Термодиффузионное борирование газо-термических покрытий из сплавов на основе железа тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Введение.

Общая характеристика работы.

Глава 1. Теоретические и прикладные аспекты упрочнения газотермических покрытий методами термодиффузионного насыщения.

1.1. Современные представления о механизме связи напыленного покрытия с основным материалом. 1.2. Теоретические основы формирования износостойких покрытий повышенной прочности сцепления.

1.3. Химико-термическая обработка газо-термических покрытий на железной основё - концепция создания высокопрочных композиционных покрытий.

1.4. Метод расчета равновесного состава многокомпонентных гетерофазных систем.

Глава 2. Исследования структуры, фазового состава и кинетики роста диффузионного слоя композиционных покрытий

2.1. Выбор метода насыщения и состава порошковых сред.

2.2. Исследование структуры и фазового состава борированных

ГТН покрытий.

2.3. Механизм формирования боридного слоя.

2.4. Оптимизация толщины диффузионных слоев.

Глава 3. Исследование эксплуатационных свойств композиционных покрытий.

3.1. Исследования прочности сцепления композиционных покрытий с основным металлом.

3.2. Исследования износостойкости упрочненных покрытий при различных схемах изнашивания.

3.3. Исследование структуры покрытий, подверженных изнашиванию

3.4. Исследование жаростойкости боридного слоя.

3.5. Расчет теплофизических свойств напыленных покрытий упрочненных бором.

ВЫВОДЫ.

Проблемы надежности и долговечности деталей машин и механизмов могут быть успешно решены путем создания новых высокоэффективных технологических процессов и композиционных материалов. Наиболее универсальным способом изготовления композиционных материалов является способ нанесения покрытий. Нанесение покрытий означает не просто повышение или улучшение эксплуатационных характеристик изделия, а создание, по существу, принципиально новой композиции, обладающей не суммой характеристик материалов основы и покрытия, а качественно иными свойствами, которые позволяют изменить конструкцию детали или узла и значительно повысить производительность машин и механизмов при увеличении их надежности. Нанесение покрытий дает возможность наиболее рационально и рентабельно использовать материалы, упростить в ряде случаев технологию изготовления деталей, конструкций и механизмов, заменить дорогостоящие и редкие металлы менее дефицитными материалами без снижения, а в большинстве случаев с повышением их работоспособности.

Нанесение покрытий играет первостепенную роль при восстановлении изношенных деталей и узлов машин. Нанесением покрытия возможно довести изделия до требуемых размеров. Используя для нанесения покрытий материал с высокими требуемыми свойствами, можно значительно увеличить срок службы восстановленной детали по сравнению с новой.

Одним из перспективных методов упрочнения и восстановления деталей машин является метод газо-термического напыления (ГТН) покрытий. Газотермические способы нанесения покрытий обладают высокой производительностью, дают возможность наносить слои из разнообразных материалов и различной толщины с заданными поверхностными свойствами, которые необходимы для развития современного машиностроения, электротехники и электроники, химического машиностроения и других областей новой техники.

Вместе с тем основными сдерживающими факторами, определяющими масштабы внедрения и работоспособность газо-термических покрытий, являются их низкая прочность сцепления с основой, пористость и относительно высокая стоимость напыляемых материалов. Вследствие этого, на практике нашли применение комбинированные способы нанесения покрытий, в частности технология, состоящая из напыления формообразующего покрытия и его последующего термодиффузионного упрочнения в металлотермических порошковых смесях.

Защитные слои, полученные по комбинированной технологии из сплавов на основе железа, обладают гетерогенной структурой, которая оказывает положительное влияние на их триботехнические характеристики, жаро- и коррозионную стойкость. К тому же и механическая обрабатываемость таких покрытий значительно выше, чем у самофлюсующихся и керамических материалов. Поэтому создание новых композиционных материалов с уникальным сочетанием показателей твердости, износостойкости и пластичности с использованием альтернативных методов упрочнения является актуальным.

Однако целенаправленных исследований, посвященных разработке и созданию комбинированных упрочняющих технологий методами газотермического напыления и химико-термической обработки (ХТО), а также изучению влияния последней на прочностные и эксплуатационные свойства рабочих поверхностей не проводились. В связи с этим в настоящей работе рассматриваются вопросы исследования и разработки композиционных покрытий, в частности борированных газо-термических покрытий из низкоуглеродистых сталей, обладающих повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Целью настоящей работы является разработка эффективных комбинированных процессов формирования и упрочнения газо-термических покрытий из композиционных материалов, образующихся при термодиффузионном насыщении напыленных слоев в боросодержащих порошковых смесях.

Для реализации цели поставлены следующие задачи:

- обосновать и выбрать методы термодиффузионного насыщения газотермических покрытий в условиях соблюдения основных требований к показателям технологичности, экологичности и экономической целесообразности процессов упрочнения и восстановления деталей машин общего машиностроительного профиля;

- установить основные факторы, влияющие на толщину формирующейся диффузионной зоны в зависимости от различного химического состава напыляемого покрытия и насыщающих сред с оптимизацией величины образующихся слоев;

- установить влияние режимов термодиффузионного насыщения газотермических покрытий на железной основе, на их структуру и свойства, а также на прочностные характеристики материала подложки;

- изучить эксплуатационные свойства композиционных покрытий, получаемых по комбинированной технологии и восстанавливаемых изделий;

- разработать новые композиции газо-термических покрытий и технологические процессы формирования многослойных износостойких покрытий с повышенной прочностью сцепления и внедрить их в производство.

Научная новизна работы состоит в:

- разработке высокопрочных композиционных покрытий по комбинированной технологии, включающей газо-термическое напыление и бори-рование покрытий из сплавов на железной основе, в частности низкоуглеродистой стали;

- выявлении факторов, влияющих на формирование диффузионных слоев композиционного покрытия, определяющих снижение дефектности межфазных границ и активацию процесса химического взаимодействия контактирующих материалов;

- решении оптимизационной задачи по определению толщины промежуточного слоя многослойного покрытия, влияющего на повышение физико-механических и эксплуатационных характеристик разработанных покрытий;

- разработке математической модели теплопередачи в системе «покрытие-подложка» с определением теплофизических свойств бинарной системы.

Практическая значимость работы заключается в разработке новой комбинированной технологии, состоящей из процессов газо-термического напыления формообразующего покрытия и последующей химико-термической обработки в металлотермических порошковых смесях, содержащих соединения бора. При этом, в качестве рабочего слоя используются покрытия из недорогих низкоуглеродистых сталей, что обеспечивает возможность использования разработанной технологии практически во многих отраслях промышленности: машиностроении, металлургии, химическом и ремонтном производстве.

В результате повышения срока службы деталей, экономии материальных, энергетических и трудовых ресурсов суммарный экономический эффект от внедрения выполненных разработок за период 2000-2004 гг. составил 5072 долл. США.

Основные результаты работы и методики исследований внедрены в учебный процесс на Механико-технологическом факультете Таджикского технического Университета по дисциплинам «Технология конструкционных материалов» и «Технология и оборудование для нанесения защитных покрытий».

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- концепция создания высокопрочных композиционных покрытий из низкоуглеродистых сталей, основанная на комбинировании экономичных методов газо-термического напыления и химико-термической обработки в порошковых металлотермических смесях, содержащих соединения бора;

- механизм формирования боридного слоя на ГТН покрытиях из сплавов на основе железа;

- расчетный метод оптимизации толщины диффузионных слоев;

- методики и результаты экспериментальных исследований прочности сцепления, износостойкости и жаростойкости композиционных покрытий.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы горно-металлургического комплекса Казахстана» (КарГТУ-Караганда, 2003г.); Межвузовской научно-технической конференции «Достижения в области металлургии и машиностроении Республики Таджикистан» (ТТУ-Душанбе, 2004г.); Республиканской научно - практической конференции «Перспективы развития науки и образования в XXI веке» (ТТУ-Душанбе, 2005г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 2 тезиса докладов и 4 научных статей.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, общей характеристики работы, трех глав, выводов, списка используемых источников, приложений. Работа изложена на 117 страницах компьютерного набора, включает 22 таблицы, 38 рисунков и 79 наименований библиографических ссылок.

выводы

1. Установлено, что рост диффузионных борированных слоев на ГТН покрытиях зависит от температуры и времени обработки, а также концентрации насыщающей среды и подчиняется классическим законам химико-термической обработки.

2. Исследовано строение и фазовый состав покрытий из низкоуглеродистой стали Св-08 и легированной 40X13, полученных с использованием способов газо-термического напыления. Показано, что легирующие элементы препятствуют росту толщины диффузионного слоя, в частности хром и углерод снижают скорость роста до 40-60%.

3. Изучен механизм формирования боридного слоя и установлено, что в процессе термодиффузионного борирования ГТН-покрытий значительно снижается дефектность межфазных границ (на 30-35%), приводящая к увеличению фактической площади контакта и активации процесса химического взаимодействия контактирующих материалов с образованием боридов БеВ и БегБ. Истинная скорость насыщения имеет порядок 12-Г-40 мкм/ч, а величина кажущейся энергии активации процесса насыщения составляет 69,5-95,6 кДж/моль.

4. Выполнены расчеты по оптимизации толщины промежуточного слоя, устанавливающие оптимальную толщину искомой величины в интервале 0,30-^0,45 от общей толщины композиционного покрытия и определяющие повышение прочности сцепления покрытий в 1,8-2 раз.

5. Разработана математическая модель теплопередачи в системе «покрытие-подложка», позволяющая рассчитать теплопроводность, теплоемкость и температуропроводность бинарной системы в диапазоне температур 1073-1173К.

6. Совокупность результатов теоретических и экспериментальных исследований послужили основой для разработки новой комбинированной технологии термодиффузионного борирования напыленных покрытий из низкоуглеродистых сталей, обладающих повышенной твердостью (14-17 ГПа) и износостойкостью. Суммарный экономический эффект от внедрения разработанной технологии на АООТ «Ремонтно - экскаваторный завод» составил 5072 долл. США.

1. Куприянов И.Л., Геллер М.А. Газо-термические покрытия с повышенной прочностью сцепления. - Мн.: Наука и техника, 1990. - 176 с.

2. Хокинг М., Васантасри В., Сидки П. Металлические и керамические покрытия: Получение, свойства и применение // Пер. с англ. М.: Мир, 2000.-518 с.

3. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление / Под ред. B.C. Степани-на. М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.

4. Кудинов В.В., Иванов В.М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. -М.: Машиностроение, 1981. 192 с.

5. Эпик А.П., Шаривкер С.Ю., Астахов Е.А. О силах, обуславливающих связь плазменных покрытий с основанием // Порошковая металлургия, 1977. №3. С. 48-53.

6. Белый В.А., Егоренков Н.И., Плескачевский Ю.М. Адгезия полимеров к металлам. Мн.: Наука и техника, 1971. - 288 с.

7. Аппен A.A. Температуроустойчивые неорганические покрытия. Л.: Химия, 1976.-295 с.

8. Рыкалин H.H., Шоршоров М.Х., Красулин Ю.Л. Физические и химические проблемы соединения разнородных материалов // Неорганические материалы. 1965. Т.1. С. 29-36.

9. Максимович Г.Г., Шатинский В.Ф., Копылов В.И. Физико-химические процессы при плазменном напылении и разрушении материалов с покрытиями. Киев: Наукова думка, 1983. - 264 с.

10. Кудинов В.В., Рыкалин H.H., Шоршоров М.Х. К оценке энергетических условий образования соединения между расплавленными частицами и поверхностью твердого тела // ФХОМ, 1968. № 4. С. 51-59.

11. Ilyuschenko A, Petkov К. Evolution of Adhesiv Energy in the Process of Material Formation of Thermospraing // Vakuum. 1990. - Vol. 41. - № 7-8.-P. 2239-2242.

12. Дружинин Л.К., Кудинов B.B. Получение покрытий высокотемпературным распылением // В кн.: Получение покрытий высокотемпературным распылением. М.: Атомиздат, 1973. - С.7-59.

13. Витязь П.А., B.C. Ивашко, А.Ф. Ильющенко Теория и практика нанесения защитных покрытий / и др. Мн.: Беларуская навука, 1998. - 583 с.

14. Власов В.М. Работоспособность упрочненных трущихся поверхностей. М.: Машиностроение, 1987. - 304 с.

15. Ворошнин Л.Г., Ляхович Л.С. Борирование стали. -М.: Металлургия, 1978.-240 с.

16. Ворошнин Л.Г. Борирование промышленных сталей и чугунов. Мн.: Беларусь, 1981.-205 с.

17. Волосенков В.Е., Куприянов И.Л. Порошки для газо-термических покрытий. Состав, свойства и применение. Мн.: Вышейшая школа, 1987, 27 с.

18. Вепринцев В.И., Отрадинский Ю.А., Январев E.H. Новые порошковые материалы и техника их напыления. // Износостойкие наплавочные материалы и методы их наплавки. М.: ВНИИТС, 1968, с. 54-64.

19. Кудинов В.В., Казначеева Г.И., Черняков С.И. Получение методом механического легирования самфмосующихся порошков с пониженной температурой оплавления.-М.: ВИНИТИ (деп. 14.08.87.), 1987, 11 с.

20. Борисенок Г.В., Васильева Л.А., Ворошнин Л.Г. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. / Справочник под ред. Л.С.Ляховича. -М.: Металлургия, 1981. -424 с.

21. Курвякова Л.М., Гордиевская Н.Е. Электрохимическое меднение железного порошка//Порошковая металлургия, 1983, № 10, С.10-13.

22. Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко Л.П., Ардатовская Е.М. Га-зо-термические покрытия из порошковых материалов / Справочник. -Киев: Навукова думка, 1987. 544 с.

23. Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Лазерная техника и технология // Методы поверхностной лазерной обработки // Высш. школа, 1987. Кн.З. - 191 с.

24. Шестаков A.M., Земсков Г.В., Смех Е.В. Диффузионная металлизация графитовых порошков./ЯТорошковая металлургия, 1965, № 9, С. 1-5.

25. Триботехнические свойства борированных покрытий из низкоуглеродистой стали Св-08 / П.А. Витязь, В.И. Жорник, P.O. Азизов, Н. Н. Прокопович // Трение и износ. 2003. Т.24, № 1. С. 54-56.

26. Азизов P.O. Упрочнение напыленных покрытий // В сб. трудов научно-практического семинара « Внедрение разработок ученных Таджикистана в промышленность». Душанбе: НПИЦентр РТ, 2001. - С. 120-121.

27. Азизов P.O., Назаров Х.М., Хаитов А. Ш. Электрохимические свойства упрочненных покрытий // Вестник Тадж. Госуд. Педагогического Университета. Душанбе: изд. ТПГУ 2002.№2. - С. 65-68.

28. A.c. №116612. Способ изготовления порошка легированной стали. / И.М. Федорченко, H.A. Филатова.

29. A.c. № 195634. Способ изготовления порошков легированных сплавов. / И.Д. Радомысельский, П.А. Бойко, С.Г. Напара-Волчина.

30. Радомысельский И.Д., Напара-Волчина С.Г. Получение легированных порошков диффузионным методом и их использование. Киев: Наву-кова думка, 1988. - 136 с.

31. Пантелеенко Ф.И. Теоретические и технологические основы получения самофлюсующихся порошков на железной основе диффузионным легированием и разработка изностойких композиционных покрытий из них // Диссертация . докт. техн. наук. Минск, 1992, 544 с.

32. Химико-термическая обработка металлокерамических материалов. /Л.Г. Ворошнин, Л.С. Ляхович, Ф.Г. Ловшенко, Г.Ф. Протасевич. -Мн.: Наука и техника, 1977. 272 с.

33. Прокошкин Д.А. Химико-термическая обработка металлов карбо-нитрация. - М.: Металлургия, 1984. - 240 с.

34. Азизов P.O., Хаитов А.Ш., Давлатшоев Р.А. Упрочнение напыленных покрытий // Тадж. НПИЦентр, выпуск № 57. Душанбе, 2001. - 3 с.

35. Т. Babul: Structures and properties of amorphous layers Formed by detonation and other powder spraying methods. Materials and Manufacturing process, 1995, vol. 10, no 4.

36. Рузинов Л.П., Гуляницкий B.C. Равновесное превращение химической реакции. М.: Металлургия, 1975.

37. Жоров Ю.М. Термодинамика нефтехимических процессов. Нефтехимический синтез, переработка нефти, угля и природного газа. М.: Химия, 1985.

38. Математическая теория горения и взрыва. /Я.Б. Зельдович, Г.И. Баренб-латт, В.Б. Либрович, Г.М. Махвиладзе. М.: Наука, 1980.

39. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов. /Г.Б. Синярев, Н.А. Ватолин, Б.Г. Трусов, Г.К. Моисеев. М.: Наука. 1982.

40. Кубашевский О., Олкокк СБ. Металлургическая термохимия. М.: Металлургии, 1982.

41. Термодинамические свойства неорганических веществ. Справочник. /У.Д. Верятин, В.П. Маширев, Н.Г. Рябцев и др. М.: Атомиздат, 1965.

42. Карапетьянц М.Х., Карапетьянц М.Л. Основные термодинамические константы неорганических веществ. М.: Химия, 1968.

43. Barin I., Knacke О. Thermochemical properties of inorganic substances. -Berlin: Springer Verlag, 1973.

44. Barin I., Knacke O., Kubaschevski O. Thermochemical properties of inorganic substances. Supplement. -Berlin: Springer Verlag, 1977.

45. Термические константы веществ. / Под ред. В.П. Глушко. М.: ВИНИТИ, 1979.

46. Термодинамические свойства индивидуальных соединений. /Под ред. В.П. Глушко. М.: Наука, 1982, тт. 1-4.

47. Жуков A.A. Геометрическая термодинамика сплавов железа. М.: Металлургия, 1979.

48. Глазов В.М., Павлова Л.М. Химическая термодинамика и фазовые равновесия М.: Металлургия, 1988.

49. Расчет фазовых равновесий в многокомпонентных системах. /А.И. Казаков, В.А. Мокрицкий, В.Н. Романенко, Л. Хитова. М.: Металлургия, 1987.

50. Гольдштейн М.И., Попов В.В. Растворимость фаз внедрения при термической обработке стали. М.: Металлургия, 1989.

51. Ворошнин Л.Г., Пантелеенко Ф.И., Любецкий С.Н. Обработка металлических порошков и получение высокоэффективных износостойких наплавленных покрытий // Сб.: Защитные покрытия на металлах. -Киев: Навукова думка, 1991, № 25. С.25-28.

52. Ворошнин Л.Г., Пантелеенко Ф.И., Константинов В.М. Теория и практика получения защитных покрытий с помощью ХТО. Мн.: ФТИ; Новополоцк: ПГУ,1999. - 133 с.

53. Математическая теория планирования эксперимента. / Под ред. С.М. Ермакова. -М.: Наука, 1983. 392 с.

54. Установка для триботехнических испытаний материалов. / Техническое описание и инструкции по эксплуатации. Гомель: ИММС НАНБ, 2001.- 30 с.

55. Каледин Б.А. Планирование экспериментов в порошковой металлургии. Минск: Б ПИ, 1982, 1,2ч. - 113 с.

56. Беккерт М., Клемм X. Справочник по металлографическому травлению. / Пер. с нем. М.: Металлургия, 1979. - 336 с.

57. Ворошнин Л.Г., Хусид Б.М. Диффузионный массоперенос в многокомпонентных системах. Мн.: Наука и техника, 1979. - 265 с.

58. Ляхович Л.С., Хусид Б. С., Туров Ю.В. Одномерная модель распространения «игольчатой» границы фаз. // В кн.: Диффузионные процессы в металлах. Тула, ТПИ, 1974.

59. Земсков Г.В., Коган Р.Л. Многокомпонентное диффузионное насыщение металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1978. - 207 с.

60. Эпик А.П., Палеха К.К. Новые порошковые и композиционные материалы / Под. Ред. В .Я. Шлюко. Киев: УМК ВО, 1989. - 116 с.

61. Любецкий С.Н. Разработка технологии диффузионного легирования железных порошков и получение наплавленных износостойких покрытий // Дис. канд. техн. наук. Мн.: 1991. - 230 с.

62. Сатановский Л.И. Поверхностная закалка посредством лазера и электронного луча// МиТОМ. 1980. № 2. С. 10-15.

63. Лоскутов В.Ф. Разработка процессов получения диффузионных легированных боридных и карбидных покрытий для повышения стойкости деталей машин и инструмента: Автореф. дис. д-ра техн. наук-Киев, 1987 -36с.

64. Полевой С.Н., Евдокимов В.Д. Упрочнение металлов. // Справочник. -М.: Машиностроение, 1986. 320 с.

65. Бирке Л.С. Рентгеновский микроанализ с помощью электронного зонда. -М.: Металлургия, 1966. -216 с.

66. Кальнер В.Д., Зильберман А.Г. Практика микрозондовых методов исследования металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1981.-215 с.

67. Сверхбыстрая закалка жидких сплавов / Под. ред. Г.А. Германа. М.: Металлургия, 1986. - 286 с.

68. Садовский В.Д., Фокина Е.А. Остаточный аустенит в закаленной стали.-М.: Наука, 1986.- 11 с.

69. Карпенко Г.В. Влияние диффузионных покрытий на прочность стальных изделий. Киев: Наукова думка, 1971. - 116 с.

70. Азизов P.O. Конструкция шрифтового образца для определения прочности сцепления покрытий // Тадж. НПИЦентр, выпуск № 37-2002. -Душанбе, 2002. 4с.

71. Ивашко B.C., Сафаров М.Н., Азизов P.O., Рахматов М.Р. Расчет теплофи-зических свойств анизотропных пористых материалов. Известия Белорусской Инженерной Академии. Машиностроение. №2(16). 2003. с. 12-14.

72. Рахматов М., Караев П. Восстановление изношенных деталей методом газопламенного напыления. /Материалы межвузовской научно-технической конференции «Достижения в области металлургии и машиностроении Республики Таджикистан». ТТУ. Душанбе. 2004. с. 39-41.

73. Рахматов М., Назаров Х.М. Восстановление деталей машин композиционными газо-термическими покрытиями. /Материалы республиканской научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования в XXI веке». ТТУ. Душанбе. 2004. с. 45-46

74. Азизов P.O., Хаитов А.Ш., Рахматов М.Р. Исследование жаростойкости газо-термических покрытый, упроченных химико-термической обработкой. Вестник Национального Университета. №4. 2004. с. 143-144.

75. Рахматов P.M., Азизов P.O., Ганиев И.Н., Назаров Х.М. Особенности формирования диффузионных покрытий в боросодержащих металлотермических смесях. Доклады АН Республики Таджикистан. 2004. № 1-2. с. 96-98.

76. Трефилов В.И., Шаповалов В.И., Еременко И.Д. и др. Механические свойства материалов с направленными порами. Деп. в УкрНИИИНТИ 15.07.87, №2042-4К8.

77. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Справочник. Л., 1974.

78. Дульнев Г.Н. Муратова Б.Л., Маджидов X., Сафаров М.М. ИФЖ. 1986. Т. 51, №2, с. 255-259.1.) 117