автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Износостойкие боридные покрытия, полученные на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева

005044116

На правах рукописи

Мишустин Никита Михайлович

ИЗНОСОСТОЙКИЕ БОРИДНЫЕ ПОКРЫТИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ НА КОНСТРУКЦИОННЫХ И ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТВЧ-НАГРЕВА

Специальность 05.16.09 - материаловедение (в машиностроении)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 1.1ДП Ш

Барнаул - 2012

005044116

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Алтайский государственный аграрный университет» (г. Барнаул)

Научный руководитель: Ишков Алексей Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры ТКМиРМ

Официальные оппоненты: Гурьев Алексей Михайлович,

доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», г. Барнаул), заведующий кафедрой НГиГ;

Корчагин Михаил Алексеевич, доктор технических наук, старший научный сотрудник (ФГБУН Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук (ИХТТМ СО РАН, г. Новосибирск), старший научный сотрудник лаборатории химического материаловедения

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное обра-

зовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» (ФГБОУ ВПО «НИ ТПУ», г. Томск).

Защита состоится 28 мая 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.07 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, ФГБОУ ВПО «АлтГТУ». E-mail: berd50@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

Автореферат разослан 27 апреля 2012 г.

Ученый секретарь л

диссертационного совета Д 212.004.07, ------

кандидат технических наук, доцент /У

А. Бердыченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современном машиностроении для поверхностного упрочнения конструкционных и легированных сталей и деталей машин широко применяют методы создания различных износостойких покрытий из функциональных материалов (порошковые покрытия, керамика и термостойкие полимеры, одно- и многокомпонентные металлические и композиционные гальванические покрытия, твердосплавные покрытия и пр.).

Одним из наиболее эффективных и простых методов поверхностного упрочнения стальных деталей, используемых на заключительных стадиях механической обработки и легко совмещаемых с термической обработкой материала, является химико-термическая обработка (ХТО). Но если такие виды ХТО как цементация, азотирование и карбонитрация, а также их совмещенные варианты, уже прочно вошли в арсенал машиностроительных предприятий, а состав, структура, свойства и технологии получения износостойких покрытий этими методами исследуются материаловедами уже более 100 лет, то процессы насыщения поверхностного слоя конструкционных и легированных сталей бором и получения соответствующих износостойких боридных покрытий все еще недостаточно исследованы. При борировании на поверхности стальной детали, как правило, удается получать протяженные (до 100-200 мкм) слои, однако большинство из известных процессов борирования длительны (4-12 ч), трудоемки и плохо встраиваются в технологические схемы современных производств, а при реализации наиболее освоенного в машиностроении диффузионного борирования образуются хрупкие, двухфазные покрытия с невысокой адгезией к основе. Поэтому интенсификация борирования, получение боридных покрытий устойчивых к скалыванию, исследование их структуры и получение у них заданных свойств является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнялась в рамках проекта, поддержанного грантом РФФИ № 11-08-98016-р_сибирь_а, а также госконтракта № 6-11ф от 03.06.2011, сравнительные испытания стрельчатых лап упрочненных борирова-нием с использованием ТВЧ-нагрева по технологии АГАУ и коммерческих стрельчатых лап производства ОАО «АНИТИМ» и ЗАО «РЗЗ» проводились по хоздоговору № 1/11 от 22.02. 2011 г с ЗАО «Рубцовский завод запасных частей».

Цель работы - разработка технологии получения износостойких боридных покрытий на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева.

Для достижения указанной цели потребовалось решение следующих задач:

- проведение анализа известных методов получения боридных покрытий, исследований их структуры и свойств, интенсификации и управления процессами борирования и обоснование использования ТВЧ-нагрева для осуществления борирования конструкционных и легированных сталей;

- теоретическое и экспериментальное исследование фундаментальных физико-химических процессов, лежащих в основе новой разновидности борирования, процесса получения боридного покрытия на стали с использованием ТВЧ-нагрева за счет протекания топохимической реакции (ТПХР) между материа-

лом, борирующим агентом и другими компонентами, входящими в состав бо-рирующей смеси;

- исследование влияния природы борирующего агента, состава борирующей смеси, состава стали, а также параметров борирования (время, температура и пр.) на состав, структуру и свойства боридных покрытий, получающихся с использованием ТВЧ-нагрева;

- экспериментальное изучение износа основных типов боридных покрытий, полученных на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева и выявление связи между их составом, структурой и износостойкостью;

- проведение оптимизации параметров борирования с использованием ТВЧ-нагрева для стали 65Г, наиболее часто применяемой при изготовлении почвообрабатывающих органов (ПОО) сельхозмашин, методами полнофакторного эксперимента, и на основе полученных моделей разработка основ технологии упрочнения конкретной детали;

- исследование влияния технологических факторов борирования с использованием ТВЧ-нагрева и условий его эксплуатации на износ и работоспособность упрочненных деталей типа ПОО.

Объекты исследования: конструкционные и легированные стали, состав, структура и свойства боридных покрытий, получаемых на сталях с использованием ТВЧ-нагрева, а также свойства упрочненных ПОО.

Предмет исследования - химические и физико-химические процессы, происходящие между борирующими агентами, поверхностью металла и компонентами борирующего состава, термодинамика и кинетика ТПХР процесса борирования, осуществляемого с использованием ТВЧ-нагрева.

Для решения задач и достижения цели исследования использовались методы термодинамики и кинетики, термического анализа, физико-химического и спектрального анализа, металлографии, электронной растровой микроскопии, рентгенофазового и микрорентгеноспектрального анализа, полнофакторного эксперимента, лабораторного и полевого эксперимента.

Научная новизна диссертации:

- доказана возможность борирования с использованием ТВЧ-нагрева сталей СтЗ, 45, 50Г, 65Г, 50ХГА за 1-3 мин на глубину до 300-800 мкм из смесей, содержащих В, В4С в составе плавленого флюса П-0,66 с активаторами;

- выявлено, что насыщение поверхности стали 65Г бором с использованием ТВЧ-нагрева происходит за счёт протекания ТПХР для которой экспериментально получены кинетические параметры процесса: константа скорости (-1пк от 10,35 до 15,05); порядок реакции (и от 2,72 до 4,15); кажущаяся энергия активации (Еа = 365,8 кДж/моль);

- показано, что при использовании аморфного бора в борирующих составах образуются покрытия в виде кристаллов боридов марганца, расположенных в железо-боридной матрице, а при использовании В4С - покрытия в виде ледобу-ритоподобной железо-боридной эвтектики, а оптимальное содержание борирующего агента (вне зависимости от его природы) составляет 86-90 % масс;

- установлено оптимальное время и температура борирования с использованием ТВЧ-нагрева, которое для сталей 65Г и 50ХГА составляет 90-120 сек и

1150-1250 °С, соответственно, при проведении борирования в течение указанного времени в износостойком покрытии образуются структуры в виде ледобу-ритоподобной железо-боридной эвтектики;

- методом полнофакторного эксперимента получено уравнение поверхности отклика целевой функции толщины и износостойкости боридного покрытия, позволившее установить интервалы варьирования: содержание плавленого флюса П-0,66 10-14 масс. % времени нагрева 90-120 с и температуры 1150-1250 °С для оптимизации параметров режима и выявления оптимального режима борирования с использованием ТВЧ-нагрева для разработки основ технологии.

Теоретическая значимость исследования заключается в определении параметров фундаментальных химических и физико-химических процессов, лежащих в основе процесса получения боридных покрытий с использованием ТВЧ-нагрева, доказательстве протекания ТПХР и установлении закономерностей состав-структура-свойство у получаемых боридных покрытий.

Практическая значимость и реализация результатов исследования определяется разработкой новых типов износостойких покрытий и их применения в машиностроении для замены более дорогих твердосплавных покрытий, наносимых на те же детали методом индукционной наплавки. Проведение борирования с использованием ТВЧ-нагрева позволяет увеличить гарантированный ресурс наработки на одну стрельчатую лапу (СЛ) типа 3 с нормированных 25 га/лапу (ОСТ 23.2.164-87) до 79,5 га/лапу и обеспечить эффект самозатачивания в течение всего периода её эксплуатации.

Полученные результаты были внедрены на ведущих предприятиях сельхозмашиностроения Алтайского края ОАО «АНИТИМ» (г. Барнаул), ЗАО «Рубцовский завод запасных частей» (г. Рубцовск) и ОАО «Авторемзавод Леньков-ский» (ст. Леньки, Благовещенского р-на Алтайского края).

Апробация работы. Результаты и научные положения диссертации докладывались на 1-ой Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (г. Бийск, 2010), Международной инновационно-ориентированной конференции с элементами научной школы для молодежи «Будущее машиностроения России» (г. Москва, 2010), Ш-ей Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы сельского хозяйства горных территорий» (г. Горно-Алтайск, 2011), У1-ой Международной научно-практической конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству» (г. Барнаул, 2011), ХУ1-ОЙ и XVII-ой Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г.Томск, 2010,2011).

Разработанные технологии и детали сельхозмашин с боридными покрытиями, полученными с использованием ТВЧ-нагрева, экспонировались на ХУ1-ой и ХУИ-ой Международной агропромышленной выставке-ярмарке «Алтайская Нива» (г. Барнаул, 2010, 2011), Ш-ей Региональной выставке «Ярмарка изобретений. Алтайский край - 2011» (г. Барнаул, 2011), а также на 13-ой Международной специализированной выставке «МА8НЕХ-2010» (г. Москва, ВЦ Крокус-Экспо, 2010), где были отмечены дипломами и медалями конкурсов.

Достоверность полученных результатов подтверждается их соответствием данным, полученным другими исследователями, а также справочными данными, данными литературных источников, использованием аттестованных методов и методик выполнения измерений, сертифицированного и стандартизированного испытательного оборудования, а также проведением статистической обработки экспериментальных данных.

Личный вклад соискателя заключается в формулировании цели и задач работы, выполнении большинства исследований по получению новых материалов, исследованию их структуры и свойств, анализе и обсуждении результатов, испытании упрочнённых деталей машин.

На защиту выносятся:

- комплекс результатов теоретических и экспериментальных исследований, доказывающий, что образование боридных покрытий на исследованных сталях с использованием ТВЧ-нагрева в смесях, содержащих В, В4С в составе плавленого флюса П-0,66 с активаторами, осуществляется за счет сложного интегрального химического и физико-химического процесса ТПХР - близкого по природе к реакционной наплавке;

- теоретически предсказанные и экспериментально обнаруженные ТПХР между компонентами борирующей смеси, поверхностью стали и оксидами железа, взаимодействие В4С с Са812 и продуктами его термодиссоциации, взаимодействие компонентов боратного флюса с поверхностью стальной детали и бо-рирующим агентом, взаимодействие Са312 с компонентами боратного флюса и

др-;

- обнаруженные закономерности влияния природы борирующего агента, состава и характеристик борирующей смеси (наличие активаторов, доли борирующего агента, размера его частиц и пр.) на типичную структуру боридных покрытий, полученных с использованием ТВЧ-нагрева;

- обнаруженные закономерности влияния состава стали (содержание углерода, вид и содержание легирующих элементов) и параметров борирования с использованием ТВЧ-нагрева на соотношение состав-структура-свойства, образующихся износостойких боридных покрытий;

- математическая модель процесса в виде функции поверхности отклика, полученная методом ПФЭ и позволяющая разрабатывать основы технологии получения износостойких боридных покрытий на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева;

- технология упрочнения ПОО типа СЛ, выполненных из стали 65Г, путем получения на их поверхности по оптимальным режимам износостойких боридных покрытий с использованием ТВЧ-нагрева и результаты конструирования покрытия для увеличения гарантированного ресурса наработки СЛ в 1,6-3,1 раза по сравнению с аналогами и сохранения эффекта самозатачивания в течение всего периода эксплуатации ПОО.

Публикации. Основные результаты и научные положения работы опубликованы в 26 печатных работах. Из них 4 статьи в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций, получен один патент РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Выводов, Списка использованной литературы из 166 источников и Приложений. Работа содержит 182 страниц машинописного текста, включает 32 таблицы и 74 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность исследований, сформулирована цель и задачи получения, исследования закономерностей состав-структура-свойство износостойких боридных покрытий, полученных на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева для их дальнейшего применения в сельхозмашиностроении. Приведены основные формальные признаки диссертации: научная новизна, практическая значимость, положения, выносимые на защиту, обоснована достоверность и отражен личный вклад соискателя, приведены результаты апробации работы и публикации ее результатов.

Первая глава содержит критический обзор и информационный анализ доступных источников по теме диссертации, опубликованных за последние 10 лет.

Анализ результатов исследований, опубликованных в ведущих российских и зарубежных журналах, а также содержащихся в базах данных ВИНИТИ, РЖ «Машиностроение», открытых реестрах ФИПС, тем зарегистрированных НИР и НИОКР ЦИТИС, электронной библиотеке «E-library», Chemical Abstr. и др., позволили установить, что современные исследования боридных покрытий, полученных различными методами, преимущественно проводятся по направлениям интенсификации процессов диффузионного борирования различными способами, разработке «высоких» технологий и способов борирования (борирова-ние в плазме и вакууме, лазерный нагрев, СВС-технологии и пр.), вопросам исследования возможности совмещения борирования с другими процессами упрочнения поверхности, исследованиям термодинамики и кинетики процессов, а также вопросам встраивания ХТО вообще, и борирования, в частности, в современные производственно-технологические процессы, а вопросам применения новых, прогрессивных источников тепла (СВЧ, ТВЧ-нагрев) посвящено лишь незначительное число работ. Указанное обстоятельство позволило обоснованно выбрать цель и задачи настоящей диссертации.

Во второй главе приведено описание используемых в работе материалов, оборудования и установок, а также методик исследования состава, свойств и структуры получаемых боридных покрытий.

В качестве основных объектов исследования в работе были выбраны стали 65Г, 50ХГА, износостойкие боридные покрытия на которых исследовались методами оптической (МИМ-7) и электронной растровой микроскопии (РЭМ Philips SEM 515), рентгенофазового анализа (дифрактометр ДРОН-6, излучение Те-Ка), металлографии и микротвердометрии (ПМТ-3, нагрузка 50, 100, 200 гр.), микрорентгеноспектрального анализа (РФА-анализатор EDAX ECON IV, Ùycxop. 30,0 kB), атомно-эмиссионного спектрального анализа (анализатор состава сталей FOUNDRY MASTER UV), термического анализа (дериватограф Q-Derivatograph системы F.Paulik, J.Paulik, L.Erdey - на воздухе, термический анализатор Netzsch STA 409 PC/PG - в Ar). Износостойкость боридных покрытий,

полученных с использованием ТВЧ-нагрева определялась по ГОСТ 23.208-79, 23.224-86, а в полевых условиях - по оригинальной методике.

В третьей главе приведены результаты термодинамических расчетов и экспериментального исследования фундаментальных химических и физико-химических процессов, приводящих к образованию износостойких боридных покрытий на сталях с использованием ТВЧ-нагрева, исследования влияния природы борирующего агента и состава борирующей смеси на типичную структуру покрытия, исследования влияния состава стали и параметров бори-рования в режиме реакционной наплавки на структуру и механические свойства боридных покрытий, исследования фазового и химического состава основных компонентов покрытий.

Для реакций, по которым имелись справочные данные, без учета возможных полиморфных превращений веществ в интервале температур 298-1498 К, но с учетом зависимости их термодинамических констант от температуры, были выполнены расчеты термодинамических потенциалов при Т = 298, 1198, 1298 и 1498 К (ЛН°р, AHfp, AG°P) для установления возможности их самопроиз-

вольного протекания (см. уравнения 1-8).

Fe2B +В 2FeB, (1), 2Fe203 + 8В-> 4FeB + 2В203, (2),

Fe2B Fe + FeB, (3), Ваморф„. В,фНСГ. -> В*, (4),

В203 —> В+ + ВОз", (5), CaSi2 Ca + 2Si, (6),

ЗСа + В20з ЗСаО + 2В, (7), Са + 2В4С СаС2 + 8В, (8).

Среди этих реакций образуют бориды железа, и являются экзотермическими реакции 1 и 2, причем В, как исходный реагент, может быть введен в систему извне заранее (в составе борирующей смеси - см. таблицу 2), так может образоваться и самопроизвольно по реакциям 5, 7 и 8, у которых изобарно-изотермический потенциал {Л(УР) остаётся отрицательным во всем исследованном интервале температур. После удаления окисной плёнки с поверхности стали, за счёт действия боратного флюса при 838-848 К, бориды железа и цементит могут образовываться уже при взаимодействии простых веществ по уравнениям:

Ре + В -> РеВ, (9), 2Ре+ В -> Ре2В, (10)

41-е + В4С -> 4РеВ + С*, (11) ЗРе + С->Ре3С, (12)

Проведенный анализ реакций 9-12 показал что, в исследованном интервале температур 298-1498 К, самопроизвольно протекают и термодинамически разрешены все процессы, кроме реакции 9 (рисунок 1). Следовательно, наиболее твердый из боридов железа РеВ может образовываться в покрытии с использованием ТВЧ-нагрева, только за счет протекания реакций 1,3,11.

Исследование, расшифровка и сопоставление термограмм борирующих и модельных составов, дополнительно содержащих порошок железа марки ПЖВ, снятых в инертной среде и на воздухе вплоть до температуры 1598 К, подтвердили протекание в них реакций 1, 2, 6, 7, 10, а также были зафиксированы конкурирующие экзотермические реакции окисления как железа, так и его боридов, возможные при осуществлении борирования с использованием ТВЧ-нагрева на воздухе, которые замедляют процесс образования износостойкого покрытия.

о

■50 ■WO ■150 •200 ■250 ■300

500 1000 150bB

-10 -4-11 —^12

■S -»-10 -»-11 -*-12

40000 20000 0

-20000 -40000 -60000 ■aoooo -100000

LI500 T,K

О. б. в.

Рисунок 1 - Зависимость термодинамических потенциалов (АН"р - энтальпия, Д?р -энтропия, ЛСР - изобарно-изотермический потенциал) реакций борирования с использованием ТВЧ-нагрева (9-12) от температуры: а - энтальпия реакции, б - энтропия реакции, в - изобарно-изотермический потенциал

Была исследована кинетика интегрального процесса борирования с использованием ТВЧ-нагрева при различных температурах в рамках формального подхода, чтобы определить механизм ТПХР, а также рассчитать параметры кинетического уравнения и кажущуюся энергию активации процесса борирования. На рисунке 2а, приведены кинетические кривые борирования стали 65Г при различных температурах. Линейная форма кинетической кривой роста бо-ридного покрытия на стали 65Г с использованием ТВЧ-нагрева при Т = 900 °С приведена на рисунке 26.

80 100 1201, с

1000 —sw-ITiO

б.

Рисунок 2 — Кинетические кривые борирования стали 65Г из смеси, содержащей, масс. %: В4С (84) + флюс П-0,66 (16), при температурах 900,1000 и 1150 °С (а) и линеаризация кинетической кривой при Т- 900 °С (А - толщина покрытия, а - степень превращения вещества, t - время)

Для расчёта параметров кинетического уравнения было использовано известное уравнение ТПХР Ерофеева-Колмогорова (13), и проведена линеаризация кинетических кривых в координатах /«[-/«(1-а)] =//) методом наименьших квадратов:

а = 1-ехр(-Й"), (13)

где: а - степень превращения; п = а + 3, или в общем случае п = а + m (порядок реакции); а - число элементарных стадий превращения центра кристаллизации новой фазы (Fe„B) в растущее ядро; m - число направлений, в которых растут ядра (1,2,3); к - константа скорости, с"".

Таблица 1 - Кинетические параметры интегрального процесса борирования

Г, К Параметры кинетического уравнения о; при m = const Ее, кДж/моль

Ink п

1 2 3

1198 -10,35±0,03 2,72±0,02 1,72 0,72 -

1298 -12,25+0,02 3,32±0,03 2,32 1,32 0,32 365,8±0,2

1498 -15,05±0,03 4,15±0,03 3,15 2,15 1,15

Примечания: Т - температура, Ink — константа скорости, п - порядок реакции, и - число элементарных стадий превращения центра кристаллизации новой фазы (Fe^E!) в растущее ядро, Еа — кажущаяся энергия активации.

Исследованные составы 3, 4-х компонентных борирующих смесей, наносимые на образцы сталей СтЗ, 45, 50Г, 65Г, 50ХГА в виде обмазок на жидком стекле, гидролизованном этилсиликате или полимерной основе для осуществления борирования с использованием ТВЧ-нагрева представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Составы обмазок дая получения износостойких покрытий _с использованием ТВЧ-нагрева__

Состав Компонент 1 /масс.% борирующий агент Компонент 2 /масс.% компонент основа Компонент 3 /масс.% компонент активатор Компонент 4 /масс.% компонент модификатор

1 В4С/92 П-0,66/8 - -

2 В4С/84 П-0,66/16 - -

3 В4С/80 П-0,66/20 - -

4 В4С/84 П-0,66/11 К3Р?е(СЫ)б]/2,5 -

5 В/92,5 CaF2/5 П-0,66/2,5 -

6 В/90 CaF2/5 П-0,66/5 -

7 В/89 П-0,66/5 NH4CI/6 -

8 В/84 П-0,66/10 NH4CI/6 -

9 В/85 CaF2/5 П-0,66/5 K3[Fe(CN)f,l/5

10 В/79 П-0,66/10 NHiCI/6 K3rFe(CN)<il/5

Были обнаружены 4-е основных типа структур износостойкого боридного покрытия, образующегося с использованием ТВЧ-нагрева (рисунок 3): I - в виде железо-боридной эвтектики с замкнутыми карбидными областями, II - покрытие, состоящее из кристаллов борида марганца, в виде пластин, расположенных в более мягкой матрице из ледебуритоподобной железо-боридной эвтектики, III - структура в виде железо-боридной эвтектики с крупными зёрнами, и IV - покрытие, состоящее из игольчатых кристаллов борида марганца или хрома, расположенных в более мягкой матрице из ледебуритоподобной железо-боридной эвтектики.

При исследовании влияния углерода и легирующих элементов было установлено, что для сталей с низким содержание углерода (СтЗ, 45) при температурах осуществления борирования (1050-1100 °С) с использованием ТВЧ-нагрева в течение 2-3 мин. происходит выгорание межзёренного углерода, что подтверждается наличием видманштеттовых структур в основном материале.

Толщина износостойких боридных покрытий на стали 50ХГА оказалась значительно меньше, чем на марганцовистых сталях 50Г, 65Г, что в условиях абразивного износа деталей машин типа ПОО при их эксплуатации является существенным недостатком. В связи с этим все дальнейшие исследования было принято проводить на стали 65Г, так как эта марка более износостойка, более доступна и, к тому же, широко применяется в машиностроении для изготовления ПОО - стрельчатых лап, долотообразных лемехов и пр._

III. IV.

Рисунок 3 - Типичные структуры боридных покрытий, получаемых на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева: I - эвтектика Бе - В с замкнутыми карбидными областями; II - пластинчатые кристаллы борида марганца; III - эвтектика Ре - В с крупными зернами; и IV - игольчатые кристаллы борида марганца

Для основной структуры боридного покрытия типа I было проведено исследование ее тонкой микроструктуры путём последовательного увеличения изображения рассматриваемой области покрытия в отраженных электронах (рисунок 4).

Рисунок 4 - Микроструктура боридного покрытия типа I, полученного на стали 65Г с использованием ТВЧ-нагрева в отраженных электронах

Как видно и рисунка 4, морфология структуры типа I представляет собой две зоны: более мягкую (замкнутая карбидная область), в которой при шлифовании получаются углубления, и более твёрдую (эвтектика Бе - В), в виде вы-

ступов. При дальнейшем увеличении в области железо-боридной эвтектики отчётливо проявляется ее пластинчатое строение с характерным рисунком.

В таблице 3 приведены результаты микрорентгеноспектрального анализа бо-ридного покрытия, полученного на сталях 65Г и 50ХГА, показывающие, что в состав основной матричной и упрочняющих фаз покрытия, полученного при ТВЧ-нагреве, помимо железа и бора также входит и углерод, причем его доля колеблется от 13,4 до 28,0 масс. %, что отвечает нестехиометрическим фазам от цементита Ре3С и карбоборидов РеСсВт, близких по структуре к борированному цементиту, до специальных карбидов (Те, Мп)зС и карбоборидов Ре, Мл и Сг (рисунок 4).

Таблица 3 — Результата микрорентгеноспектрального анализа основных фаз в боридном покрьггаи, полученном на сталях 65Г, 50ХГА с использованием ТВЧ-нагрева

Обозначение фазы, элементы (рисунок 3) Описание фазы, морфология Состав, элемент Химическая формула

весовой % атомный %

■ -Ре, С, В Матрица - серое поле в ледебуриго-подобной эвтекгике Ре-В Ре-57,25 С-28,02 В-14,73 21,72 49,42 28,86 РеС2^В,,3

■* - Ре, С, В Тоже Ре-64,31 С-22,30 В-13,38 27,12 43,73 29,15 РеСі-6Ві,і

А-Ре,С,В Упрочняющая фаза -светлые замкнутые области эвтектики Ре-В Ре-50,63 С-23,11 В-26,25 17,24 36,59 46,17 РеСуВу

♦ - Ре, Мп(Сг), С, В Упрочняющая фаза -пластинчатые кристаллы или иглы бо-ридов и(или) карбоборидов Ре-64,70 Мп(Сг) -1,21(1,35) С-23,01 В-11,08 28,11 0,54(0,62) 46,49 24,87 Ре58МпС%В5і РЄ58СгС%Взі

♦ * -Ре, С Упрочняющая фаза -темные замкнутые области эвтектики Ре-В Ре-86,60 С-13,40 58,15 41,85 Рсі^С

* Данные для аналогичной фазы в покрытии на стали 50ХГА.

На рисунке 5а представлено распределение микротвёрдости по толщине бо-ридного покрытия, полученного, при использовании состава 2 за различное время, из которого видно, что покрытие, полученное за 76 и 106 с, обладает более высокой микротвёрдостью (НУюо 13770 МПа) по сравнению с покрытиями, полученными за 120 и 136 с, или, например, с покрытием, полученным из состава 1 при этом же времени борирования. На рисунке 56 представлены результаты испытания износостойкости боридных покрытий, полученных на стали 65Г при использовании ТВЧ-нагрева в составах 1 и 2 в течение разного времени. Увеличение износостойкости упрочнённых слоев при увеличении времени ТВЧ-нагрева у состава 2 (таблица 2) объясняется уменьшением твёрдости основной упрочняющей фазы. Это позволяет утверждать, что характеристики боридных покрытий, получаемых на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева, изменяются не монотонно, а имеют некий оптимум в своих зависимостях от времени.

2 1,8

О

S 1

8.0.a ü 0.6 с 0.4

од о

-+-ШШ, 2 ~~*г~Шсіж.г —И—106ге»,2

—•—76сек,2 —*—65Г б.

Рисунок 5 - Распределение микротвёрдости по толщине (а) и износостойкость боридного покрытия на стали 65Г (б), полученного из составов 1,2 (таблица 2) заразное время

В четвёртой главе представлены результаты оптимизации борирующих составов и параметров борирования сталей с использованием ТВЧ-нагрева, путем построения математических моделей процесса в виде поверхностей отклика целевых функций толщины (К) и износостойкости (е) боридного покрытия методом полнофакторного эксперимента, по уравнениям вида:

є = 537,938-0,557- х, -10,569- х2 -17,487-х, + 0,011- х, • х2 +

+ 0,018-*, -х3 +0,339-х, -х3 -0,0003-х, -х2 -л,, (14)

И = 1206,143-0,376-х,-37,633-х2-18,071-х3+0,010-х,-*2-

-0,012-х,-х3+0,517-х2 -х, +0,001-х, -х2 -х3, (15)

где: є - относительная износостойкость упрочнённого слоя по ГОСТ 23.208-79 (эталон закалённая и подвергнутая низкому отпуску сталь 65Г); h - толщина упрочнённого слоя, мкм; Xi - температура нагрева, °С; х2 - время выдержки при заданной температуре, с; х3 - скорость нагрева, °С/с.

Графическое отображение поверхности отклика указанной целевой функции от количества флюса П-0,66 и времени ТВЧ-нагрева, при заданной температуре (рисунок 6), позволяет легко определить оптимальные значения параметров для разработки основ технологии упрочнения таких деталей сельхозмашин как ПОО типа

СЛ, не в углу куба значений факто- рисунок 6 - Поверхность отклика целевой ров, а в той его области, где целевая функции h =J(t, [П-0,66], %) для боридного функция имеет протяженное плато покрытия на стали 65Г (h - толщина покры-второго экстремума. тия>1 - вРемя нагрева)

Указанные факторы варьировались в следующих пределах: Хі от 900 до 1100 °С; х2 от 30 до 180 секунд; х3 от 30 до 37 °С/с, а после оценки влияния состава борирующих смесей совместно с технологическими параметрами были получены и новые уравнения рабочих моделей, которые могут служить для предсказа-

0 'г...............................................-....................—......-

0 200 400 600

расстояние от края, мкм

2(0,315)76 -«— 2(0.315)106

'2(0,315)120 —к—2(0.315)136

0 10000 20000 30000 40000 Путьтр»ния, м

ния результатов на практике с вероятностью 0,95 и доверительным интервалом ± 5 %, например, для толщины покрытия (А).

В пятой главе описана разработанная на основе ранее полученных экспериментальных данных технология упрочнения деталей машин типа ПОО (СЛ типа 3 по ОСТ 23.2.164-87), путём нанесения на их поверхность оптимально сконструированного износостойкого боридного покрытия, полученного с использованием ТВЧ-нагрева (технология АГАУ), а также результаты полевых испытаний упрочненных СЛ в условиях посевных кампаний в 2010,2011 г.г.

Разработанная технология упрочнения СЛ состоит из 7-й стадий. Основная стадия упрочнения осуществляется в индукторе треугольной формы, позволяющем одновременно нагревать носок и оба крыла СЛ (рисунок 7).

Готовую деталь после удаления остатков обмазки контролируют по НКС (не менее 64).

Перед проведением испытаний боридных покрытий в полевых условиях была установлена корреляция между весовым износом (легко определяется лабораторно) и линейным износом (позволяет прогнозировать ресурс наработки СЛ) для боридных покрытий полученных с использованием ТВЧ-нагрева на стали 65Г из оптимизироваиного состава и на оптимизированных режимах (рисунок 8).

Рисунок 7 - Еорирование с использованием ТВЧ-нагрева СЛ типа 3, предназначенной дня установки на ПК-9,7 «Кузбас»

10000 20000 30000 Путь

трения, м -Масса,% Линейный износ, %

Г1

Рисунок 8 - Зависимости линейного и весового износа от пути трения (а) и корреляция между линейным и весовым износом (б), для покрытия, полученного на стали 65Г с использованием ТВЧ-нагрева из состава 2, - линейный износ, Ещ - весовой износ)

Исходя из характера зависимости, приведенной на рисунке 86, упрочнённый слой должен состоять как минимум из двух зон, обладающих разными физико-механическими характеристиками, но для данного типа покрытия структура и физико-механические свойства оказались практически одинаковыми по всей толщине (см., также рисунки 4 и 6а).

В качестве основных технологических факторов, влияющих на износ упрочнённых борированием с использованием ТВЧ-нагрева СЛ были исследова-

ны: способ нанесения обмазки на поверхность лапы, предварительная подготовка поверхности, время выдержки в индукторе при оптимальной температуре, последующая термообработка. Параметрами, контролируемыми при износе, являлись: ширина захвата лапы (В), ширина крыла лапы (Ь), длина крыла лапы (О, площадь перекрытия лапы (5), средний весовой износ (/я), а также качественные параметры износа поверхности лап и их отдельных участков (таблица 5).

Таблица 5. - Относительный износ поверхностно-упрочненных

Шифр Износ по параметру Ix, %

В Ъ 1 S т

1-2-БП,0 12,1 17,2 20,7 33,8 28,6

Ш-1-БП,0 12,3 16,8 20,9 34,9 28,6

У-2-БП,3 9,9 8,8 13,7 23,5 19,1

V-1-П.З 9,3 16,3 13,2 25,2 25,0

1-1-БП.О 8,4 11,1 13,6 23,5 20,2

1-1-БП.З 13,4 13,1 18,9 31,1 22,6

контроль 19,9 43,6 32,5 50,4 40,5

Из таблицы 5 видно, что между износом поверхностно-упрочненных CJI по отдельным размерным параметрам существует определенная взаимосвязь. Износостойкость и гарантированные параметры CJI различных производителей (ОАО «АНИТИМ» (1), ЗАО «РЗЗ» (2)) и СЛ, упрочненных по технологии АГАУ (3), следующие: наработка, га/лапу/массовый износ, г (1) 31,5/204, (2) 28,2/362, (3) 41,4/347. Оценка профиля лезвия крыла коммерческих и упрочненных по технологии АГАУ стрельчатых лап показала, что у детали с нанесенным на неё по схеме V износостойким боридным покрытием, наблюдается выраженный эффект самозатачивания в течение всего периода эксплуатации, вплоть до наработки 41,4 или 79,5 га/лапу.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан новый способ и предложены составы для осуществления бори-рования с использованием ТВЧ-нагрева, позволяющие получать износостойкие боридные покрытия толщиной до 800 мкм с микротвёрдостью до HV)00 30470 МПа, и износостойкостью в 4-7 раз превышающей износостойкость стали 65Г (подвергнутой закалке и низкому отпуску), при трении о не жёстко закреплённый абразив.

2. Определены основные вероятные химические реакции, приводящие к образованию активного бора (В*) и боридных покрытий на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева, и проведены расчёты их термодинамических потенциалов при 298, 1198, 1298 и 1498 К (Alfp, AS'p, ACfp) для установления возможности самопроизвольного протекания процессов и выбора тех реакций образования покрытий, которые разрешены термодинамически.

3. Установлены кинетические параметры интегрального процесса борирования стали 65Г с использованием ТВЧ-нагрева, подтверждающие осуществление борирования по механизму ТПХР (-Ink от 10,35 до 15.05, п от 2,72 до 4,15,

кажущаяся энергия активации Еа = 365,8 кДж/моль), что позволяет в 10-60 раз ускорить процесс бориования с использованием ТВЧ-нагрева по сравнению с диффузионным борированием.

4. Исследованы составы 3-х и 4-х компонентных борирующих смесей для бо-рирования с использованием ТВЧ-нагрева сталей СтЗ, 45, 50Г, 65Г, 50ХГА на основе В4С, В, плавленого флюса П-0,66 и различных активаторов, и установлены основные типы образующихся структур износостойкого покрытия: I - в виде эвтектики Б е-В с замкнутыми карбидными областями, II - в виде пластинчатых кристаллов борида марганца, расположенных в более мягкой матрице из ледебуритоподобной эвтектики Ре-В, III - в виде крупно-зерненной эвтектики Ре-В, и IV - покрытие, состоящее из игольчатых кристаллов борида марганца или хрома, расположенных в более мягкой матрице из ледебуритоподобной эвтектики Ре-В.

5. Определены физико-механические характеристики боридных покрытий, получаемых с использованием ТВЧ-нагрева на сталях 65Г, 50ХГА и выявлена взаимосвязь состав-структура-свойство износостойких покрытий от состава борирующей смеси, состава стали, режимов процесса, а также определена морфология, фазовый и химический состав основных упрочняющих фаз покрытий.

6. Методом ПФЭ получено графическое отображение поверхности отклика целевой функции толщины (И) и износостойкости покрытия (г), зависящей от количества флюса П-0,66, температуры и времени ТВЧ-нагрева при заданной температуре, которая позволила определить, что изменение содержания флюса в интервале 10- 14 масс. %, а времени ТВЧ-нагрева - в интервале 90120 с при температуре 1150-1250 °С, приводит к получению на стали 65Г боридного покрытия с гарантированной толщиной до 300 мкм.

7. Разработана технология упрочнения ПОО типа СЛ, путём нанесения на их поверхность оптимально сконструированного износостойкого боридного покрытия, получаемого с использованием ТВЧ-нагрева (технология АГАУ), и проведены испытания упрочнённых СЛ в реальных условиях, которые показали, поддержание ресурса этих деталей сельскохозяйственных машин на том же уровне, что и твердосплавные покрытия, и превосходство боридных покрытий по отдельным показателям износа, установили факт сохранения стреловидной рабочей формы детали, а также увеличение гарантированного ресурса наработки на одну СЛ до 3-х раз (79,5 га) и получение эффекта самозатачивания в течение всего периода эксплуатации.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Ишков, А. В. Получение износостойких и защитных покрытий на рабочих поверхностях почвообрабатывающих органов сельхозтехники: современное состояние и перспективные направления исследований (обзор) [текст]. / А. В. Ишков, В. В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров, Н. М. Мишустин, А. С. Шайхудинов // Научные исследования: информация, анализ, прогноз. - глава ЬУШ в колл. монографии. - Воронеж: Изд-во ВГПУ, 2011. -С. 185-205.

2. Ишков, А. В. Влияние природы борирующего агента, флюсов и активаторов на характеристики покрытий, полученных при скоростном борировании легированных ста-

лей [Текст] / А. В. Ишков, В. В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров, А. А. Максимов, Н. М. Ми-шустин // Ползуновский вестник. -№3. - 2010. - С. 201-203. (статья ВАК).

3. Ишков, А. В. Износостойкие боридные покрытия для почвообрабатывающих органов сельхозтехники [Текст] / А. В. Ишков, В. В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров, А. А. Максимов, Н. М. Мишустин // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. -№ 9. - 2010. - С. 71 - 75. (статья ВАК).

4. Ишков, А. В. Влияние технологических факторов на износ поверхностно-упрочненных стрельчатых лап [Текст] / А. В. Ишков, В. В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров, Н. М. Мишустин, А. А. Максимов // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - № 10. - 2010. - С. 82-86. (статья ВАК).

5. Мишустин, II. М. Состав, структура и свойства износостойких покрытий, полученных на сталях 65Г и 50ХГА при скоростном ТВЧ-борировании [Текст] / Н. М. Мишустин, В. В. Иванайский, А. В. Ишков // Известия Томского политехнического университета. -Т. 320. - № 2. - 2012. - С. 68-72. (статья ВАК).

6. Ишков, А. В. Структура и свойства износостойких слоев, полученных на стали 65Г высокоскоростным борированнем [Комп.]. / А. В. Ишков, Н. М. Мишустин, В. В. Иванайский // Горизонты образования: электронный научный журнал. - Вып.12, - 2010. - режим доступа: http://www.edu.secna.ni/main/review/

7. Мишустин, II. М. Борирование марганцовистых и хромомарганцовисгых сталей при ТВЧ-нагреве в среде боратных флюсов [Текст]. / Н, М. Мишустин, А. В. Ишков, В. В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров // Новые химические технологии: производство и применение: Сб. статей ХИ-ой Всеросс. научн.-техн. конф. - Пенза: Изд-во ПДЗ, - 2010. - С. 47-50.

8. Мишустин, Н. М. Функциональные покрытия для рабочих органов сельхозтехники [Текст]. / Н. М. Мишустин, В. В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров, А. В. Ишков // Защитные и специальные покрытия, обработка поверхности в машиностроении и приборостроении: Материалы УП-ой Всеросс. научн.-практ. конф. - Пенза: Изд-во ПДЗ, - 2010. - С. 23-26.

9. Ишков, А. В. Износостойкие покрытия, полученные при скоростном борировашш легированных сталей [Текст]. / А. В. Ишков, В. В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров, Н. М. Мишустин // Инновации в машиностроении: Материалы 1-ой Междунар. научн.-практ. конф. - Бийск: Изд-во АлтГТУ, - 2010. - С. 153-156.

10. Мишустин, Н. М. Повышение качества н ресурса рабочих органов почвообрабатывающего комплекса оптимизацией схемы нанесения упрочняюшего покрытия [Текст]. / Н. М. Мишустин, Н. Т. Кривочуров, В. В. Иванайский, А. В. Ишков // Управление качеством образования, продукции и окружающей среды: Сб. матер. 7-ой Всеросс. научн.-практ. конф. - Бийск: Изд-во АлгГТУ, - 2010. -С. 189-191.

11. Мишустин, Н. М. Скоростное борирование сталей 65Г и 50ХГА [Текст]. / Н. М. Мишустин, В. В. Иванайский, А. В. Ишков // Современные проблемы машиностроения: Сб. докладов У-ой Междунар. научн.-техн. конф. - Томск: Изд-во ТПУ, - 2010. - С. 250-254.

12. Мишустин, Н. М. Функциональные борндпые покрытия для конструкционных сталей: получение при ТВЧ-нагреве, структура и свойства, применение в сельхозмашиностроении [Текст]. / Н. М. Мишустин, В. В. Иванайский, А. В. Ишков, Н. Т. Кривочуров // Новые материалы и технологии в машиностроении: Сб. материалов ХІІ-ой Междунар. научн.-практ. конф. - Вып. 10. - Брянск: Изд-во БГИТА, - 2010. - С. 57-60.

13. Мишустин, Н. М. Получение боридных покрытий на высокоуглеродистых легированных сталях при ТВЧ-нагреве [Текст]. / Н. М. Мишустин, В. В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров, А. В. Ишков//Ползуновский альманах.-2010.1.-С. 139-143.

14. Мишустин, Н. М. Структура и некоторые свойства боридных покрытий для почвообрабатывающих органов сельхозтехники [Текст]. / Н. М. Мишустин, Н. Т. Кривочуров, В. В. Иванайский, А. В. Ишков // Ползуновский альманах. - 2010. - № 1. - С. 43-46.

15. Мишустин, Н. М. Конструирование упрочняющего покрытия с учетом реального износа детали [Текст]. / Н. М. Мишустин, В. В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров, А. В. Ишков // Ползуновский альманах. - 2010. - № 1. - С. 75-80.

16. Ишков, А. В. Физико-химические и инженерные основы создания функциональных боридных покрытий на сталях при ТВЧ-нагреве [Текст). / A.B. Ишков, Н. М. Мишустин , В. В. Иванайский // Казанская наука. -№ 9. - 2010. - С. 92-97.

17. Мишустин, Н. М. Исследование абразивного износа поверхности почвообрабатывающего органа с упрочняющим покрытием [Текст]. / Н. М. Мишустин, В. В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров, A.B. Ишков // Проблемы исследования и проектирования машин: Сб. статей VI-ой Междунар. научн.-техн. конф. - Пенза: ПДЗ, - 2010. - С. 126-128.

18. Ишков, А. В. Разработка технологии поверхностного упрочнения деталей автомобилей при ТВЧ-борироваиии [Текст]. / А В. Ишков, Н. М. Мишустин, В. В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров // Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса: Материалы Всеросс. научн.-практ. конф. - Магадан: Изд-во СВГУ, - 2010. - С. 76-78.

19. Мишустин, Н. М. Получение износостойких боридных покрытий на сталях при ТВЧ-нагреве и исследование их свойств [Текст]. / Н. М. Мишустин, А. В. Ишков, В. В. Иванайский // Современные техника и технологии: сборник трудов XVII-ой Междунар. научн.-пракг. конф. В 3 т. - Томск: Изд-во ТПУ, - 2011. - Т. 2. - С. 193-194.

20. Мишустип, Н. М. Повышение ресурса почвообрабатывающих органов сельхозтехники путем создания на их поверхности боридных покрытий [Текст] / Н. М. Мишустин, В. В. Иванайский, А В. Ишков, Н. Т. Кривочуров // Аграрная наука - сельскому хозяйству: сборник материалов VI-ой Междунар. научн.-пракг. конф. - Барнаул: Изд-во АГАУ, - 2011. -С. 73-76.

21. Мишустин, Н. М. Физико-химические основы технологии поверхностного упрочнения деталей сельхозтехники при ТВЧ-борировании [Комп.] / Н. М. Мишустин, К. В. Фе-досеенко, Д. И. Снегирев, А. В. Ишков // Вестник молодых ученых: сборник научных работ. -Горно-Алтайск: РИО ГАГУ, - 2011. - режим доступа: http://e-lib.gasu.ni/vmu/arhive/2011/01/index.shlml

22. Ишков, А. В. Функциональные боридные покрытия для почвообрабатывающих органов сельхозтехники. Часть I: Получение и свойства покрытий [Текст]. / А. В. Ишков, В. В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров, Н. М. Мишустин, А С. Шайхудинов // Актуальные проблемы сельского хозяйства горных территорий: материалы 1П-ей Междунар. научн,-практ. конф.-Горно-Алтайск: РИО ГАГУ,-2011. -С. 318-321.

23. Ишков, А. В. Функциональные боридные покрытия для почвообрабатывающих органов сельхозтехники. Часть П: Износ поверхностно-упрочненных стрельчатых лап [текст]. / А. В. Ишков, В. В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров, Н. М. Мишустин, А. С. Шайхудинов // Актуальные проблемы сельского хозяйства горных территорий: материалы IH-ей Междунар. научн.-практ. конф. - Горно-Алтайск: РИО ГАГУ, - 2011. - С. 322-327.

25. Ишков, А. В. Способ химико-термической обработки режущей кромки стального рабочего органа почвообрабатывающего орудия [комп.]. / А. В. Ишков, В. В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров, Н. М. Мишустин // Патент РФ № 2447194 МПК С23С 26/00 Способ химико-термической обработки режущей кромки стального рабочего органа почвообрабатывающего орудия.-заявл. 03.08.2010.-опубл. 10.04.2012.-Бюл.№ 10.

26. Иванайский, В. В. Способ изготовления почвообрабатывающего рабочего органа стрельчатого типа [текст]. / В. В. Иванайский, А. В. Ишков, Н. Т. Кривочуров, Н. М. Мишустин, А. С. Шайхудинов // Заявка на пат. РФ № 2011128457/(042095) от 08.07.2011.

Подписано в печать 25.04.2012 г. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Печать ризографная. Гарнитура «Times New Roman». Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 26.

Издательство АГАУ 656049, г. Барнаул, пр. Красноармейский, 98 62-84-26

61 12-5/2744

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждении высшего профессионального образования «Алтайский государственный

аграрный университет»

На правах рукописи

Мишустин Никита Михайлович

ИЗНОСОСТОЙКИЕ БОРИДНЫЕ ПОКРЫТИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ НА КОНСТРУКЦИОННЫХ И ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТВЧ-НАГРЕВА

Специальность 05.16.09 - материаловедение (в машиностроении)

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Ишков А.В.

Барнаул - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

Глава 1 Боридные покрытия в машностроении: получение, структура, свойства Ю

1.1 Химико-термическая обработка, технологии получения, структура и свойств боридных покрытий 10

1.2 Перспективные процессы и современные технологии бориро-

вания стали 23

1.3 Интенсификация процессов борирования 32

1.4 Влияние физических, физико-химических, технологических факторов, состояния поверхности и состава сталей на борирова-

ние, состав и структуру образующихся покрытий 40

1.5 Исследование фундаментальных основ процессов борирова-

52

ния стали

1.6 Исследование свойств боридных покрытий, полученных на углеродистых и легированных сталях 59

1.7 Перспективы исследований боридных покрытий и вопросы их применения в сельхозмашиностроении 63 Глава 2 Обьекты, методы и методики исследований 71

2.1 Объекты исследований 71

2.2 Изготовление образцов 72

2.3 Настройки ТВЧ-генератора и методика индукционного нагрева образцов 73

2.4 Методика борирования с использованием ТВЧ-нагрева 73

2.5 Исследование структуры и фазового состава покрытий 74

2.6 Методики полевых опытов 79

2.7 Статистическая обработка результатов наблюдений и построение моделей ^2 Глава 3 Получение, исследование состава, струтуры и свойств из-носостоких боридных покрытий на конструкционных и легированных сталях с использовнием ТВЧ-нагрева 84

3.1 Термодинамическое исследование возможных реакций между компонентами борирующего состава и железом стали 87

3.2 Кинетическое исследование борирования с использованием ТВЧ-нагрева 96

3.3 Влияние состава борирующей смеси борирования различных

сталей, с использованием ТВЧ-нагрева 102

3.4 Влияние углерода и легирующих элементов на структуру бо-ридных слоев, полученных на сталях с использованием ТВЧ-нагрева 111

3.5 Химический и фазовый состав боридных покрытий 119

3.6 Структура боридных покрытий, полученных с использованием ТВЧ-нагрева стали 65Г, из различных борирующих смесей и

на различных режимах ТВЧ-нагрева 122

3.7 Физико-механические свойства боридных покрытий, полученных на стали 65Г из различных составов борирующих смесей 132 Глава 4 Оптимизация режимов борирования с использованием ТВЧ-нагрева 138

4.1 Кодирование и оптимизация технологических факторов при борировании с использованием ТВЧ-нагрева стали 65 Г 138

4.2 Математическая модель борирования с использованием ТВЧ-нагрева для стали 65Г 149 Глава 5 Испытание поверхностно упрочнённых стрельчатых лап почвообрабатывающих орудий сельскохозяйственной техники 157

5.1 Исследование влияния конструкции упрочняющего покрытия и борирующей смеси на износостойкость СЛ эксплуатируемых в

составе посевного комплекса в 2010 г. 160

5.2 Сравнительное исследование износа почвообрабатывающих органов в условиях рядовой эксплуатации в2011г. 165 Основные результаты и выводы 169 Список использованной литературы 171 Приложения 182

ВВЕДЕНИЕ

В современном машиностроении для поверхностного упрочнения конструкционных и легированных сталей и различных деталей широко применяют методы создания различных износостойких покрытий из функциональных материалов (напыление порошковых сплавов, керамики и термостойких полимеров, гальваническое осаждение одно- и многокомпонентных металлических и композиционных слоев, плакирование и получение биметалла, индукционная наплавка твердых сплавов и пр.).

Одним из наиболее эффективных и простых методов поверхностного упрочнения стальных деталей, используемых на заключительных стадиях механической обработки и легко совмещаемых с термической обработкой материала, является химико-термическая обработка (ХТО), заключающаяся в одновременном воздействии на стальную поверхность температурных градиентов и веществ, химически реагирующих с материалом детали. При ХТО на поверхности металла образуются различные функциональные покрытия, преимущественно диффузионной природы, содержащие как неметаллические (С, Ы, 8, 81, Р, В), так и металлические (Сг, 11, А1, № и др.) элементы в различных фазовых состояниях, а также продукты их взаимодействия с основным материалом детали (карбиды, нитриды, карбонитриды, интерметаллиды и пр.). Но если такие виды ХТО, как цементация, азотирование и карбо-нитрация, а также их совмещенные варианты, уже прочно вошли в арсенал машиностроительных предприятий, а состав, структура, свойства и технологии получения износостойких покрытий этими методами исследуются материаловедами уже более 100 лет, то процессы насыщения поверхностного слоя конструкционных и легированных сталей бором и получения соответствующих износостойких боридных покрытий все еще недостаточно исследованы.

Потенциально эти покрытия обладают одной из самых высоких твердостью (НУ 1800 - 2500), износостойкостью и коррозионной стойкостью, так как образующиеся в системе Бе-В, термодинамически устойчивые бориды Ре2В, РеВ, РеВ2, являются сверхтвердыми, тугоплавкими и химически неактивными веществами. При борировании на поверхности стальной детали, как правило, удается получать протяженные (до 100 - 200 мкм) слои, однако большинство из известных процессов борирования длительны (4-8, 12 ч), трудоемки и плохо встраиваются в технологические схемы современных производств, а при реализации наиболее освоенного в машиностроении диф-

фузионного борирования образуются хрупкие, двухфазные покрытия с невысокой адгезией к основе. Поэтому интенсификация борирования, получение боридных покрытий устойчивых к скалыванию, исследование их структуры и получение у них заданных свойств является актуальной задачей.

Использование в настоящей работе технологий кратковременного, высокоскоростного нагрева поверхности стальных деталей с нанесенными на нее борирующими составами токами высокой частоты (ТВЧ-нагрев) до температур образования новых фаз и эвтектик (1100-1350 °С) в системах Бе-В, Бе-В-С и Бе-Ме-В-С, где Ме - легирующий элемент из группы Сг, Мп, №, позволило получить методом реакционного наплавления (РН) за короткое время (1-3 мин) на стальных поверхностях износостойкие боридные покрытия, а изучение основ, происходящих при этом химических и физико-химических процессов, состава, структуры и свойств получающихся покрытий, - научную новизну диссертации.

Диссертационная работа выполнялась в рамках проекта, поддержанного грантом РФФИ № 11-08-98016-р_сибирь_а, а также госконтракта № 6-11ф от 03.06.2011, сравнительные испытания стрельчатых лап упрочненных бо-рированием с использованием ТВЧ-нагрева по технологии АГАУ и коммерческих стрельчатых лап производства ОАО «АНИТИМ» и ЗАО «РЗЗ» проводились по хоздоговору № 1/11 от 22.02. 2011 г с ЗАО «Рубцовский завод запасных частей».

Цель работы - разработка технологии получения износостойких боридных покрытий на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева.

Для достижения указанной цели потребовалось решение следующих

задач:

- проведение анализа известных методов получения боридных покрытий, исследований их структуры и свойств, интенсификации и управления процессами борирования и обоснование использования ТВЧ-нагрева для осуществления борирования конструкционных и легированных сталей;

- теоретическое и экспериментальное исследование фундаментальных физико-химических процессов, лежащих в основе новой разновидности борирования, процесса получения боридного покрытия на стали с использованием ТВЧ-нагрева за счет протекания топохимической реакции (ТПХР) между материалом, борирующим агентом и другими компонентами, входящими

в состав борирующей смеси;

- исследование влияния природы борирующего агента, состава бори-

рующей смеси, состава стали, а также параметров борирования (время, температура и пр.) на состав, структуру и свойства боридных покрытий, получающихся с использованием ТВЧ-нагрева;

- экспериментальное изучение износа основных типов боридных покрытий, полученных на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева и выявление связи между их составом, структурой и износостойкостью;

- проведение оптимизации параметров борирования с использованием ТВЧ-нагрева для стали 65Г, наиболее часто применяемой при изготовлении почвообрабатывающих органов (ПОО) сельхозмашин, методами полнофакторного эксперимента, и на основе полученных моделей разработка основ технологии упрочнения конкретной детали;

- исследование влияния технологических факторов борирования с использованием ТВЧ-нагрева и условий его эксплуатации на износ и работоспособность упрочненных деталей типа ПОО.

Объекты исследования: конструкционные и легированные стали, состав, структура и свойства боридных покрытий, получаемых на сталях с использованием ТВЧ-нагрева, а также свойства упрочненных ПОО.

Предмет исследования - химические и физико-химические процессы, происходящие между борирующими агентами, поверхностью металла и компонентами борирующего состава, термодинамика и кинетика ТПХР процесса борирования, осуществляемого с использованием ТВЧ-нагрева.

Для решения задач и достижения цели исследования использовались методы термодинамики и кинетики, термического анализа, физико-химического и спектрального анализа, металлографии, электронной растровой микроскопии, рентгенофазового и микрорентгеноспектрального анализа, полнофакторного эксперимента, лабораторного и полевого эксперимента.

Научная новизна диссертации:

- доказана возможность борирования с использованием ТВЧ-нагрева сталей СтЗ, 45, 50Г, 65Г, 50ХГА за 1-3 мин на глубину до 300-800 мкм из смесей, содержащих В, В4С в составе плавленого флюса П-0,66 с активаторами;

- выявлено, что насыщение поверхности стали 65Г бором с использованием ТВЧ-нагрева происходит за счёт протекания ТПХР для которой экспериментально получены кинетические параметры процесса: константа скорости {-Ink от 10,35 до 15,05); порядок реакции (п от 2,72 до 4,15); кажущаяся энергия активации (Еа = 365,8 кДж/моль);

- показано, что при использовании аморфного бора в борирующих составах образуются покрытия в виде кристаллов боридов марганца, расположенных в железо-боридной матрице, а при использовании В4С - покрытия в виде ледобуритоподобной железо-боридной эвтектики, а оптимальное содержание борирующего агента (вне зависимости от его природы) составляет 86-90 % масс;

- установлено оптимальное время и температура борирования с использованием ТВЧ-нагрева, которое для сталей 65Г и 50ХГА составляет 90-120 сек и 1150-1250 °С, соответственно, при проведении борирования в течение указанного времени в износостойком покрытии образуются структуры в виде ледобуритоподобной железо-боридной эвтектики;

- методом полнофакторного эксперимента получено уравнение поверхности отклика целевой функции толщины и износостойкости боридного покрытия, позволившее установить интервалы варьирования: содержание плавленого флюса П-0,66 10-14 масс. % времени нагрева 90-120 с и температуры 1150-1250 °С для оптимизации параметров режима и выявления оптимального режима борирования с использованием ТВЧ-нагрева для разработки основ технологии.

Теоретическая значимость исследования заключается в определении параметров фундаментальных химических и физико-химических процессов, лежащих в основе процесса получения боридных покрытий с использованием ТВЧ-нагрева, доказательстве протекания ТПХР и установлении закономерностей состав-структура-свойство у получаемых боридных покрытий.

Практическая значимость и реализация результатов исследования определяется разработкой новых типов износостойких покрытий и их применения в машиностроении для замены более дорогих твердосплавных покрытий, наносимых на те же детали методом индукционной наплавки. Проведение борирования с использованием ТВЧ-нагрева позволяет увеличить гарантированный ресурс наработки на одну стрельчатую лапу (СЛ) типа 3 с нормированных 25 га/лапу (ОСТ 23.2.164-87) до 79,5 га/лапу и обеспечить эффект самозатачивания в течение всего периода её эксплуатации.

Полученные результаты были внедрены на ведущих предприятиях сельхозмашиностроения Алтайского края ОАО «АНИТИМ» (г. Барнаул), ЗАО «Рубцовский завод запасных частей» (г. Рубцовск) и ОАО «Авторемзавод Леньковский» (ст. Леньки, Благовещенского р-на Алтайского края).

Апробация работы. Результаты и научные положения диссертации докладывались на 1-ой Международной научно-практической конференции

«Инновации в машиностроении» (г. Бийск, 2010), Международной инновационно-ориентированной конференции с элементами научной школы для молодежи «Будущее машиностроения России» (г. Москва, 2010), Ш-ей Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы сельского хозяйства горных территорий» (г. Горно-Алтайск, 2011), У1-ой Международной научно-практической конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству» (г. Барнаул, 2011), ХУ1-ой и ХУИ-ой Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2010, 2011).

Разработанные технологии и детали сельхозмашин с боридными покрытиями, полученными с использованием ТВЧ-нагрева, экспонировались на ХУ1-ой и ХУИ-ой Международной агропромышленной выставке-ярмарке «Алтайская Нива» (г. Барнаул, 2010, 2011), Ш-ей Региональной выставке «Ярмарка изобретений. Алтайский край - 2011» (г. Барнаул, 2011), а также на 13-ой Международной специализированной выставке «МА8НЕХ-2010» (г. Москва, ВЦ Крокус-Экспо, 2010), где были отмечены дипломами и медалями конкурсов.

Достоверность полученных результатов подтверждается их соответствием данным, полученным другими исследователями, а также справочными данными, данными литературных источников, использованием аттестованных методов и методик выполнения измерений, сертифицированного и стандартизированного испытательного оборудования, а также проведением статистической обработки экспериментальных данных.

Личный вклад соискателя заключается в формулировании цели и задач работы, выполнении большинства исследований по получению новых материалов, исследованию их структуры и свойств, анализе и обсуждении результатов, испытании упрочнённых деталей машин.

На защиту выносятся:

- комплекс результатов теоретических и экспериментальных исследований, доказывающий, что образование боридных покрытий на исследованных сталях с использованием ТВЧ-нагрева в смесях, содержащих В, В4С в составе плавленого флюса П-0,66 с активаторами, осуществляется за счет сложного интегрального химического и физико-химического процесса ТПХР - близкого по природе к реакционной наплавке;

- теоретически предсказанные и экспериментально обнаруженные ТПХР между компонентами борирующей смеси, поверхностью стали и оксидами железа, взаимодействие В4С с Са812 и продуктами его термодиссоциа-

ции, взаимодействие компонентов боратного флюса с поверхностью стальной детали и борирующим агентом, взаимодействие Са81г с компонентами боратного флюса и др.;

- обнаруженные закономерности влияния природы борирующего агента, состава и характеристик борирующей смеси (наличие активаторов, доли борирующего агента, размера его частиц и пр.) на типичную структуру бо-ридных покрытий, полученных с использованием ТВЧ-нагрева;

- обнаруженные закономерности влияния состава стали (содержание углерода, вид и содержание легирующих элементов) и параметров борирова-ния с использованием ТВЧ-нагрева на соотношение состав-структура-свойства, образующихся износостойких боридных покрытий;

- математическая модель процесса в виде функции поверхности отклика, полученная методом ПФЭ и позволяющая разрабатывать основы технологии получения износостойких боридных покрытий на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева;

- технология упрочнения ПОО типа СЛ, выполненных из стали 65Г, путем получения на их поверхности по оптимальным режимам износостойких боридных покрытий с использованием ТВЧ-нагрева и результаты конструирования покрытия для увеличения гарантированного ресурса наработки С Л в 1,6-3,1 раза по сравнению с аналогами и сохранения эффекта самозатачивания в течение всего периода эксплуатации ПОО.

Публикации. Основные результаты и научные положения работы опубликованы в 26 печатных работах. Из них 4 статьи в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результато�