автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Термодиффузионное упрочнение деталей гидроцилиндров из серого чугуна алюминием и ванадием в порошковой среде

КОНТРОЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

На правах рукописи

ВЕСЕЛОВСКИЙ Александр Александрович

ТЕРМОДИФФУЗИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ГИДРОЦИЛИНДРОВ ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА АЛЮМИНИЕМ И ВАНАДИЕМ В ПОРОШКОВОЙ СРЕДЕ

Специальность 05 16 01 - Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/

1 8 СЕН 2008

Магнитогорск - 2008

003446000

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им Г И Носова»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Завалищин Александр Николаевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Яковлева Ирина Леонидовна

кандидат технических наук, доцент Корнилов Владимир Леонидович

Ведущая организация

ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод ММК-МЕТИЗ» (г Магнитогорск)

Защита состоится 14 октября 2008 г в 14-00 ч на заседании диссертационного совета Д 212 111 05 при ГОУ ВПО « Магнитогорский государственный технический университет им Г И Носова» по адресу 455000, г Магнитогорск, пр Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им Г И Носова»

Автореферат разослан « 2008 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Полякова М А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие многих отраслей современной техники, повышение надежности машин и механизмов, увеличение производительности оборудования и труда в значительной мере зависят от разработки и практического применения различных типов защитных покрытий

Защитные покрытия, формируемые на сером чугуне, в ряде случаев позволяют вытеснить детали из дорогих легированных чугунов, так как по свойствам практически не уступают последним

Серый чугун хорошо зарекомендовал себя для изготовления деталей, работающих в условиях сухого трения скольжения и трения со смазкой Однако, долговечность таких деталей низка при высоких удельных нагрузках и особенно в случае попадания в зону трения абразивных частиц Так, критерий предельного состояния телескопического гидроцилиндра согласно ГОСТ 16514-96 наступает через 50 000 циклов нагружения (двойных ходов) При этом наблюдается полный износ чугунных направляющих

Такой ресурс работы направляющих телескопических гидроцилиндров, традиционно изготовляемых из серого чугуна СЧ 20, является недостаточным для специальной техники, постоянно занятой выполнением технологических операций

Кроме того, для тяжело загруженной спецтехники, оснащенной одноступенчатыми гидроцилиндрами в условиях неравномерности распределения сил, действующих на шток гидроцилиндра при подъеме или опускании груза, сильных ветровых нагрузках может наблюдаться значительный износ таких деталей, как поршень и сквозная крышка также изготовляемых из серого чугуна СЧ 20

Учитывая, что до утилизации выше приведенных деталей гидроцилиндров изнашивается поверхностный слой не значительной толщины, то становится технологически целесообразным создание износостойких и коррози-онностойких покрытий

Элементами, позволяющими создать такое покрытие, являются алюминий и ванадий Ванадий является сильным карбидообразующим элементом и ориентирован на повышение износостойкости, алюминий способствует защите покрытия от коррозии в ряде агрессивных технологических сред

Создание алюмованадированного слоя на трущихся чугунных деталях гидроцилиндров позволит продлить срок эксплуатации всего гидроцилиндра в целом, снизит потребность в запасных частях и повысит уровень надежности оборудования, оснащенного такими гидроцилиндрами Это является важным моментом для создания положительной репутации предприятия на отечественном рынке Кроме того, замена дорогих деталей из легированных чугунов деталями из серого чугуна, содержащими апюмованадированное покрытие в конечном итоге способствует удешевлению агрегата в целом

Поэтому повышение стойкости трущихся чугунных деталей гидроцилиндров термодиффузионным алюмованадированием является актуальной задачей современного развития народного хозяйства, так как работы во всех

его отраслях ведутся с помощью машин и механизмов, в комплектацию которых входят различные типы гидроцилиндров

Цель и задачи исследований Целью диссертационной работы является увеличение срока службы деталей из серого чугуна для телескопических и поршневых гидроцилиндров

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи исследований

1 Разработка технологии термодиффузионного насыщения изделий из серого чугуна алюминием и ванадием из порошковой среды контактным способом

2 Исследование кинетики процесса упрочнения и определение рациональных параметров насыщения

3 Анализ строения состава и свойств полученных диффузионных алюмованадированных слоев

4 Оценка свойств полученного покрытия при испытаниях на износ и коррозию в жидких средах

Научная новизна работы.

1 Установлено, что в порошковой насыщающей среде, содержащей алюминий и феррованадий, в зависимости от соотношения насыщающих компонентов образуются два основных типа структур диффузионных покрытий, отличающихся морфологией и микротвердостью Первый тип покрытия состоит из карбидов ванадия У2С и УС толщиной 10-55 мкм с микротвердостью 25 ООО - 28 ООО МПа появляется при содержании алюминия до 2 - 3 %, свыше этого содержания образуются двухслойные толщиной до 70 - 120 мкм алюми-нидные покрытия ИеА!, Ре3А1, РетА1С с внешним слоем, характеризующимся микротвердостью 4300 - 5500 МПа и внутренним слоем с микротвердостью 3000 - 4000 МПа

2 Определен коэффициент диффузии ванадия при термодиффузионном ванадировании серого чугуна в шихтовом составе, содержащем 60 % по массе феррованадия (в отсутствии алюминия) и проведено сравнение его величины с величиной коэффициента диффузии алюминия в серый чугун Выявлено, что при температуре 840°С коэффициент диффузии ванадия в два раза выше, чем алюминия, их величина составляет 7,35 10"'°см2/с и 3,913 10"'° см2/с соответственно При температуре 900°С коэффициент диффузии ванадия составит 8,0 10 10 см2/с, а алюминия - 10,2 10 '°см2/с, а при температуре 1020°С коэффициент диффузии алюминия в 6 - 7 раз превышает коэффициент диффузии ванадия (Оу= 14,8 10"'° см2/с, Эд, = 9,33 10~9 см2/с)

3 Установлено взаимное влияние на диффузионную подвижность алюминия и ванадия при алюмованадировании серого чугуна в температурном интервале 840 - 1020°С и концентрациях алюминия 2 % и феррованадия 60 %, величина коэффициента диффузии ванадия под влиянием алюминия м) при температуре 840°С составляет 3,768 10 '°см:/с, при температуре 1020 °С -225,1 10 10 см2/с, значение коэффициента диффузии алюминия под влиянием ванадия (0А1 у) практически не изменяется в исследованном интервале температур и составляет в среднем 9,8 10""см2/сек Построены математические модели, позволяющие рассчитать величины [\Д1 и 0Д| V при известных коэффи-

циентах диффузии алюминия и ванадия в серый чугун и температуре процесса упрочнения

4 Определено, что карбидные слои образованы карбидами ванадия У2С и УС С увеличением содержания алюминия до 2 - 5 % доля карбида У2С уменьшается пропорционально концентрации алюминия в насыщающей среде, а в слое появляется и растет количество фазы Ре3А1С

Алюминидные покрытия, состоящие из алюминидов железа РеА1, Ре3А1, Ре,А1С, во внутреннем светлом слое могут содержать небольшое количество ванадия до 0,2 - 0,3 %, который диффундировал в процессе разогрева печи, когда коэффициент диффузии алюминия был низок и не блокировал диффузионный поток ванадия

Практическая значимость результатов исследований.

Проведенные исследования структуры и свойств чугунов с покрытием позволили достичь следующих практических результатов

1 Разработана технология термодиффузионного алюмованадирования деталей гидроцилиндров из серого чугуна в порошковой смеси контактным способом

2 Разработана и изготовлена установка для термодиффузионного алюмованадирования чугунных деталей гидроцилиндров

4 Испытаниями определена высокая износостойкость упрочненного серого чугуна СЧ 20 в условиях сухого трения скольжения, которая при удельной нагрузке на образцы 2 кг/см2 в 10 раз выше износостойкости исходного серого чугуна

5 Получена высокая износостойкость алюмованадированного покрытия на сером чугуне СЧ 20 при испытаниях в условиях трения скольжения со смазкой, загрязненной абразивными частицами (А^О-О в количестве 5 % по объему, которая при удельной нагрузке 2 кг/см2 в 4 раза, при удельной нагрузке 3 кг/см' в 8 раз выше износостойкости исходного чугуна СЧ 20

6 В условиях сухого абразивного истирания, проводимого по ГОСТ 23 208-79, было установлено, что коэффициент относительной износостойкости алюмованадированного чугуна составляет Ки = 5 (по отношению к отожженной стали 45), а в сравнении с исходным (не упрочненным) чугуном СЧ 20 - Ки = 24

7 Испытаниями на коррозионную стойкость, проводимыми согласно ГОСТ 9 908-85, установлено, что коррозионная стойкость апюмованадирован-ных слоев на серых чугунах значительно превышает коррозионную стойкость чисто ванадированных слоев на этих же чугунах во всех испытанных модельных растворах агрессивных сред, кроме 1 %-ного раствора соляной кислоты, 25 % раствора №С1 и морской воды

Производственные испытания и внедрение.

Результаты диссертационной работы были опробованы в производственных условиях на таких предприятиях как ЗАО «Орский завод компрессоров» и ООО «АПЕКС» (г Орск) Разработаны рекомендации по термодиффузионному алюмованадированию поршневых колец для поршневых компрессоров для ЗАО «Орский завод компрессоров» и направляющих телескопических гидроцилиндров для ООО «АПЕКС»

Внедрено производство телескопических гидроцилиндров модели 55102-8603010А с алюмованадированными направляющими на ОАО ПО «САРМАТ» (г Орск)

Апробация работы. Основные положения диссертации были изложены и обсуждены на Н-й Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин» (г Пенза, 2006 г), 65-й научно-технической конференции ГОУ ВПО «МГТУ» (г Магнитогорск, 2007г.), Х1-ой научно-технической конференции молодых специалистов ЗАО «МРК» (г Магнитогорск, 2007г), Х1-ой Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (г Пенза, 2007г), У1-й Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (г Пенза, 2008г)

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 11 публикациях, из них 2 статьи входит в рецензируемые издания, рекомендованные ВАК

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения Она содержит 143 страниц машинописного текста, 43 рисунка и 32 таблицы Библиографический список включает 109 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении в краткой форме обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, показана научная новизна и практическая ценность работы

В первой главе рассмотрена область применения деталей из серых чугунов, выполнен критический анализ существующих методов упрочнения чугунных деталей нанесением различного рода защитных покрытий

Проведенный в данной главе анализ регламентированных сроков работы чугунных деталей гидроцилиндров, установленных ГОСТ 16514-96, показал достаточно низкую стойкость направляющих телескопических гидроцилиндров, изготовляемых из серого чугуна СЧ 20

Во второй главе приведены основное оборудование, материалы и методика проведения экспериментов по созданию и исследованию алюмована-дированных слоев

Процесс термодиффузионного алюмованадирования осуществлялся в разработанной экспериментальной лабораторной установке на базе муфельной печи, типа СУОЛ Схема данной установки представлена на рис 1.

Данная установка предназначена для упрочнения полых деталей типа тел вращения (поршней, сквозных крышек, направляющих гидроцилиндров и тд)

Загрузка установки упрочняемыми деталями и реакционной смесью осуществляется при вертикальном положении камеры 1 (положение отмечено пунктиром) Упрочняемые детали на глуходонной гильзе 9 располагаются либо через промежуточные вставки, либо вплотную друг к другу Степень заполнения реторты 6 смесью составляет 85 - 90 % по объему для обеспечения возможности пересыпания при вращении и создании виброожиженного слоя при работающем магнитострикционном вибраторе 16

Рис 1 Установка для термодиффузионного алюмованадирования (Патент № 60939) 1 - камера нагрева, 2 - цилиндрический муфель, 3 - электронагреватель, 4 - датчик температуры, 5 - механизм поворота, 6 - реторта, 7 и 8 -крышки, 9 - глуходонная гильза, 10 - вал, 11- передние катки, 12 - задние катки, 13 - вилка из изоляционного материала, 14 - привод, 15 - термопара, 16 -вибратор, 17 - источник электропитания, 18 - упрочняемые детали, 19 - промежуточные вставки между деталями

Для выявления оптимального количества феррованадия в шихте, при котором обеспечивается максимальная толщина и микротвердость упрочненного слоя, были проведены эксперименты по ванадированию серых чугунов (без наличия алюминия в шихте) Содержание феррованадия варьировали от 30 до 65 % по массе Упрочнение вели при температуре !020°С Время упрочнения образцов при данной температуре составляло 5 часов

Для выявления оптимального содержания алюминия в шихте были зафиксированы на постоянном значении содержания феррованадия согласно оптимально определенного ванадированием и хлористого аммония Содержание алюминия варьировали от 0,5 % до 5 % по массе

Исследование алюмованадированных покрытий проводили с помощью фазового рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов Съемку полнопрофильных дифрактограмм проводили с боковой поверхности образцов размерами 10x10x7 с помощью рентгеновского дифракто-метра ДРОН- 4, управляемого компьютером

Микрорентгеноспекгральный анализ проводили с использованием растрового электронного микроскопа 1БМ 6480 ЬУ со спектром энергетической дисперсии на базе кристалла кремния, допированного бором, с охлаждением кристалла с помощью эффекта Пельтье

Оценка коррозионной стойкости покрытий проводили в модельных растворах кислот, солей, морской и водопроводной воде по ГОСТ 9 908-85

В третьей главе приведен анализ полученных результатов и определены рациональные параметры насыщения

В результате проведенных экспериментов по ванадированию серых чугунов была построена зависимость толщины упрочненного слоя от содержания феррованадия в шихте (рис 2)

35 40 45 50 55 «0 «5 70 Содержание ферованадия, % масс.

Рис, 2 Зависимость толщины упрочненного слоя от содержания феррованадия в шихте

Как видно из рисунка 2, максимальная толщина ванадированного слоя наблюдается при концентрациях феррованадия 60 - 65 %.Дальнейшее увеличение содержания приводит даже к некоторому снижению толщины из-за нарушения процессов массопереноса активных атомов к реакционной поверхности. Это связано с началом окомкования реакционной смеси и ухудшению диффузионных процессов.

Распределение микротвердости по сечению упрочненного слоя для образцов, упрочненных в шихтовых составах, содержащих 40 %, 50 %, 60 % масс. ФВо50У0,3 представлено на рис.3, микроструктура - на рис. 4.

Поведение кривой 3 (см. рис.3) объясняется наличием двух типов карбидов ванадия в упрочненном слое. На поверхности с удалением вглубь на 20 -25 мкм располагается зона карбидного слоя на базе карбида ванадия У2С, под ним располагается карбидная зона меньшей твердости шириной 15 - 20 мкм, основанная карбидом ванадия УС.

При содержаниях алюминия в шихте менее 1,5 % толщина упрочненного слоя достаточно мала, не более 25 - 30 мкм, микротвердость слоя достаточно высока - 27000 - 29000 МПа.

Если содержание алюминия в шихте лежит в пределах 1,5 - 2,5 %, то здесь наблюдается увеличение толщины упрочненного слоя до 35 - 55 мкм и снижение величины микротвердости до 24000 - 25000 МПа на поверхности упрочненных образцов с плавным понижением вглубь до величины 21000 -19500 МПа.

При содержаниях алюминия в шихте более 2,5 % микротвердость в покрытии начинает стремительно снижаться пропорционально концентрации алюминия в шихте.

О 10 20 30 40 50 60

Растояние от поверхности, мкм

Рис.3. Распределение микротвердости по глубине упрочненного слоя для образцов, упрочненных в шихтовых составах с содержанием феррованадия в шихте: 1-40 %; 2- 50 %; 3- 60%

а б в

Рис. 4 Микроструктура упрочненного слоя при упрочнении в шихте, содержащей феррованадия (хЗОО): а - 40 %; б - 50 %; в - 60 %.

Исследованиями кинетики совместного диффузионного насыщения серого чугуна алюминием и ванадием на первом этапе была установлена зависимость коэффициента диффузии ванадия Эу в серый чугун от температуры:

' - 66069Л

Оу = 5-ехр

см 7с (1)

ят

Вторым этапом по специальной методике были рассчитаны коэффициенты диффузии ванадия и алюминия под влиянием потоков друг друга -Эу А| и 0А| Результаты полученных расчетов приведены в таблице 1.

Математической обработкой экспериментальных данных были определены регрессионные зависимости О ум и ПА|у от Оу, Од; и Т (температуры):

Оу.аг 1011 = 15,401 - 20,402-1010-Эу + 4,8223-1010-БА, - 0,4959- Ю20-ОА1-Оу + + 0,0538-1010-0ут + 4,8223-10,0-0А,+ 0,00059-1020-ОА|-ОуТ + 0,0053 1010ОА|-Т

(2)

ВА,у 10"= 6,5675 - 0,6513-1010-Оу - 1,426-10"3-Т - 5,56-Ю8-0А1 + 7,3- Ю17-Оу-Оа1 + 1,25-Ю7-ОуТ+5,647-104-ОД|-Т-3,110,3ОА1-ОуТ (3)

Таблица 1

Значения коэффициентов диффузии в серый чугун СЧ 20

Температура, °С Бу, см2/с Од], см2/с Будь СМ2/с ВЛ|Л/, см2/с

840 7,35 Ю"10 3,913 Ю"10 3,768 10 10 5,994 10""

870 7,75 Ю'10 5,4 10ш 9,69 10"'и 8,168 Ю"11

900 8 Ю"10 1,02 10"9 1,641 10"9 1,231 10"ш

930 8,9 10'ш 1,85 10 9 5,126 10"9 7,256 10'"

960 9,7 10"ш 3,31 109 9,351 10"9 9,767 10""

1020 14,8 Ю-10 9,33 10 9 2,251 10* 1,544 10-ш

Полученные коэффициенты регрессии статистически значимы, модели являются адекватными (по критерию Фишера) с доверительной вероятностью 0,95

С целью установления рациональных параметров насыщения были определены температурно-временные характеристики процесса упрочнения, анализ которых показал, что рациональная толщина покрытия составляет 35 -55 мкм, а время для достижения заданной толщины составляет 4 - 6 часов

Четвертая глава посвящена исследованиям строения, состава и свойств диффузионных алюмованадированных слоев на серых чугунах

В зависимости от содержания алюминиевого порошка в насыщающей среде при постоянном содержании в ней феррованадия (60% - 65 %), используя результаты металлографического анализа, можно выделить два основных типа структур диффузионного покрытия, отличающихся морфологией и микротвердостью К первому типу структур следует отнести тонкие слои с высокой микротвердостью, идентифицированные как карбидные Данный тип характерен для низкого содержания алюминия в шихте Ко второму типу отнесены толстые покрытия с пониженной микротвердостью - алюминидные, имеющие двухслойную структуру и образующиеся при повышенном содержании алюминия в шихте

Карбидные покрытия образуются в насыщающей среде с содержанием алюминия до 2 - 3 % Микроструктура карбидных слоев с различным содержанием алюминия представлена на рисунке 5

а б в

Рис 5 Микроструктура упрочненного слоя при содержаниях алюминия в шихте (хЗОО) а - 0,5 %, б - 0,75 %, в - 2 %

Распределение микротвердости по сечению упрочненного слоя представлено на рисунке 6. Микротвердость сформированных карбидных слоев меняется от поверхности вглубь от 27000 - 28000 МПа до 25000 - 26000 МПа при обработке в реакционной среде, содержащей 0,75 % алюминия и от 24000 - 25000 МПа до 19000 - 20000 МПа для реакционной среды, содержащей 2 % алюминия.

Плавное понижение микротвердости в пределах упрочненного слоя от поверхности вглубь связано с изменением объемной доли карбидов - У2С которого больше на поверхности и УС, содержание которого увеличивается вглубь слоя.

20 30 40

Глубина упрочнённого слоя, мкм

Рис.6. Распределение микротвердости по сечению упрочненного слоя при содержаниях алюминия в шихте, % масс.: 1- 0,75 %; 2 - 2 %

Достоверность предположения о диффузионном образовании карбидов ванадия подтверждается результатами микрорентгеноспектрального и фазового рентгеноструктурного анализов.

Результаты фазового рентгеноструктурного анализа чугунного образца, упрочненного из реакционной среды, содержащей 0,75 % А1 представлены в таблице 2.

Результаты микрорентгеноспектрального анализа образца, упрочненного в шихте, содержащей 2 % по массе алюминия, представлены на рисунках 7 и 8.

Рис. 7. Микроструктура образца после упрочнения при рациональном режиме с указанием положения анализируемых точек

а б

Рис 8 Спектрограммы а - внешнего светлого слоя, б - темного основного упрочненного слоя

Таблица 2

Результаты рентгеноструктурного анализа образца с покрытием из среды, содержащей 0,75 % алюминия

Место замера Фаза %, объемн. %, масс Периоды, A Содержание элемента при данном фазовом составе

Fe V С

на поверхности v2c VC (FeV)3C a- Fe 49 5,6 11,6 0,8 56 6 12 1,0 а = 2,9 а = 4,162 а = 10,85 а = 2,88 27 56 7

на расстоянии от поверхности 20 - 30 мкм V2C VC (FeV)3C a- Fe 50,6 39,2 7,7 2,5 54,9 32,1 10,0 3,0 а = 2,896 а = 4,164 а = 10,84 а = 2,875 10 70 20

на расстоянии от поверхности 50-60 мкм a- Fe ( период а = 2,866 A) + следы VC

Согласно полученным данным основной слой представлен карбидами V2C и VC (Spectrum2), образовавшимися в результате диффузии ванадия вглубь поверхности и соединении его с углеродом графита После образования карбидного слоя под действием градиента концентрации по железу между покрытием и насыщающей средой в слой карбида начинает проникать железо на небольшую глубину с образованием тонкого поверхностного слоя, обогащенного железом (Spectrum 1) Послойный рентгеноструктурный анализ подтверждает сделанное предположение о фазовом составе покрытия, состоящего из фаз V,C, VC, Fe3AlC, a-Fe (табл 3)

Сложные карбиды ванадия и железа типа (FeV^C образуются не только в результате поверхностного насыщения карбида ванадия железом Результаты точечного анализа включений внутри слоя карбидов ванадия говорит о неоднородном распределении элементов В процессе охлаждения происходит

выделение карбидных фаз с повышенным содержанием железа и пониженным ванадия (рис.9 б) по сравнению с окружающим карбидным слоем (рис.9 а).

"5рес1гит 1

01 2345678? ¡■ т Зса1е ¿783 {Лз Си»*' 0 000 кеУ «V

а

5рес1гит 3

б

Рис. 9 Структура и спектрограммы: а - карбидного слоя; б - выделений в слое (отмечено место замера)

При содержании алюминия в среде с 2 % он начинает проникать в поверхность и, имея более высокую подвижность, чем ванадий, легирует цементит. На рентгенограмме при этом появляется фаза Ре3А1С.

При увеличении содержания алюминия в шихте до 2,5 - 3 % начинается более интенсивная его диффузия в поверхность с увеличением объемной доли фазы РезА1С до 32 %. При этом диффузия ванадия начинает подавляться, карбиды У2С исчезают, а доля карбидов УС уменьшается до 58 %.

Использование насыщающей среды с содержанием алюминия 5 % и выше существенно изменяет характер и кинетику насыщения. Алюминий, имеющий наибольшую скорость диффузии в железе, активно проникает в поверхность с образованием слоя алюминидов, которые блокирует диффузию ванадия. Поэтому образование карбидов ванадия прекращается. В результате формируются характерные для алитирования двухфазные покрытия (рис. 10).

Первый внешний слой имеет более темную окраску после травления в 4 % азотной кислоте, второй, прилегающий к основе, не травящийся - белый. Микротвердость внешнего слоя колеблется от 5500 МПа до 4300 МПа в зависимости от удаления от поверхности и от условий насыщения, очевидно, из-за

различного соотношения элементов в покрытии, во втором слое - 3000 -4000 МПа.

Таблица 3

Результаты рентгеноструктурного анализа образца, упрочненного из

среды, содержащей 2 % алюминия

Место замера Фаза %, объемн. %, масс. Периоды, А Содержание элемента при данном фазовом составе

Бе V А1 С

на поверхности У2С УС Ре3А1С а- Ре 14 73 1,2 6,0 16,3 63,5 3,4 4,6 а = 2,896 а = 4,164 а= 3,771 а = 2,87 7 75,7 1 8,7

на расстоянии от поверхности 40 - 50 мкм УС Ре3А1С а- Ре 36 0,4 63,6 38,6 1,4 60 а= 4,17 а = 3,771 а = 2,875 64 24 о .3 9

на расстоянии от поверхности 60 -70 мкм УС а- Ре 11 89 8,2 91,8 а = 4,17 а = 2,868 93 5,8 1,2

на расстоянии от поверхности 90 - 100 мкм только феррит (а- Ре); а = 2,867А

а б

Рис. 10. Микроструктура диффузионных слоев, полученных в среде с содержанием алюминия (хЗОО): а - 5 % масс.; б - 7 % масс

Результаты микрорентгеноспектрального анализа образца, упрочненного из среды, содержащей 5 % алюминия, представлены на рисунке 11.

Фазовый рентгеноструктурный анализ подтверждает существование только алюминидов в диффузионной зоне. Результаты дифрактограммы представлены в таблице 4.

При концентрациях алюминия в шихте свыше 7 % по массе диффузия алюминия усиливается, и формируются толстые двухслойные покрытия (рисунок 12). Покрытие становится пористым, т.к. диффузионный поток железа из центральных слоев к зоне формирующегося покрытия меньше по сравнению со встречным диффузионным потоком алюминия. Поэтому дефицит атомов железа в покрытии создает вакансии, которые затем объединяются в поры.

Рис. 11 Результаты микрорентгеноспектрального анализа алюминид-ных слоев: а - спектрограмма от внешнего темного слоя; б - микроструктура алюминидного слоя на сером чугуне; в - спектрограмма от внутреннего

светлого слоя

Таблица 4

Результаты рентгеновского количественного фазового анализа _образца с содержанием 5 % алюминия в шихте_

% объ-емн. Элементный

Место замера Фаза % масс Периоды, А % пр состав и данном >азовом

А1 Ре С

на поверхности РеА1 (В2) Ре3А1 Ре3А1Сх 50 33 3,5 53 32,2 3,8 а = 2,887 а = 5,783 а = 3,755 ат. мае. 41 30,5 40 61 0,5 0,3

РеА1

на расстоянии 20 мкм (В2) 42 44 а = 2,893

РеА1 (А2) Ре3А1Сх а-Ре 23 22 13 23 23 10 а = 2,914 а = 3,760 а = 2,874 ат. мае. 34,6 25,6 63.7 73.8 1,7 0,6

РеА1 40,3 42,3

на расстоянии 50 мкм (В2) 19 20,8 а = 2,898

РеА1 (А2) Ре3А1Сх а-Ре 5,7 35 6,5 30,4 а = 2,930 а = 3,759 а = 2,875 ат. мае. 28,2 21,3 70,9 78,4 0,9 0,3

Появление ванадия во втором слое покрытия (рис. 12 а) связано с тем, что в период разогрева печи коэффициент диффузии ванадия превышает по величине коэффициент диффузии алюминия, и ванадий и алюминий совместно диффундируют в чугун. Согласно кинетических расчетов при 840°С коэффициент диффузии ванадия в серый чугун почти в 2 раза выше коэффициента диффузии алюминия, но при рабочей температуре 1000 - 1020 °С кинетика

меняется и коэффициент диффузии алюминия, согласно кинетических расчетов в 6 - 7 раз становится больше коэффициента диффузии ванадия.

I п Эрейоип 2

Рис. 12 Микроструктура и спектрограммы алюминидного слоя: ■ от внутреннего светлого слоя (х220); б - от внешнего темного слоя (х2000)

После образования интерметаллического слоя алюминидов железа проникновение в поверхность ванадия блокируется, и он оттесняется во второй слой.

В пятой главе производится оценка свойств полученного покрытия при испытаниях на износ и коррозию.

Методом sin" у были определены остаточные напряжения в покрытии. Съемку для определения напряжений проводили на дифрактометре ДРОН-4, используя Со„ излучение при значениях угла наклона у = 0; 15; 30; 45.

В результате проведенных измерений получены следующие значения микронапряжений: для образца, упрочненного при содержании в реакционной среде с 0,75 % алюминия (-260 ± 140) МПа и для образцов, упрочненных из среды, содержащей 2 % и 2,5 % алюминия соответственно (-340 ± 170) МПа и (-380 ± 30) МПа. Во всех случаях микронапряжения являются сжимающими.

Исследование износостойкости покрытия в условиях сухого трения скольжения проводили на машине конструкции НИИТавтопрома, предназначенной для истирания плоских образцов. В качестве контртела к упрочненным образцам из серого чугуна использовали пластину из стали Х12М с твердостью 60 - 62 HRC.

Для сравнительной оценки износостойкости в качестве эталона использовался образец из неупрочненного серого чугуна СЧ 20

Зависимость линейного износа от времени испытания, удельной нагрузки и пройденного пути представлена на рисунке 13

Математической обработкой экспериментальных данных была получена адекватная регрессионная зависимость (при доверительной вероятности равной 0,95) величины износа в условиях сухого трения скольжения от времени истирания (т, час), удельной нагрузки (Р, кг/см2) и суммарного пути трения (Б, км)

I = 4,3381 10~2-6,43 10°т-9,435 103Р+2,88 10"38+1,4П 10 3Рт-5 Ю"5т8--4 10"5Р8+4 10 5Рт8, мм (4)

04

0,35

2

2 03

J"

О 0 25

X

X 0 2

S

2

X 015

V

s 0 1

С

0 05

-— — — -

I

— - L. — - - -- —

) ___.

: V i ■— —— ]

Удельная нагрузка кг/см кв

—i-1-1-1-г-

3 4 5 6 7 Время испытании час -i-1-1-1-(-

0 12 2.4 36 48 6 72 8 4 96 10 8 12 Путь трения км

Рис 13 Зависимость линейного износа от времени испытания, удельной нагрузки и пройденного пути трения 1 - алюмованадированный чугун СЧ 20, 2 - исходный чугун СЧ 20

Исследование износостойкости покрытия в условиях трения со смазкой, содержащей абразивный материал (5 % по объему) проводили с использованием горизонтально-фрезерного станка При этом испытуемый образец с необходимым усилием прижимали к тыльной стороне вращающейся дисковой фрезы, а в зону трения из масленки с интервалом 5-6 капель в минуту подавалось масло, марки И20, содержащее 5 % по объему окиси алюминия Наличие вибрации станка позволило поддерживать суспензию во взмученном состоянии

Для сравнительной оценки износостойкости упрочненных образцов в данном виде испытания, испытанию подверглись образцы из исходного чугуна СЧ 20 Графическая интерпретация полученных результатов испытаний представлена на рисунке 14

Аналитическая зависимость линейного износа от времени испытаний (т), удельной нагрузки (Р), суммарного пути трения (Б) для случая трения со смазкой, содержащей абразивный материал, представлена регрессионной функцией следующего вида

Ь = -3,45 10'3+8 10"5т+9,7 10"4 Р + 2,91-Ю'3 Б + 4,8-Ю"5 т Р + 104 т Б + +1,5 10"4 Р Б+1,69 105 т Р Б, мм (5)

Полученные коэффициенты регрессии являются статистически значимыми, а полученная модель адекватна (при доверительной вероятности 0,95) Оценка износостойкости алюмованадированного упрочненного слоя в условиях абразивного изнашивания проводилась по ГОСТ 23 208-79

Результаты проведенных испытаний представлены в таблице 5 и в графической интерпретации на рисунке 15

Удельная нагрузка, кг/см кв

-I-,-,-1-(-(-1-,-1-1-1

01234 S « 7 в 9 10 Время испытаний час

Ч-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

О 12 2.4 36 48 6 72 84 96 10 8 12 Путь трения км

Рис 14 Зависимость линейного износа от времени, нагрузки и пути трения в случае трения со смазкой, содержащей абразивные частицы (А1203) в количестве 5 % по объему 1 - алюмованадированного чугуна СЧ 20, 2- исходного чугуна СЧ 20

Износостойкость алюмованадированных серых ч/гунов в данном виде испытаний в 5 раз выше износостойкости отожженной стали 45 и в 24 раза-исходного (не упрочненного) СЧ 20

Коррозионным испытаниям были подвергнуты тонкие алюмованадированные слои, т к толстые алюмованадиевые покрытия содержат в себе фазы, мало отличающиеся от фаз, образующихся при чистом апитировании чугунов

Для сравнительной оценки коррозионной стойкости алюмованадированных слоев на серых чугунах, испытаниям подверглись чисто ванадированные слои на серых чугунах также сформированные из порошковой среды, содержащей феррованадий при аналогичном режиме

На основании полученных экспериментальных данных можно заключить, что стойкость алюмованадированных покрытий значительно превышает стойкость ванадированных покрытий на серых чугунах во всех модельных растворах за исключением 1 % раствора соляной кислоты, 25 % раствора NaCl и морской воды

Время испытаний, мин

Рис 15 Износ испытуемых материалов от времени испытаний 1 - исходный серый чугун СЧ 20, 2 - отожженная сталь 45, 3 - алюмованадированный серый чугун СЧ 20

Таблица 5

Уменьшение массы испытуемых образцов_

Образец Исходный вес, г Величина износа образцов, г

после 5 мин после 10 мин после 15 мин после 60 мин

Сталь 45(отожженная) 81,0473 0,0083 0,0158 0,0191 -

Исходный СЧ 20 46,9768 0,0291 0,0733 - -

Алюмованадированный СЧ 20 49,1266 0,0028 0,0031 0,0038 0,0121

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1 Разработана технология термодиффузионного апюмованадирования чугунных деталей гидроцилиндров Экспериментальными исследованиями определены рациональные содержания феррованадия ФВо50У03 в шихте - 6065 % масс и 1,5-2,5 % масс порошка алюминия Данный состав обеспечивает высокие значения микротвердости 24 ООО - 25 ООО МПа на поверхности образцов из серого чугуна с плавным понижением ее вглубь слоя Следовательно, чугунные детали гидроцилиндров, содержащие алюмованадированное покрытие, позволят уменьшить количество текущих и капитальных ремонтов как самих гидроцилиндров, так и машин в комплектацию которых они входят

2 Исследована кинетика совместного диффузионного насыщения серого чугуна алюминием и ванадием Определено, что при температуре 840°С коэффициент диффузии ванадия в серый чугун составляет 7,35 -Ю'10 см2/с, а алюминия - 3,913 Ю-10 см2/с, но при рабочей температуре процесса - 1020°С кинетика меняется и коэффициент диффузии ванадия становится равным 14,8 10 10см/с, а коэффициент диффузии алюминия - 9,33 109 см2/с Выявлены коэффициенты диффузии компонентов под влиянием друг друга для темпера-

турного интервала 840 - 1020°С При этом коэффициент диффузии ванадия под влиянием алюминия (Dv,ai) с повышением температуры увеличивается, а коэффициент диффузии алюминия под влиянием ванадия (Dai,v) остается примерно одинаковым, но на порядок ниже, чем в случае чистого алитирования

3 Микроструктура диффузионного слоя определяется управляющими параметрами концентрацией алюминия в реакционной среде (содержание феррованадия зафиксировано на уровне 60 - 65 % масс), временем насыщения и температурой процесса В зависимости от содержания алюминия в реакционной среде можно выделить два типа структур диффузионного покрытия карбидные, образующиеся при содержании алюминия в реакционной среде до 2-3 % и алюминидные, образующиеся при более высоких содержаниях алюминия

4 Количественный фазовый анализ, проведенный на установке ДРОН-4 с использованием программы идентификации фаз PHAN, показал в карбидных слоях наличие кроме карбидов ванадия V2C и VC еще и следующих фаз Fe3AlC0,9 и a-Fe Причем доля фазы Fe3AICo 9 увеличивается с увеличением содержания алюминия, а доля карбидов ванадия снижается Методом sm2y были оценены остаточные напряжения в покрытии, которые являются по природе сжимающими и по величине составляют 260 - 380 МПа в зависимости от содержания алюминия в шихте

5 Испытания алюмованадированного покрытия трением в условиях сухого скольжения позволило установить высокую его износостойкость Образцы из исходного чугуна СЧ 20 оказались непригодными для этих испытаний, так как их износ при времени испытаний 2 часа и нагрузке 2 кг/см2 составил 0,1 мм, износ упрочненного слоя при этом близок к нулю, а дальнейшее сравнение вообще невозможно, так как износ серого чугуна асимптотически стремится вверх

6 Износостойкость упрочненного чугуна при трении со смазкой, содержащей абразивный материал (А1203) в количестве 5 % по объему при нагрузке 2 кг/см2 в 4 раза, а при нагрузке 3 кг/см2 в 8 раз выше износостойкости исходного чугуна СЧ 20 При более сильном нагружении сравнение износостойкости невозможно, так как кривая, характеризующая линейный износ исходного чугуна, приближается к вертикальной асимптоте и не дает сравнительных показателей

7 В условиях сухого абразивного истирания алюмованадированные слои имеют коэффициент относительной износостойкости в сравнении с отожженной сталью 45 Ки = 5, в сравнении с исходным чугуном - Ки = 24

8 Коррозионные испытания алюмованадированных покрытий показали высокую их стойкость во всех модельных растворах коррозионных сред в сравнении с чисто ванадированными покрытиями, кроме 1 % - кого раствора соляной кислоты, 25 % раствора NaCl и морской воды

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Веселовский, A.A. Новая установка для термодиффузионного упрочнения изделий типа колец [Текст] / А А Веселовский, А Н Завалищин //

Упрочняющие технологии и покрытия - 2008 - № 6 - С 37 -38 {рецензируемое издание из перечня ВАК)

2 Веселовский,А.А.Исследование кинетики совместного термодиффузионного насыщения серого чугуна алюминием и ванадием из порошковой среды контактным способом [Текст] / А А Веселовский, А Н Завалищин // Упрочняющие технологии и покрытия - 2008 - № 8 {рецензируемое издание из перечня ВАК)

3 Веселовский, A.A. Исследование микротвердости алюмованадиро-ванных слоев на серых чугунах, полученных термодиффузионным упрочнением [Текст] / А А Веселовский, А Н Завалищин // Упрочняющие технологии и покрытия - 2007 - № 5 - С 18 - 22

4 Веселовский, A.A. Диффузионное упрочнение поверхности серого чугуна алюминием и ванадием из порошковой смеси [Текст] / А А Веселовский, О В Рыбакова, А Н Завалищин // Труды 65 междунар научн - техн конф - Магнитогорск, 2007 - С. 32 - 34.

5 Пат. 60939 Российская Федерация, МПК 51 С 23 С 10/34 Установка для химико-термической обработки изделий [Текст] / А А Веселовский, И М Ячиков, И П Морозов, А Н Завалищин, заявитель и патентообладатель А А Веселовский- № 2006139910/22, заявл 10 11 2006, опубл 10 02 2007, Бюл №4

6 Веселовский, A.A. Анализ структуры и свойств алюмованадиро-ванных покрытий на сером чугуне [Текст] / О В Рыбакова, А А Веселовский, А Н Завалищин // Труды XXI научн - техн конф Молодых специалистов ЗАО «ММК» - Магнитогорск, 2007 - С 82.

7 Веселовский, A.A. Определение основных параметров диффузии алюминия и ванадия в серый чугун при термодиффузионном упрочнении контактным способом [Текст] / А А Веселовский, А Н Завалищин, А Н Веселовский // Труды XXI междунар - научн - практ конф «Современные технологии в машиностроении» - Пенза, 2007 - С 49 - 55

8 Веселовский, A.A. Анализ структуры и микротвердости ванадиевых покрытий на серых чугуна [Текст] / А А Веселовский, Р А Веселовский // Труды VI межунар научн - техн конф «Материалы и технологии XXI века» -Пенза, 2008 - С 37-42

9 Веселовский, А А. Упрочнение поверхностей трения направляющих телескопических гидроцилиндров термодиффузионным алюмованадиро-ванием [Текст] / А А Веселовский, А Н Завалищин // Трение и смазка в машинах и механизмах - 2008 - № 2 - С 14-16

10 Веселовский, А.А Повышение износостойкости направляющих, выполненных из серого чугуна СЧ 20 для телескопических гидроцилиндров [Текст] / А А Веселовский // Труды II междунар научн -техн конф « Проблемы исследования и проектирования машин» - Пенза, 2006 - С 98 - 100

11 Веселовский A.A. Формирование многофункционального покрытия на деталях из серого чугуна совместным термодиффузионным насыщением AI и V [Текст] / А А. Веселовский // Технология машиностроения - 2007 -№ 1 . С 45-47

Подписано в печать 14 08 2008 Формат 60x84 1/16 Бумага тип № 1

Плоская печать Услпечл 1,00 Тираж 100 экз Заказ 488

455000, Магнитогорск, пр Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО «МГТУ»

Введение.

1. Состояние вопроса, постановка цели и задач исследований.

1 I '

• 1 )

1.1 Спектр применения деталей из серого чугуна.

1.2 Анализ способов повышения долговечности деталей из серого чугуна.

1.3 Влияние легирующих элементов на формирование износостойкой структуры в белых чугунах.

1.4 Постановка цели и задач исследований.'.

2. Оборудование, материалы и методика проведения экспериментов по созданию алюмованадированных слоев.

2.1 Выбор компонентов и агрегатного состояния насыщающих сред для термодиффузионного упрочнения.

2.2 Используемые порошковые реактивы.

2.3 Установка для проведения термодиффузионного упрочнения.

2.4 Алюмованадирование образцов из серого чугуна.

2.4.1 Подготовка образцов и компонентов шихты.

2.4.2 Методика проведения термодиффузионного ванадирования серого чугуна.

2.4.3 Методика алюмованадирования серого чугуна.

2.5 Методы исследования алюмованадированных покрытий.

2.5.1 Методика проведения металлографического анализа упрочненных образцов.

2.5.2 Методика проведения микрорентгеноспектрального и количественного фазового анализа упрочненных образцов.

2.5.3 Методика испытаний на коррозионную стойкость.

Выводы по второй главе.].

3. Анализ полученных результатов и определение рациональных параметров насыщения.

3.1 Результаты ванадирования серого чугуна.

3.2 Результаты алюмованадирования серого чугуна.

3.3 Кинетика совместного диффузионного насыщения серого чугуна алюминием и ванадием.

3.4 Определение температурно-временных зависимостей процесса насыщения.

Выводы по третьей главе.

4. Строение, состав и свойства диффузионных алюмованадиро-ванных слоев на серых чугунах.

4.1 Карбидные диффузионные слои.

4.2 Алюминидные диффузионные слои.

Выводы по четвертой главе.

5. Оценка свойств полученного покрытия при испытаниях на износ и коррозию в жидких средах.

5.1 Остаточные напряжения в покрытии.

5.2 Исследование износостойкости покрытия в условиях сухого трения скольжения.

5.2.1 Методика проведения испытаний.

5.2.2 Результаты проведенных испытаний.

5.3 Исследование износостойкости покрытия в условиях трения со смазкой, содержащей абразивный материал.

5.4 Износостойкость алюмованадированого слоя в условиях абразивного истирания.

5.5 Результаты испытаний коррозионной стойкости в модельных средах и их обсуждение.

Выводы по пятой главе.1.

Развитие многих отраслей современной техники, повышение надежности машин и механизмов, увеличение производительности оборудования и труда в значительной мере зависят от разработки и практического использования различных типов защитных покрытий. Нанесение защитных покрытий позволяет увеличить твердость, износо- и окалиностойкость, улучшить коррозионные свойства, а также придать специфические эксплуатационные характеристики рабочим поверхностям деталей машин, приборов, производственного оборудования, инструмента. Это обеспечивает повышение срока службы и надежность соответствующих деталей и узлов, снижение трудоемкости и металлоемкости производства, дает возможность заменить дорогие и дефицитные материалы более дешевыми и доступными.

Важные научные исследования в области защитных покрытий выполнены в вузах, отраслевых научно-исследовательских институтах и на заводах страны. Большое внимание при этом было уделено вопросам теории диффузионного насыщения, реакционной диффузии, структуре и ' эксплуатационным свойствам диффузионных покрытий (Одесский политехнический институт, Воронежский технологический институт), особенностям плазменного, денотационного и других видов покрытий (УралНИИЧермет, Калининский политехнический институт). Особое внимание уделено многокомпонентному насыщению (Белорусский политехнический институт, Воронежский технологический институт).

Разработке и промышленному применению различных методов и типов защитных покрытий уделяется большое внимание в США, Японии, Англии, Франции.

Программы работ в этой области финансируются правительством и частными компаниями многих отраслей промышленности.

В США свыше 50 крупных научно-исследовательских центров и лабораторий занимаются разработкой и практическим применением высокотемпературных покрытий для тугоплавких металлов и сплавов. Особое внимание при этом уделяется методам термического напыления.

В Великобритании с 1964 года функционирует Комитет по коррозии и защите от нее. По данным комитета, на основе обработки информации из 1650 источников, показано, что потери от коррозии в промышленности оцениваются суммой 1365 млн. фунтов стерлингов в год. Только одно лишь правильное применение известных методов защиты от коррозии без дополнительных исследований в этом направлении может уменьшить потери на 310 млн. фунтов стерлингов.

В США, Великобритании, Японии и др. странах широко используются тонкие покрытия (5-10 мкм) из карбидов и нитридов тугоплавких металлов, осаждаемых из газовой фазы на рабочую поверхность стального и твердосплавного инструмента для обработки металла.

В области диффузионных защитных покрытий уже создана теория диффузии в многокомпонентных сибтемах, позволяющая понимать природу особенностей диффузионных процессов ,при наличии взаимодействия и количественно описать эти закономерности.

При анализе диффузионных явлений широко и успешно применяются принципы и методы термодинамики неравновесных процессов и положения теории электронного строения вещества, в том числе в рамках I конфигурационной модели. Успехи теории многокомпонентной диффузии позволяют разработать 1 методы прогнозирования долговечности диффузионных защитных покрытий.

В настоящее время накоплены обширные экспериментальные данные по свойствам материалов с диффузионными защитными покрытиями, в частности по влиянию диффузионных покрытий на кратковременную статическую и усталостную прочность защищенных изделий на воздухе и в различных средах. Изучена роль остаточных напряжений, возникающих в процессе диффузионного насыщения, и предложена их классификация. Работы в этой области имеют важное значение для раскрытия механизма деформации и разрушения металлов с покрытиями, для создания теории прочности таких материалов.

Анализируя выше изложенное, можно сказать, что успешное решение всего комплекса сложных практических задач возможно лишь на основе достаточно обоснованных теоретических предпосылок и поисковых исследований. Поэтому, наряду с совершенствованием существующих типов покрытий и методов их нанесения, а также организации их внедрения в народное хозяйство, необходимо постоянно вести поисковые исследования по синтезу новых типов соединений, 1 перспективных в качестве материалов для покрытий, и разработке новых высокопроизводительных методов их нанесения, основанных на новейших технических возможностях. 1

Выводы по пятой главе

1. Произведена оценка остаточных напряжений в покрытии. При содержаниях алюминия в шихте 0,75 % они составят (-260±140) МПа, при содержании 2 % - (-340±170) МПа, при содержании 2,5 %- (380 ±30) МПа. Полученные напряжения являются сжимающими.

2. Испытания алюмованадированного покрытия трением в условиях сухого скольжения позволили установить высокую его износостойкость. Образцы из исходного чугуна СЧ 20 оказались не пригодными для этих испытаний, так как их износ при времени испытаний — 2 часа и нагрузке 2 кг/см" составил 0,1 мм, а износ упрочненного слоя при этом близок к нулю, а дальнейшее сравнение вообще не возможно, так как износ серого чугуна асимптотически стремится вверх.

3. Износостойкость упрочненного чугуна при трении со смазкой, содержащей абразивный материал (окись алюминия) в количестве 5 % по

О О объему при нагрузке 2 кг/см в 4 раз, а при нагрузке 3 кг/см в 8 раз выше износостойкости исходного чугуна СЧ 20. При более сильном нагружении сравнение износостойкостей не возможно, так как кривая, характеризующая линейный износ исходного чугуна приближается к вертикальной асимптоте и не дает сравнительных показателей.

4. В условиях сухого абразивного истирания алюмованадированные слои имеют коэффициент износостойкости в сравнении с отожженной сталью 45- Кн= 5; в сравнении с исходным чугуном - Ки = 24.

5. Коррозионные испытания алюмованадированных покрытий показали высокую стойкость в сравнении с чисто ванадированнными покрытиями на сером чугуне во всех модельных растворах, кроме 1 % раствора соляной кислоты, 25% раствора ЫаС1 и морской воды. .

1. Выявлена актуальность создания износостойких и коррозионностойких покрытий на серых чугунах, являющегося экономически I выгодным материалом для всех отраслей машиностроения.

Определены химические элементы, позволяющие создать такое покрытие, а также материалы, содержащие их, используемые в целях снижения дефицитности и дороговизны — это феррованадий ФВо50У0,3 и алюминиевый порошок, марки А5.

2. Разработана и запатентована установка для алюмованадирования деталей типа колец и втулок.

3. Экспериментальными исследованиями определены рациональные содержания феррованадия ФВо50У0,3 в шихте- 60-65 % масс, и 1,5-2,5 % I масс.- порошка алюминия. Данный состав обеспечивает высокие значения микротвердости 24000-25000 МПа на поверхности образцов из серого чугуна с плавным понижением ее вглубь, что говорит о высокой работоспособности слоя.

4. Исследована кинетика совместного диффузионного насыщения серого чугуна алюминием и ванадием. Определено, что при температуре 840 °С коэффициент диффузии ванадия в серый чугун составляет

1 П 1 1А Л

7,35 »10" см7сек, а алюминия — 3,913-10 см/сек, но при рабочей температуре процесса — 1020 °С кинетика меняется и коэффициент диффузии ванадия становится равным 14,8-Ю"10см/сек, а коэффициент диффузии алюминия- 9,33-10"9см2/сек.

Выявлены коэффициенты диффузии компонентов под влиянием потоков друг друга для температурного интервала 840-1020°С. При этом коэффициент диффузии ванадия под влиянием потока алюминия (Т)У,Л1) с повышением температуры увеличивается, а коэффициент диффузии алюминия под влиянием потока ванадия (рд^у) остается примерно одинаковым, но на порядок ниже, чем в случае чистого алитирования.

5. Микроструктура диффузионного слоя определяется управляющими параметрами- концентрацией алюминия в реакционной среде (содержание феррованадия зафиксировано на уровне 60 % масс.), временем насыщения и температурой процесса.

В зависимости от содержания алюминия в реакционной среде можно выделить два типа структур диффузионного покрытия- карбидные, образующиеся при содержании алюминия в реакционной среде до 2-3 % и алюминидные - образующиеся при более высоких содержаниях алюминия.

6. Количественный фазовый анализ, проведенный на установке ДРОН-4 с использованием программы идентификации фаз PHAN, показал в карбидных слоях наличие кроме карбидов ванадия V2C и VC еще и следующих фаз: Fe3AlCo,9 и a-Fe. Причем доля фазы Fe3AlCo,9 увеличивается с увеличением содержания алюминия, а доля карбидов ванадия снижается.

7. Методом SIN" \|/ были оценены остаточные напряжения в покрытии, которые являются по природе сжимающими и по величине составляют 260380 МПа.

8. Испытания алюмованадированного покрытия трением в условиях сухого скольжения позволило установить высокую его износостойкость. Образцы из исходного чугуна СЧ 20 оказались не пригодными для этих испытаний, так как их износ при времени испытаний — 2 часа и нагрузке 2 кг/см" составил 0,1 мм, а износ упрочненного слоя при этом близок к нулю, а дальнейшее сравнение вообще не возможно, так как износ серого чугуна асимптотически стремится вверх.

9. Износостойкость упрочненного чугуна при трении со смазкой, содержащей абразивный материал (А1203) в количестве 5 % по объему при нагрузке 2 кг/см2 в 4 раза, а при нагрузке 3 кг/см2 в 8 раз выше износостойкости исходного чугуна СЧ 20. При более сильном нагружении сравнение износостойкостей не возможно, так как кривая, характеризующая линейный износ исходного чугуна приближается к вертикальной асимптоте и не дает сравнительных показателей.

10. В условиях сухого абразивного истирания алюмованадированные слои имеют коэффициент относительной износостойкости в сравнении с отожженной сталью 45- Ки= 5; в сравнении с исходным чугуном - Ки = 24.

11. Коррозионные испытания алюмованадированных покрытий показали высокую их стойкость во всех модельных растворах коррозионных сред в сравнении с чисто ванадированными покрытиями, кроме 1 % раствора соляной кислоты, 25 % раствора №С1 и морской воды.

1. Шерман А.Д., Жуков A.A., Чугун. Справочник, 1991, 576 с.

2. Канторович В.И., Шерман А.Д., Семенов В.М. и др. Отечественный и зарубежный опыт применения чугунов для деталей тракторных дизелей. -М.: Изд-во ЦНИИТЭИТракторсельхозмаш, 1980. 72 с.

3. Материалы карбюраторных двигателей/ Справочное пособие под редакцией A.B. Лакедемонского. М.: Машиностроение. 1969. - 223с.

4. Филлипов Г.С. Разработка покрытий плазменного напыления для повышения долговечности деталей оборудования пищевой и зерноперерабатывающей промышленности / Диссертация на соискание ученой степени к.т.н.- М., МТИПП, 1983г.

5. Ройтбурд А.Г. Повышение стойкости вальцев вальцевых станков элеваторной промышленности /Диссертация на соискание ученой степени к.т.н.-М., МТИПП., 1982г.

6. Коденеев А.Г. Повышение стойкости молотков молотковых дробилок комбикормовой промышленности /Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М., МТИПП., 1979г.

7. Костецкий Б.И. Износостойкость металлов.- М: Машиностроение, 1980. с.51

8. Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин / E.JI Шверков, Д.Я. Ровинский, В.Д.Зозуля, Э.Д. Браун. Киев: Наук. Думка, 1979. с.183.

9. Станчев Д.И. Конструкционные материалы для лесных машин.-Воронеж: Издательство Воронежского университета, 1982 г, 172с.

10. Костецкий Б.И. Сопротивление изнашиванию деталей машин.- М.: Киев; Машиностроение. 1979, с.354.

11. Веселовский A.A., Завалищин А.Н. Исследование кинетики совместного термодиффузионного насыщения серого чугуна алюминием и ванадием из порошковой смеси контактным способом. //Упрочняющиетехнологии и покрытия. 2008 г. №8.

12. Шерман А.Д., Якушин H.H. Чугуны для гильз цилиндров автомобильных двигателей. Вып.4 Автомобильные двигатели и топливная аппаратура. - М.: Изд-во НИИНАвтопром, 1978, с.71.

13. Гречин В.П. Легированное чугунное литье. М: Оборонгиз, 1952г.

14. Колисниченко А.Г., Оболенский В.К., Демченко В.И. Расчет герметичности чугунных отливок // Литейное производство, 1982г. №4.

15. Герчиков A.M., Шевчук С.А., Самсонов В.И. Влияние качества чугуна на износостойкость базовых деталей станков // Станки и инструмент. -1979. №3.

16. Войнов Б.А. Износостойкие сплавы и покрытия. М.: Машиностроение, 1980. - 120 с.

17. Повышение стойкости лопастей дробеметных машин / О.С. Комаров, Н.И. Урбанович, A.B. Муравский и др. // Литейное производство. — 1988. №5.- с. 31

18. Лещенко А.Д., Кузовов А. Ф., Лунев В.В. Состав хромистого чугуна с заданными свойствами // Литейное производство. 1988. - № 6. с. 8.

19. Жуков A.A., Сильман Г.И., Фрольцов М.С. Износостойкие отливки из комплексно-легированных белых чугунов. М.: Машиностроение, 1984 г, 104 с.

20. Сильман Г.И. Диаграмма состояния сплавов Fe-C-V и ее использование в металловедении сталей и чугунов //. Металловедение и термическая обработка металлов 1992. № 11. с. 4-7

21. Таран Ю.Н., Калинина Л.Т., Иванов Л.И. Структура эвтектик в сплавах Fe-C-V // Известия вузов. Черная металлургия. — 1966. № 6, с. 145150.

22. Крукович М.Г. Разработка теоретических и прикладных аспектов управления структурой и свойствами борированных слоев и их использование при производстве транспортной техники / Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. М.: МПС - МИИТ 1995, 416 с.

23. Переверзев В.М., Барботако А.И. Силицирование серого чугуна. // Защитные покрытия на металлах, вып.5. Киев, Наукова думка, 1971. с 77-78.

24. Крукович М.Г., Микевич А.Н., Тонэ Э.Р. Технологические методы повышения износостойкости и восстановления деталей машин. — М.: Машиностроение, 2002 г., с.322.

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

26. Удовицкий В.И. Технология и практика внедрения силицирования стальных изделий // Металловедение и термическая обработка металлов, 1984, №5, с 15-16. N

27. Сонин В.Н. Газотермическое напыление материалов в машиностроении. -М.: Машиностроение, 1973г., с.254.

28. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М:, Металлургия, 1989, с.454.

29. Похмурский В.И., Далисов В.Б. Повышение долговечности деталей машин с помощью диффузионных покрытий. Киев: Наукова думка, 1980 г.

30. Кокора А.Н., Зулаев В.Б., Коряев E.H. Лазерное поверхностное упрочнение деталей оборудования, инструмента // Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов 1978 г., №2 с. 127-135.

31. Цыпин И.И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства. — М.: Металлургия, 1988. 56с.

32. Гарбер М.Е. Отливки из белых чугунов.- М.: Машиностроение, 1972.-112с.

33. De Melbo J.D.B., Durand- Charre M., Matia M. Abrasionmechanismus of white cast iron.l. Influence of the metallurgical structure ofmolybdenum white cast irons // Mater. Sci and Eng., 1985. p. 203-213.i

34. Хорошев A.B. Защитные плиты из износостойкого чугуна //

35. Литейное производство.- 1988. № 4. с. 26.

36. Щебатинов М.П., Алабин П.А., Сбитнев П.П. ИзносостойкийIбелый чугун для сменных деталей очистного оборудования // Литейное производство. — 1985, № 2. с. 7-8.

37. Пути повышения износостойкости стальных отливок / В.М.I

38. Колокольцев, Е.Г. Кодзаев, В.И. Кирюшкин // Прогрессивные технологии производства литых заготовок. Челябинск, 1988 г., с. 61-62.

39. Колокольцев В.М. Основы синтеза износостойких литейных сталей и чугунов // Литейное производство, 1995 г., с. 5-7.

40. Гетьман А.А. Качество и надежность чугунных отливок. — Л.: Машиностроение, 1970. с.224.

41. Удовицкий В.И. Технология и практика внедрения силицирования стальных изделий // Металловедение и термическая обработка металлов, 1984, №5, с 15-16.

42. Лахтин Ю.М. Поверхностное упрочнение стали и сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов, 1988, № 11, с 14-25.

43. Гегузин Л.Е. Диффузионная зона. — М.: Наука, 1979 г., 72с.

44. Пинес Б.Я. К кинетике спекания в твердой фазе. // ФММ, 1960, т. 10 № 5, с 750.

45. Дубинин Г.Н. О механизме формирования диффузионного слоя // Защитные покрытия на металлах. Киев: Наукова думка, 1976. вып. 10, с 12.

46. Таран Ю.Н., Мазур В.И. Структура эвтектических сплавов. М.: Металлургия, 1978, 311с

47. Бунин К.П., Таран Ю.Н. Строение чугуна. М.: Металлургия, 1972 г., - 162с.

48. Голубец В.М., Пурич Е.Н., Пашечко М.И. и др. Хрупкость эвтектических покрытий при деформации царапанием. // ФХММ, 1984, № 5,с. 123-124

49. Яненский Н.Е., Винницкий А.Г., Колесниченко Л.Ф. Получение покрытий эвтектического типа диффузионной металлизацией в порошках. // Защитные покрытия на металлах: Сборник, Киев: Наукова думка, 1976,вып. 10, с. 78-80.

50. Ткачев В.Н., Поляков Б.Н., Сидельникова В.И. Микроструктураи свойства боридных слоев, образующихся при индукционном нагреве стали.

51. Металловедение и термическая обработка металлов. 1979, № 1 , с. 2-5.

52. Назаренко П.В., Папарин В.Е., Микуляк О.В. Износостойкость плазменных покрытий из эвтектических сталей // Трение и износ. 1983, Т.5, №6, с. 1074-1079.

53. Картер В.И. Металлические противокоррозионные покрытия.- Л: Судостроение, 1980 г. с. 168.

54. Белый A.B., Карпенко Г.Д., Мышкин Н.К. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. М.: Машиностроение, 1997 г. С.208.

55. Потапов М.Г. Разработка нового состава износостойкого чугуна для отливок деталей насосов / Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. -М: Магнитогорск, 2002 г.

56. Карпитьянц М.Х., Дракин СЛ. Общая и неорганическая химия.// Учебное пособие для вузов. -М.: Химия, 1981.С.632.

57. Жуков A.A., Зволинская В.В. Отливки из железоуглеродистых славов, легированных ванадием: Обзор / НИИмаш. М., 1978. с.48.

58. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М. Износостойкость сталей и сплавов. — М: Нефть и газ, 1994. с.417.

59. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М. Механическое изнашивание сталей и сплавов. -М.: Недра, 1996. с.364.

60. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. М: Наука, 1970. с.270.

61. Титов Н.Д., Степанов Ю.А. Технология литейного производства. -; М Машиностроение, 1985г.

62. Грызунов В.И., Шамова В.А, Кувшинов A.A. Сборник задач по физической химии. -Москва, 1997г.

63. Жуховицкий A.A., Шварцман A.A. Физическая химия.- Москва, 1963г.

64. Лукашкнн Н.Д., Кохан Л.С., Якушев A.M. Конструкция и расчет машин и агрегатов металлургических заводов: учебник для вузов. М.: ИКЦ «Академкнига», 2003г. с.456.

65. Некрасов В.И. Многофакторный эксперимент. Планирование и обработка результатов.//Учебное пособие. Курган, 1998г.I

66. ГрачевЮ.П.Математические методы планирования экспериментов.-М: Пищевая промышленность, 1979. с.198.

67. Веселовский A.A. Завалищнн А.Н. Исследование микротвердости алюмованадированных слоев на серых чугунах, полученных термодиффузионным упрочнением // Упрочняющие технологии и покрытия №5 2007 г.-с. 18-21.

68. Новое в области испытаний на микротвердость./ Под ред. Хрущова М.М. -М.: Наука, 1974. с.270.

69. Евдокимов Ю.А., Колесников В.И., Тетерин А.И. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. М.: Наука, 1980, с.228.

70. Исследование условий получения и некоторых свойств карбидохромовых покрытий на железоуглеродистых сплавах. Г.Л. Жуковский, М.И. Олиевский, М.В. Лучка, Т.Е. Гайдукова. // Защитные покрытия на металлах, 1974, вып. 8, с. 102-104.

71. Распределение элементов в стали 45, подвергнутойхромоалитированию. В.И. Похмурский, В.Б. Далисов, A.M. Мокрова, ЯЛ. Бродяк. // Защитные покрытия на металлах. 1979 г., вып. 3, с. 130-132.

72. Лидин P.A. ,Молочко В.А., Андреева Л.Л. Задачи по неорганической химии.- Москва., 1990г.

73. MapKiB В.Я., Теслюк М.Ю. Доповщц АН УРСР, серия А, 1962, №12, с. 16

74. Аргеенков В.Г., Михин Я.Я. Металлургические расчеты.// Мталлургиздат, 1962 г.

75. Карапетьянц М.Х. Химическая термодинамика.// Металлуриздат, 1949 г.

76. Синельникова B.C. и др. Алюминиды.- Киев: Наукова думка, 965г.

77. Хансен М, Анд ер ко К. Структуры двойных сплавов.// Металлургиздат, 1962г.

78. Синельникова B.C. и др. Алюминиды,- Киев: «Наукова думка»,1965г.

79. Термодинамические свойства неорганических веществ.- М., Автомиздат, 1985г. 460с. Авт. У.Д. Верятин, В.П. Маширев, Н.Г. Рябцев и др.

80. Арзамасов Б.Н., Сидорин Н.И. и др.// Материаловедение. Машиностроение, 1976г.81Скатецкин В.Г., Свиридов Д.В., Яшкин В.И. Математические методы в химии.- Минск. Тетра Системе, 2006 г.

81. Новое в области испытаний на микротвердость./Под ред. Хрущова М.М.- М.: Наука, 1974. с.270.

82. Веселовский A.A. Формирование многофункционального покрытия на деталях из серого чугуна совместным термодиффузионным насыщением алюминием и ванадием. // Технология машиностроения 2007 №1- с.45-47.

83. Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Издательство « Машиностроение», 1985г.

84. Шелехов Е.В., Свиридова Т.А. Программы для рентгеновского анализа поликристаллов.//Металловедение и термическая обработка металлов №8, 2000 г. стр. 16-19.

85. Испытания на микротвердость / Под ред. Хрущова М.М. — М.: Наука, 1974г. с.270.

86. Шаповалов В.П., Горбунов Н.С, Ковальчук Г.Н., Байдак Н.П. Диффузионное титанирование металлов и сплавов./ Тезисы докладов 2-й Всесоюзной научной конференции по химико-термической обработке металлов и сплавов. Минск., 1974 г.

87. Похмурский В.И., Толстова C.B., Мокрова A.M. Ванадированиеметаллов и сплавов, строение и свойства диффузионных слоев.// ЗащитныеIпокрытия на металлах. Киев. Наукова Думка. 1974 г. с. 106-108.

88. Дубинин Г.Н., Карпман М.Г., Альтшуллер Д.Ф. Защитные покрытия на металлах.- Киев. Наукова думка. № 5 1973 г. с. 14-16.

89. Ума некий Я.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия- Металлургия, 1982 г.

90. Горелик С.С, Скаков Ю.А., Расторгуев JI.H. Рентгенографический и электронно-оптический анализ «МИСиС», 2002 г.

91. Полясков Ю.В. , Табаков В.П., Тамаров А.П. Технологические методы повышения износостойкости режущего инструмента и деталей машин// Учебное пособие. Ульяновск: УлГУ.1999 г. 69 с.

92. Самсонов Г.В., Эпик А.П. Покрытия из тугоплавких соединений.-Металлургия. М. 1964.

93. Лахтин Ю.М. Пчелкина М.А.- В кн. Металловедение и термическая обработка металлов. Машиностроение- М., 1964 г.

94. Эванс Ю.Р. Коррозия и окисление металлов.- Машгиз, 1962.

95. Можаров М.В. и др.- Изв. Вузов. Черная металлургия, 1974 г. 1

96. Глухов В.П. Боридные покрытия на железе и сталях.- Киев: «Наукова думка», 1970 г.

97. Завалищин А.Н. Исследование возможности улучшения качества боридного слоя и подслоя на высокопрочных чугунах с шаровидным графитом./ Автореферат дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук -Киев. 1976 г.i

98. Земсков Г.В., Коган P.JI. Шевченко И.М.- Защитные покрытия на металлах. Киев: «Наукова думка», 1971, № 4.

99. Земсков Г.В., Коган PJL, Мороз В.И. Многокомпонентноеiдиффузионное насыщение из суспензий. Защитные покрытия на металлах.-Киев 1971 г.

100. Самсонов Г.В., Винницкий И.М. Тугоплавкие соединения. Справочник. М: Металлургия, 1976 г. i

101. Веселовский A.A., Завалищин А.Н. Упрочнение поверхностей трения направляющих телескопических гидроцилиндров термодиффузионным алюмованадированием // Трение и смазка в машинах и механизмах 2008 г. №2 с. 14-16.

102. Веселовский A.A., Завалищин А.Н. Новая установка для термодиффузионного упрочнения изделий типа колец //У прочняющиетехнологии и покрытия. 2008 г. №6. с.37-38.

103. Веселовский A.A., Завалищин А.Н. Исследование кинетики совместного термодиффузионного насыщения серого чугуна алюминием и ванадием из порошковой смеси контактным способом // Упрочняющие технологии и покрытия ,2008г. №8.

104. Результаты количественного фазового анализа образца 0,75 % (№1) алюминия в шихте, от поверхности.

105. Маркировка: № 0,75, исходный, СоК«-изл., ДРОН-4, 05.09.07, Ъ2

106. Отобранная фаза Код Пирсона А бс. , ИНТ . Номер

107. V С ( type Bl ) СГ8/2 50, ,473 100

108. V2 С -beta ( L'3 , T>800~C ) ЬР4 / 6 72. .704 1315

109. Al2 03 ЬИ10/1 9, . 455 3249

110. Fe3 V3 С ( type E9.3 ) сГ112/2 26. . 563 69505 a-Fe ( type A2 ) С12/1 24 . . 177 12468

111. Полуширина окна допуска AD = C*DAN , В = а/п ( анг.), С = 0.003, N = 2I

112. Эксперимент (излучение СоКа) Данные из банкафаз

113. Fe3 V3 C ( type E9. 3 ) 1 .282 2325 90. 70 1 .258 0 .7 V C ( type B1 ) 1 .257 32

114. V2 C -beta ( L'3 , T>800~C ) 1 .257 2

115. Fe3 V3 C ( type E9. 3 ) 1 .256 726 92. 40 1 .240 0 .5 Al2 03 1 .239 1427 96. 00 1 .204 0 .6 V C ( type B1 ) 1 .204 1828 96. 50 1 .200 0 .5 V C ( type B1 ) 1 .204 1829 97. 60 1 .190 0 .1 Al 2 03 1 . 192 0.51 . 189 5

116. V2 C -beta ( L'3 , T>800~C ) 1 .041 21. Al2 03 1 .042 1637 123. 20 1 .018 0 .2 Al2 03 1 .017 2a-Fe ( type A2 ) 1 .018 9

117. Результаты качественного фазового анализа образца с содержаниемI2 % (№2) алюминия в шихте, от поверхности Маркировка: № 2, исходный, СоКа-изл., ДРОН-4, 06.09.07, Ь21. Отобранная фаза1. Код Пирсона1. Абс.инт. Номер1 2