Жаростойкими покрытиями медных изделий и изделий из жаропрочных медных сплавов [1] серьезно занимаются во всем мире с большим или меньшим успехом. Действительно, если медные низколегированные дисперсионно твердеющие сплавы справляются с нагрузками до 600⁰С [2], а дисперсно­упрочненные материалы, например, внутреннеокисленные типа «Глидкоп» – до 800­1000⁰С [3], то, с точки зрения высокотемпературного окисления, разницы между медью и жаропрочными материалами на медной основе практически нет. В то же время сопла­горелки при аргоно­дуговой 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 углерод­содержащими материалами и др., мы постарались решить одну из «частных» проблем, возникающих при аргоно­дуговой сварке труб. Тем более, что материалом сопел­горелок являлась хромовая бронза, исследованию которой отдано много времени и сил [4].

Аргоно­дуговая сварка стальных труб из нержавеющей стали проводилась с использованием неплавящегося вольфрамового электрода. При этом было опробовано нанесение на газозащитные сопла­горелки алюминиевых покрытий толщиной 0,3­0,7 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 (3­5 суток), что приводит к большому расходу металла и значительным затратам на их изготовление. Особенно быстро сопла выходят из строя при силе сварочного тока I_св = 450 А и выше.

Покрытие наносили комплексным диффузионным насыщением поверхности. При этом металлическая часть реакционной смеси содержала 10­60% порошка железа, титана или никеля и 40­90% 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 αтвердый 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 30­33% 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

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 ∆m = 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 оксид­кислород и металл­оксид, можно объяснить рядом факторов. Во­первых, 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. Во­вторых, введение в хромовую бронзу наряду с алюминием элементов переходной группы с недостроенной d­оболочкой (Fe, Ni, Ti) снижает подвижность быстро диффундирующего алюминия, так как облегчается образование атомных группировок с локализованными связями. В­третьих, 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 химико­термической обработке. Окалинообразование и утонение стенок значительно замедляется (рис. 2).

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

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.

А.К. Николаев, профессор, д.т.н.

ОАО «Институт Цветметобработка»

Тел/факс (495) 951­10­14

e­mail: 9511014 @ gmail.com

Литература:

1. 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. 21­52.

2. Николаев А.К. Дисперсионное твердение – эффективное направление синтеза конструкционных сплавов. // РИТМ, № 3 (2011). С. 31­35.

3. Николаев А.К. Знакомые и незнакомые композиты. // РИТМ, № 7 (2011). С. 35­40.

4. Николаев А.К., Новиков А.И., Розенберг В.М. Хромовые бронзы. // М.: Металлургия, 1983. С. 177.