кинетика перераспределения элементов при спекании порошковых сплавов / В.В. Жигунов, К.В. Жигунов // Новые материалы и технологии в машиностроении. 2014. Вып. 20. С.31-35.

12. Жигунов, В.В. Математическое моделирование изотермической диффузии в бинарных металлических системах / В.В. Жигунов, А.И. Лавит // Металлы. 2015. №4. С.30-37.