Изучение диффузии бора в углеродистых и легированных сталях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

9 ■15-*| /322 На пРавах рукописи

Иванова Татьяна Геннадьевна

ИЗУЧЕНИЕ ДИФФУЗИИ БОРА В УГЛЕРОДИСТЫХ И ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЯХ

01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Барнаул-2015

I РОССИЙСКАЯ ! ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гурьев Алексей Михайлович

Шаркеев Юрий Петрович,

доктор физико-математических наук, профессор, Заведующий лабораторией физики наноструктурных биокомпозитов ИФПМ СО РАН, профессор кафедры физики Томского государственного архитектурно-строительного университета

Грязное Александр Сергеевич,

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры технологических дисциплин ФГБОУ ВО «Алтайский Государственный педагогический университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный

индустриальный университет», г. Новокузнецк Защита состоится « 15 » октября 2015 г. в 13— часов на заседании диссертационного

совета Д 212.004.04 при Алтайском государственном техническом университете

им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46.,

e-mail: veronika 65@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.

http://www.altstu.ru/structure/unit/odiayscienceevent/2589/

Автореферат разослан «_» _2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент

W

Романенко В.В.

Примечание: отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью организаций, просим присылать в 2-х экз. на адрес университета и e-mail: veronika 65@mail.ru

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сталь является основным конструкционным материалом для рабочих органов машин и деталей, подвергающихся большим нагрузкам. Высокая температура, статические и динамические нагрузки, стали приводят к необратимым изменениям структуры металла. Наиболее интенсивным внешним воздействиям зачастую подвергаются поверхностные слои деталей и инструмента, поэтому структура и свойства именно поверхностных слоев оказывает важное влияние на работоспособность и долговечность стальных изделий.

Вопросы создания функционально-градиентных поверхностных слоев, обладающих уникальными механическими, технологическими и специальными свойствами, привлекают особое внимание, что делает актуальными исследования, направленные на создание таких поверхностей, поэтому в последнее время все большее внимание уделяется методам поверхностной обработки сталей.

Одним из основных, наиболее перспективных и практически повсеместно осуществимым способом нанесения покрытий является химико-термическая обработка (ХТО). ХТО существенно изменят физико-химические свойства поверхностных слоев, и является одним из эффективных и широко применяемых в промышленности методов повышения надежности и долговечности ответственных деталей машин, инструмента.

К перспективным методам ХТО относятся борирование, хромирование, си-лицирование, титанирование, а также двухкомпонентное насыщение: борохро-мирование, хромосилицирование, боротитанирование.

Основные усилия исследователей, изучающих процессы ХТО, сосредоточены на установлении механизмов и закономерностей диффузионного проникновения различных элементов в металлическую основу или на изучении характера роста и свойств образующихся диффузионных зон.

Объектом исследования является процесс диффузии бора в углеродистые и легированные стали при их комплексном диффузионном насыщении бором, хромом и титаном, предметом исследования - диффузионные покрытия на основе бора, оказывающие определяющее влияние на формирование структуры многокомпонентных бор-содержащих покрытий на сталях.

Цель диссертационной работы заключалась в изучении влияния диффузии бора на повышение эксплуатационной стойкости деталей машин и инструмента посредством изменения фазового состава, физических и механических свойств диффузионных слоев при комплексном борировании сталей.

Для достижения цели сформулирован и решен ряд научных задач.

1. Исследовать процесс одновременной многокомпонентной диффузии бора, хрома и титана в железоуглеродистых сплавах.

2. Исследовать характеристики боридных покрытий: состав, толщину и микротвердость диффузионных слоев при борировании сталей в зависимости от различных температурно-временных циклов.

3. Исследовать фазовый состав и структуру полученного боридного слоя на поверхности сталей.

4. Установить зависимость, связывающую физико-механические свойства сталей с параметрами химико-термической обработки.

Методы решения задач научного исследования. Исследование процесса

и механизма диффузии бора при комплексном насыщении сталей бором, хромом и титаном, проводилось с использованием программно-аппаратного комплекса Thixomet Pro®, включающем непосредственно программное обеспечение Thixomet®, инвертированный оптический микроскоп Carl Zeiss Axio Observer Zlm, полуавтоматический универсальный твердомер МН-6; электронной микроскопии на растровых электронных микроскопах JEOL, TESCAN, Phenom 2G Pro; сканирующей зондовой микроскопии на атомно-силовом микроскопе Femtoskan FBM 9-30; элементного анализа с применением рентген-флуоресцентного анализатора Х-МЕТ 7500 и энергодисперсионного анализатора Х-МАХ Pro и программных комплексов INCA ENERGY и Aztec Automated; фазового анализа на рентгеновском дифрактометре ДРОН-б.О

Новизна диссертационного исследования заключена в следующих результатах:

1. Рассчитаны коэффициенты диффузии бора в процессе комплексного насыщения сталей СтЗ, 5ХНВМФ, Х12М бором, хромом и титаном.

2. Определена температурная зависимость коэффициентов бора и энергии активации диффузии в процессе одновременной диффузии бора, хрома и титана в поверхность сталей различных классов.

3. Изучена кинетика образования боридного слоя структурным и весовым методами.

4. выявлены механизмы формирования боридных покрытий, которые позволяют управлять процессом насыщения и получать покрытия с заданными составом, структурой и свойствами.

Теоретическая значимость заключается в том, что получены данные по комплексной диффузии, дающие представление об особенностях формирования сложных диффузионных покрытий на сталях и возможностях управления свойствами и характеристиками получаемых покрытий. Разработаны комплексные методики регистрации диффузионной активности атомов бора при помощи весового, рентгенофазового с привлечением энергодисперсионного и рентген-флуоресцентного методов анализа.

Практическая значимость сводится к разработанным технологиям одновременного многокомпонентного насыщения бором, хромом и титаном, позволяющим значительно (в 1,5-7 раз) сократить время процесса насыщения, прогнозировать и управлять физико-механическими свойствами комплексных покрытий, обеспечивая заданные эксплуатационные свойства, что подтверждается актами производственных испытаний экспериментальных органов и деталей машин, упрочненных по разработанным технологиям и полученным патентом на изобретение РФ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Теоретические и экспериментальные оценки параметров диффузии бора в процессах комплексного диффузионного упрочнения сталей бором, хромом и титаном.

2. Температурная зависимость коэффициентов и энергии активации диффузии бора в процессе одновременного насыщения бором, хромом и титаном поверхности сталей различных классов.

3. Кинетика формирования диффузионного слоя на стали в процессе одновременного диффузионного насыщения бором, хромом и титаном.

Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается использованием современного оборудования и методов анализа, корректной постановкой задач, обоснованностью принятых допущений, согласием с экспериментальными данными и результатами других исследователей.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на следующих научных мероприятиях: VI сессии Научного совета РАН по механике (Белокуриха, 2012); I Всероссийской научной конференции молодых ученых «Перспективные материалы в технике и строительстве» (ПМТС-13), г.Томск, 2013г.; External fields processing and treatment technology and preparation of nanostructure of metals and alloys. Russia-China International workschop, 1-7 Oktober 2014, Novokuznetsk; международной конф. «Актуальные вопросы науки и образования», Москва, 2015 г, XIII и XIV международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств», г. Барнаул, 2013 и 2014 гг.

Соответствие паспорту специальности. Научные результаты, полученные в рамках диссертации, соответствуют пункту 6 паспорта специальности 01.04.07 - «Физика конденсированного состояния» (физико-математические науки): разработка экспериментальных методов изучения физических свойств и создание физических основ промышленной технологии получения материалов с определенными свойствами. И пункту 7 паспорта специальности 01.04.07 - «Физика конденсированного состояния» (физико-математические науки): Технические и технологические приложения физики конденсированного состояния.

Связь работы с научными темами и программами. Основные результаты диссертационной работы были получены автором при проведении исследований, выполнявшихся в 2010-2014 гт. в рамках следующих НИР: грант РФФИ и Администрации Алтайского края «р_Сибирь_а»: проект №13-08-98107 «Исследование механизма диффузионных процессов при формировании на поверхности железоуглеродистых сплавов комплексных диффузионных покрытий на основе бора, хрома и титана», в рамках базовой части государственного задания минобрнауки РФ «проект № 885: Разработка научных основ управления процессами структуро-образования материалов и покрытий при модифицировании многокомпонентными системами».

Публикации и личный вклад автора. В список основных публикаций по теме диссертации включены 21 работа, в том числе 5 статей в ведущих рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ (1 из которых цитируется международными базами Scopus и Web of Science), 5 статей в региональных изданиях, 10 материалов докладов в сборниках международных, всероссийских и региональных конференций, 1 патент на изобретение РФ.

Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично или в соавторстве при его непосредственном участии. Выбор направлений и методов исследования, постановка и решение прикладных задач осуществлены совместно с научным руководителем. Расчет коэффициентов и энергий активации диффузии, обработка экспериментальных данных, оптимизация и разработка технологических параметров многокомпонентного диффузионного насыщения стали СтЗ бором, хромом и титаном выполнялись автором само-

стоятельно. Соавторы совместных публикаций принимали участие в разработке отдельных решений, проведении и обработке результатов некоторых экспериментов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка. Рукопись диссертации содержит 150 машинописных страниц текста, 56 рисунков, 13 таблиц, литературный перечень из 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, указаны новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, описана структура работы и функциональные связи между отдельными главами.

Первая глава «Состояние вопроса и задачи исследования» представляет обзор известных результатов исследований технологий поверхностного легирования сталей, в том числе насыщения бором, хром, титаном и совмещенных процессах. Обобщены литературные данные об известных особенностях процесса насыщения и диффузии. Приведены микроструктуры диффузионных бо-ридных покрытий (рисунки 1 и 2). Показано, что тема химико-термической обработки стальных изделий является актуальной, однако большинство работ в этой области носит полуэмпирический характер. Проблема одновременной многокомпонентной диффузии разнородных атомов металлов и неметаллов в сталях имеет крайне малое освещение.

В заключительной части главы сформулированы цель, задачи, объект и предмет исследования, что таким образом определяет общую концепцию диссертационного исследования и используемый инструментарий.

Во второй главе «Материалы и методы исследований» определены основные материалы для исследований и обоснован их выбор, определены стандартные методики исследований и их специфика, определенная в данном исследовании. В качестве исследуемых сталей выбраны углеродистые стали СтЗ, сталь 45 а также легированные стали 5ХНВМФ и Х12М. Выбор данных сталей обосновывается следующим:

- СтЗпс относится к классу малоуглеродистых сталей и является не тер-мообрабатываемой сталью, сталь 45 - среднеуглеродистая конструкционная, 5ХНВМФ - полутеплостойкая легированная сталь, Х12М - высокоуглеродистая легированная сталь.

Таким образом, в работе охвачен широкий спектр используемых в промышленности классов сталей за исключением коррозионно-стойких сталей.

Описана методика химико-термической обработки вышеуказанных сталей и методика анализа получившихся в результате покрытий: приготовление препаратов и последующее их исследование.

Точный элементный состав использованных в работе плавок стали приведен в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав использованных плавок сталей

С [51 Мп № 1 з Р | Сг Си Ре* 1 V | Мо | Ш

Ст 3

0,21 1 0,27 0,55 0,27 | 0,042 0,034 | 0,17 0,19 98,26 | -

Сталь 45

0,47 1 0,34 0,57 0,22 | 0,033 0,029 | 0,22 0,17 97,85 1 0,09

5ХНВМФ

0,55 1 0,33 0,73 1,63 1 0,017 0,012 | 0,63 0,21 95,13 1 0,27 1 0,27 1 0,22

Х12МФ

1,57 1 0,27 0,31 - | 0,021 0,019 | 11,75 0,09 85,02 1 0,23 1 0,53 1 0,17

»остальное - другие примеси в следовых количествах

В третьей главе «Основы конструирования насыщающих сред для комплексного диффузионного борирования» приведено обоснование выбора компонентов составов диффузионно-активных сред для одновременного насыщения сталей бором, хромом и титаном.

В разделе «Термодинамические основы химических реакций» приведены результаты термодинамических расчетов энергетического потенциала и констант равновесия некоторых наиболее вероятных реакций в насыщающей среде с образованием диффузионно-активных атомов бора и последующие реакции между бором и насыщаемым материалом с образованием диффузионного покрытия. Расчеты проводились для интервала температур - от 25°С до температуры 1700°С. Выбор температур продиктован тем, чтобы получить максимально развернутую картину энергетического поведения компонентов насыщающей смеси и насыщаемого материала от «нормальных» условий до максимальной температуры стали, используемой в металлургическом производстве. Результаты термодинамических расчетов приведены на рисунках 1 и 2.

Как видно из графиков распределения энергии Гиббса и константы равновесия, в насыщающей обмазке прямое восстановление буры карбидом бора термодинамически невыгодно и потому невозможно. Наиболее вероятными реакциями в данных условиях являются реакции с участием алюминия в качестве восстановителя реакции в порядке убывания энергии Гиббса:

Ыа2В407+В4С+4А1+02->2ЫаАЮ2+8В+С02+А1203 (1)

Ыа2В407+4А1—>2КаАЮ2+А1203+4В (2)

Ыа2В407+2А1—2ЫаАЮ2+В203+2В (3)

Все вышеперечисленные реакции имеют продуктами реакции кроме активных атомов бора еще и оксиды бора и алюминия, генерируя таким образом защитную пленку на поверхности обмазки.

По результатам термодинамического моделирования в качестве основных компонентов насыщающих сред выбраны карбид бора, феррохром ФХ850 и ферротитан ФТИ 35. В качестве активных балластных добавок использовались соединения бора - тетраборат натрия (бура), графит, галоидные соединения натрия и аммония (фториды и хлориды), дибориды хрома и титана. Полученные с применением насыщающих сред диффузионные покрытия на сталях Ст 3, стали 50 и 5ХНВМФ представлены на рисунках 3-5.

Рисунок 1. Константа равновесия Рисунок 2. Энергия Гиббса реакций в реакций в насыщающей среде с обра- насыщающей среде с образованием зованием активированных атомов бора активированных атомов бора

Рисунок 3. Микроструктура однофаз- Рисунок 4 Микроструктура двухфазного ного боридного слоя с переходной зо- покрытия на стали 50

ной на стали СтЗ

Рисунок 5 Электронное изображение диффузионного слоя на стали 5ХНВМФ и методика определения концентрации элементов в нем

В разделе «Физика адсорбции» представлены результаты расчетов адсорбции активных атомов бора поверхностью насыщаемых сталей. Данные расчеты необходимы как параметр «мощность диффузионного источника» для дальнейших расчетов коэффициентов и энергий активации диффузии. Определение параметров диффузии производили весовым методом. Расчеты адсорбции в системе газ - твёрдое тело производили при допущениях Лэнгмюра:

- Адсорбент - совокупность одинаковых адсорбционных центров, т. е. поверхность адсорбента однородна;

- Межмолекулярными взаимодействиями адсорбата на поверхности можно пренебречь;

- Каждый центр адсорбции взаимодействует только с одной молекулой адсорбата, причём молекулы адсорбата не перемещаются по поверхности.

Адсорбция характеризуется числом частиц, адсорбированных на единицу поверхности. Если поверхность адсорбента неизвестна, то количество поглощённого газа относят к 1см3 или 1г адсорбента:

а; = — = — = — (1)

1 5 т V 4 '

Эксперимент по определению адсорбции проводили в двухслойной обмазке, первый слой которой состоял из насыщающей среды, второй - из оксида кремния БЮг, который расплавляясь при температуре насыщения 920°С, ограничивал выход активных газов благодаря образованию на поверхности активной обмазки вязкой малопроницаемой пленки. Регистрацию разницы давлений производили манометрическим путем. Отсутствие диффузионного слоя контролировали путем микроскопических исследований. Результата определения показателей адсорбции приведены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты экспе римента:

Образец ш, 10'6кг Э, Ю^м2 Р, Па а, г/г

Обмазка 33,6 11,01 84 0,282

Обмазка+1мм БЮг 34,7 11,07 93 0,290

Обмазка+2мм БЮг 39,4 11,02 147 0,331

Обмазка+Змм БЮг 42,8 11,04 265 0,359

По полученным данным строился график зависимости обратной величины адсорбции от обратной величины давления, необходимый для нахождения константы адсорбции К, приведен на рисунке 6.

Исходя из рисунка 6 имеем константу адсорбции К для пары «железо-бор» при температуре насыщения, равной 920°С:

гда 0.2687

К = -

■ = 0.1062

а0 2.5293

где Ьда - тангенс угла наклона прямой, приведённой на графике 3; а0-свободное слагаемое - «базовая» величина адсорбции1.

1 С. И. Левченков. Физическая и коллоидная химия. Конспект лекций для студентов РГУ. - 2004.-27с.

3,700

2,500

0.004 0,007 0,0 П 0,012

1/Р, Па-1

Рисунок 6. Обратные зависимости адсорбции от парциального давления в системе «насыщающая среда - сталь»

тт л- п = к—75"' гп-Ып

Преобразуя Vт при условии, что а — -¿¿г, и решая полученное выражение = ■ Д ■ Т получим теплоту адсорбции <3=146,5 кДж/моль,

К'М

следовательно, адсорбция при борировании протекает по механизму хемосорб-ции, т.е. химического взаимодействия с поверхностью железа, так как известно [31, 32, 37-39], что физическая адсорбция имеет величину теплоты, не превышающую 50 кДж/моль, тогда как хемосорбция характеризуется величинами теплоты 120-300 кДж/моль. Мощность диффузионного источника будет равна:

Сталь СтЗ: ау = ^ = 7Д9'10" = 1,997 ■ 1035м"3

у ьа 3,6-ю-10 '

Сталь 5ХНВМФ: ау = ^ = 2'98'10'6 = 8,278 ■ 1035м-3

Сталь Х12М: ^ = з,зв-ю" = 35 3

у Ъа 3,6-Ю-10

В разделе «расчет параметров диффузии» построены экспериментальные и теоретически рассчитанные при решении второго закона Фика кривые роста диффузионного слоя, приведенные на рисунках 7 и 8.

Как видно на рисунке 7, экспериментально полученная кривая зависимости толщины диффузионного покрытия от времени насыщения может быть разделена на 3 части: начальная стадия (первые 10 минут), включающая образование активированных атомов диффузантов и накопление их на поверхности насыщаемой стали посредством адсорбции, установившаяся диффузия (от 10 до 210 минут) и заключительная стадия (свыше 210 минут), на которой толщина покрытия практически не растет.

Теоретически рассчитанная в результате анализа уравнений Фика зависимость показывает, что начальную стадию процесса диффузионного насыщения можно в свою очередь разделить на 2 подстадии: стадию образования активи-

О 3 5 !0 30 60 90 120 150 150 210 240 270 300 ,'.?0 360 590 420 Врем« ¡ИКИШИШ^^ЙЦ....................................................

Рисунок 7. Экспериментально полу- Рисунок 8. Теоретически рассчитанная

ченная зависимость толщины диффу- зависимость толщины диффузионного

зионного слоя от времени насыщения слоя от времени насыщения на сталях на стали Ст 3 Ст 3, сталь 45, 5ХНВМФ, 12ХМ

Распределение концентрации бора по слою боридов приведено на рисунке 9:

рованных атомов (длительностью порядка 3 минут) и их накопление на поверхности насыщаемой стали (длительностью порядка 7 минут).

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 Расстояние от поверхности, мкм

ЗСтЗ 1050 С

2 СтЗ 950 С

1 СтЗ 850 С

1 СтЗ

Рисунок 9. Распределение концентрации бора по слою боридов на стали СтЗ

Зависимость натурального логарифма коэффициента диффузии 1пБ от обратной температуры 103/Т для сталей СтЗ, 5ХНВМФ, Х12М приведена на рисунке 10.

1.176471

-9.8 т——

ТЧ0! 1052632

0952381

-*-Ст 3 -*- 5ХНВМФ

Рисунок 10. Линейное представление зависимости коэффициента диффузии ЫЭот 103/Т

Коэффициенты диффузии Б для сталей СтЗ, 5ХНВМФ, Х12М приведены в таблице 3. Зависимость энергии активации диффузии <ЗрасЧ приведена на рисунке 11.

Таблица 3.

Рассчитанные значения О для сталей СтЗ, 5ХНВМФ и Х12М.

Температура, °С СтЗ 5ХНВМФ Х12М

Б, м2-с-'

850 4,05 МО" 2,8342-10"п 2,061-10-"

950 5,096-Ю-11 3,023-10'" 2,221-10"

1050 5,130-10-" 3,320-10 " 2,347-10-"

Рисунок 11 Изменение энергии активации диффузии бора в зависимости от температуры процесса многокомпонентного насыщения бором, хромом и титаном стали СтЗ

С ростом температуры коэффициент диффузии растет, растет также энергия активации диффузии. Рост коэффициента диффузии объясняется растущей подвижностью атомов, ростом количества дефектов кристаллической решетки и т.д., что не противоречит законам диффузии. Изменение энергии активации диф-

фузии в столь значительных пределах объяснимо снижением вклада экзотер-мии химических реакций образования активированных атомов бора и образования новых фаз в диффузионном слое по мере роста температуры.

В четвертой главе «Математическое моделирование и оптимизация состава насыщающей среды» приведены математические модели в виде системы квадратичных уравнений, описывающие сложную поверхность оптимальности. А также приведены поверхности оптимальности, характеризующие степень влияния факторов на функцию желательности оптимальных профилей микротвердости и толщины слоя. Для оценки влияния и оптимизации элементного состава насыщающей среды было построено уравнение регрессии для одинна-дцатифакторного эксперимента, десять факторов в котором имели непрерывное численное распределение (то есть были заданы в определенном диапазоне) и один фактор (механоактивация в планетарной мельнице) был определен как качественный, т.е. данный фактор имел всего два значения: наличие (+) либо отсутствие (-). По результатам расчетов были сформированы трехмерные графики поверхности желательности для толщины диффузионного покрытия и его микротвердости в зависимости от элементного состава насыщающей среды с учетом ее механоактивации - с учетом полного рассмотрения всех возможных влияний (в том числе и межфакторных взаимодействий) количество таких графиков составило 110, так как полученная в результате моделирования поверхность пятого порядка невоспроизводима графически.

Поверхности желательности - графическое изображение функции желательности, которая отражает наиболее желательное значение для каждой переменной отклика, а также оценить степень важности каждой переменной.

Наиболее интересные взаимодействия приведены на рисунках 12-14.

Рисунок 12. Поверхности желательности для активационной способности хлора при активации хрома (а) и бора (б)

Как видно из рисунка 12, активирующая способность хлора в достаточно слабой мере зависит от его содержания в интервале концентраций от 0 до 4 масс.%, в то время как активирующая способность фтора совсем не зависит от его содержания в интервале концентраций от 1 до 7 масс.% (рисунок 13).

В значительной степени толщину и микротвердость диффузионного многокомпонентного покрытия на основе бора определяют содержание хрома, ти-

тана и углерода, так как данные элементы при участии в окислительно-восстановительных реакциях в насыщающей среде, а в дальнейшем в процессе диффузии и при взаимодействии с компонентами стали способны значительно сдвигать термодинамические потенциалы формирования диффузионного бо-ридного покрытия на сталях.

Рисунок 13. Поверхности желательности для активационной способности фтора при активации хрома (а) и бора (б)

Профили поверхности желательности для взаимодействия углерода, хрома и титана приведены на рисунке 14.

Рисунок 14. Поверхности желательности для взаимодействия факторов: титана и хрома (а) и углерода и хрома (б), углерода и титана (в) и углерода и бора (г)

Как видно из рисунка 14, воздействие на целевые показатели толщины и микротвердости многокомпонентных боридных покрытий на сталях оказывает комплексное взаимодействие активных балластных добавок, содержащих хром, титан и углерод в активируемом в условиях химико-термического борирования условиях.

Уравнение регрессии, выглядит следующим образом:

Н = 80,68Р

Где Я - толщина диффузионного слоя

Р - параметр, характеризующий механоактивацию = 2106Сг + 4685В + 696С - 12Cr2 - 46В2 - 1059С1 - 39Cr ■ В - 120267

Где Н- микротвердость при нагрузке на индентор 50г (0,49Н)

......Сг,В,С,С1- соответственно масс. % хрома, бора, углерода и хлора.

В пятой главе «Испытания упрочненных в разработанной насыщающей среде стальных изделий в условиях реального износа» представлены результаты промышленных испытаний упрочненных в разработанной насыщающей среде ножей для измельчения корпусов кислотных аккумуляторных батарей и фильер для гранулятора цеолита.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследован процесс одновременной многокомпонентной диффузии бора, хрома и титана в железоуглеродистых сплавах, рассчитаны коэффициенты диффузии бора в процессе комплексного насыщения сталей СтЗ, 5ХНВМФ, XI2М бором, хромом и титаном: при температуре 950°С, наиболее часто применяемой для процессов диффузионного борирования D равно: СтЗ -5,096-Ю-11 м2/с, 5ХНВМФ - 3,023-10-" м2/с, Х12М - 2,347-10-" м2/с, что достаточно хорошо согласуется с данными других исследователей.

2. Определена температурная зависимость коэффициентов и энергии активации диффузии бора в процессе совместной диффузии с хромом и титаном в поверхность сталей различных классов. Расчет энергий активации диффузии дает следующие значения: СтЗ - Q=84,6 кДж/моль, 5ХНВМФ - Q=58,9 кДж/моль, Х12М - Q= 100,8 кДж/моль.

3. Изучена кинетика образования боридного слоя структурным и весовым методами. Установлено, что рост диффузионного боридного покрытия подчиняется гиперболическому закону h2 = 2кдт, где h - толщина слоя бори-дов, кд - коэффициент диффузии D, т - время процесса диффузионного насыщения.

4. Установлены зависимости, связывающие физико-механические свойства сталей с параметрами химико-термической обработки: определяющее влияние на толщину диффузионного покрытия оказывает способ приготовления насыщающей смеси - при использовании для смешивания компонентов планетарной мельницы, толщина диффузионного покрытия может достигать 600 мкм, а средняя микротвердость такого покрытия составляет 1600

5. Разработаны состав и технология получения комплексного диффузионного покрытия толщиной 550-580 мкм на основе бора, хрома и титана и имеющего распределение микротвердости, позволяющее упрочненному изделию «прирабатываться». То есть, с поверхности диффузионный слой имеет

микротвердость 1200-1400 наибольшее значения (до 3500 HVMS0) достигается на расстоянии 20-30 мкм от поверхности, затем плавно спадает до 1200 Н1^50на глубине 550-580 мкм и далее - резко до микротвердости основного материала, что свидетельствует об окончании зоны диффузионного покрытия.

Список опубликованных работ:

Журналы, входящие в БД Scopus, WOS, список ВАК:

1. SPECIAL FEATURES OF PREPARATION OF SATURATING MIXTURES FOR DIFFUSION CHROMOBORATING Ivanov S.G., Guriev A.M., Starostenkov M.D., Ivanova T.G., Levchenko A.A. Russian Physics Journal. 2014. T. 57. № 2. C. 266.

2. ОСОБЕННОСТИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ НАСЫЩАЮЩИХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ДИФФУЗИОННОГО БОРОХРОМИРОВАНИЯ Иванов С.Г., Гурьев A.M., Старостенков М.Д., Иванова Т.Г., Левченко A.A. Известия высших учебных заведений. Физика. 2014. Т. 57. №2. С. 116-118.

3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАКЦИЙ В НАСЫЩАЮЩЕЙ СРЕДЕ ПРИ ДИФФУЗИОННОМ БОРИРОВАНИИ СТАЛЕЙ Иванов С.Г., Гурьев A.M., Черных Е.В., Гурьев М.А., Иванова Т.Г., Гармаева И.А., Зобнев В.В., Гонг В. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014. Т. 11. № 1. С. 13-16.

4. ЭВОЛЮЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ ПРИ КОМПЛЕКСНОМ НАСЫЩЕНИИ БОРОМ, ХРОМОМ И ТИТАНОМ Иванов С.Г., Гурьев М.А., Гармаева И.А., Иванова Т.Г., Гурьев A.M. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014. Т. 11. № 2. С. 257-259.

5. МЕХАНИЗМ СОВМЕСТНОЙ ДИФФУЗИИ АТОМОВ БОРА И ХРОМА ПРИ ДВУХКОМПОНЕНТНОМ НАСЫЩЕНИИ ПОВЕРХНОСТИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ Гурьев A.M., Иванов С.Г., Иванова С.А., Черных Е.В., Иванова Т.Г. Вестник алтайской науки. 2014. № 1 (19). С. 296-299.

6. ВЗАИМОСВЯЗЬ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НАСЫЩАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ДИФФУЗИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА СТАЛЯХ 45 И 45Л Гурьев М.А., Иванов С.Г., Алонцева Д.Л., Иванова Т.Г., Гурьев A.M. Письма о материалах. 2014. Т. 4. №3(15). С. 179-181.

Патенты:

7. Гурьев A.M., Гурьев М.А., Гурьева С.А., Иванов С.Г., Иванова Т.Г., Бильтри-ков Н.Г. СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ, патент на изобретение RUS 2556805 18.07.2007. Заявка 2014108454/02 от 04.03.2014. Опубл. 20.07.2015, бюл. №20.

Прочие публикации:

8. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРАЩЕНИЯ РАЗМЕРОВ ИЗДЕЛИЙ В РЕЗУЛЬТАТЕ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО НАСЫЩЕНИЯ БОРОМ, ХРОМОМ И ТИТАНОМ Гурьев A.M., Иванов С.Г., Иванова Т.Г. Современные наукоемкие технологии. 2014. №4. С. 63-64.

9. ВЗАИМОСВЯЗЬ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НАСЫЩАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ДИФФУЗИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА СТАЛЯХ 45 И 45Л Гурьев if.А., Иванов С.Г., Алонцева Д.Л., Иванова Т.Г., Гурьев A.M. Ползуновский альманах. 2014. № 2. С. 120-122.

10. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГЕНЕРАЦИИ ЗАЩИТНОЙ ПЛЕНКИ В ОБМАЗКАХ ДЛЯ ДИФФУЗИОННОГО БОРИРОВАНИЯ СТАЛЕЙ Иванов С.Г., Гурьев A.M., Иванова Т.Г. Ползуновский альманах. 2014. № 2. С. 125-128.

11. ЗАВИСИМОСТЬ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СТАЛЕЙ 45 И Х12М ОТ МОРФОЛОГИИ ДИФФУЗИОННЫХ ПОКРЫТИЙ Иванов С.Г., Гурьев М.А., Гармаева И.А., Власова O.A., Иванова Т.Г., Бильтриков Н.Г., Кошелева Е.А., Гурьев A.M. Ползуновский альманах. 2014. № 2. С. 137-143.

12. ИЗМЕНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ ПРИ КОМПЛЕКСНОМ НАСЫЩЕНИИ БОРОМ, ХРОМОМ И ТИТАНОМ Иванов С.Г., Гурьев М.А., Гармаева И.А., Иванова Т.Г., Гурьев A.M., Аганаев Ю.П. Ползуновский альманах. 2014. №2. С. 155-158.

13. ЭВОЛЮЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ ПРИ КОМПЛЕКСНОМ НАСЫЩЕНИИ БОРОМ, ХРОМОМ И ТИТАНОМ Гурьев A.M., Иванов С.Г., Гурьев М.А., Иванова Т.Г., Старостенков М.Д. Ползуновский альманах. 2014. №2. С. 164-166.

14. ЗАВИСИМОСТЬ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ОТ МОРФОЛОГИИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ДИФФУЗИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА СТАЛЯХ Иванов С.Г., Гурьев A.M., Иванова Т.Г., Гурьев М.А., Гармаева И.А. Актуальные проблемы в машиностроении. 2014. № 1. С. 440-446.

15. ОСОБЕННОСТИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ НАСЫЩАЮЩИХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ДИФФУЗИОННОГО БОРОХРОМИРОВАНИЯ Иванов С.Г., Гурьев A.M., Старостенков М.Д., Иванова Т.Г., Левченко A.A. В сборнике: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ТЕХНИКЕ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ (ПМТС-2013). Материалы Первой Всероссийской научной конференции молодых ученых с международным участием. Томск, 2013. С. 224-226.

16. ПЕРСПЕКТИВЫ ДИФФУЗИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Иванов С.Г., Гурьев A.M., Иванова Т.Г.. Левченко A.A., Быков В.А. Ползуновский альманах. 2013. № 2. С. 130-132.

17. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ Р6М5 Гурьев A.M., Иванов С.Г., Иванова Т.Г., Кошелева Е.А., Иванова С.А., Левченко A.A. Ползуновский альманах. 2013. № 2. С. 152-156.

18. ОСОБЕННОСТИ КИНЕТИКИ ДИФФУЗИОННОГО НАСЫЩЕНИЯ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ БОРОМ И ХРОМОМ Иванов С.Г., Гурьев A.M., Бильтриков Н.Г., Кошелева Е.А., Иванова Т.Г., Левченко A.A. Ползуновский альманах. 2013. № 2. С. 157160.

19. БОРОСИЛИЦИРОВАНИЕ - ПЕРСПЕКТИВНЫЙ СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ Иванова Т.Г. Современное машиностроение. Наука и образование. 2013. № 3. С. 1161-1163.

20. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА И ФРАКЦИИ НАСЫЩАЮЩЕЙ СМЕСИ НА МОРФОЛОГИЮ ДИФФУЗИОННЫХ БОРИДНЫХ ПОКРЫТИЙ Гурьев A.M., Куркина Л.А., Иванова С.А., Иванова ТТ. Современные наукоемкие технологии. 2012. № 10. С. 49-50.

21. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДИФФУЗИОННОГО БОРИРОВАНИЯ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ Гурьев A.M., Куркина Л.А., Иванова Т.Г., Левченко A.A. Современные наукоемкие технологии. 2012. № 10. С. 65.

2015673406

2015673406