автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Повышение конструктивной прочности сталей с твердославными покрытиями методами предварительной химико-термической обработки основного металла

На правах рукописи

Тюрин Андрей Геннадиевич

ПОВЫШЕНИЕ КОНСТРУКТИВНОЙ ПРОЧНОСТИ СТАЛЕЙ С ТВЕРДОСПЛАВНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ МЕТОДАМИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА

05.02.01 -«Материаловедение (в машиностроении)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск— 2004

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Батаев Владимир Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Слосман Аркадий Иосифович

кандидат технических наук, доцент Токарев Александр Олегович

Ведущая организация:

ОАО «НовосибирскНИИхиммаш»

Защита диссертации состоится 16 декабря 2004 г. в 14 °° часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.07 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан «12» ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди множества материалов, используемых для нанесения износостойких покрытий, особо выделяются вольфрамоко-бальтовые твердые сплавы - композиционные материалы, получаемые методами порошковой металлургии и имеющие в качестве упрочняющей фазы каркас из тугоплавких частиц карбида вольфрама, расположенных в кобальтовой матрице. Именно наличием частиц карбида вольфрама обеспечивается высокая износостойкость режущего, деформирующего и измерительного инструмента. В отличие от спекания твердых сплавов процесс формирования покрытия, сопровождается взаимодействием частиц упрочняющей фазы покрытия ^^ с основным металлом (Fe), в связи с чем возникают проблемы, связанные с физико-химической совместимостью компонентов покрытия и основного металла.

Технологические режимы жидкофазного спекания покрытий на поверхности стальных изделий обеспечивают высокую диффузионную подвижность химических элементов вблизи поверхности раздела, что приводит к растворению упрочняющего компонента покрытия или образованию химических соединений, отрицательно влияющих на механические свойства сформированного поверхностного слоя. Известные способы управления физико-химическими процессами взаимодействия компонентов формируемого покрытия и основного металла (изменение химического состава матрицы покрытия или создание барьерных промежуточных покрытий на поверхности основного металла) не всегда позволяют получить необходимое качество поверхностного слоя упрочненного изделия.

Представленная работа направлена:

- на выявление закономерностей формирования структуры поверхностного слоя (покрытия, переходного слоя и основного металла) в процессе жидкофазного спекания в зависимости от химического состава и исходной структуры основного металла;

- на разработку технологических способов управления фазовым составом, структурой и свойствами поверхностного слоя, основанных на предварительной химико-термической обработке основного металла.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с программой Министерства образования РФ по фундаментальным исследованиям в области технических наук (раздел №5 - «Металлургия» - «Металловедение. Порошковая металлургия», 2001-2002 гг.); научно-технической программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» («Новые материалы», 2003-2004 гг.)

Формулирование задач исследования, анализ и обсуждение результатов проводились совместно с к.т.н. Буровым В.Г., являющимся докторантом кафедры «Материаловедение в машиностроении» НГТУ и занимаю-

Цель работы: управление структурой, фазовым составом и свойствами поверхностного слоя (покрытия и переходной зоны), формируемого в результате жидкофазного спекания вольфрамокобальтовой порошковой смеси на поверхности изделий из углеродистых сталей.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1) Выявление условий формирования поверхностного слоя с вольфра-мокобальтовым покрытием, позволяющих обеспечить физико-химическую совместимость компонентов покрытия и основного металла.

2) Изучение влияния химического состава и структуры основного металла на состав и структуру поверхностного слоя с покрытием, формируемым в результате жидкофазного спекания твердосплавной порошковой смеси WC-Co на сталях.

3) Изучение влияния параметров предварительной химико-термической обработки основного металла на показатели конструктивной прочности твердосплавных покрытий и композиции в целом.

4) Разработка эффективной технологии упрочнения поверхности стальных изделий, обеспечивающей высокий уровень конструктивной прочности композиции «вольфрамокобальтовое покрытие - переходный слой - основной металл».

Научная новизна работы.

1. Выявлены зависимости структуры и свойств поверхностного слоя от температурно-временных режимов спекания вольфрамокобальтовых порошковых смесей на поверхности стальных изделий. Установлено, что при скоростях нагрева от 0,5 до 1,5 °С/с и времени существования жидкой фазы ~10 с при 1250 - 1300 °С происходит частичное или полное растворение частиц карбида вольфрама с образованием химического соединения Fe3W3C и эвтектики Fe3W3C - Fe,. Образование этих структурных составляющих отрицательно отражается на механических свойствах поверхностного слоя.

2. Обнаружен эффект локального осевого проплавления стальных цилиндрических заготовок продуктами взаимодействия компонентов покрытия и основного металла. Установлено, что проплавление основного металла происходит по структурным дефектам. Глубина зоны локализованного проплавления на дефектах структуры основного металла достигает 15...20 мм, диаметр- 1,5...2 мм.

3. Получены зависимости структуры и свойств формируемых твердосплавных покрытий и переходных слоев от параметров предварительной химико-термической обработки основного металла (цементации, бориро-вания). Установлено, что увеличение температуры предварительного бо-рирования основного металла от 850 до 1000 °С приводит к увеличению микротвердости от 11500 до 15500 МПа, относительной износостойкости покрытий от 4,9 до 8,5 (эталон - сталь 45 после отжига).

Практическая ценность работы.

1. Разработаны технологические рекомендации по управлению параметрами конструктивной прочности композиций «основной металл - покрытие», полученных по технологии жидкофазного спекания вольфрамо-кобальтовой порошковой смеси на сталях.

2. Предложена технология упрочнения поверхностей рабочих элементов пальцевой мельницы твердосплавными покрытиями, основанная на использовании жидкофазного спекания вольфрамокобальтовой порошковой смеси.

3. Разработаны и внедрены в учебный процесс в Иркутском государственном университете путей сообщения установки для проведения испытаний на контактно-усталостную выносливость и стойкость в условиях газоабразивного изнашивания.

Эффективность практической реализации работы по п. 2, 3 подтверждена актами промышленного применения в ООО «ИПП Продсельмаш» (г. Новосибирск) и Иркутском государственном университете путей сообщения.

На защиту выносятся.

1. Результаты исследования условий, позволяющих обеспечить физико-химическую совместимость компонентов покрытия и основного металла при жидкофазном спекании вольфрамокобальтовой порошковой смеси на поверхности изделий из углеродистых сталей.

2. Результаты экспериментальных исследований закономерностей формирования структуры поверхностного слоя в процессе жидкофазного спекания твердосплавной порошковой смеси на углеродистых сталях.

3. Результаты экспериментальных исследований, отражающие влияние предварительной химико-термической обработки основного металла на конструктивную прочность поверхностного слоя с твердосплавным покрытием.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на межвузовских научных конференциях «Интеллектуальный потенциал Сибири» (Новосибирск, 1999); «Дни науки НГТУ-2000» (Новосибирск, 2000); на V международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 2000 г.); на международной конференции «Слоистые композиционные материалы» (Волгоград, 2001 г.); на 2-й международной конференции «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред» (Барнаул, 2001 г.); на научной конференции «Наука. Техника. Инновации» (Новосибирск, 2002-03 гг.); на 5-й всероссийской конференции молодых ученых «Физическая мезомеханика материалов» (Томск, 2003 г.); на научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона» (Новосибирск, 2003 - 04 гг.); на XVII Уральской школе металловедов - термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Киров, 2004

г.); на международной конференции «Физическая мезомеханика» (Томск 2004 г.); на научных семинарах кафедры «Материаловедение в машиностроении» Новосибирского государственного технического университета.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 14 научных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы из 128 наименований и приложения. Работа содержит 69 рисунков и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена характеристика области исследования и обоснована актуальность темы диссертационной работы.

В первой главе диссертации проведен аналитический обзор научных работ, связанных с вопросами формирования химического и фазового состава, структуры и свойств покрытий. Особое внимание уделено вопросам физико-химического взаимодействия частиц карбида вольфрама с железом. Проведен анализ методов нанесения покрытий на стальные изделия с позиций формирования структуры твердого сплава. Рассмотрена роль переходной зоны в обеспечении свойств поверхностного слоя и проанализированы возможности управления размерами и структурой поверхностного слоя с твердосплавными покрытиями. В заключении главы сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе «Материалы и методы исследования» обоснован выбор материалов, методов исследования и типов испытательных установок, использованных при проведении экспериментов.

В качестве основного металла выбраны техническое железо, а также распространенные углеродистые и легированные стали 20, 45, У8, 20Х23Н18, ШХ15, Р6М5, Р18. Для получения покрытий использовали мелкозернистые твердосплавные порошковые смеси ВК6 и ВК8 (размер частиц WC 1-3 мкм). Легирующими добавками служили аморфный бор и карбид бора. Спекание покрытий проводилось в вакуумной печи СШВЭ-1,25 и на ускорителе электронов ЭЛВ-6.

Исследования проводились на образцах, форма и размеры которых выбирались в соответствии с требованиями соответствующих методик. Промышленное опробование проводилось на реальных изделиях.

Структурные исследования проводили с использованием методов металлографического анализа (микроскоп NU-2E), растровой электронной микроскопии (микроскоп Tesla BS-350), просвечивающей электронной микроскопии (Tesla BS-500). Исследование фазового состава покрытия и переходного слоя осуществляли с использованием дифрактометров ДРОН-ЗМ и flPOH-SEIFERT-RM4, а также в Международном центре синхротронных исследований при Институте ядерной физики имени A.M. Будкера СО РАН. Характер распределения элементов в исследуемых материалах оценивали на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-35,

снабженном микрорентгеноспектральным анализатором КЕУБХ. Определение механических свойств осуществляли на испытательной машине растяжения-сжатия 2167 Р-50. Микротвердость формируемых покрытий измеряли на микротвердомере ПМТ-3. Испытания на ударный изгиб проводили при комнатной температуре на маятниковом копре КМ-5Т с максимальным запасом энергии 50 Дж. Изнашивание образцов с покрытиями в условиях трения о закрепленные частицы абразива осуществляли при комнатной температуре в соответствии с требованиями ГОСТ 17367-71. Триботехнические испытания образцов в условиях трения скольжения выполняли на машине трения СМТ-1 по схеме «диск-плоскость». Параметры усталостной трещиностойкости определяли на основе анализа кинетических диаграмм усталостного разрушении (КДУР), полученных на установке, реализующей мягкий цикл нагруже-ния. Результаты измерений микротвердости, механических свойств, усталостных и триботехнических испытаний статистически обрабатывались.

В третьей главе «Исследование физико-химической совместимости компонентов вольфрамокобальтового покрытия и основного металла» приведены результаты исследования условий формирования твердосплавных покрытий на стальных поверхностях при жидкофазном спекании порошковых смесей 'МС-Со.

Проведен термодинамический анализ, результаты которого показывают, что в системе ^С - Бе возможно взаимодействие частиц ^С покрытия и железа основного металла с образованием карбида (Ре,^)6С (от Ре^4С до Бе^2С) при температурах 870 и 1125 К (рис. 1):

При охлаждении реакции (1) и (2) протекают в обратном направлении с распадом карбидов Ре^4С, Ре^2С и образованием и Ее при наличии в

зоне реакции достаточного количества углерода.

Установлено, что в процессе нагрева вольфрамокобальтовой порошковой смеси на поверхности технического железа при 1300 °С наблюдается стабильное появление жидкой фазы. Металлографические и дифрактометриче-ские исследования фазового состава полученных композиций выявили четыре ярко выраженные характерные зоны (рис. 2):

- покрытие, состоящее из частиц карбида вольфрама, расположенных в матрице, содержащей кобальт, железо, вольфрам;

- переходный слой, состоящий из частиц карбида вольфрама и частиц двойного карбида Ре3'3С (рис. 3);

- науглероженная область верхнего слоя технического железа;

- исходная структура технического железа.

Экспериментально доказано, что в процессе спекания вольфрамокобальтовой порошковой смеси при температурах выше 870 К имеет место взаимодействие МС покрытия и Бе основного металла с образованием сложного карбида

FeзWзC и углерода. Диффузия

углерода из покрытия в основной металл приводит к обеднению зоны химического взаимодействия углеродом. Эго способствует сохранению частиц сложных карбидов в переходном слое при охлаждении материала до комнатных температур. Наличие частиц такого размера в переходном слое существенно снижает его твердость и отрицательно влияет на конструктивную прочность сформированных композиций.

Рис 2 Микроструктура переходного слоя между покрытием и техническим железом (покрытие слева)

Результаты термодинамического анализа и проведенных экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что наиболее эффективная структура покрытия и переходной зоны формируется при реализации следующих условий:

1. Увеличение скорости нагрева и уменьшение времени спекания.

2. Уменьшение скорости диффузии углерода из зоны реакции в основной металл (например, при использовании легированных сталей)

3. Увеличение количества углерода в зоне реакции (например, путем предварительной цементации основного металла).

4. Снижение температуры спекания.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что скорость нагрева и время существования жидкой фазы (время спекания) определяют размеры, структуру и фазовый состав покрытия и переходной зоны. Полученные результаты подтвердили возможность получения твердосплавных покрытий на всех исследуемых сталях. При этом формируется переходный слой толщиной не менее 200 мкм (рис. 4, а).

а б

Рис 4 Микрострушура переходного слоя между вольфрамокобальтовом покрытием и сталью У8, полученного при Тсп=1300 °С, а - тсп= 10 с, б - тсп= 60 с

Увеличение времени спекания в присутствии жидкой фазы до 60 с приводит к значительному росту толщины переходного слоя, содержащего крупные карбиды Fe3W3C и колонии эвтектики Fe3W3C - Fe (рис. 4, б). При этом структура поверхностного слоя одинакова для всех исследуемых марок сталей.

Структура и свойства поверхностного слоя, получаемого в результате жидкофазного спекания твердосплавной порошковой смеси, зависят от исходной структуры основного металла, в частности от наличия в нем характерных дефектов. При выполнении работы был обнаружен эффект локального осевого проплавления стальных цилиндрических заготовок продуктами взаимодействия компонентов покрытия и основного металла (рис. 5, а). Установлено, что проплавление основного металла происходит по структурным дефектам. Было исследовано влияние размеров и формы дефектов на геометрию образующегося проплава. При наличии дефекта в основном металле образующийся проплав примерно воспроизводит его форму, поскольку скорость движения жидкости в направлении дефекта намного выше, чем по бездефектному объему материала (рис. 5, б) Глубина зоны локализованного проплавления на осевых дефектах структуры основного металла достигает 15...20 мм, диаметр - 1,5...2 мм. Важный вывод, сделанный на основании термодинамического анализа и проведенных структурных исследований, заключается в том, что для устранения процесса деградации карбидов вольфрама и образования карбидов

Fe3W3C в переходном слое необходимо резко ограничить диффузию углерода из покрытия в основной металл.

Одно из практических решений в этом направлении заключается в использовании в качестве основного металла сталей, легированных карби-дообразующими элементами, таких как Р6М5, Р18 и 20Х23Н18. Применение основного металла, легированного вольфрамом, молибденом и хромом, позволяет предотвратить появление частиц карбида Fe3W3C в переходном слое и уменьшить его толщину до 100 - 150 мкм (рис. 6). Значение микротвердости сформированного покрытия составляет 11300

МПа, что соизмеримо с микротвердостью промышленных твердых сплавов.

Второй вывод, сделанный на основании термодинамического анализа и экспериментальных исследований, заключается в том, что благоприятное изменение процесса взаимодействия частиц WC и железа возможно в случае использования предварительной химико-термической обработки основного металла. В работе было предложено исследовать два процесса, а именно предварительную цементацию и борирование основного металла.

Увеличение содержание углерода в поверхностном слое основного металла до 1,6 %, приводит к снижению температуры появления жидкой фазы от 1300 до 1250 °С. Металлографические исследования покрытия и переходного слоя показали, что увеличение продолжительности насыщения поверхности углеродом от 1 до 6 часов приводит к уменьшению количества частиц Fe3W3C в переходном слое, что отражено на рис. 7.

Проведенными исследованиями было показано, что эффективным воздействием на структуру твердосплавных покрытий, получаемых по технологии жидкофазного спекания, является снижение температуры спекания. Предварительное борирование основного металла позволяет снизить температуру устойчивого появления жидкой фазы от 1300 °С до 1175 °С за счет образования в поверхностном слое стали эвтектики Бе -

БеД

Покрытия, сформированные на предварительно борированных сталях, имеют структуру твердого сплава с наличием частиц карбида вольфрама (рис. 8, а). Минимальная толщина переходного слоя, полученного на стали 45 после предварительного борирования, составляет 20 мкм (рис. 8, б). Значения микротвердости сформированных покрытий находятся в пределах 12000 - 15000 МПа.

Четвертая глава посвящена изучению влияния режимов предварительного борирования основного металла на структуру и механические свойства композиции «сталь - вольфрамокобальтовое покрытие». В качестве основного металла была выбрана конструкционная сталь 45.

Проведены исследования изменений структуры на стадиях предварительной химико-термической обработки основного металла, жидкофазно-го спекания и термической обработки композиции «основной металл -вольфрамокобальтовое покрытие»

В результате борирования формируется структура, в которой можно выделить три характерных слоя (рис. 9):

1 - слой, содержащий бориды железа FeB и Fe2B;

2 - зона аномально крупных зерен (размером до 800 мкм);

3 - зона исходных мелких зерен стали 45 (20 мкм).

Рис 9 Микроструктура стали 45 после борирования а - 850°С, 6 ч, б - 9506 ч

Зона крупных зерен увеличивается с повышением температуры бори-рования. При последующем жидкофазном спекании основной металл нагревается до 1175 °С. Высокая температура спекания приводит к перегреву стали, т.е. к интенсивному укрупнению аустенитного зерна, что выражается в снижении механических характеристик основного металла. В частности значительно снижаются показатели пластичности. Устранение перегретой структуры основного металла возможно с помощью последующей термической обработки стального изделия с покрытием. В процессе нагрева возможны необратимые структурные изменения покрытия. Проведенные исследования подтвердили возможность применения угле-родосодержащей защитной среды для нагрева композиций под закалку без существенного изменения структуры покрытия.

Установлено, что увеличение температуры предварительного насыщения стали бором приводит к увеличению количества жидкой фазы в процессе спекания, что выражается в росте толщины переходного слоя от 20 до 150 мкм. Микротвердость полученных покрытий линейно возрастает с 11700 МПа до 15600 МПа.

Триботехнические испытания вольфрамокобальтовых покрытий при

изнашивании о закрепленные частицы абразива выявили рост относительной износостойкости при увеличении температуры предварительного борирования основного металла (рис. 10). В сравнении с металлокерами-

ческим твердым сплавом ВК20 износостойкость полученных покрытий ниже на 10 - 15 %.

Увеличение температуры предварительного борирования основного металла от 850 °С до предварительного борирования основного металла 1000 °С приводиг к увеличению относительной износостойкости покрытия от 4,9 до 7,6 (эталон - отожженная сталь 45). Испытания вольфрамокобальтовых покрытий в условиях трения скольжения по схеме «диск - плоскость» показали, что скорость изнашивания покрытия в 5 раз меньше по сравнению с быстрорежущей сталью Р18 и соизмерима со скоростью изнашивания твердого сплава ВК 20.

Динамические испытания образцов из стали 45 с вольф-рамокобальтовыми покрытиями ВК6 толщиной 200 мкм показали, что ударная вязкость композиций «основной металл-покрытие» снижается с увеличением температуры предварительного борирова-ния с 39 до 6 Дж/см2 (рис. 11).

Дополнительная термическая обработка композита «основной металл-покрытие»

(заКалКа от 850 °С В МасЛо, предварительного борирования основного металла

отпуск при 300 °С) повышает

долю пластической составляющей в изломе основного металла, что позволяет повысить ударную вязкость в 1,5 раза (рис. 12).

Выявлено отрицательное влияние повышения температуры предварительного борирования основного металла на циклическую трещи-ностойкость композиции. Пороговое значение размаха коэффициента интенсивности напряжений у образцов с покрытиями уменьшается с 12,5 до 7,6 МПа при увеличении температуры предварительного

борирования от 850 до 1000 °С.

Анализ поверхности усталостного излома композиции свидетельствует о том, что фронт распространения трещины основного металла и покрытия опережает фронт разрушения переходного слоя (рис. 13).

Результаты усталостных испытаний свидетельствуют о том, что нанесение вольфрамокобальтового покрытия приводит к снижению уровня АХ(Ь (в сравнении со сталью 45 после борирования) с 14, 85 МПа*м|/2 до 12,5 МПа*м1/2 (рис. 14) и не влияет на скорость роста усталостной трещины

При проведении прочностных испытаний обнаружено, что растягивающая нагрузка вызывает поперечное растрескивание покрытия. Отслоения покрытия от основного металла не наблюдается. Увеличение температуры предварительного борирования стали 45 от 850 до 1000 °С приводит к снижению предела прочности образцов с покрытиями от 640 до 460 МПа, а относительного удлинения - от 5,5 до 1,2 %. Нанесение покрытий не ухудшает прочностные показатели в сравнении с борирован-ной сталью 45, однако приводит к снижению характеристик пластичности

Пятая глава работы «Разработка технологических рекомендаций по управлению механическими свойствами стальных изделий с вольфра-мокобальтовыми покрытиями» посвящена вопросам практического применения результатов исследования.

Предварительное борирование углеродистой стали позволяет сделать процесс жидкофазного спекания управляемым по следующим параметрам качества поверхностного слоя:

- толщина и структура переход-нойзоны;

- адгезионно-когезионная прочность;

- состав и структура твердосплавного слоя;

- конструктивная прочность упрочненного материала.

В качестве технологических приемов, позволяющих формировать высококачественные твердосплавные покрытия на подвергаемых износу изделиях из углеродистых сталей, рекомендуются:

- предварительное борирование упрочняемых поверхностей при температурах 800-900 °С в течение 1-6 часов;

- электрофоретическое осаждение твердосплавной порошковой смеси 'МС-Со толщиной 50-200 мкм;

- спекание в вакууме при температуре 1175-1180 °С в течение 1-10 с (скорость нагрева и охлаждения определяются толщиной покрытия и конструкцией детали);

- закалка стальных изделий, упрочненных покрытием, с отпуском пои 100-500 °С;

- финишная механическая обработка упрочненных поверхностей с целью обеспечения необходимой геометрии.

В приложении представлены акты промышленного использования, результатов исследования. На основании научно-исследовательской работы проведены промышленные испытания вольфрамокобальтовых покрытий, сформированных по технологии жидкофазного спекания, на рабочих поверхностях пальцев мельницы МП-205. Результаты, полученные при выполнении работы, используются при чтении лекций и проведении лабора-

торных работ в Новосибирском государственном техническом университете и в Иркутском государственном университете путей сообщения.

Основные результаты и выводы

1. Выявлены зависимости структуры и свойств поверхностного слоя от температурно-временных режимов спекания вольфрамокобальтовых порошковых смесей на поверхности стальных изделий. Установлено, что в диапазоне скоростей нагрева от 0,5 до 1,5 °С/с и времени существования жидкой фазы до 10 с при 1250 - 1300 °С происходит частичное или полное растворение частиц карбида вольфрама с образованием химического соединения Бе^^С и эвтектики Бе^^С - Бе,. Образование этих структурных составляющих отрицательно отражается на механических свойствах переходного слоя.

2. Технологические режимы (скорость нагрева, время спекания) позволяют управлять толщиной переходного слоя, содержащего частицы карбида Бе^З^С. Минимальная толщина переходного слоя, полученного на поверхности из нелегированных углеродистых сталей составляет 200 мкм. Легирование основного металла карбидообразующими элементами

Мо, Сг) позволяет уменьшить переходный слой до 100-150 мкм. Предварительная цементация нелегированных углеродистых сталей, позволяет уменьшить количество частиц Бе^^С в переходном слое. Объемная доля частиц двойного карбида Ре^3С в переходном слое снижается с 39 % до 2 % при увеличении продолжительности насыщения от 1 до 6 часов.

3. Эффективным методом воздействия на структуру твердосплавных покрытий, получаемых по технологии жидкофазного спекания, является предварительное боририрование основного металла. Минимальная толщина переходного слоя, полученного между покрытием и сталью 45, после предварительного борирования при 900 °С, составляет 20 мкм. При этом микротвердость сформированных покрытий достигает 15000 МПа.

4. Выявлены зависимости структуры и свойств формируемых покрытий от параметров предварительного борирования основного металла. Установлено, что увеличение температуры предварительного борирова-ния стали 45 от 850 до 1000 °С, приводит к увеличению толщины переходного слоя между покрытием и основным металлом от 25 до 150 мкм, повышению значений микротвердости покрытий от 11700 до 15500 МПа, относительной износостойкости покрытия от 4,9 до 7,6. В сравнении с металлокерамическим твердым сплавом ВК20 микротвердость и износостойкость покрытия ниже на 10 - 20 %.

5. На основании научно-исследовательской работы реализована технология нанесения твердосплавных вольфрамокобальтовых покрытий на быстроизнашиваемые поверхности деталей пальцевой мельницы МП-205 производства ООО «ИПП Продсельмаш», предназначенной для размола и дробления зерновых культур. Формирование вольфрамокобальтового покрытия позволило увеличить срок службы рабочих поверхностей пальцев

в 3 раза. Разработаны и внедрены в учебный процесс в Иркутском государственном университете путей сообщения установки для проведения испытаний на контактно-усталостную выносливость и стойкость в условиях газоабразивного изнашивания.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Тюрин А.Г. Жидкофазное спекание порошковых смесей МС-Со на подложках из инструментальных сталей / Тез. докл. Новосиб. межвуз. на-учн. конф. «Интелектуальный потенциал Сибири».- Новосибирск: Изд-во НГТУ.-1999.-С. 75-76.

2. Буров В.Г., Тюрин А.Г., Шавелева И.Г. Физико-химическая совместимость МС и Бе при жидкофазном спекании порошковой смеси МС - Со на стальной подложке / Труды V межд. конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения». - Т.З. - Новосибирск: Изд-во НГТУ.-2000.-С. 155-156.

3. Тюрин А.Г., Буров СВ. Исследование структуры и свойств эвтектик / Тез. докл. конф. «Дни науки НГТУ-2000».- Новосибирск: Изд-во НГТУ.-2000.-С. 63.

4. Буров В.Г., Тюрин А.Г. Физико-химическая совместимость компонентов при спекании порошковой смеси ВК на стальных подложках / Тез. докл. межд. научн. конф. «Слоистые композиционные материалы-2001».-Волгоград: РПК «Политехник»- 2001.- С. 17-18.

5. Буров В.Г., Тюрин А.Г., Батаев В.А., Шавелева И.Г., Иванцивский В.В. Спекание твердосплавной порошковой смеси на стальных подложках / Труды 2 междунар. научно-техн. конф. «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред. Композиционные и порошковые металлические материалы».- Барнаул: Изд-во Алт. ун-та.-2001.-С. 50-52.

6. Тюрин А.Г., Веселое СВ. Процессы жидкометаллической коррозии при жидкофазном спекании порошковой смеси ' С-Со на стальной подложке / Тез. докл. региональной научн. конф. «Наука. Техника. Инновации».- Новосибирск: Изд-во НГТУ.- 2002.- С. 77-78.

7. Тюрин А.Г., Буров В.Г., Батаев В.А, Веселое СВ. Влияние предварительного борирования стальной подложки на структуру композиционных покрытий / Сборник научных трудов НГТУ. - Новосибирск: Изд-во НГТУ.-2002.-№4.-С 101-106.

8. Тюрин А.Г., Веселое СВ. Влияние химического состава подложки на характер спекания твердосплавной смеси / Тез. докл. всероссийской научно-технической конф. «Наука. Промышленность. Оборона»,- Новосибирск: Изд-во НГТУ.- 2003.- С. 63-64.

9. Веселое СВ., Тюрин А.Г. Влияние структуры и химического состава основного металла на процесс формирования твердосплавных покрытий/ Тез. докл. всероссийской научн. конф. молодых ученых «Наука. Техника. Инновации».- Новосибирск: Изд-во НГТУ.- 2003.- С. 67-68.

10. Тюрин А.Г., Буров В.Г., Катаев В.А. Повышение износостойкости вольфрамокобальтовых покрытий методом предварительного борирова-ния основного металла / Сб. трудов межд. конф. «Технолого-экономическое образование в XXI веке». - Новосибирск: Изд-во НГПУ.-2003.-С. 167-172.

11. Тюрин А.Г., Веселое СВ. Влияние предварительной обработки основного металла на структуру формируемого покрытия / Тез. докл. V всероссийская конференция (школы) молодых ученых «Физическая мезоме-ханика материалов». - Томск: ИФПМ.- 2003. - С. 100-101.

12. Тюрин А.Г., Буров В.Г., Веселое СВ. Влияние химического состава основного металла на структуру и свойства твердосплавных покрытий / Тез. докл. XVII Уральской школы металловедов термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов».-Киров: ВятГУ.- 2004.- С. 83-84.

13. Тюрин А. Г. Термодинамический анализ системы «вольфрамоко-бальтовая смесь В Кб - Техническое железо» в процессе жидкофазного спекания / Тез. докл. Всероссийской научно-технической конф. «Наука. Промышленность. Оборона».- Новосибирск: Изд-во НГТУ.- 2004.- 136137.

14. Тюрин А.Г. Исследование особенностей формирования твердосплавных покрытий на поверхности технического железа / Физическая мезомеханика. - Т.7., 4.2. - 2004. - С 209-211.

Подписано в печать 11.11.2004 г. Формат 84x60x1/16 Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Печ.л. 1,25 Заказ № 9 /3 Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

•«24 0 85