автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка состава насыщающей смеси и технологии диффузионного борохромирования тяжелонагруженных деталей машин и инструмента

На правах рукописи

Иванов Сергей Геннадьевич

РАЗРАБОТКА СОСТАВА НАСЫЩАЮЩЕЙ СМЕСИ И ТЕХНОЛОГИИ ДИФФУЗИОННОГО БОРОХРОМИРОВАНИЯ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И ИНСТРУМЕНТА

05 02 01 «Материаловедение» в отрасли «Машиностроение»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул - 2007

003174858

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им И И.Ползунова» (АлтГТУ)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Гурьев Алексей Михайлович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Марков Андрей Михайлович

кандидат технических наук, доцент Акимов Валерий Викторович

Ведущее предприятие ГОУ ВПО «Сибирский государственный

индустриальный университет»

Защита состоится «14» ноября 2007 года в 10й2 часов на заседании диссертационного совета Д 212 004 07 в ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им И И Ползунова» по адресу 656038, г Барнаул, пр Ленина, 46 E-mail berd50@mail ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им И И Ползунова»

Автореферат разослан «12» октября 2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212 004 07 ^__

кандидат технических наук, доцент сЩА А Бердыченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Внедрение новых технологических процессов в промышленности в ряде случаев тормозится отсутствием материалов, способных работать в экстремальных условиях Изыскание новых возможностей изменения комплекса физико-механических свойств металлов в заданном направлении является актуальной задачей современного материаловедения Решение этой задачи требует совершенствования существующих и создания новых методов обработки металлов Чаще всего в процессе эксплуатации подвергаются наиболее интенсивным внешним воздействиям поверхностные слои деталей и инструмента, поэтому зачастую структура и свойства именно поверхностных слоев оказывает важное влияние на работоспособность изделий в целом

Одним из основных, широко известных и наиболее перспективных способов упрочнения поверхности стальных изделий является химико-термическая обработка (ХТО) Ее применение экономически более выгодно, чем получение легированной стали с аналогичными свойствами и, как правило, может производиться на любом предприятии, имеющем термическое оборудование Химико-термической обработкой изделиям можно придать такой комплекс эксплуатационных свойств, достижения которого объемным легированием или невозможно (азотирование, борирование), или экономически невыгодно (молибденирование, хромониобирование и др )

ХТО чаще всего проводят при высокотемпературной изотермической или изотермически-ступенчатой выдержке с полной перекристаллизацией стали в аустенитное состояние Это приводит к перегреву - структура и механические свойства сталей, кроме твёрдости и износостойкости, ухудшаются Есть и другие недостатки в технологии ХТО с высокотемпературной выдержкой в процессе насыщения коробление, высокая энергоёмкость процесса

Указанные недостатки можно устранить при диффузионном насыщении поверхности сплава в режиме термоциклирования (ТЦО), а также при совместном насыщении поверхности металла несколькими химическими элементами т е при двух- или многокомпонентном насыщении

К перспективным методам ХТО относится борирование, хромирование, титаниро-вание и совмещенные процессы борохромирование, боротитанирование и др Эти способы ХТО более эффективны, чем традиционно используемые цементация, азотирование и цианирование практически по всем параметрам свойств поверхностных слоев материала Так, например, боридные слои на сталях отличаются высокой износостойкостью, сили-цидные - кислотостойкостью, хромирование придает жаростойкость, а комбинированные покрытия зачастую совмещают в себе исходные свойства однокомпонентных покрытий и в некоторой степени нивелируют недостатки соответствующих однокомпонентных покрытий Борохромированние, например, позволяет снизить хрупкость поверхностных слоев, повысить их жаростойкость по сравнению с борированными при практически одинаковой их твердости и износостойкости. Работоспособность борохромированных слоев в 1,5-1,75 раза выше, чем борированных Однако известные методы получения таких покрытий несовершенны и достаточно трудоемки Такие покрытия обычно получают последовательным высокотемпературным насыщением этими элементами, в литературе нет достаточных сведений об эффективных способах одновременного насыщения поверхности стали бором и хромом Решение этой проблемы является важной материаловедческой задачей

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с программой Министерства образования и науки РФ по фундаментальным исследованиям в области технических наук

и при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 05-08-50241-а), по приоритетному направлению ФЦТТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы - «Индустрия наносистем и материалы» (государственный контракт № 02 444 11 7313) и при поддержке Федерального агентства по науке и инновациям и Федерального агентства по образованию Программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.МНИК»)

Цель диссертационной работы Повышение работоспособности деталей машин и инструмента за счет применения установленных закономерностей структурообразования в сталях с боридными диффузионными покрытиями после борирования и комплексного насыщения бором совместно с хромом и титаном.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи

1 Проведение анализа условий работы, выявление причин выхода из строя и выбор способа повышения стойкости инструмента и деталей машин

2 Исследование структуры сталей СтЗ, 30Х, 30ХМ, У8 и фазового состава полученных диффузионных слоев на основе бора и хрома и их физико-механических свойств (твердость, пластичность)

3 Изучение параметров режима насыщения (состав смеси, температура процесса, длительность насыщения и т д ) на структуру и физико-механические свойства борхро-мовых и бортитановых слоев.

4 Установление зависимостей, связывающих механические свойства исследуемых сталей с технологическими параметрами химико-термической обработки Построение математических моделей процесса двухкомпонентного насыщения углеродистой стали бором и другими элементами

5 Изучение характера износа упрочненных слоев для выяснения особенностей разрушения диффузионных покрытий в процессе эксплуатации в условиях абразивного и адгезионного износа.

6 Определение оптимального сочетания и количественного содержания компонентов насыщающей среды для поверхностного упрочнения сталей На основе изученных представлений о поведении сталей с диффузным покрытием разработать новые составы обмазок для многокомпонентного насыщения и рекомендовать для них оптимальные режимы химико-термоциклической обработки.

Научная новизна работы

Установлена возможность проведения процесса одновременного насыщения бором и хромом, а также бором и титаном конструкционных и инструментальных сталей Введение в насыщающую смесь для борирования сталей хрома ускоряет процесс насыщения на 7-10 % и толщину диффузионного слоя на 10-15%

Разработаны новые составы насыщающих сред для поверхностного упрочнения сталей Состав для одновременного насыщения бором и хромом, содержащий диборид хрома (СгВ2), карбид бора (В4С), графит, бентонит, фторид натрия (МаР) И состав для одновременного боротитанирования, дополнительно содержащий в качестве насыщающего компонента диборид титана (Т1В2)

Установлено положительное влияние циклического температурного воздействия с фазовыми а<-*у превращениями в интервале температур 600-1000°С на интенсификацию диффузионных процессов

Установлены зависимости, связывающие механические свойства сталей с технологическими параметрами химико-термической обработки и определены оптимальные режимы ХТО сталей При одновременном боротитанировании или борохромировании оптимальная температура процесса составляет 900-1050°С, в зависимости от марки стали и

состава смеси, время насыщения - от 4 до 8 часов При термоциклическом насыщении к вышеперечисленным параметрам добавляется количество циклов и время выдержки при максимальной и минимальной температуре, оптимальное количество циклов лежит в диапазоне 10-20 и зависит от материала упрочняемого изделия Время выдержки при минимальной и максимальной температурах цикла составляет от 1 мин до 1 часа и зависит от размеров упрочняемого изделия

Циклический нагрев и охлаждение в интервале температур фазовых превращений (600 - 950°С) значительно ускоряют процессы диффузионного борирования и борохро-мирования При химико-термоциклическом насыщении диффузионный слой образуется в 1,5-2,0 раза быстрее, чем при изотермическом насыщении

Значение для теории и практики. Совокупность экспериментальных и теоретических результатов, полученных при проведении исследований, позволяет!

-разработать способы химико-термической и химико-термоциклической обработки инструмента из углеродистых и легированных сталей с целью повышения его износостойкости,

-дать рекомендации по корректировке традиционных технологических процессов, позволяющие заменить твердосплавный инструмент на стальной, упрочненный борохро-мированием с целью снижения себестоимости изготовления и повышения конкурентоспособности производства,

-результаты исследований позволили а) разработать высокоэффективную технологию упрочнения кондукторных втулок для глубокого сверления корпусов форсунок, повысившую их стойкость в 8-12 раз, б) разработать технологию хромборирования ножей из стали 65Г для бесцентрового шлифования,

Достоверность результатов обеспечивается применением современных методов исследования в материаловедении, необходимым и достаточным количеством экспериментального материала для корректной статистической обработки, сопоставлением полученных результатов с данными других авторов, совпадением теоретических расчетов и экспериментально полученных результатов Положения, выносимые на защиту:

1 Математическая модель, связывающая параметры процесса насыщения, такие как температура и время процесса насыщения при изотермическом способе, при термоциклическом - максимальная и минимальная температуры в цикле, а также время выдержки при этих температурах при термоциклическом насыщении, насыщения с прочностью и пластичностью

2. Установленные зависимости твердости и пластичности сталей СтЗ, ЗОХ, 30ХМ, У8 с диффузионными покрытиями на основе бора и хрома от режима насыщения (температура, время, химический состав насыщающей обмазки)

3 Разработанные способы диффузионного поверхностного упрочнения, заключающиеся в нагреве и выдержке в термической печи при температуре 900-1050°С упрочняемого изделия в обмазке, содержащей борид титана или хрома, карбид бора, фторид натрия, углерод

Апробация работы: Основные положения и результаты проведённых исследований докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах VI международной научно-практической конференции «Проблемы развития литейного, сварочного и кузнечно-штампового производств» (Барнаул, 2004), XXVII научно-практической конференции «Проблемы современного материаловедения и новые материалы» (Новокузнецк, 2005), VII межрегиональной научно технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы социального и научно-технического развития в современном мире» (Рубцовск, 2005), VI Всероссийской школе-

семинаре с международным участием «Новые материалы Создание, структура, свойства-2006» (Томск, 2006), XVII Петербургских чтениях по проблемам прочности, посвященных 90-летию со дня рождения профессора А.Н Орлова (Санкт-Петербург, 2007), II научной конференции с международным участием «Актуальные проблемы науки и образования» (Куба, Варадеро, 2007), международной конференции «Современные материалы и технические решения» (Италия, о Сицилия, 2007), IV Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь - 2007» (Барнаул, 2007), международной научной конференции «Перспективы развития вузовской науки», (Сочи, 2007), Международной научной школе-конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» (Барнаул, 2007).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 27 печатных работах, из них одна статья в издании, рекомендованном ВАК РФ и 2 заявках на выдачу патентов РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 104 наименований и приложения, содержит 175 страниц машинописного текста, включая 31 таблицу и 54 рисунка

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлено обоснование актуальности проводимых исследований, отмечена научная новизна, практическая значимость и реализация результатов работы

В первой главе на основе литературных данных проведен анализ различных видов химико-термической обработки и изучено влияние способов ХТО на стойкость инструмента и деталей машин в различных условиях износа. Подробно рассмотрены вопросы по применению химико-термической обработки (ХТО) для различных видов сталей. Выделены основные параметры химико-термической обработки. Указана цель и задачи исследования

Во второй главе характеризуются используемые в исследовании материалы, методы проведения экспериментов, применяемые методы исследования микроструктуры и механических свойств, рентгеноструктурного анализа

В качестве исследуемых материалов выбраны конструкционные стали СтЗ, 30Х, ЗОХМ, 65Г и инструментальная сталь У8А Приведен химический состав компонентов насыщающей смеси применяемой для диффузионного насыщения (карбид бора, оксиды хрома, титана, кремния, борвды хрома и титана, алюминиевый порошок и др)

Металлографические исследования упрочнённых образцов проводили на оптических МИМ-7, МИМ-10, "Neophot-32" и электронных микроскопах (растровом BS-300 "Tesla" и просвечивающем ЭМ-125К с использованием гониометрической приставки и при ускоряющем напряжении 125 кВ) Для просмотра в оптическом микроскопе шлифы готовились методами химического и электрохимического травления Идентификация фазового состава и определение размеров и объемной доли выделений проводилось по изображениям, подтвержденным микродифракционными картинами и темнопольными изображениями, полученными в соответствующих рефлексах

При приготовлении фольг для просмотра в электронном микроскопе из образцов на различных глубинах вырезались тонкие пластинки толщиной 0,2-0,3 мм на электроискровом станке Режим вырезки был подобран таким образом, что не вносил дополнительной деформации и, следовательно, не влиял на структуру образца Фольги полировались электролитически.

По снимкам, полученным в оптическом и электронном микроскопах, измерялись следующие параметры средние размеры зерен, размеры, плотность и объемные доли выделений, скалярная плотность дислокаций, амплитуда кривизны-кручения решетки Оп-

ределение средних размеров зерен (Э) проводилось методом случайных секущих по микрошлифам Границы зерен вытравливали электролитически Средний размер зерен в объеме материала определяли исходя из средних размеров зерен, измеренных по микрошлифам

Дюрометрические исследования проводили на ПМТ-3 Испытания на износостойкость в лабораторных условиях проверялись на машине Амслера по методикам, описанным в ГОСТ 17367-71

Съемки рентгенограмм проводили на дифрактометре ДРОН-1,5 в монохроматическом Ре-К„ излучении с автоматической записью на диаграммную ленту в автоматическом режиме

В третьей главе получены математические модели процесса изотермического и термоциклического борохромирования для стали ЗОХ и математическая модель многокомпонентной насыщающей обмазки для диффузионного боротитанирования

Анализ результатов статистической обработки экспериментальных данных показывает, что при изотермическом насыщении основными критериями, определяющими износостойкость диффузионных борохромовых слоев, являются температура процесса насыщения, время выдержки при температуре насыщения и количество хрома в насыщающей обмазке, а основными критериями, определяющими толщину диффузионного слоя, -температура и время насыщения Бор в насыщающей обмазке в количестве 50-70% оказывает более слабое влияние на износостойкость и толщину диффузионного слоя по разработанным способам упрочнения При снижении количества бора ниже 50% начинает сказываться его влияние на износостойкость и толщину слоя

Математические модели, описывающие зависимость физико-механических свойств (износостойкость и толщина диффузионного слоя) от варьируемых факторов и имеющие следующий вид

е =14,6750+0,7575Х,+0,6312Х2+0,5987X4-0,5425Х1Х3+0,5912Х,Х4

11 =149,0625+49,0625Х,+39,6875Х2+17,8125Х4 где е - относительная износостойкость (эталон - закаленная низкоотпущенная сталь У8), И - толщина диффузионного слоя, мкм, Х1 - температура процесса насыщения, °С, Х2 -время процесса насыщения, час, Хз — количество бора в насыщающей обмазке масс %, Х4 - количество хрома в насыщающей обмазке масс %

Указанные факторы варьировали в следующих пределах X] - от 950 до 1050°С, Х2 - от 4 до 6 ч, Х3 - от 50 до 70 %; Х4 - от 10 до 20 % масс

Установлено, что

1 При количестве бора ниже 50%, не удается получить равномерный по толщине диффузионный слой

2 При количестве карбида бора в смеси около 40% и ниже возможен прогар насыщающей обмазки, в результате чего происходит окисление и обезуглероживание упрочняемого изделия

3 При отклонении количества бора от оптимального, происходит изменение физико-механических свойств диффузионного слоя

Для аналитического описания зависимости изучаемого свойства от химического состава насыщающей смеси в многокомпонентных системах более удобен метод симплексных решеток Метод позволяет получать не только математическую модель исследуемой зависимости, но и ее графическую интерпретацию, что нагляднее и иногда даже необходимо Данный метод был применен при изучении влияния состава многокомпонентных

насыщающих сред на износостойкость борхромовых и боротитановых покрытий на стали

зох.

Математическая модель третьей степени, учитывающая все взаимодействия факторов выглядит следующим образом:

е = 48,64X, + 14,18*2 + 83,74Л-3 - 37,85ЛГ,Х2 + 78,63Л-,Л"3 --56,2ЪХ1Хг(Хк - Х2)+ 63,27X хХ Ъ{Х х - X+ 2Л,45 X гХ 3(Х 2 - Х,) +

+96,91Х}Х2Х3

где X, - количество борида титана, масс. %; Х2 - количество карбида бора, масс. %; Х3 - количество фторида натрия, масс. %.

дс %

Рисунок 1 - Концентрационный треугольник оптимизации состава для боротитани-рования по износостойкости

Из рисунка 1 видно, что наиболее оптимальны составы, содержащие 17-30% масс, диборида титана, 15^Ю% масс, карбида бора и 1,2-3,5% фторида натрия в качестве активатора. Однако, так как мы имеем дело с насыщением из обмазки в агрессивной печной атмосфере, то содержание карбида бора увеличено до 50-60%, так как часть его расходуется на защиту системы «насыщаемое изделие - насыщающая среда» от воздействия агрессивной печной атмосферы. Хорошо бы уделить внимание достоверности модели, её сходимости с экспериментом.

Четвертая глава посвящена изучению влияния химического состава обмазок и насыщаемых сталей, а также различных параметров насыщения на толщину, фазовый состав и физико-механические свойства диффузионных слоев.

Влияние состава смеси на толщину и фазовый состав полученных диффузионных слоев показано на рисунке 2.

Как видно из приведенных рисунков, на толщину диффузионного слоя и его внешний вид оказывает влияние, как химический состав насыщающей обмазки, так и ее гранулометрический состав. Все компоненты насыщающей смеси имели размер гранул 0,1— | 0,2 мм, если это не оговорено специально.

Рисунок 2 - Структура диффузионного слоя, полученная при насыщении из смеси состава: а, б - смесь на основе СгВ2 и В4С фракции 0,5-1 мм и 0,1-0,2 мм соответственно,; в - на основе В4С фракции 0,1-0,2 мм и ИВ2, (температуре 1150°С, временя насыщения 6 ч, цена малого деления шкалы -10 мкм)

Пористость диффузионного слоя на рисунке 2а свидетельствует о слишком высокой насыщающей способности смеси, в результате чего диффузионный слой растет наружу, а диффузия железа через слой боридов происходит гораздо медленнее. Механические свой ства данного слоя низкие - высокая микротвердость (28000-30000 МПа) здесь сочетается с высокой хрупкостью, порой приводящей к самоскалыванию слоя. Более высокие механические свойства имеет слой, показанный на рисунке 26. Как видно из рисунка, данный слой более плотный и имеет характерное для боридных слоев игольчатое строение, что благоприятно сказывается на комплексе физико-механических свойств - повышается устойчивость слоя к скалыванию при приложении касательных напряжений. Так как иглы боридной фазы имеют большую поверхность контакта с подложкой, а, следовательно, и большую поверхностную энергию, он менее склонен к скалыванию, чем слой, показанный на рисунке 2а. При замене борида хрома боридом титана получается слой, показанный на рисунке 2в. Данный слой имеет более сложное строение, чем борохромированные слои и меньшую толщину. Однако комплекс физико-механических свойств, таких как твердость, пластичность, износостойкость и т.д., данного слоя несколько выше, например, микротвердость достигает 35000МПа.

Влияние температуры насыщения на толщину и вид многокомпонентных боридм^х слоев показано на рисунке 3. Из фотографий видно, что в интервале температур 950-1150°С, температура насыщения на микроструктуре диффузионных слоев сказывается довольно слабо. Исключение составляет температура 1150°С, при которой образовался

пористый, очень хрупкий слой. С другой стороны высокая температура насыщения приводит к росту зерна сердцевины детали, что отрицательно сказывается на комплексе физико-механических свойств детали: уменьшение ударной вязкости может достигать 5 раз, пластичности - до 3 раз._

Рисунок 3 - Влияние температуры насыщения на толщину диффузионных слоев, время насыщения 6 ч„ где а - 1150°С, б - 1100°С, в - 1050°С, г - 950°С (цена малого деления шкалы Юмкм)

Немаловажное влияние на микроструктуру, толщину и пластичность получающихся диффузионных слоев оказывает химический состав насыщаемой стали (см. рисунок 4). Из представленных на данном рисунке фотографий видно, что в зависимости от марки стали, микроструктура диффузионных слоев, их толщина и фазовый состав изменяются в довольно значительных пределах. Так, при борохромировании, на стали СтЗ идет преимущественно процесс насыщения хромом. Слой плотный, граница раздела гладкая, толщина слоя достигает 250 мкм. Механические свойства данного диффузионного слоя находятся на невысоком уровне - микротвердость его незначительна (3000-4000 МПа) по сравнению с боридным слоем (до 22500 МПа). Химический состав данного слоя от поверхности к сердцевине следующий: твердый раствор железа в хроме с массовым содержанием хрома до 60-70%, затем твердый раствор хрома в железе с массовой долей хрома 35^0% и включения карбидов хрома состава Сг23С6, внутренний слой, прилегающий к границе раздела, представляет собой механическую смесь твердого раствора хрома в железе с содержанием хрома около 20% и карбидов хрома состава Сг2!С6 или Сг7С3. По всей толщине диффузионного слоя заметны следы бора в виде твердого раствора, также бор легирует

Рисунок 4 - Влияние химического состава насыщаемой стали на фазовый состав, микроструктуру и толщину диффузионных борохромированных слоев при насыщении из обмазки, содержащей оксид хрома: а) слой на стали СтЗ, б) слой на стали ЗОХ, в) слой на стали ЗОХМ, г) слой на стали У8 (цена малого деления шкалы 10 мкм)

Диффузионный слой, образующийся на стали ЗОХ при прочих равных условиях показан на рисунке 4 б). Данный слой имеет более сложное строение, чем слой на стали СтЗ. Верхняя часть слоя представляет собой смесь твердого раствора железа в хроме (белые иглы) и боридов хрома и железа (темные иглы) с преобладанием диборида хрома СгВ2. Под игольчатой частью слоя находится рабочий подслой, представляющий собой механическую смесь, состоящую из твердого раствора железа в хроме, карбидов, боридов и кар-боборидов хрома и железа. Микротвердость данного подслоя достигает 6500-7000 МПа при микротвердости сердцевины, не превышающей 280 МПа. Граница раздела также претерпевает изменения - появляются боридные иглы размером 15-25 мкм. Общая толщина диффузионного слоя достигает 300 мкм, а толщина рабочего слоя - 70-90 мкм. При минимальной толщине рабочего слоя, исключающей его продавливание, равной 50 мкм, этого вполне достаточно для работы большинства инструмента и деталей машин.

Диффузионный слой, образующийся при борохромировании стали ЗОХМ, имеет вид, показанный на рисунке 4, в. Здесь можно заметить, что слой претерпевает еще большую эволюцию. Данное покрытие можно разделить уже натри хорошо различимые зоны: верхний слой - механическая смесь твердого раствора железа в хроме и боридов хрома, средний подслой представляет собой преимущественно бориды хрома, легированный

боридами железа и карбидами хрома, а также карбоборидами железа и хрома. И нижний, так называемый рабочий слой, представляет собой уже преимущественно бориды железа, в значительной степени легированные хромом. В данном слое можно наблюдать тексту-рованность структуры, характерную для боридных слоев.

Граница раздела между диффузионным слоем и основным металлом представлена в виде игл, характерных для боридных слоев, длиной 20-40 мкм.

Иглы боридной фазы на сталях можно условно разделить на три типа:

Тип I. - самый распространенный - острые, растущие перпендикулярно поверхности раздела иглы, состоящие, как правило, из боридов железа состава Ре2В (рисунок 5, цена малого деления шкалы 1 Омкм);

Тип 2. - менее распространенный тип, но все же довольно часто встречаемый: иглы, расположенные перпендикулярно поверхности, но имеющие закругленный конец. Это, как правило, является результатом действия углерода и легирующих элементов, таких как Сг, N1), Т1, V, Мо и т.д. (рисунок 6, цена малого деления шкалы Юмкм);

Тип 3. - редко встречающийся, но наиболее благоприятный с точки зрения прочности сцепления диффузионного слоя с основой: иглы, расположенные под углом к поверхности раздела. Как правило, такие иглы располагаются по границам зерен или растут в теле зерна по местам больших скоплений дислокаций, имеющих большую протяженность (рисунок 7, цена малого деления шкалы Юмкм).

У -

' . • ■■• .и-

[л Ч'У

И

Не ЛиВ-швд кжв&шкмншвН Рисунок 5 - боридный слой 1 типа _Рисунок 6 - боридный слой 2 типа

Рисунок 7 - боридный слой 3 типа

В результате проведенных испытаний на износостойкость при адгезионном и абразивном износе выявлено, что износостойкость борохромированной стали 30Х превосходит износостойкость закаленной и низкоотпущенной стали У8 при адгезионном износе - в 12-К37 раз в зависимости от состава насыщающей обмазки, при абразивном износе - в

2,9^8 раз. Причем слои, полученные насыщением из различных обмазок, отличаются износостойкостью при различном характере износа. Эти данные иллюстрируются рисунком 8.

40

35 30 25

20 15 10

5 0

37,82

1,00

9 8 7

■у»

i *84C|0,$-1mm¡ ®

a4C(a(i-o, ?Mw g 4

' 12..23 3 2 1

-О

1,00

■

ври «ve

ШшШ * а'с (о. t-0.2м«)

ш®

2.91

Рисунок 8 - Относительная износостойкость борохромированной стали 30Х: а - при адгезионном износе, б -при абразивном износе (У8 - эталон )

35000

30000

Наибольшей микротвердостью обладают диффузионные слои, полученные комплексным насыщением бором и хромом на стали У8 где она достигает 35700 МПа (см. рис.9).

—♦—Хромистый слой У8 —•—Борохромированный слой ЗОХМ •—#»«»Борохромированный слой на У8 —Боридный слой на ЗОХ

5000

10000

90 120 150 180

ТОПЩИИ1СЛОЯ, шм

Рисунок 9 - Распределение микротвердости диффузионного слоя на различных сталях

Диффузионный слой в данном случае состоит не только из боридов и карбоборидов железа и хрома, но и из карбидов хрома. При этом под диффузионным слоем не обнаруживается обезуглероженной зоны, обладающей низкой твердостью (см. кривую Хромистый слой У8, рисунок 9).

Результаты испытаний на износостойкость боротитанированных слоев на стали ЗОХ представлены на рисунке 10. Условия испытаний были аналогичны.

Испытания на износостойкость проводили на машине Амслера. При испытаниях на адгезионный износ использовали диск из стали ЩХ15 подвергнутый закалке и низкому отпуску с твердостью 61-62 НИ.С. Нагрузка на испытуемый образец при этом составляла 40Н. При испытании на абразивную износостойкость в качестве контртела использовали абразивную шкурку с размером частиц 100-120 мкм. Нагрузка на испытуемый образец при этом составляла 4Н.

В качестве смеси №1 была использована смесь, содержащая преобладающее количество борида титана. Толщина диффузионного слоя при этом не превышала 55 мкм. Смесь №2 содержала борид титана в качестве добавки, а в качестве основного насыщающего компонента применяли карбид бора, который является более активным поставщиком бора и создает более эффективную защиту насыщающей обмазки от воздействия внешней среды. Как видно из представленного рисунка, смесь, содержащая карбид бора более эффективна, чем смесь с преобладанием борида титана.

4,5

S.OÜ S

=У8

аСмвсь NH>1 • Смесь

3,32

1,00

ш

I

4,29

4,0

3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0

в У8

пСмео, Ns?1 ■Смесь Nsü2

Рисунок 10 - Относительная износостойкость боротитанированной стали 30Х, где адгезионный износ, б - абразивный износ (У8 - эталон)

Пятая глава посвящена вопросам испытаний и внедрения в производство изделий, упрочненных по разработанным методам. Показано, что износостойкость кондукторной втулки для глубокого сверления после борирования возросла в 8-12 раз, ресурс борохро-мированных ножей из стали 65Г ниже ресурса ножей из твердого сплава ВК8 всего на 20% при значительно меньшей стоимости их изготовления (в 2-3 раза).

Т

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1 Установлено, что наиболее эффективным способом упрочнения деталей машин и инструмента, приводящим к повышению стойкости, является многокомпонентное диффузионное насыщение из обмазок бором совместно с хромом

2 Исследованы структуры диффузионных слоев, полученных одновременным насыщением сталей в условиях, когда существовали возможности образования больших количеств как боридов, так и карбидов и карбоборидов различного химического состава Исследование насыщающей способности новых активных сред для ХТО показало следующее

-насыщение из обмазок более экономично по отношению к другим способам ХТО и эффективно с точки зрения управления параметрами процесса насыщения при ХТЦО (количество циклов, время выдержки при максимальной и минимальной температурах цикла) и получения покрытия с заданными свойствами

-борвд хрома - перспективная насыщающая среда, обеспечивающая одновременное насыщение бором и хромом

-борид титана, используемый в качестве добавки к стандартному составу для бори-рования позволяет производить комплексное насыщение титаном и бором

3 Исследованы и описаны основные закономерности и механизмы одновременного насыщения сталей бором и хромом или титаном конструкционных и инструментальных углеродистых и низколегированных сталей Установлено, что диффузия по границам зерен является главным механизмом карбоборирования за исключением наружного слоя, где решающим фактором является реакционная диффузия Формирующиеся в ходе боро-хромирования новые границы зерен и субзерен выполняют тройную роль Во-первых, они служат основным каналом насыщения атомами бора и углерода основных глубинных слоев Во-вторых, на них локализована большая часть карбоборидов В-третьих, на них расположена значительная часть атомов бора и углерода, еще не образовавшихся боридов и карбоборидов

4 Показано, что циклический нагрев и охлаждение в интервале температур 600-1000°С с выдержкой от 1мин до 1ч и количестве циклов от 3 до 20 значительно (в 1,5-2 раза) ускоряют кинетику процесса ХТО железоуглеродистых сплавов

5 Определено оптимальное сочетание и количественное содержание компонентов насыщающей среды для поверхностного упрочнения сталей На основе изученных представлений о поведении сталей с диффузным покрытием разработаны новые составы обмазок для многокомпонентного насыщения и рекомендованы для них оптимальные режимы химико-термической и химико-термоциклической обработки

6 Проведены производственные испытания деталей машин и инструмента, подвергнутых ХТО и ХТЦО по разработанным режимам Испытания показали, что стойкорть сверл после боротитанирования в изотермических условиях повышается до шести раз Стойкость борохромированных ножей для бесцентрового шлифования корпуса распылителя из стали 65Г на 20-30% ниже по сравнению с твердосплавными при стоимости их изготовления в 2-3 раза ниже Стойкость кондукторных втулок для глубокого сверления топливоподводящих отверстий корпусов форсунок возросла в 8-12 раз Стойкость прово-локопротяжных роликов, подвергнутых борохромированию возросла в 10-12 раз

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Хараев Ю.П. Предварительная термоциклическая обработка быстрорежущих сталей для литого металлорежущего инструмента. / Хараев Ю П, Гурьев А М,

Земляков С А, Иванов С.Г, Баянова Е Э // Материалы VI международной научно-практической конференции «Проблемы развития литейного, сварочного и кузнечно-штампового производств» - Барнаул Изд-во АлтГТУ, 2004 - С 46-48

2. Хараев Ю.Г1. Предварительная термоциклическая обработка быстрорежущих сталей для литого металлорежущего инструмента. / Хараев Ю П, Гурьев A M, Земляков С А, Иванов С Г , Баянова Е Э // Ползуновский альманах -2004 - №4 - С 70-71

3. Иванов С.Г. Влияние скорости охлаждения на структуру стали Р18 / Иванов С Г, Гурьев A M //Тезисы докладов XXVII научно-практической конференции «Проблемы современного материаловедения и новые материалы» - Новокузнецк- Изд-во СИБГИУ, 2005 - С 25-26 ' " ' '*

4. Колядин А.А. Термоциклическая обработка сталей: проблемы и перспективы. /Колядин А А , Иванов С Г // Тезисы докладов VII межрегиональной научно технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы социального и научно-технического развития в современном мире» — Рубцовск Изд-во РИО, 2005 - С 49

5. С.Г. Иванов Влияние скорости охлаждения при кристаллизации на структуру литой стали 2SH3. / С Г Иванов, M А Гурьев // Вестник АлтГТУ. - 2005 - № 3-4 -С 165-167

6. Гурьев А.М. Особенности формирования структуры диффузионного слоя на литой стали при химико-термической обработке. / Гурьев A M, Лыгденов Б Д, Маха-ров Д M, Мосоров В И , Черных Е В , Гурьева О.А, Иванов С Г // Фундаментальные проблемы современного материаловедения - 2005. - №1 - С 39-41

7. Иванов С.Г. Диффузионное хромирование сталей из насыщающей обмазки. / Иванов С Г, Гурьев A M, Земляков С А, Кошелева Е А // Ползуновский альманах - 2006

- №3 - С 191

8. Иванов С.Г. Хромирование сталей из насыщающих паст. / Иванов С Г, Гурьев A M // Фундаментальные исследования - 2006 - №11 - С 73

9. Гурьева О.А. Термоциклическое борирование литых сталей. / Гурьева О А, Иванов С Г , Гурьев AM// Труды VI Всероссийской школы-семинара с международным участием «Новые материалы Создание, структура, свойства-2006» - Томск Изд-во ТПУ,

- 2006 - С 91-93

10. Иванов С.Г. Термоциклическое упрочнение литой стали 25НЗ электрошлакового переплава. / Иванов С Г, Гурьев A M, Хараев Ю П И Труды VI Всероссийской школы-семинара с международным участием «Новые материалы Создание, структура, свойства-2006» - Томск Изд-во ТПУ, - 2006 - С 94- 97

11. Гурьев A.M. Повышение прочности инструментальных сталей методом термоциклического борирования. / Гурьев A M, Власова О А., Лыгденов Б Д, Иванов С Г, Гармаева И А, Мижитов А Ц // XVII Петербургские чтения по проблемам прочности. Посвященные 90-летию со дня рождения профессора А H Орлова Сборник материалов -СПб, 2007 - С 196-198

12. Иванов С.Г. Диффузионное насыщение сталей из насыщающих обмазок. / Иванов С Г, Гурьев A M, Кошелева Е А , Бруль ТА// Фундаментальные исследования -2007 - №4 - С 37-38

13. Иванов С.Г. Диффузионное насыщение сталей из насыщающих обмазок. /

Иванов С Г, Гурьев A M, Кошелева Е А, Бруль ТА// Материалы II научной конференции с международным участием «Актуальные проблемы науки и образования», Варадеро (Куба) 19-30марта2007г -Москва Изд-во РАЕ, 2006 -С 37-38

14. Иванов С.Г. Диффузионное борохромирование сталей из обмазок. / Иванов С Г , Гурьев A M, Лыгденов БД// XIII Международная научно-практическая конферен-

ция "Современные техника и технологии СТТ 2007" 26- 30 марта 2007 г - Томск Изд-во ТПУ, 2007 - С 48-49

15. Иванов С.Г. Разработка способа диффузионного боротитанирования деталей машин и инструмента. / С Г Иванов, О А Власова, A M Гурьев, Е А Кошелева, M А Гурьев // Материалы IV Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь - 2007» (НиМ-2007) - Барнаул Изд-во АлтГТУ, 2007 - С 28-30

16. Е.А. Кошелева Разработка способа термоциклического борохромирования деталей машин и инструмента. / Е А Кошелева, С Г Иванов, О А Власова, A M Гурьев, Т Е Другова// Материалы IV Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь - 2007» (НиМ-2007) - Барнаул Изд-во АлтГТУ, 2007 - С 45-48

17. О.А. Власова Повышение прочности диффузионных карбоборидных покрытий термоциклированием в процессе их получения. / О А Власова, A M Гурьев, С Г. Иванов, ЕА Кошелева, MA Гурьев // Материалы IV Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь -2007» (НиМ-2007)-Барнаул Изд-во АлтГТУ, 2007 - С 110-112

18. А. М. Гурьев Способ упрочнения деталей из конструкционных и инструментальных сталей [Текст] Заявка на выдачу патента РФ № 112368/02 МПК С23С 10/30, С23С 10/28 A M Гурьев, С Г Иванов, Б Д Лыгденов, С А Земляков, О А Власова, Е А Кошелева, M А Гурьев; заявитель и патентообладатель АлтГТУ им И.И Пол-зунова Заявл 03 04 2007 - 9с.

19. А.М. Gunev DIFFUSION SATURATION OF STEELS FROM COATS / A M Gunev, S G Ivanov, В D Ligdenov, О A Vlasova, E A Kocheleva, IA Garmaeva, A С Miji-tov // VIII Miedzynarodowa Konferencja Naukowa „Nowe technologie i osiagmecia w metalurgii î mzyneru matenalowej" 25 czerwca 2007-Czestochowa Politechnica Czestochowska -P 179-183 (Польша)

20. A. M. Гурьев Диффузионное термоциклическое упрочнение поверхности стальных изделий бором, титаном и хромом / Гурьев A M, Лыгденов Б Д, Иванов С Г, Власова О А, Кошелева Е А, Гармаева И А , Гурьев MA// Фундаментальные проблемы современного материаловедения- 2007 - №1 -С 30 — 35

21. А. М. Гурьев Новые методы диффузионного термоциклического упрочнения поверхности стальных изделий бором совместно с титаном и хромом./ Гурьев A M, Лыгденов Б Д, Иванов С Г Власова О А, Гармаева И А , Кошелева Е А , Гурьев MA //Успехи современного естествознания -2007 -№10 -С 89-91

22. Кошелева Е.А. Разработка методов интенсификации химико-термической обработки инструментальных сталей. / Кошелева Е А , Гурьев A M , Иванов С Г, Власова О А // Фундаментальные исследования- №10,- 2007 - С 91

23. Гурьев А.М. Термоциклическое борирование как метод повышения прочности инструментальных сталей. / Гурьев A M, Власова О А , Лыгденов Б Д, Гармаева И А, Кириенко A M, Иванов С Г П Ползуновский альманах - 2007 - №1 - 2 - С 85 - 88

24. Хараев Ю.П. Особенности формирования карбидной фазы литой быстрорежущей стали. / Хараев Ю П., Власова О А, Иванов С Г .Попова НА// Фундаментальные проблемы совре-менного материаловедения- 2007 - №1 -С 129-131

25. Гурьев А.М. Способ упрочнения деталей из штамповых сталей. Заявка на выдачу патента РФ № 112368/02 МПК С23С 10/30, С23С 10/28 A M Гурьев, С Г Иванов, Б Д Лыгденов, С А Земляков, О. А Власова, Е А Кошелева, M А Гурьев, заявитель и патентообладатель АлтГТУ им ИИ Ползунова Заявл 18 07 2007-9с

26. Гурьев А.М. Новые методы диффузионного термоциклического упрочнения поверхности стальных изделий бором совместно с титаном и хромом / Гурьев A M ,

Власова О А , Лыгденов Б Д, Гармаева И А , Кошелева Е А , Иванов С Г, Гурьев М А // Успехи современного естествознания - 2007 - №10 - С 89-91

27. Гурьев А.М. Влияние параметров борохромнрования на структуру стали и физико-механические свойства диффузионного слоя. / Гурьев А М, Иванов С Г, Лыгденов Б Д, Власова О А, Кошелева Е А , Гурьев М А, Гармаева И А // Ползуновский Вестник- 2007 - №3 - С 51-58

Издано в авторской редакции

Подписано в печать 10 10 07 Формат 60x84 1/16

Печать - ризография Уел п л 1,16

Тираж 100 экз Заказ 2007 - 20

Издательство Алтайского государственного технического университета им И И Ползунова, 656038, г Барнаул, пр-т Ленина, 46.

Лицензия на издательскую деятельность ЛР№ 020822 от 21 09 98 г

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Основы химико-термической обработки.

1.2. Виды химико-термической обработки.

1.2.1. Цементация.

1.2.2. Азотирование.

1.2.3. Совместное насыщение азотом и углеродом.

1.2.3.1. Нитроцементация.

1.2.3.2. Цианирование.

1.2.4. Перспективные способы химико-термической обработки.

1.3 Борирование сталей.

1.3.1. Влияние состава стали на процесс диффузионного насыщения бором.

1.3.2. Термическая обработка борированных сталей.

1.3.3. Структура и свойства боридных слоев.

1.4 Диффузионное хромирование.

1.5 Многокомпонентное насыщение металлами и неметаллами

1.5.1. Борохромирование.

1.5.2. Боротитанирование.

1.6 Особенности термоциклической обработки.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ

МАТЕРИАЛЫ.

2.1. Материалы и оборудование.

2.2 Методы исследования структуры и состава диффузионных слоев.

2.3 Методика испытаний на коррозионную стойкость.

2.4 Методика химико-термической обработки.

2.5 Определение механических свойств.

2.6 Исследование структуры образцов.

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ И ХИМИКО-ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ.

3.1. Математическая модель и оптимизация основных технологических факторов изотермического борохро-мирования стали ЗОХ.

3.2. Математическая модель и оптимизация состава насыщающей смеси для изотермического боротитаниро-вания стали ЗОХ.

3.3. Математическая модель и оптимизация основных технологических факторов термоциклического боро-хромирования стали ЗОХ.

ГЛАВА 4. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ

4.1. Изотермическая химико-термическая обработка стали.

4.1.1. Насыщение стали бором.

4.1.2. Насыщение стали бором и хромом.

4.1.3. Механические свойства борохромированных слоев.

4.1.4. Насыщение сталей бором и титаном.

4.1.5. Механические свойства бортитановых диффузионных слоев.

4.2. Термоциклическое насыщение.

Выводы.

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ.

Машиностроение, по определению многих экономистов, является становым хребтом экономики любой страны. Эффективность работы этой отрасли производства напрямую зависит от научно-технического прогресса. Проблема повышения эффективности работы машиностроительной отрасли заключается в повышении качества выпускаемой продукции, одновременно со снижением металлоемкости производства, что в свою очередь, влечет снижение себестоимости и повышение конкурентоспособности.

Для решения этой проблемы наряду со снижением металлоемкости производства, экономии сырья и энергии, разработки и внедрения новых материалов и технологий, необходимо повышать технологический и эксплуатационный уровень материалов.

Внедрение новых технологических процессов в промышленности в ряде случаев тормозится отсутствием материалов, способных работать в экстремальных условиях.

Изыскание новых возможностей изменения комплекса физико-механических свойств металлов в заданном направлении является актуальной задачей современного материаловедения. Решение этой задачи требует совершенствования существующих и создания новых методов обработки металлов. В процессе эксплуатации подвергаются наиболее интенсивным внешним воздействиям поверхностные слои деталей и инструмента, поэтому зачастую структура и свойства именно поверхностных слоев оказывает важное влияние на работоспособность изделий в целом.

Высокие требования предъявляются к материалам химической, металлургической, металлообрабатывающей и т.д. промышленности, где детали технологического оборудования должны обладать высокими износо-, жаро-и коррозионной стойкостью, жаропрочностью и т.п. Нарушения в работе технологического оборудования, обусловленные износом деталей, ограничивают длительность нормальной эксплуатации оборудования. Затраты на ремонт, переналадку, изготовление новых деталей и узлов составляет одну из крупных статей расхода заводского бюджета.

Для работы в сложных условиях эксплуатации применяются коррози-онно-, жаростойкие и жаропрочные стали. Их производство и номенклатура постоянно увеличиваются. Однако эти стали часто не в полной мере отвечают все возрастающим требованиям производства. Кроме того, специальные стали, как правило, являются высоколегированными, поэтому их использование должно быть экономически оправдано.

Улучшение таких специальных свойств сталей, как коррозионная, радиационная, жаростойкость, жаропрочность, износостойкость и т.д. связано преимущественно с использованием дорогостоящих способов производства этих сталей. Исходя из этого, часто экономически оправдана замена высоколегированных сталей на стали обыкновенного качества, подвергнутые химико-термической обработке.

Повышение эксплуатационной стойкости специальных сталей за счет объемного легирования осуществляют по следующим направлениям:

- во-первых, производством сталей с низким содержанием углерода (0,01-0,05%), что обеспечивает повышенную коррозионную стойкость [1,2];

- во-вторых, применением специальных дорогостоящих методов плавки: индукционного, вакуумного, плазменного, электронно-лучевого, дугового, электрошлакового переплавов. Применение таких процессов позволяет получать стали не только с низким содержанием углерода (до 0,009%), но и значительно снизить содержание вредных примесей [3];

- в третьих, разработкой новых марок сталей различной степени легирования за счет легирующих элементов, таких как: хром, ванадий, молибден, вольфрам, медь, никель, азот, кремний, бор, и т.д.[1, 2,3,4]

Методы улучшения эксплуатационных свойств сталей за счет объемного легирования дает возможность получать стали с заданными свойствами. Однако, данный способ повышения свойств является неэкономичным, а в ряде случаев и неосуществимым из-за почти полной потери сталями таких важных свойств как пластичность и вязкость. Поэтому в последнее время все большее внимание уделяется методам поверхностной обработки сталей [5, 6,

К методам поверхностного упрочнения сталей относятся: упрочнение поверхности посредством механической обработки, различные способы нанесения покрытий.

Одним из основных, наиболее перспективных и практически повсеместно осуществимым способом нанесения покрытий является химико-термическая обработка (ХТО) [5]. Ее применение особенно эффективно, когда необходимо получить детали с заранее заданными свойствами. Это экономически более выгодно, чем получение объемнолегированной стали с аналогичными свойствами и как правило, может производиться на любом предприятии, имеющем термическое оборудование.

К перспективным методам ХТО относятся борирование, хромирование, силицирование, титанирование и совмещенные процессы: борохромирова-ние, хромосилицирование, боротитанирование [6, 7].

Данные способы ХТО более эффективны чем традиционно используемые цементация, азотирование и цианирование практически по всем параметрам свойств поверхностных слоев материала. Так, например, боридные слои на сталях отличаются высокой износостойкостью [7, 8], силицидные -кислотостойкостью [7, 9], хромирование придает жаростойкость [10], соответственно комбинированные покрытия совмещают в себе в некоторой степени исходные свойства однокомпонентных покрытий.

Так, например, борохромированные слои позволяет снизить хрупкость поверхностных слоев, повысить их жаростойкость по сравнению с бориро-ванными при практически одинаковой их твердости [9, 11]. Износостойкость покрытий из борида титана несколько выше чем боридных, а коррозионная стойкость в бескислородных кислотах выше чем у слоев из борида хрома [12, 13].

Основной целью работы является изучение закономерностей структурных и фазовых изменений, физических и механических свойств в зависимости от вида и способа упрочнения, химического состава как насыщающей смеси, так и насыщаемой детали.

Для достижения основной цели были решены следующие задачи:

- исследовать возможность получения хромированных, борохромиро-ванных, хромосилицидных боротитанированных слоев из насыщающих обмазок;

- изучить влияние основных параметров процесса насыщения на состав и свойства получающихся слоев.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Показано, что наиболее эффективным способом упрочнения деталей машин и инструмента, приводящим к повышению стойкости, является многокомпонентное диффузионное насыщение из обмазок бором совместно с хромом.

2. Исследованы структуры диффузионных слоев, полученных одновременным насыщением сталей в условиях, когда существовали возможности образования больших количеств как боридов, так и карбидов и карбоборидов различного химического состава. Исследование насыщающей способности новых активных сред для ХТО показало следующее:

-насыщение из обмазок более экономично и эффективно с точки зрения управления параметрами процесса насыщения при ХТЦО (количество циклов, время выдержки при максимальной и минимальной температурах цикла) и получения покрытия с заданными свойствами.

-борид хрома - перспективная насыщающая среда, обеспечивающая одновременное насыщение бором и хромом.

-борид титана, используемый в качестве добавки к известному составу для борирования позволяет производить комплексное насыщение титаном и бором.

3. Исследованы и описаны основные закономерности и механизмы одновременного насыщения сталей бором и хромом или титаном конструкционных и инструментальных углеродистых и низколегированных сталей.

4. Показано, что циклический нагрев и охлаждение значительно (в 1,5-2 раза) ускоряют кинетику процесса ХТО железоуглеродистых сплавов.

5. Установлено, что диффузия по границам зерен является главным механизмом карбоборирования за исключением наружного слоя, где решающим фактором является реакционная диффузия. Формирующиеся в ходе борохро-мирования новые границы зерен и субзерен выполняют тройную роль. Во-первых, они служат основным каналом насыщения атомами бора и углерода основных глубинных слоев. Во-вторых, на них локализована большая часть карбоборидов. В-третьих, на них расположена значительная часть атомов бора и углерода, еще не образовавшихся боридов и карбоборидов.

6. Определено оптимальное сочетание и количественное содержание компонентов насыщающей среды для поверхностного упрочнения сталей. На основе изученных представлений о поведении сталей с диффузным покрытием разработаны новые составы обмазок для многокомпонентного насыщения и рекомендованы для них оптимальные режимы химико-термической и химико-термоциклической обработки.

7. Проведены производственные испытания деталей машин и инструмента, подвергнутых ХТО и ХТЦО по разработанным режимам. Испытания показали, что стойкость сверл после боротитанирования в изотермических условиях повышается до шести раз. Стойкость борохромированных ножей для бесцентрового шлифования корпуса распылителя из стали 65Г на 20-30% ниже по сравнению с твердосплавными при стоимости их изготовления в 2-3 раза ниже. Стойкость кондукторных втулок для глубокого сверления топливоподво-дящих отверстий корпусов форсунок возросла в 8-12 раз. Стойкость проволо-копротяжных роликов, подвергнутых борохромированию возросла в 10-12 раз.

1. Гольдштейин М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. Учебник для вузов. М: Металлургия, 1985. -408с.

2. Шлямнев А.П., Свистунова Т.В., Лапшина О.Б. и др. Коррозионно-стойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы: справ, изд. М.: Ин-термет инжиниринг, 2000 - 232с.

3. Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. Справ, изд. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1982 480с.

4. Геллер Ю.А. Инструментальные стали . М.: Машиностроение, 1975.-584с.

5. Лахтин Ю. М., Арзамасов Б. Н. Химико-термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1985. 256 с.

6. Ворошнин Л.Г., Ляхович Л.С. Борирование стали. М.: Металлургия, 1978.-239 с.

7. Ворошнин Л.Г. Многокомпонентные диффузионные покрытия. -Минск: Наука и техника, 1981. 296с.

8. Ворошнин Л. Г. Борирование промышленных сталей и чугунов. Минск: Беларусь, 1981,205с.

9. Борисенок Г.В., Васильев Л.А., Ворошнин Л.Г. и др. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник. М.: Металлургия, 1981.424с., ил.

10. Защитные покрытия на металлах. Вып. 6. Киев: Наукова думка.1972. С 17-37.

11. Мулякаев Д.М., Дубинин Г.Н, Далисов В.В. Защита металлов,1973, №1, С. 66-70.

12. Защитные покрытия на металлах. Вып. 2. Киев: Наукова думка. -1968. С. 21-22.

13. Самсонов Г.В., Эпик А.П. Тугоплавкие покрытия. М.: Металлургия, 1976.- 559с.

14. Гурьев А. М., Хараев Ю. П. Теория и практика получения литого инструмента. Барнаул: Россия, 2005, 222с.

15. Вельский Е.И., Ситкевич М.В., Понкратин Е.И., Стефанович В.А. Химико-термическая обработка инструментальных материалов. Мн.: Наука и техника, 1986.-247с.

16. Гурьев A.M., Евтушенко А.Т. Новые материалы и технологии для литых штампов горячего деформирования. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1998.-208с., ил.

17. Гурьев A.M., Козлов Э.В., Игнатенко JI.H., Попова Н.А. Физические основы термоциклического борирования. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000.-216с.

18. Гурьев A.M. Новые материалы и технологии для литых штампов. -Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000.-216с., ил.

19. Дубинин Г.Н., Рыбкин В.Ф., Жавотченко А.Д. Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника приводной связи, 1973, вып. 3, с. 63-73.

20. Филинов С.А., Фиргер И.В. Справочник термиста. Л.: Машиностроение, 1975. - 352с.

21. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1986.-544с.

22. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1978.-392с.

23. Гринберг Е.М. Металловедение борсодержащих конструкционных сталей. М.: МИСИС, 1997. - 198с.

24. Баландин Ю. А. Бороазотирование штамповых сталей в псевдо-ожиженном слое. МиТОМ, №9 2004, С. 17-19.

25. Грачев С. В., Мальцева Л. А., Мальцева Т. В., Колпаков А. С., Дмитриев М. Ю. Борирование и борохромирование в виброкипящем слое. МиТОМ, №11 1999, С. 31-34.

26. Забелин С. Ф. Общие закономерности формирования цементованного слоя сталей при термоциклическом режиме насыщения. МиТОМ, №2 1998, С. 19-21.

27. Гохштейн А.Я. Поверхностное натяжение твердых тел и адсорбция. М.: Наука, 1976.299 е., ил.

28. Криштал М.А. Диффузионные процессы в железных сплавах. М.: Металлургия, 1963. - 278с.

29. Кришталл М.А. Механизм диффузии в железных сплавах. М.: Металлургия, 1972. - 400с.

30. Сыромятников Н.И., Рубцов Г.К. Тепловые процессы в печах с кипящим слоем. М.: Металлургия, 1968. 116с., ил.

31. Ситкевич М.В., Вельский Е.И. Совмещенные процессы химико-термической обработки с использованием обмазок. Мн.: Выш. шк., 1987. -156с.: ил.

32. Гурьев A.M., Лыгденов Б.Д., Малькова Н.Ю., Шаметкина О.В., Мо-соров В.И., Раднаев А.Р. Высокоэффективный способ химико-термической обработки инструментальных сталей. Ползуновский альманах. №4. Барнаул., 2004.С 91-93.

33. Ворошнин Л.Г., Борисёнок Г.В., Керженцева Е.Ф. Химико-термическая обработка металлов и сплавов с использованием паст и суспензий // Металлургия. Мн.: БПИ, 1976. - Вып. 8. - С. 21-25.

34. Кидин И.Н. и др. Диффузионное хромирование стали 08кп при электронагреве в пастах // Изв. вузов. Черная металлургия 1973.- №5- с. 133136.

35. Байдак Н.П., Фоменко В.Д., Горбунов Н.С. Диффузионное хромирование и титанирование в вакууме деталей сернокислого производства. В кн.: Защитные покрытия на металлах. Киев, Наукова думка, 1979, вып. 13, С. 6264.

36. Вельский Е.И., Ситкевич М.В., Понкратин Е.И., Стефанович В.А. химико -термическая обработка инструментальных материалов: Мн.: Наука и техника, 1986. 247 с.

37. Смольников Е.А., Сарманова Л.М., Ковалева Л.И. Применение борирования для повышения стойкости режущего и штампового инструмента // Сб. трудов ВНИИинструмент, 1982. С. 181 -184.

38. Тарасов С.Ю., Трусова Г.В., Колубаев А.В., Сизова О.В. Структурные особенности боридных покрытий триботехнического назначения // МиТОМ. 1995. - №6. - С.35-38.

39. Кайдаш Н.Г. Влияние диффузионного насыщения на жаростойкость стали. В кн.: Жаропрочность и жаростойкость металлических материалов. М., Наука, 1976, с. 216-220, ил.

40. Кайдаш Н.Г., Нелюб М.Г., Маркова И.В. Влияние диффузионного насыщения на коррозионную стойкость стали. В кн.: Защитные покрытия на металлах. Киев, Наукова думка, 1970, вып. 3, с. 248, ил.

41. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали. М.: Машиностроение, 1986. 255с.

42. Лабунец В.Ф., Ворошнин Л.Г., Киндарчук М.В. Износостойкие бо-ридные покрытия. Киев: Техника, 1989. - 158с.

43. Ляхович Л.С., Ворошнин Л.Г., Щербаков Э.Д., Панич Г.Г. Силици-рование металлов и сплавов. Минск: Наука и техника, 1972. 277с., ил.

44. Загуляева С. В., Денисюк А. К., Макашова Л. С. Борирование и раз-гаростойкость стали и чугуна. МиТОМ, №11 1999, С. 21-23.

45. Колубаев А.В., Тарасов С.Ю., Трусова Г.В., Сизова О.В. Структура и свойства однофазных боридных покрытий // Изв. вузов. Черная металлургия. 1994. -№7. - С.49-50.

46. Вол А.Е. Строение и свойства двойных металлических систем: Т.1. -М.: ГИФ-Л, 1959. -755с.

47. Диаграммы состояния двойных металлических систем. В 3-х т. Под общ. ред. академика РАН Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1996. т.1.

48. Transner N. Borieren Hinweise nicht nur for den Praktiker // Der Kon-strukteur. - 1986. - №6. - S.48-62.

49. Чернов Я. Б., Анфиногенов А. И., Веселов И. Н. Особенности технологии борирования сталей в расплаве хлорида кальция. МиТОМ, №12 1999, С.37-39.

50. Иванов А. С., Карманов Д. В., Вдовина О. Н. Поверхностное насыщение низкоуглеродистых мартенситных сталей бором и медью. МиТОМ, №6 1999, С. 38-41.

51. Глухов В.П. Боридные покрытия на железе и стали. Киев: Науко-ва думка, 1970.208с., ил.

52. Кузьма Ю.Б., Чабан Н.Ф. Двойные и тройные системы, содержащие бор. М.: Металлургия, 1990. - 317с.

53. Самсонов Г.В., Серебрякова Т.И., Неронов В.А. Бориды. М.: Атомиздат, 1975с.

54. Шадричев Е.В., Иванов А.Е. Относительная износостойкость однофазных и двухфазных боридных слоев // МИТОМ. 1984. - №3. - С.44-47.

55. Шадричев Е.В., Румянцев С.И. Кинетика изнашивания двухфазного боридного слоя // МИТОМ. 1982. - №7. - С.40-42.

56. Исаков М.Г., Прусаков Г.М., Щербединский Г.В. Исследование кинетики роста боридов в системах Fe В и Fe - В - С // Изв. АН СССР. Металлы. - 1987. -№1. - С.185-190.

57. Колубаев А.В., Ковешников В.И., Сизова О.В., Трусова Г.В. Применение износостойких боридных покрытий в узлах трения // Изв. вузов. Черная металлургия. 1992. - №4. - С.46-48.

58. Чернега С. М. Комплексное насыщение углеродистых сталей бором и хромом в активированной среде. Известия вузов. Черная металлургия. №11 1999,С 58-60.

59. Лыгденов Б.Д. Фазовые превращения в сталях с градиентными структурами, полученными химико-термической и химико-термоциклической обработкой. Дисс. Канд. Техн. Наук., Новокузнецк 2004, 226с., ил.

60. Федюкин В.К., Смагоринский М.Е. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. Л.: Машиностроение. Ленинград, отд-ние. 1989. -255 с.

61. Земляков С.А. Закономерности формирования структуры и свойств инструментальных сталей для холодного деформирования в процессе циклического теплового воздействия. Дисс. Канд. Техн. Наук., Барнаул 2006,156с., ил.

62. Хараев Ю.П. Научные и технологические основы формирования структурных факторов эксплуатационной стойкости литого инструмента. Дисс. Докт. Техн. Наук, Барнаул 2006, 345с., ил.

63. Хараев Ю.П., Гурьев A.M., Земляков С.А., Иванов С.Г., Баянова Е.Э. Предварительная термоциклическая обработка быстрорежущих сталей для литого металлорежущего инструмента. Ползуновский альманах. №4. Барнаул., 2004. С 70-71.

64. Хараев Ю. П. Структура и свойства литого инструмента. Барнаул: Россия, 2004,144с.

65. Хараев Ю.П. Термоциклическая закалка литой быстрорежущей стали. Ползуновский альманах. №4. Барнаул., 2004. С 54-55.

66. Минкевич А.Н., Андрюшечкин В.И. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. В кн.: Металловедение и термическая обработка. М., 1975, т. 9.

67. Земсков Г.В., Коган P.JL, Шевченко И.М. и др. Поверхностное легирование стали боридо- и карбидообразующими элементами. В кн.: Жаропрочность и жаростойкость материалов. М., Наука, 1976, с. 212-216, ил.

68. Самсонов Г.В., Эпик А.П. Тугоплавкие покрытия. М.: Металлургия, 1973. 399с., ил.

69. Серебрякова Т.Н., Самсонов Г.В., Неронов В.А., Пешев П.Д. Высокотемпературные бориды. М.: Металлургия, Челябинское отд., 1991. - 368с.

70. Земсков Г.В., Домбровская Е.В., Коган P.J1. и др. Диффузионное насыщение бором и титаном. Изв. Вузов, Сер. Черная металлургия, 1966, №7, с. 138-142.

71. Самсонов Г.Б., Глухов В.П. Диффузионное насыщение углеродистых сталей титаном и бором. В кн.: Защитные покрытия на металлах. Киев, Наукова думка, 1970, вып. 3, с. 101-108, ил.

72. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. М.: Машиностроение, 1965. 491 с.

73. Гурьев A.M., Ворошнин Л.Г., Земляков С.А., Баянова Е.Э., Колядин А.А., Гурьева О.А. Высокоэффективная технология термоциклического упрочнения сталей. Ползуновский альманах. №4. Барнаул., 2004. С 79-81.

74. Металлографические реактивы. Справ, изд. Коваленко B.C. 3-е изд. перераб. и доп. -М.: Металлургия, 1981. 120 с.

75. Блантер М.А., Беседин Н.П. Выявление структуры сплавов цветным травлением // Заводская лаборатория. 1954. - №4. - С.433-434.

76. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1977.-280 с.

77. Чернявский К.С. Стереология в металловедении. М.: Металлургия, 1977.-280 с.

78. А. М. Гурьев, С.Г. Иванов, Б. Д. Лыгденов, С. А. Земляков, О. А. Власова, Е. А. Кошелева, М. А. Гурьев «Способ упрочнения деталей из конструкционных и инструментальных сталей». Заявка на выдачу патента РФ № 112368/02 от 03.04.2007 9с.

79. Гурьева О. А., Земляков С.А., Гурьев A.M. Оптимизация термоциклической обработки инструментальной стали. Вестник Алтайского государственного технического университета. Барнаул., №3-4, 2005. С 167-173.

80. Година Ю.В., Софрощенко А.Ф. Комбинированная химико-термическая обработка. Изв. Вузов. Сер. Черная металлургия, 1963, №2, с. 115-119, ил.

81. С.Г. Иванов, A.M. Гурьев, С.А. Земляков, Е.А. Кошелева Диффузионное хромирование сталей из насыщающей обмазки. Ползуновский альманах №3 2006.- С. 191.

82. С.Г. Иванов, A.M. Гурьев Хромирование сталей из насыщающих паст. Фундаментальные исследования.- №11 2006.- С.73.

83. Кайдаш Н.Г., Частоколенко П.П., Частоколенко Л.Н. Исследование структуры и химического состава титанохромовых диффузионных покрытий. -В кн.: Защитные покрытия на металлах. Киев, Наукова думка, 1975, вып. 9, с. 115-118, ил.

84. Смирнов А.В. и др. Поверхностное насыщение аустенитных сталей хромом и титаном. В кн.: Жаростойкие и теплостойкие покрытия. Л.; Наука, 1969.

85. Иванов С.Г., Гурьев A.M., Кошелева Е.А., Бруль Т.А. Диффузионное насыщение сталей из насыщающих обмазок. Фундаментальные исследования.-№4 2007.-С.37-38.

86. Иванов С.Г., Гурьев A.M., Лыгденов Б.Д. Диффузионное борохро-мирование сталей из обмазок. XIII Международная научно-практическая конференция "Современные техника и технологии СТТ 2007" 26- 30 марта 2007 г.Томск: Изд-во ТПУ.- 2007. С. 48-49.

87. А. М. Гурьев, Б. Д. Лыгденов, С. А. Земляков, О. А. Власова, Е. А. Кошелева, М. А. Гурьев «Способ упрочнения деталей из штамповых сталей». Заявка на выдачу патента РФ № 2007127587/(030034) от 18.07.2007 9с.

88. Година Ю.В., Софрощенко А.Ф. Комбинированная химико-термическая обработка. -МиТОМ, 1976, №11. С. 15-19.

89. Хараев Ю.П., Власова О.А., Иванов С.Г.,Попова Н.А. Особенности формирования карбидной фазы литой быстрорежущей стали. Фундаментальные проблемы современного материаловедения- №1.- 2007. -С. 129-131.

90. Кошелева Е.А., Гурьев A.M., Иванов С.Г., Власова О.А Разработка методов интенсификации химико-термической обработки инструментальных сталей. Фундаментальные исследования- №10.- 2007.- С.91.

91. Гурьев A.M., Власова О.А., Лыгденов Б.Д., Гармаева И.А., Кириенко A.M., Иванов С.Г. Термоциклическое борирование как метод повышения прочности инструментальных сталей. Ползуновский альманах №1 - 2 2007.-С.85-88.