Микродуговое молибденирование стали с использованием молибдата аммония

Введение. Одной из актуальных проблем современного материаловедения является повышение надежности и долговечности инструмента и деталей машин. Для ее решения целесообразно создание высокотвердых покрытий с повышенными эксплуатационными характеристиками. Как правило, для этого используется высокоэнергетическое воздействие на материал. Однако оно требует использования сложного и дорогостоящего оборудования и не получило широкого распространения. Поэтому в настоящее время проблема создания таких покрытий остается актуальной. Эффективным и недорогим методом создания таких покрытий на стальных изделиях является микродуговое поверхностное легирование из обмазки, предварительно наносимой на поверхность упрочняемых изделий. Целью работы являлась оценка возможности создания таких покрытий с помощью диффузионного молибденирования с использованием молибдата аммония в качестве источника диффузанта.
Материалы и методы. Для достижения цели исследования использовали термодинамический анализ химических реакций, протекание которых возможно в температурном диапазоне процесса микродугового нагрева. Для каждой реакции рассчитывали изменение стандартной энергии Гиббса, что позволило определить возможность и диапазон их протекания. Экспериментальное исследование процесса микродугового молибденирования с использованием молибдата аммония выполнено с использованием лабораторной установки на образцах из стали 20; поверхностная плотность тока составляла 0,53 А/см2; продолжительность процесса — 6 минут.
Результаты исследования. Рассчитаны зависимости изменения свободной энергии Гиббса для химических реакций, протекание которых возможно при термическом разложении молибдата аммония. Экспериментально установлено формирование молибденированного покрытия и определена концентрация молибдена в диффузионном слое. На поверхности образцов обнаружены карбиды Mo2C и Fe3Mo3C. Определена зависимость глубины покрытия от содержания диффузанта в обмазке и от ее толщины.
Обсуждение и заключение. Анализ полученных уравнений показал возможность образования атомарного молибдена прямым восстановлением или через промежуточное образование диоксида. Результаты экспериментальных исследований подтвердили образование диффузионного покрытия на стали после микродугового насыщения молибденом. Глубина такого покрытия зависит от содержания диффузанта в обмазке и от ее толщины. Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологических процессов микродугового молибденирования стальных изделий

1. Mittemeijer EJ, Somers MAJ. (eds). Thermochemical Surface Engineering of Steels. Woodhead Publishing; 2015. 827 p.

2. Liexin Wu, Li Meng, Yueyue Wang, Shuhuan Zhang, Wuxia Bai, Taoyuan Ouyang, et al. Effects of Laser Surface Modification on the Adhesion Strength and Fracture Mechanism of Electroless-Plated Coatings. Surface and Coatings Technology. 2022;429:127927. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127927

3. Zhen Huang, Zi-Xin Guo, Lei Liu, Yuan-Yuan Guo, Jun Chen, Ze Zhang, et al. Structure and Corrosion Behavior of Ultra-Thick Nitrided Layer Produced by Plasma Nitriding of Austenitic Stainless Steel. Surface and Coatings Technology. 2021;405:126689. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126689

4. Czerwinski F. Thermochemical Treatment of Metals. In book: Heat Treatment – Conventional and Novel Applications. London: InTechOpen; 2012. 422 p. https://doi.org/10.5772/51566

5. Belkin PN, Kusmanov SA. Plasma Electrolytic Carburising of Metals and Alloys. Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2021;57(1):19–50. https://doi.org/10.3103/S1068375521010038

6. Venugopal A, Rajiv Panda, Sushant Manwatkar, Sreekumar K, Rama Krishna L, Sundararajan G. Effect of Microarc Oxidation Treatment on Localized Corrosion Behavior of AA7075 Aluminum Alloy in 3.5% NaCl Solution. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012;22(3):700–710. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(11)61234-X

7. Nie X, Tsotsos C, Wilson A, Yerokhin AL, Leyland A, Matthews A. Characteristics of a Plasma Electrolytic Nitrocarburising Treatment for Stainless Steels. Surface and Coatings Technology. 2001;139(2–3):135–142. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01025-8

8. Wang RJ, Qian YY, Liu J. Structural and Interfacial Analysis of WC92–Co8 Coating Deposited on Titanium Alloy by Electrospark Deposition. Applied Surface Science. 2024;228(1–4):405–409. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2004.01.043

9. Александров В.А., Петрова Л.Г., Сергеева А.С., Александров В.Д., Ахметжанова Э.У. Комбинированные плазменные способы химико-термической обработки для создания модифицированных покрытий на инструменте. СТИН. 2019;(3):13–16.

10. Степанов М.С., Домбровский Ю.М., Давидян Л.В. Структура, фазовый состав, механические свойства и износостойкость стали после микродугового борованадирования. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2019;62(6):446–451. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-6-446-451

11. Степанов М.С., Домбровский Ю.М. Cоздание покрытий карбидного типа при микродуговом термодиффузионном вольфрамировании стали. Материаловедение. 2018;(1):20–25.

12. Stepanov M.S., Dombrovskii Yu.M., Pustovoit V.N. Diffusion Saturation of Carbon Steel under Microarc Heating. Metal Science and Heat Treatment. 2017;59(1–2):55–59. https://doi.org/10.1007/s11041-017-0102-4

13. Пономарев С.В., Мищенко С., Дивин А., Вертоградский В., Чуриков А. Теоретические и практические основы теплофизических измерений. Пономарев С.В. (ред.). Москва: ФИЗМАТЛИТ; 2008. 408 с.

14. Исаев С.И., Кожинов И.А., Кофанов В.И., Леонтьев А.И., Миронов Б.М., Никитин В.М. и др. Теория тепломассообмена. Леонтьев А.И. (ред). Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана; 2018. 462 с.

15. Лидин Р.А. (ред.), Молочко В.А., Андреева Л.Л. Константы неорганических веществ: справочник. 3-е изд., стер. Москва: Дрофа; 2006. 685 с.

16. Гюльмалиев А.М., Головин Г.С., Гладун Т.Г. Теоретические основы химии угля. Москва: МГГУ; 2003. 556 с.