автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Разработка состава насыщающей смеси и технологии комплексного борирования при газопламенном нагреве

005005494

На правах рукописи

л

Иванов Алексей Геннадьевич

Разработка состава насыщающей смеси и технологии комплексного борирования при газопламенном нагреве

05.16.09 - «Материаловедение» (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-8 ДЕК 2011

Барнаул - 2011

005005494

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном 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:

профессор

доктор технических наук, профессор Ишков Алексей Владимирович

доктор физико-математических наук,

Плотников Владимир Александрович

Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский

государственный университет технологий и управления»

Защита состоится « 22 » декабря 2011 года в «14—» часов на заседании диссертационного совета Д. 212.004.07 в ФГОУ 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 Федерального бюджетного государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова».

Автореферат разослан «18» ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д. 212.004.07

кандидат технических наук, доцент А. Бердыченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Внедрение новых технологических процессов 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. Для решения этой задачи требуется совершенствования существующих и создания новых методов обработки металлов. В процессе эксплуатации наиболее интенсивным внешним воздействиям подвергаются 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). 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.). Ее применение экономически более выгодно, чем получение легированной стали с аналогичными свойствами и, как правило, может производиться на любом предприятии, имеющем термическое оборудование.

Химико-термическую обработку 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.

В настоящее время к перспективным методам ХТО относится борирование, хромирование, -планирование и совмещенные процессы: боротитани-рование, борохромирование 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, силицидные - 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 1,50-1,75 раза выше, чем борированных. Однако, известные методы получения таких покрытий несовершенны и достаточно трудоемки. Такие покрытия обычно получают последовательным высокотемпературным насыщением этими элементами в электропечах. Известные процессы одновременного насыщения поверхности сталей бором и хромом описанные в литературе малоэффективны и недостаточно изучены, кроме того, отсутствует информация о

влиянии газопламенного нагрева на процессы формирования таких покрытий. Решение этой проблемы является важной материаловедческой задачей.

Диссертационная работа выполнялась при поддержке Фонда содействия малым форм предприятий в научно-технической сфере по программе «СТАРТ-10» проект № 7893р/11425 и при поддержке Управления по экономической политике и Администрации Алтайского края - грант № 24.

Цель диссертационной работы. Разработка насыщающей смеси и технологии одновременного насыщения поверхности углеродистых сталей бором и хромом при газопламенном нагреве, на основе оптимизации ее состава и установления закономерностей структурообразования диффузионного слоя.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- исследовать возможность получения многокомпонентных диффузионных покрытий на основе бора и хрома из насыщающих обмазок на сталях в условиях нагрева газовым пламенем;

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

- построить математическую модель влияния химического состава и содержания компонентов насыщающей смеси на состав и физико-механические свойства диффузионных слоев;

- разработать технологию химико-термической обработки поверхностей ножей для измельчения полипропилена с помощью газопламенного нагрева.

Научная новизна работы. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена совокупность научных положений, обеспечивающих новые технологические решения в упрочнении поверхностей сталей бором и хромом. В том числе:

1. Установлена возможность проведения процесса комплексного бо-рохромирования углеродистых сталей (СтЗ, 30, 45, У8, У10) при газопламенном нагреве. Показано, что газопламенный нагрев значительно ускоряет процессы комплексного борирования, в режиме термоциклического насыщения диффузионный слой образуется в 40-50 раз быстрее, чем при изотермической химико-термической обработке в печи.

2. Созданы составы насыщающих сред для борохромирования углеродистых сталей в условиях газопламенного нагрева, содержащие 1540 масс. % диборида хрома, 45-78 масс. % карбида бора и 7-15 масс. % Углерода.

3. Экспериментально исследованы и установлены общие закономерности и аналитические зависимости, связывающие механические свойства сталей с технологическими параметрами химико-термической обработки при газопламенном нагреве углеродистых сталей. Определены оптимальные режимы и составы насыщающих смесей газопламенно-

го нагрева для борохромирования углеродистых сталей. Для одновременного борохромирования оптимален состав, содержащий 25 % масс, диборида хрома, 60 % масс, карбида бора, 15 % углерода и 2,5 % фторида натрия в качестве активатора. Окислительное пламя, имеющее повышенное содержание кислорода в отношении к пропану 0,55-0,70 значительно активирует процесс насыщения, наиболее активно процесс насыщения протекает в интервале от 90 до 1800 секунд при температуре 900°С.

4. Исследованы особенности фазового состава и тонкой структуры полученных диффузионных слоев после борохромирования в условиях газопламенного нагрева.

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

-разработать способы химико-термической обработки инструмента из углеродистых и легированных сталей при нагреве газовым пламенем с целью повышения его износостойкости и ускорения процесса диффузионного насыщения бором и хромом;

-дать рекомендации по химико-термической обработке ножей для измельчения полипропилена в нестационарных условиях с использованием нагрева пропано-кислородным пламенем;

-результаты исследований позволили разработать эффективную технологию комплексного насыщения бором и хромом ножей для измельчения помипропилена при газопламенном нагреве.

Предложена и разработана новая технология нанесения диффузионных покрытий на основе бора и хрома на поверхность быстро изнашиваемых стальных изделий - ножей для измельчения полипропилена. Применение разработанной технологии на упрочнения ООО «ИВКОМ» (г.Барнаул) позволяет улучшить их износостойкость в 5,2 раза.

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.

Личный вклад соискателя. Основные результаты, изложенные в диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично. Теоретические и экспериментальные исследования, написание статей и тезисов докладов, апробация разработок в производственных условиях формулировка промежуточных и заключительных выводов выполнены непосредственно соискателем.

На защиту выносятся:

1. Разработанный способ одновременного поверхностного насыщения стальных изделий бором и хромом с использованием газопламенного нагрева.

2. Математические модели, описывающие влияние компонентов насыщающей среды на механические и эксплуатационные свойства комплексного

упрочняющего покрытия и аналитические зависимости, связывающие технологические параметры процесса одновременного насыщения бором и хромом при газопламенном нагреве и эксплуатационные свойства упрочненных бором и хромом сталей.

3. Установленные закономерности структурных изменений и фгаико-механических свойств сталей СтЗ, 30,45, У8, У10 (микротвердость, толщина диффузионного слоя, износостойкость) с диффузионным покрытием на основе бора и хрома при их получении с использованием газопламенного нагрева.

Апробация работы: 6-8 Всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» (Новосибирск, 2008, 2009, 2010); VIII Всероссийской школе-семинаре «Новые материалы. Создание, структура свойства - 2008» (Томск, 2008); XIV и XV Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2008, 2009); Международной научной школе-конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» (Барнаул, 2009); Общероссийской научной конференции «Новые технологии, инновации, изобретения» (Иркутск, 2010); Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии функциональных материалов НФМ'10» (Санкт-Петербург, 2010); Вторые московские чтения по проблемам прочности материалов, посвященные 80-летию со дня рождения академика РАН Ю.А. Осипьяна (Москва, Черноголовка, 2011).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 19 печатных работах. Из них три статьи в научно-технических журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов исследований по кандидатским диссертациям. Получено положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 124 наименований и приложения. Работа содержит 155 страниц машинописного текста, включая 12 таблиц и 44 рисунка. В приложениях приведены документы о выдаче патента на изобретение, документы об апробации и внедрении результатов исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Первая глава посвящена анализу различных видов химико-термической обработки и изучению влияние способов ХТО на стойкость инструмента и деталей машин в различных условиях износа на основе литературных данных. Подробно рассмотрены вопросы по применению химико-термической для различных видов сталей. Выделены основные параметры химико-термической обработки при нагреве газовым пламенем. В качестве исследуемых материалов выбраны конструкционные стали СтЗ, сталь 30, сталь 45, У8, У10 в силу того, что наиболее сильно влияют на результаты одновременного борохромирования такие элементы как хром и углерод.

Кроме того, использование процессов диффузионного упрочнения для высоколегированных сталей малоперспективны, так как удельное повышение ресурса работы в этом случае выражено слабо и сам способ химико-термической обработки является ни чем иным, как альтернативой объемному легированию с целью экономии ресурсов.

Современные технологии химико-термической обработки достаточно широко используют лишь несколько видов однокомпонентного (хромирование, алитнрование, цинкование, цементация, азотирование) и двухкомпо-нентного (нитроцементация) упрочнения поверхности. Процесс борирования более предпочтителен чем цементация и азотирование с точки зрения повышения износостойкости, однако, боридные слои имеют такой существенный недостаток, как высокая хрупкость, что наряду со слабой его изученностью сдерживает широкое распространение процесса диффузионного борирования. Современные технологии диффузионного насыщения бором основываются, в основном, на работах отечественных исследователей, наибольший вклад в изучение борирования внесли: Г. В. Борисенок, Г. Н. Дубинин, А. Н. Минке-вич, Г. В. Самсонов, 10. М. Лахтин, Б. Н. Арзамасов, Л. С. Ляхович, Л. А. Васильев, Е. И. Вельский, М. В. Ситкевич, Е. И. Понкратин, В. А. Стефанович, и др. Особенно много исследований и работ выполнено Л. Г. Во-рошниным и возглавляемой им школой. При непосредственном участии и под руководством проф. Л. Г. Ворошнина исследованы процессы борирования в порошковых, газовых и жидких средах, даны математические и расчетные модели этих процессов, описаны кинетика, структура и свойства получаемых в каждом случае боридных покрытий на широком спектре материалов. Однако, многокомпонентное насыщение бором и другими элементами, как правило, ведут раздельно в силу высокого сродства бора к различным химическим элементам. В работах А. М. Гурьева и его учеников: Б. Д. Лыгденова, И. А. Гармаевой, Е. А. Кошелевой, С. Г. Иванова разработаны составы насыщающих сред и технологии насыщения, позволяющие проводить двух и многокомпонентное насыщение бором и другими элементами (хромом, титаном, вольфрамом, никелем и т. д.), при этом получая равномерные и работоспособные покрытия.

Кроме металлообрабатывающих заводов в современной России получили распространение малые (с числом рабочих до 10 человек) предприятия, которые генерирую значительный объем продукции как в сфере машиностроительного и сельскохозяйственного производства, так и в других отраслях. Закономерно, что данные предприятия и являются потребителями различных рабочих органов и деталей машин, инструмента и при этом не имеют возможности содержать собственные вспомогательные производства. Наиболее простым, нетребовательным к оборудованию и квалификации рабочих способом нагрева является газопламенный нагрев. Кроме того, газопламенный нагрев - единственный способ нагрева, который можно применять в полевых условиях небольших фермерских хозяйств. Все это и предопределило направление исследований по разработке технологий диффузионного упрочнения бором с помощью газопламенного нагрева. Из всего вышеизложенного вытекают цель и задачи исследования.

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

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, а также атомно-силовом микроскопе «FEMTOSKAN». Для изучения тонкой микроструктуры диффузионных слоев кроме электронно-лучевой, применялась атомно-силовая микроскопия в режимах контактной атомно-силовой микроскопии и в режиме бесконтактной резонансной атомно-силовой микроскопии.

Дюрометрические исследования проводили на микротвердомере типа 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 Fe-Ka излучении с автоматической записью на диаграммную ленту.

В третьей главе представлены математические и расчетные модели процесса комплексного борирования при газопламенном нагреве для СтЗ и многокомпонентной насыщающей обмазки для газопламенного нагрева.

Анализ результатов статистической обработки экспериментальных данных показывает, что при газопламенном нагреве основными критериями, определяющими износостойкость диффузионных борохромовых слоев, кроме химического состава обмазки, являются: средняя температура процесса насыщения, время выдержки при этой температуре, толщина слоя нанесенной на поверхность упрочняемого изделия обмазки и соотношение газов, соответствующее различным типам пламени (окислительное либо восстановительное).

Математические модели, описывающие зависимость износостойкости и толщины диффузионного слоя от варьируемых факторов и имеют следующий вид:

е=0,096Х,+30,325Х2+1,301Хз+0,006Х4-105,399,

h=0,552X1+255X2+12,667X3+0,05X4-687,357,

где е - относительная износостойкость (эталон - закаленная низкоот-пущенная сталь У8), h - толщина диффузионного слоя, мкм, Xi - температура процесса насыщения, °С; Х2 - соотношение газов, в долях единицы (содержание кислорода в отношении к пропану), Х3 - толщина обмазки, мм, Х4 - время насыщения, сек.

Указанные факторы варьировали в следующих пределах: X] - от 850 до 1050°С; Х2 - от 0,4 до 0,6; Х3 - от 2 до 5 мм; Х4 - от 10 до 30 минут.

Математические модели, позволяют рассчитать свойства диффузионного слоя при заданных значениях факторов. Установлено, что:

1. При толщине нанесенной обмазки менее 2 мм происходит сквозное ее оплавление и схватывание с металлом. Полученная таким образом масса обладает высокой коррозионной активностью.

2. Наиболее благоприятный тип пламени для газопламенной ХТО -окислительный при отношении кислорода к пропану в интервале 0,55 - 0,70. Такое пламя активирует протекание реакций.

3. Наиболее активное образование диффузионного слоя происходит во временном интервале с 90 до 1800 секунд. При этом получаемое покрытие обладает минимумом дефектов и максимальной износостойкостью на единицу толщины.

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 (рисунок 1). Данный метод был применен при изучении влияния состава многокомпонентных насыщающих сред на толщину диффузионного слоя борхромовых покрытий на стали СтЗ.

Рисунок 1 - Концентрационный треугольник оптимизации состава для борохромирования по толщине диффузионного слоя

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

А = 51,81 чиа<с + 27,69-тСгВ1 + 7,5•тс+ 28,08•тВлСчпСгВг -10,43-тСгВг >тс -5,98-т^•тс Где Ь - толщина диффузионного слоя;

т - значения процентных отношений масс соответствующих компонентов к общей массе насыщающей смеси.

Из рисунка 1 видно, что наиболее оптимальны составы, содержащие 15-40 % масс, диборида хрома, 45 - 78 % масс, карбида бора и 7 - 15 % углерода.

Для проверки расчетов были высчитаны уровни значимости для каждого слагаемого модели, для наглядности представленные в виде диаграммы Парето эффектов, на которой все факторы и взаимодействия представлены в виде гистограмм вклада каждого в величину отклика, вертикальная линия на данной диаграмме показывает уровень значимости с доверительным интервалом ±5% (рисунок 2).

Для проверки правильности и точности построенной модели также были проведены контрольные эксперименты, которые подтвердили расчетные значения. Вероятность совпадения контрольной и расчетной толщин диффузионного слоя составляет 0,997. Графическая интерпретация приведена на рисунке 3, линия - расчетные значения, точки - экспериментальные.

Рисунок 2 - Диаграмма Парето эффектов

Мадаль.'Квздс-ая -.984 Э.С. '■•! >з?

.............

........:...... ■--■ у*.......

л..;;т.....1........{.....ш, ^ \

Ып "! ~ Г '

^.......1.................... ■ -! -1........

..........;......... ..........1.......

" "га 0 га -»; м Бв КС -.53 ш не 58с ;эс ко 2«

Рисунок 3 - Корреляционная кривая наблюдаемых (экспериментальных) и предсказанных (расчетных) значений толщины диффузионного слоя

Четвертая глава посвящена изучению влияния химического состава обмазок и параметров насыщения на структуру, фазовый состав и физико-механические свойства диффузионных слоев, образующихся при газопламенном нагреве.

Влияние времени насыщения на микроструктуру и фазовый состав полученных диффузионных слоев показано на рисунке 4.

Как видно из рисунка, в начале процесса, когда выдержка при температуре насыщения не превышает 1 минуту, образующийся диффузионный слой еще не имеет характерного для боридного слоя игольчатого строения, однако уже имеет толщину порядка 10-15 мкм, переходная зона при этом также достаточно четко просматривается и ее протяженность при этом приблизительно в 3 раза больше толщины слоя. При выдержке от 3 до 5 минут и более слой приобретает характерное для боридных слоев игольчатое строение и его толщина при этом увеличивается до 25-35 мкм, переходная зона при этом значи-

тельно больше самого слоя (протяженность ее достигает 100-150 мкм) и просматривается достаточно четко при применении методов цветного травления. Начиная с времени выдержки при температуре насыщения приблизительно в 4-5 минут микроструктура и внешний вид боридного слоя не изменяется, толщина его достигает 40-50 мкм. Переходная зона при этом не просматривается и определить ее протяженность становится возможным только путем замеров микротвердости.

Рисунок 4 - Микроструктура диффузионного боридного слоя, полученная в результате газопламенного скоростного нагрева, а - 1 минута, б - 3 минуты, в - 5 минут, г - 10 минут, д - 15 минут, е - 20 минут, ж - 30 минут (температура 950°С, цена малого деления шкалы - 10 мкм).

Отдельно стоит обратить внимание на сердцевину образца. При времени выдержки, превышающем 8 минут в результате высокой скорости роста

температуры образца не происходит увеличения размеров зерна сердцевины, приводящего к снижению ее пластичности и ударной вязкости, что выгодно отличает газопламенное насыщение от печного изотермического. Борирован-ные газопламенным способом изделия имеют в 1,2-1,7 раз большую ударную вязкость, чем борированные в изотермических условиях, и это позволяет им работать в более экстремальных условиях. Однако наряду с положительным эффектом увеличения ударной вязкости, газопламенное насыщение имеет и отрицательную сторону - нестабильную толщину слоя, а при несоблюдении рекомендуемых режимов даже так называемый «пятнистый» слой.

График роста толщины диффузионного слоя показан на рисунке 5. На каждую точку графика приходилось не менее 10 измерений толщины слоя, исходя из которых высчитывалось среднее арифметическое.

Как видно из приведенных фотографий микроструктуры и графика кинетики роста толщины диффузионного слоя, наибольшая скорость роста диффузионного слоя наблюдается при времени выдержки от 90 до 1800 секунд. При этом образуются диффузионные слои достаточной для работы изделия толщины.

Рисунок 5 - Кинетика роста слоя на стали при диффузионном борохромировании с помощью газопламенного нагрева

С помощью атомно-силового микроскопа были проведены исследования микроструктуры упрочненного бором и хромом слоя, представленные на рисунке 6.

Данный прибор позволяет исследовать тонкую микроструктуру материала с разрешающей способностью до 10"15м, однако при этом наибольшее поле сканирования не превышает 10 мкм. На рисунке 6 приведены фотогра-

250

7200

Время выдержки, с

фии участков боридного слоя, полученные с помощью атомно-силового микроскопа в режиме контактной атомно-силовой микроскопии. Данный режим сканирования позволяет исследовать рельеф сканируемой поверхности, измерять латеральные (боковые) силы трения и др. Из приведенных изображений тонкой микроструктуры видно, что боридные иглы не совсем гладкие, а представляют собой конгломераты частиц, преимущественно округлой формы и имеющих размеры от 10 до 450 нм. Причем, в части боридного слоя, находящегося ближе к основному металлу (рисунок 6а) размер частиц меньше, в то время как в приповерхностных частях боридного слоя размер может достигать 600 нм. Из рисунка 66 так же видно, что в случае срастания, боридные иглы на тонком уровне все равно остаются разделенными, так как граница раздела в сотни и даже тысячи раз больше границ раздела между отдельными конгломератами частиц. Этим можно объяснить более высокие свойства бо-рохромированного слоя по сравнению с борированным.

а б

Рисунок 6 - Микроструктура борохромированного слоя, полученная с помощью атомно-силового микроскопа «РЕМТ08КА№>: а - граница боридного слоя и переходной зоны, б - сопряжение двух боридных игл

На исследованных сталях диффузионный слой состоит преимущественно из борида железа РегВ, лишь на поверхности встречаются небольшие включения борида РеВ, в небольших количествах встречаются еще 3 фазы: бориды железа РеВ, и Ре8В, карбоборид Ре,Сг23(С,В)6 и бориды хрома. Борид СгВ2 обнаруживается как методом РСА, так и методом ПЭМ. На поверхности материала в случае образования больших количеств моноборида железа частицы борида Ре2В и СгВ2 располагаются по границам кристаллов борида РеВ и имеют, в основном, округлую форму (рисунок 7). Размеры таких частиц, как правило, не превышают 10-20 нм.

В результате проведенных испытаний на износостойкость при абразивном износе выявлено, что износостойкость литой борохромированной стали

ЗОЛ превосходит износостойкость закаленной и низкоотпущенной стали У8 при адгезионном износе в 37,82 раза, борохромированной в режиме ХТО стали 30 (Сталь 30 ХТО на рисунке 8) - в 12,23 раза, борохромированной при газопламенном нагреве стали 30 (Сталь 30 ГПХТО на рисунке 8) - в 8,25 раз, сталь 30, подвергнутая закалке в соленой воде (Сталь 30 ТО) - взята в качестве вспомогательного эталона.

Испытания на износостойкость проводили на машине Амслера. При испытаниях на абразивную износостойкость в качестве контртела использовали абразивную шкурку с размером частиц 100-120 мкм, наклеенную на стальной диск. Нагрузка на испытуемый образец при этом составляла 4Н.

Рисунок 7 - Тонкая структура борированной стали. Изображение получено на расстоянии 10-20 мкм от поверхности образца: а - методами электронной микроскопии, б - методами атомно-силовой микроскопии. Белыми стрелками отмечены частицы борида Ре2В и СгВ2, расположенные на границах кристаллов РеВ

Несмотря на то, что химико-термическая обработка в режиме газопламенного нагрева имеет самую низкую износостойкость по сравнению с другими методами (в 4,58 раза ниже борохромирования в процессе литья ив 1,5 раза ниже борохромирования с помощью печного нагрева), данный вид термообработки имеет ряд неоспоримых преимуществ:

- ХТО при газопламенном нагреве можно проводить в нестационарных условиях;

- данный способ ХТО имеет самые низкие требования к оборудованию и может найти наиболее широкое применение.

На рисунке 9 представлен график распределения микротвердости диффузионных слоев, нанесенных различными способами: Сталь 30 ХТО - диффузионное насыщение вели в камерной печи при температуре 950 °С в течение 2,5 ч; Сталь ЗОЛ - насыщение происходило в процессе литья по газифицируемым моделям; Сталь 30 ГПХТО насыщалась при помощи газопламенного

нагрева в течение 1200с при температуре поверхности изделия от 820 до 980 °С. Содержание диффузионно-активных атомов бора и хрома во всех обмазках было выбрано одинаковым, отличие состояло лишь в методе насыщения.

40

35

8" 30

25

20

15

10

37,82

ВУ8 (Этапом) »Сталь ЗОЛ »Сталь 30 КТО » Сталь 30 ГПХТО ■ Сталь 30 ТО (.Эталон2)

12,23

8.25

1,00

0,50

Рисунок 8 - Сравнительная износостойкость борохромированной стали 30Х, упрочненной разными способами, относительно износостойкости стали У8, подвергнутой закалке и низкому отпуску (твердость 51-52 НЯС)

8

3 20000 в

| I то 2

К

-■*- Стага. 30 хто Сталь ЗОЛ Сталь 30 ГПХТО

\ * "1- 4

Расстояние от поверхности, «ны

Рисунок 9 - Распределение микротвердости диффузионного слоя при различных способах насыщения

Как видно из представленного графика, наибольшую толщину имеет диффузионный слой, полученный на литой стали в процессе изготовления образца, однако микротвердость его несколько ниже микротвердости диффузионного слоя, полученного насыщением в камерной печи и значительно (более чем в 1,5 раза) уступает микротвердости слоя, полученного при газопламенном нагреве. При этом распределение толщин диффузионных слоев обратно микротвердости: наибольшую толщину имеет покрытие, полученное в процессе литья (в 5 раз больше, чем при ХТО и в 6,5 раз - чем при насыщении с нагрева газовым пламенем).

Выявлено, что износостойкость при борировании, сопоставима с боро-хромированием при газопламенном нагреве, но во много раз длительнее, чем при газопламенном нагреве, и, кроме того, газопламенный нагрев - единственный метод, который может применяться в нестационарных условиях и при этом имеет невысокую стоимость. На ООО «ИВКОМ» методом диффузионного борохромирования при газопламенном нагреве были упрочнены ножи из стали У10 для измельчения полипропиленовых корпусов аккумуляторных батарей, стойкость которых увеличилась в 5,2 раза.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Методами оптической и электронной микроскопии, а также рентгеноструктурного анализа исследованы особенности фазового состава и тонкой структуры полученных при газопламенном нагреве диффузионных слоев на углеродистых сталях.

2. Установлено, что процесс диффузионного борохромирования при газопламенном нагреве принципиально возможен. Показано, что газопламенный нагрев значительно ускоряет процессы комплексного борирования, кроме того в результате высокой скорости роста температуры образца не происходит увеличения размеров зерна сердцевины, приводящего к снижению ее пластичности и ударной вязкости, что выгодно отличает газопламенное насыщение от печного изотермического. Борохромпрование газопламенным способом изделия имеют в 1,2-1,7 раз большую ударную вязкость, чем боро-хромированные в изотермических условиях, и это позволяет им работать в более экстремальных условиях.

3. Исследование насыщающей способности новых активных сред для ХТО показало следующее:

- процесс насыщения бором и хромом с применением в качестве источника тепла газового пламени возможен только при использовании самозащитных обмазок.

- окислительное пламя, имеющее повышенное содержание кислорода в отношении к пропану 0,55-0,70 значительно активирует процесс насыщения.

- наиболее активно процесс насыщения протекает в интервале от 90 до 1800 секунд от прогрева до температуры 900°С.

Определено оптимальное сочетание и количественное содержание компонентов насыщающей среды для поверхностного упрочнения ста-

лей в условиях скоростного газопламенного нагрева. 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 обработки. Для одновременного борохромирования оптимален состав, содержащий 25% масс, диборида хрома, 60% масс, карбида бора, 15%) углерода и 2,5% фторида натрия в качестве активатора.

5. Предложены математические модели, описывающие процесс одновременного насыщения бором и хромом при газопламенном нагреве.

6.Установлены расчетные модели, позволяющие установить параметры упрочненного слоя в зависимости от состава насыщающей смеси и значений технологических факторов процесса нагрева.

Совокупность экспериментальных и теоретических результатов, полученных при проведении исследований, позволяет:

-разработать способы химико-термической обработки инструмента из углеродистых и легированных сталей при нагреве газовым пламенем с целью повышения его износостойкости и ускорения процесса диффузионного насыщения бором и хромом;

-дать рекомендации по химико-термической обработке ножей для измельчения полипропилена в нестационарных условиях с использованием нагрева пропано-кислородным пламенем.

Результаты исследований позволили разработать эффективную технологию комплексного насыщения бором и хромом ножей для измельчения помипропилена при газопламенном нагреве и повысить их износостойкость в 5,2 раза.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Иванов, А.Г. Комплексное диффузионное упрочнение тяжелона-гружениых деталей машин н инструмента [Текст] / Гурьев М. А., Иванов А.Г., Иванов С. Г., Кошелева Е.А., Грешилов А. Д., Гурьев A.M., Лыгденов Б.Д., Околович Г. А. // Ползуновский вестник, №1, 2010. - С. 114-121.

2. Гурьев, А.М. Многокомпонентное диффузионное упрочненне поверхности деталей машин и инструмента из смесей на основе карбида бора [Текст] / Гурьев A.M., Грешилов А.Д., Кошелева Е.А., Иванов С.Г., Гурьев М.А., Иванов А.Г.,Долгоров A.A. // «Обработка металлов», №2,- 2010,- С. 19-23.

3. Кошелева, Е.А Технология многокомпонентного диффузионного упрочнения поверхности детален машин и инструмента для энергетического машиностроения из смесей на основе карбида бора / Кошелева Е.А, Иванов С.Г., Нестеренко Е.А.,Гурьев М.А., Земляков С.А., Власова O.A., Иванов А.Г. // Ползуновский вестник, №1, 2010,- С.106-113.

Патенты РФ на изобретения

4. Способ изготовления и упрочнения деталей из чугунов и сталей [Текст]: Положительное решение о выдаче патента на изобретение РФ 2010145915/02(066190)

Статьи, отражающие основное содержание работы

5. Кошелева, Е.А. Оптимизация химического состава насыщающих смесей при диффузионном борохромнровании и боротитанированин инструментальных сталей [Текст] / Кошелева Е.А.,Нестеренко Е.А., Иванов А. Г.,Гурьев А.М. // Труды VI Международной научная школы-конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение»/под ред. Маркина В.Б.; Алт. гос. тех. ун-т им. И.И.Ползунова.- г. Барнаул: Типография АлтГТУ, 2009.-С. 179- 183.

6. Иванов, А.Г. Влияние химического состава упрочняющей смеси при диффузионном насыщении бором, хромом, титаном на структуру и свойства низкоуглеродистых сталей [Текст] / Иванов А.Г., Гурьев A.M. // Наука. Технологии. Инновации. Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 4-х частях. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. Часть 1.-С.190-192.

7. Кошелева, Е.А. Разработка химического состава насыщающей смеси при диффузионном упрочнении инструментальных сталей [Текст] / Кошелева Е.А., Иванов А.Г., Гурьев А.М // Новые материалы. Создание, структура, свойства - 2009 Труды Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009.-С. 179-182.

8. Гурьев, А.М. Особенности комплексного диффузионного насыщения высоколегированных сталей бором и хромом [Текст] / Гурьев А.М.,Иванов С.Г.,Гурьев М.А.,Иванов А.Г. // "Современные наукоемкие технологии" №1 2010.- С. 92-93.

9. Кошелева, Е.А. Состав насыщающих смесей для комплексного-диффузионного упрочнения тяжелонагруженных деталей машин и инструмента [Текст]/ Кошелева Е.А., Гурьев М. А., Нестеренко Е.А., Иванов А.Г., Долгоров A.A. // Расчет, диагностика и повышение надежности элементов машин: Межвуз. сб. Выпуск 9 под ред. Вагнера В. А., Баранова А. В. Алт. гос. техн. ун-т им. И.И.Ползунова.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010,- С.47-55.

Ю.Гурьев, М.А. Анализ влияния природы легирующих элементов в высоколегированных сталях на процессы комплексного многокомпонентного диффузионного борирования [Текст] / Гурьев М.А., Гурьев А.М., Иванов А.Г., Иванов С.Г. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований №5 2010, С. 155-157.

11.Гурьев, А.М. Влияние добавок легирующих элементов в обмазку на процессы комплексного многокомпонентного диффузионного насыщения стали [Текст] / Гурьев A.M.,Иванов С.Г., Гурьев М.А., Иванов А.Г. // Современные наукоемкие технологии" №7, 2010. - С. 170-172.

12. Гурьев, A.M. Структура и свойства упрочненной бором и бором совместно с титаном поверхности штамповых сталей 5ХНВ н 5Х2НМВФ [Текст] / Гурьев A.M., Иванов С.Г., Гурьев М.А., Иванов А.Г., Лыгденов Б.Д., Земляков С.А., Долгоров A.A. // Фундаментальные проблемы современного материаловедения, №1,- 2010.- С.27-31.

13. Иванов, С.Г. Повышение износо- и коррозионной стойкости стальных деталей методами комплексного бороникелирования и боро-вольфрамнрования [Текст] / Иванов С.Г., Гурьев М.А., Земляков С.А., Иванов

А.Г., Гурьев A.M. // тезисы докладов Открытой школы-конференции стран СНГ

- Уфа, Башкирский государственный университет, 2010.- С.226.

14. Иванов, А.Г. Интенсификация процессов поверхностного легирования изделий из железоуглеродистых сплавов [Текст] / Иванов С.Г., Гурьев М.А., Гурьев А.М., Земляков СЛ., Иванов А.Г. // Современные наукоёмкие технологии №9, 2010,- С. 101 - 102.

15. Гурьев, А.М. Исследование тонкой микроструктуры борохромнро-ванного слоя на конструкционных и штамповых сталях [Текст] / Гурьев A.M., Иванов С.Г., Гурьев М.А., Иванов А.Г., Грешилов А.Д., Земляков С.А. // Материалы международной научно-технической конференции «Нанотехноло-гии функциональных материалов» (НФМ'Ю) Санкт-Петербург Изд-во СПбГПУ.

- С. 202-205.

16. Гурьев, А. М. Повышение эксплуатационных свойств стальных изделий в полевых условиях [Текст] / Гурьев А. М., Иванов А. Г., Марков П. А., Иванов С. Г. // Ползуновский альманах №1, 2010.-С. 205 - 206.

17.Иванов, А.Г. Повышение износо-и коррозионной стойкости стальных деталей методами комплексного бороникелирования и боровольфра-мирования [Текст] / Иванов С.Г., Гурьев М.А., Земляков С.А., Иванов А.Г., Гурьев A.M. // Фундаментальные проблемы современного материаловедения №4, 2010, С.108-111.

18. Иванов, А.Г. Многокомпонентное комплексное диффузионное упрочнение сталей бором совместно с титаном, никелем и вольфрамом [Текст] / Иванов А.Г., Гурьев A.M. // Материалы 9-й Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - С.175-176.

19.Иванов, А.Г. Интенсификация процессов многокомпонентного комплексного борирования [Текст] / Иванов А.Г. // Тезисы докладов вторых московских чтений по проблемам прочности материалов, посвященных 80-летию со дня рождения академика РАН Ю.А. Осипьяна: Типография ИПХФ РАН, г. Черноголовка, 2011. - С. 68.

Подписано в печать 18.11.2011. Формат 60x84 1/16. Печать - цифровая. Усл.п.л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ 2011 - 739

Отпечатано в типографии АлтГТУ, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46 тел.: (8-3852) 29-09-48

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД №28-35 от 15.07.97 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. Совместное насыщение азотом и углеродом.

1.2.2.1. Нитроцементация.

1.2.2.2. Цианирование.

1.2.2.3 Перспективные способы ХТО.

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 Термическая обработка с помощью газопламенного нагрева.

1.6.1 Газы применяемые при газопламенном нагреве.

1.6.2 Процесс горения и строение пламени.

1.6.3 Тепловое взаимодействие пламени с металлом.

1.6.4 Эффективная тепловая мощность и эффективный к. п. д. пламени.

1.7 Особенности газопламенной термоциклической обработки.

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 РЕЖИМОВ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ В РЕЖИМЕ НАГРЕВА ГАЗОВЫМ ПЛАМЕНЕМ

3.1 Математическая модель и оптимизация основных технологических факторов нагрева газовым пламенем для химико-термической обработки стали СтЗ.

3.2 Математическая модель и оптимизация состава насыщающей смеси для изотермического боротитанирования стали ЗОХ.

ГЛАВА 4 ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ГАЗОПЛАМЕННОГО НАГРЕВА.

4.1 .Изотермическая химико-термическая обработка стали.

4.1.1. Насыщение сталей бором.

4.1.2. Насыщение сталей бором и хромом.

4.1.3. Механические свойства борохромированных слоев, полученных при нагреве газовым пламенем.

4.2 Результаты промышленных испытаний.

Машиностроение является основой экономики любой страны. Эффективность работы этой отрасли производства напрямую зависит не только от научно-технического прогресса, но и от уровня используемых технологий. Проблема повышения эффективности работы машиностроительной отрасли заключается в повышении качества выпускаемой продукции наряду со снижением металлоемкости производства, что в свою очередь, как правило, влечет снижение себестоимости и повышение конкурентоспособности изделий машиностроительной отрасли.

Для решения этой проблемы одновременно с разработкой и внедрением новых материалов и технологий необходимо повышать технологический и эксплуатационный уровень уже используемых 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 расходов бюджета любого хозяйства, использующего продукции отрасли машиностроения.

Для работы в сложных условиях эксплуатации применяются так называемые специальные стали, их производство и номенклатура постоянно увеличиваются. Однако эти стали часто не в полной мере отвечают все возрастающим требованиям производства. Кроме того, эти 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, основанных на объемном легировании такими элементами как хром, ванадий, вольфрам, молибден и т.п. 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 таких элементов как: хром, ванадий, молибден, вольфрам, медь, никель, азот, кремний, бор, и т.д.[1, 2, 3,4,5]

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 [6, 7, 8].

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) [6]. 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 стандартное термическое оборудование.

К перспективным методам ХТО относятся борирование, хромирование, силицирование, титанирование и совмещенные процессы: борохромирование, хромосилицирование, боротитанирование [7, 8].

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 [8, 9], силицидные -кислотостойкостью [8, 10], хромирование придает жаростойкость [11], соответственно комбинированные покрытия совмещают в себе в некоторой степени исходные свойства однокомпонентных покрытий.

Так, например, борохромированные слои позволяют снизить хрупкость поверхностных слоев, повысить их жаростойкость по сравнению с борированными при практически одинаковой их твердости [10, 12]. Износостойкость покрытий из борида титана несколько выше чем боридных, а коррозионная стойкость в бескислородных кислотах выше чем у слоев из борида хрома [13, 14].

Однако, в настоящее время в народном хозяйстве страны сформировался новый сегмент - предприятия малого бизнеса, численность рабочих в которых колеблется от 1-2 до 15 человек. И таким предприятиям достаточно сложно организовать термический участок для упрочнения используемых изделий в соответствии со своими потребностями. Большим же предприятиям, работающим в режиме серийного производства, как правило, тяжело подстраиваться под запросы малых предприятий ввиду незначительного объема заказа, что влечет удорожание конечной продукции. Однако, в общей доле рынка доля мелких предприятий довольно высока ( в среднем около 20%) и в некоторых регионах достигает 40-60%.

Для мелких предприятий представляет интерес способ упрочнения, в том числе и химико-термической обработки, который бы позволил с одной стороны, получать готовое изделие, обладающее высокими эксплуатационными свойствами с минимальными затратами и позволяющий производить это упрочнение низкоквалифицированным или неквалифицированным персоналом по возможности в «полевых условиях» с другой стороны.

Наиболее удовлетворяет перечисленным выше условиям способ нанесения покрытий с использованием газового пламени - оборудование для газопламенной обработки мобильно, достаточно дешево и для его эксплуатации не требуется высокой квалификации персонала. Однако применяемые в настоящее время способы газопламенного нанесения покрытий включают только напыление либо наплавку порошковых композиций, содержащих в своем составе такие дефицитные и дорогостоящие компоненты как никель и карбиды хрома, ванадия, вольфрама. Стоимость порошков для нанесения покрытий газопламенным способом составляет от 15 до 190 долларов США в зависимости от состава в случае импортных материалов и от 150 до 6000 рублей - для отечественных наплавочных материалов.

Указанных недостатков лишен способ газопламенной химико-термической обработки. Наиболее распространенный способ - это газопламенное науглероживание, который применяется, но достаточно редко. Про газопламенное насыщение такими элементами как азот, бор, хром, кремний, алюминий и т.д. в литературе упоминаний не встречается.

Основной целью работы является Разработка насыщающей смеси и технологии одновременного насыщения поверхности углеродистых сталей бором и хромом при газопламенном нагреве, на основе оптимизации ее состава и установления закономерностей структурообразования диффузионного слоя.

Для достижения основной цели были решены следующие задачи:

- исследовать возможность получения многокомпонентных диффузионных покрытий на основе бора и хрома из насыщающих обмазок на сталях в условиях нагрева газовым пламенем;

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

- построить математическую модель влияния химического состава и содержания компонентов насыщающей смеси на состав и физико-механические свойства диффузионных слоев;

- разработать технологию химико-термической обработки поверхностей ножей для измельчения полипропилена с помощью газопламенного нагрева.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Методами оптической и электронной микроскопии, а также рентгеноструктурного анализа исследованы особенности фазового состава и тонкой структуры полученных при газопламенном нагреве диффузионных слоев на углеродистых сталях.

2. Установлено, что процесс диффузионного борохромирования при газопламенном нагреве принципиально возможен. Показано, что газопламенный нагрев значительно ускоряет процессы комплексного борирования, кроме того в результате высокой скорости роста температуры образца не происходит увеличения размеров зерна сердцевины, приводящего к снижению ее пластичности и ударной вязкости, что выгодно отличает газопламенное насыщение от печного изотермического. Борохромирование газопламенным способом изделия имеют в 1,2-1,7 раз большую ударную вязкость, чем борохромированные в изотермических условиях, и это позволяет им работать в более экстремальных условиях.

3. Исследование насыщающей способности новых активных сред для ХТО показало следующее:

- процесс насыщения бором и хромом с применением в качестве источника тепла газового пламени возможен только при использовании самозащитных обмазок.

- окислительное пламя, имеющее повышенное содержание кислорода в отношении к пропану 0,55-0,70 значительно активирует процесс насыщения.

- наиболее активно процесс насыщения протекает в интервале от 90 до 1800 секунд от прогрева до температуры 900°С.

Определено оптимальное сочетание и количественное содержание компонентов насыщающей среды для поверхностного упрочнения сталей в условиях скоростного газопламенного нагрева. 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 обработки. Для одновременного борохромирования оптимален состав, содержащий 25% масс, диборида хрома, 60% масс, карбида бора, 15% углерода и 2,5% фторида натрия в качестве активатора.

5. Предложены математические модели, описывающие процесс одновременного насыщения бором и хромом при газопламенном нагреве.

6.Установлены расчетные модели, позволяющие установить параметры упрочненного слоя в зависимости от состава насыщающей смеси и значений технологических факторов процесса нагрева.

Совокупность экспериментальных и теоретических результатов, полученных при проведении исследований, позволяет:

-разработать способы химико-термической обработки инструмента из углеродистых и легированных сталей при нагреве газовым пламенем с целью повышения его износостойкости и ускорения процесса диффузионного насыщения бором и хромом;

-дать рекомендации по химико-термической обработке ножей для измельчения полипропилена в нестационарных условиях с использованием нагрева пропано-кислородным пламенем.

Результаты исследований позволили разработать эффективную технологию комплексного насыщения бором и хромом ножей для измель.чения помипропилена при газопламенном нагреве и повысить их износостойкость в 5,2 раза.

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

2. Шлямнев А.П., Свистунова Т.В., Лапшина О.Б. и др. Коррозионностойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы: справ, изд. М.: Интермет 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. Машиностроение. Энциклопедический справочник. Гл. ред., акад. Е.А. Чудаков. Т.З,. М.: Госуд. Науч.-Техн. Изд-во Машиностроит. Литературы, 1947. 738 с.

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

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

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

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

10. Борисенок Г.В., Васильев Л.А., Ворошнин Л.Г. и др. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник. М.: Металлургия, 1981. 424с., ил.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

25. Баландин Ю. А. Бороазотирование штамповых сталей в псевдоожиженном слое. МиТОМ, №9 2004, С. 17-19.

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

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

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

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

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

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

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

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

34. 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.

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

36. 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. 62-64.

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

38. 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.

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

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

41. 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.

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

43. Лабунец В.Ф., Ворошнин Л.Г., Киндарчук М.В. Износостойкие боридные покрытия. Киев: Техника, 1989. - 158с.

44. Ляхович Л.С., Ворошнин Л.Г., Щербаков Э.Д., Панич Г.Г. Силицирование металлов и сплавов. Минск: Наука и техника, 1972. 277с., ил.

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

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

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

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

49. Transner N. Borieren Hinweise nicht nur fur den Praktiker // Der Konstrukteur. - 1986. - №6. - S.48-62.

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

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

52. Глухов В.П. Боридные покрытия на железе и стали. Киев: Наукова думка, 1970. 208с., ил.

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

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

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

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

57. 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.

58. Колубаев A.B., 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.

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

60. 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.

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

62. 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.

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

64. 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.

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

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

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

68. Земсков Г.В., Коган Р.Д., Шевченко И.М. и др. Поверхностное легирование стали боридо7 и карбидообразующими элементами. В кн.: Жаропрочность и жаростойкость материалов. М., Наука, 1976, с. 212-216, ил.

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

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

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

72. 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.

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

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

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

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

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

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

79. 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.

80. 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.

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

82. Иванов С.Г. Разработка состава насыщающей смеси и технологии диффузионного борохромирования тяжелонагруженных деталей машин и инструмента. Дисс. Канд. Техн. Наук, Барнаул 2007, 175с., ил.

83. Алт. гос. тех. ун-т им. И.И.Ползунова.- г. Барнаул: Типография АлтГТУ, 2009.-С. 179- 183.

84. Гурьев A.M.,Иванов С.Г.,Гурьев М.А.,Иванов А.Г. Особенности комплексного диффузионного насыщения высоколегированных сталей бором и хромом . Журнал "Современные наукоемкие технологии" №1 2010.- С. 92-93.«Развитие научного потенциала высшей школы».

85. Гурьев A.M.,Иванов С.Г., Гурьев М.А., Иванов А.Г. Влияние добавок легирующих элементов в обмазку на процессы комплексного многокомпонентного диффузионного насыщения стали. "Современные наукоемкие технологии" №7, 2010. С. 170-172.

86. Иванов С.Г., Гурьев М.А., Гурьев A.M., Земляков С.А., Иванов А.Г. Интенсификация процессов поверхностного легирования изделий из железоуглеродистых сплавов. Современные наукоёмкие технологии №9, 2010.-С.101 102.

87. Гурьев А. М., Иванов А. Г., Марков П. А., Иванов С. Г. Повышение эксплуатационных свойств стальных изделий в полевых условиях. Ползуновский альманах №1, 2010.-С. 205 206.

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

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

90. Положительное решение о выдаче патента на изобретение РФ 2010145915/02(066190)

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

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

93. 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.

94. Лыгденов Б. Д. Интенсификация процессов формирования структуры диффузионного слоя при химико-термической обработке сталей. Дисс. Докт. Техн. Наук, Барнаул 2008, 358с., ил.

95. Иванов С.Г., Гурьев A.M., Лыгденов Б.Д. Диффузионное борохромирование сталей из обмазок. XIII Международная научно-практическая конференция "Современные техника и технологии СТТ 2007" 2630 марта 2007 г.- Томск: Изд-во ТПУ.- 2007. С. 48-49.

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

97. Хараев Ю.П., Власова O.A., Иванов С.Г.,Попова H.A. Особенности формирования карбидной фазы литой быстрорежущей стали. Фундаментальные проблемы современного материаловедения- №1,- 2007. -С. 129 131.

98. 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.

99. Гурьев A.M., Власова O.A., 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.