автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Термодиффузионное упрочнение инструментальных и конструкционных материалов с использованием минерального сырья

На правах рукописи

Р;' 6 ОД

БЕЛОВ ЕВГЕНИЙ ИВАНОВИЧ

УДК 621.941.025:621.793

ТЕРМОДИФФУЗИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 'МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

05.02.01 - Материаловедение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре - 1996

Работа выполнена в Институте машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения Российской Академии наук и в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Кабалдин Ю.Г.

Научный консультант: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Шпилёв А.М.

доктор технических наук, профессор Семашко H.A.

доктор технических наук, профессор Ри Хосен

Институт материаловедения Д В О РАН

Защита диссертации состоится " '^¿¿¿¿¿¿'С 1996 г. в 10.00 часов на заседании специализированного совета К.064.70.01 Комсомольского-на Амуре государственного технического университета 681013, г.Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, КнаГТУ

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке КнАГТУ Автореферат разослан ". 1996 г

Ученый секретарь специализированного совета

Мокрицкии Б.Я.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Важной проблемой в машиностроении является повышение эксплуатационных свойств режущего и штампового инструмента. Одним из наиболее эффективных направлений, позволяющих решать эту проблему, является поверхностное упрочнение инструментальных материалов.

К перспективным методам поверхностного упрочнения относятся следующие методы осаждения износостойких покрытий: термодиффузионного насыщения (ДТГ), осаждения покрытий из парогазовой фазы (ГТ) и ионно-плазменный (КИБ), получившие наибольшее распространение у нас в стране и за рубежом. Эти методы имеют свои преимущества и недостатки, свои области применения. В частности метод КИБ, имея ряд преимуществ по технологии получения, использует дефицитные легирующие элементы, требует дорогостоящего энергоёмкого оборудования, что приводит к снижению эффективндсти.

Среди этих методов наибольшее распространение в практике получили методы, основанные на термодиффузионном упрочнении (ТДУ) поверхности различными элементами, один из которых - газовый контактный метод, может быть реализован практически на любом термическом участке в контейнерах с технологическими смесями, состоящими из порошков чистых легирующих элементов, наполнителей и активаторов. Разрабатываются технологии с использованием оксидов насыщающих элементов, что значительно снижает себестоимость процесса ТДУ.

Вместе с тем в литературе отсутствуют сведения о влинии на свойства диффузионных покрытий многокомпонентных оксидных систем, в составе которых помимо оксидов, используемых для основного насыщения, содержатся и другие, например входящие в состав отходов обогатительного производства. Присутствие в технологической смесл различных по физическим и химическим свойствам оксидов может значительно изменить процессы атомарного образования насыщающих элементов, адсорбцию, десорбцию и химические реакции компонентов на поверхности изделий, диффузию упрочняющих элементов в глубь насыщаемого материала, технологические параметры образования диффузионного покрытия.

Поэтому разработка технологических процессов диффузионного насыщения инструментальных и конструкционных материалов с использованием дешевого минерального сырья является актуальном задачей, имеющей научное и практическое значение.

* Цель работы. Разработка и исследование ресурсосберегающих технологических процессов поверхностного термодиффуэнонного упрочнения изделий из инструментальных и конструкционных материалов с использованием концентратов и отходов минерального сырья Дальневосточного региона.

Научная новизна работы состоит в:

-установлении взаимосвязи параметров процесса ТДУ и исходного состава насыщающей среды со свойствами упрочненного слоя и работоспособностью инструментальных и конструкционных материалов;

- установлении закономерностей формирования многослойных диффузионных покрытий и упрочнения инструментальных и конструкционных материалов при использовании минерального сырья ;

- разработке методики оценки и подготовки минерального сырьч* для комплексного ТДУ, термодинамических расчетов для минерального сырья при ТДУ .

Практическая ценность работы состоит в разработке:

- состава для комплексного ТДУ твердосплавного инструмента, содержащего циркониевый концентрат (патент РФ № 2044107);

- состава для ТДУ инструментов, содержащего отходы обогатительного производства (патент РФ № 2041971);

- состава для алюмоцирконосилицирования стали и сплавов, содержащего циркониевый концентрат (патент РФ № 2048604);

- комбинированного с.юсоба ТДУ изделий из инструментальных и конструкционных материалов (а. с. № 1675381);

- состава для ТДУ железоуглеродистых сплавов, содержащего кварцтурмалнновые отходы (а. с. № 1759954);

- состава для ТДУ железоуглеродистых сплавов, содержащего вольфрамовый концентрат (патент РФ № 2048605);

- способа подготовки смесей для ТДУ, содержащих отходы производства оловянных руд (патент РФ № 2051216);

- технологии подготовки минерального сырья для ТДУ;

-технологических процессов ТДУ'с использованием минерального

сырья.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на:

- Всесоюзной конференции "Структура и свойства материалов" (г.Новокузнецк, 1988 г.); .

- семинаре "Повышение эффективности использования методов порошковой металлургии н упрочняющих покрытии на предприятиях Дальнего Востока" (г. Комсомольск - на-Амуре, 1989 г.);

- семинарах ИМиМ ДВО РАН, 1989-1995 гг.;

-Ученом Совете ИМиМ ДРО РАН, 1995-1996 гг.;

- на заседаниях кафедры "Технология машиностроения" й кафедры "Материаловедение и технология сварочного производства", 1996 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ "ti открытой печати, получено 2 авторских свидетельства и 5 патентов РФ.

Структура 1. объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложений, списка литературы из 185 наименований, содержит 148 страниц машинописного текста,70 рисунков. 28 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Содержит обоснование актуальности работы, краткое изложение основных научных положений, составляющих предмет защиты, цель и задачи исследования.

Глава I. Посвящена обзору и анализу литературных данных по методам поверхностного упрочнения инструментальных и конструкционных материалов. Особое внимание уделено методам ТДУ в частности газовому контактному диффузионному хромированию, обладающему высокими технико-экономическими возможностями и получившему широко^ распространение в машиностроении.

Анализ основных работ в этой области показал, что ТДУ является сложным процессом, состоящим из различных видов взаимодействий, разделяющихся на несколько последовательных стадий, каждая из которых может быть лимитирующим звеном. Для интенсификации процессов ТДУ применяются и разрабатываются различные методы, которые можно разделить на две основные группы: методы, основанные на иШенении традиционных параметров ТДУ (температуры, давления, расхода и состава активной среды) и методы, основанные на физическом воздействии на материал изделия или активнув среду.

Многие методы интенсификации первой группы неполучили широкого внедрения из-за присущих им недостатков, снижающих некоторые свойства изделии (например, повышение температуры процесса способствует росту зерна, снижению механическиких свойств сердцевины, образованию обезуглероженной зоны и т. д.) или приводящих к опасности и усложнению процесса, удорожанию оснастки и снижению эффективности (применение сварных герметичных контейнеров, работающих при высоком давлении, или использование вращения контейнеров с изделиями в печи), или требующих дефицитных и дорогостоящих компонентов для насыщения, ухудшающих технологичность смесей и удорожающих процесс ТДУ (использование высокоактивных мелкодисперсных порошков).

Методы интенсификации второй группы в целом более эффективны по сравнению с первой группой, так как воздействуют на ряд самых медленных стадий процесса ТДУ. Они имеют свои особенности, которые еще недостаточно изучены, нет единого мнения о причинах интенсификации этими методами, недостаточно отработаны технологические процессы с их использованием, точно пе установлена взаимосвязь технологии со свойствами диффузионного слоя, что требует дополнит ел ьпых исследований и сдерживает внедрение.

Анализ закже показал, чю и последнее время с целью интенсификации процесса ТДУ. устранения обе IV!лероженной зоны и улучшения характеристик упрочненных и ¡дедин, иримениюия различные ампвпме порошковые

смсси с добавками самых ракообразных элементов и соединений. Существует тенденция на комплексное ТДУ несколькими элементами, так какоднокомпо-нен гные и даже двухкомпонентные покрытия уже не удовлетворяют возрастающим требованиям, а при многокомпонентном насыщении в диффузионном счое образуются высоколегированные твердые растворы или химические соединения с более высокими физико-химическими свойствами. Разрабатываются технологические процессы с использованием оксидов насыщающих •элементов, которые значительно дешевле чистых элементов, что позволяет повысить экономическую эффективность без снижения свойств покрытий. Опробовано большое количество рашообразных составов, однако практически отсутствуют данные по использованию для 'ГДУ минерального сырья, в состав которого входят оксиды различных элементов, которые могут служить для основного насыщения п ti качестве огнеупорных добавок. Стоимость упрочняющих составов на основе минерального сырья могла бы быть крайне низкой, а экономическая эффективность их использования - очень высокой. Поэтому проблема применения минерального сырья дляТДУ представляет значи и:лы)ый научный и народно-хозяйственный интерес, особенно учитывая то обстоятельство, что в последнее время резко сократилось производство большинства материалов, применяемых в процессах ТДУ.

На основании анализа литературных данных и с учетом научйого направления и тематики рабог ПМиМ ДВО РАН были поставлены следующие задачи:

- исследовать физико-химические свойства минерального сырья;

- разработать технологию предварительной обработки минерального сырья для использования в процессе ГДУ;

- проанализировать термодинамические процессы ТДУ с участием минерального сырья;

- исследовать влияние минерального сырья и других факторов на процесс ГДУ, свойства диффузионных покрытий и технологических смесей:

- оптимизировать процесс !ТДУ для различных составов технологических смесей:

-разработан, математическую модель процесса ТДУ;

- разработать и исследовать технологические процессы ТДУ с использованием минерального сырья и с применением металлотермии;

- разработать составы для ТДУ различных изделий из инструментальных и коне iрукционных материалов:

-разработать методы ишснсификацнн процесса ТДУ.

Глава 2. Содержит исследования физико-химических свойств кварц-|урматиноиы\ о i ходов (КТО) Солнечного ГОКа Хабаровского края, тсхно-Ю1 ню прсдварнтстмюнобработки КТО дчяТДУ.термодипампческпйанализ процесса ГДУ с учло нем КТО, обоснование применения металлотермии в процессе 1ДУ и необходимые расчеты.

КТО получаются в результате обогащения оловянных руд различными химическими и физическими методами: дробленном, гравитационным, флотационным, магнитным; содержат незначительную часть полезных элементов и большую часть минералов пустой породы и вредных примесей. I I ¡-за низког о содержания полезных элементов КТО промышленного выхода не имеют н в настоящее время транспортируются в хвостохраннлиша пли используются в зимнее время для отсыпки дорог с целью улучшения сцепления покрышек автомобилей с заснеженной автострадой.

Проведенный элементный, химический и минералогический анализы показали, что КТО состоят из 35-40 химических элемен тов, которые находякя в виде 20-25 взапмосросшихся минералов, основными из которых являются: турмалин (шерл), кварц, мусковит, хлорит, карбонаты п сульфиды. Спектральный анализ показал, что наиболее раенроо раненными элемен тами КТО являются: кремций, железо и алюминий. Дифференциальный термический анализ КТО показал наличие двух сильных термических эффектов: экзотермического (вероятно, окисление пирита и т.и ) в нн тер вале температур 380-570"С с максимумом при 470"С и эндотермического (плавление п распад на компоненты турмалина) в интервале 890- 1000'V с минимумом при 950"С.

Анализ результатов исследований физико-химических свойств КТО позволил сделать следующие выводы:

- наибольший интерес для 'I ДУ иредаавляюг следующие оксиды из состава КТО: \V03. TiO.,, В,03, КПцО,. ГаО. MtiO. К,О. Na,О. i-еО. Fe,0,. А1,()3, Si02;

-содержание упрочняющих элемен го.$ крайне мало: WO. < 0,05 :' TiO,- 0,7% ; В,О, - 4%), поэтому КТО в насыщающих смесях для ТДУ можно использовать в основном как наполнитель с добавками упрочняющих элементов или для процесса силицпрования, кне как содержание SiO., доеппочпое: -температура процесса ТДУ при использовании КТО может бы гь достаточно низкой и не превышать 900-9504', особенно с применением металлотермии.

Для получения кондиционного продукта из КТО необходимо удалим, вредные примеси: серу, мышьяк, висмут, свинец, фосфор п т . п., по и ому была разработана методика и технология предварительной обработки. Ча основу был выбран окислительный обжиг, который проводился при ра ¡личных температурах в электрической печи со свободный доступом во ¡духа. В процессе обжига в КТО происходят различные химические превращения под во ьчейст вием высоких температур и кислорода l'a овой фазы: разлагаются ра ¡личные сульфиды; часть серы и мышьяк удаляются iicnap тем сульфидов мышьяка; прогекае! окисление сульфидов с образованием на их iepn.i\ оксидов в виде относительно плотною п прочного слоя, Для ускорения гблнга. KIT > подвергались предварш сльпому и ¡мельчепию.

Техпо.нч пческая нодгоювка КТО рассмаt рпватаеь с пошипи процессов. происходящих при ТДУ ' во ¡можпопь шггоппанпп химических сос.пшс-

ний КТО, выделение насыщающих элементов в активном атомарном состоянии, адсорбция их поверхностью насыщаемого материала и растворение, диффузия насыщающего элемента в глубь насыщаемого материала. Возможность протекания химических реакций при ТДУ с участием химических соединений, входящих в состав КТО, оценивалась теоретически качественными термодинамическими расчет ами энергии Гиббса (изобарно-изотермического

потенциала) ДО" и константы равновесия 1пКр возможных химических реакций. Знание зависимости энергии Гиббса от температуры для различных реакций, протекающих в ходе ТДУ, позволяет выбрать наиболее интересные для исследований температурные области и экономически эффективные составы для насыщения.

Расчеты равновесных превращений химических реакций проводились по ускоренному методу 'Гемкина-Шварцмана как наиболее универсальному по формулам

1п Кр = -ДС^/И -'Г, (1)

дс; = ДН°УК - Т(ДЭДК + X ДаДО.), (2)

1-1

где К - газовая постоянная; Т - температура, К;

ДН^х - стандартная энтальпия образования: .

ДБ^к ■ стандартная энтропия;

I - индекс, принимающий значения 0,1,2; М„= 1пТ/298,15 + 298,15/Т— 1; М, = 1 / 2Т (Т — 298,15)2; М2 = Т2/6 + 298,15 / ЗТ — 298,15 / 2. Методика расчета равновесий по Темкину-Шварцману была реализована по специально составленной программе на ЭВМ в диалоговом режиме. Выявление наиболее вероятных реакций среди всех возможных производили

путем сравнения их ДО" и 1пК,,.

При ТДУ с активатором ЫН4С1 и КТО протекают реакции типа Ме,,От + НС1 = Ме,,С1г + Н20, (3)

где Ме - элементы, образующие оксиды и хлориды. Анализ результатов расчетов показал, что наиб элее вероятными будут реакции образования следующих хлоридов из оксидов: СгС13, А1С13, ВС 1 РС15, РеС 13,^С14,Т1С14, \УС1СиС 1 2, N¡012, МпС 12, ХгС 14, расположен) 1ы** в порядке уменьшения вероятности образования. Для последних пяти хлоридов вероятность образования очень мала и не представляет практического

интереса, так как в рассматриваемых утопиях дчя них ДС,' > 1иК,, < 0.

Наличие в составе газовой фазы водорода, а также применение металлотермии способствует образованию при ТДУ с КТО восстановительной атмосферы, получению некоторых элементов в чистом виде и протеканию реакций

Ме + НС1 = МерС1г + Н2. (4)

Анализ результатов расчетов показал, что наиболее вероятным будет образование следующих хлоридов из чистых элементов в порядке уменьшения вероятности: СгС 1 2,РеС 1гДпС 12,СиС 12,У/С 16,ВС 13,МпС 12>'УС 1 ^¡С14,Т1С 14 А1С1 з, причем только образование СгС 12и ИеС 1 г может иметь практическое значение, так как в данных условиях только для них ЛО° < 0, 1пКр > 0. Отсюда следует вывод, что для многих элементов получать хлориды из оксидов легче, чем из чистых элементов, поэтому использование оксидов для ТДУ и с этой точки зрения более предпочтительно.

Основной для осаждения элемента на обрабатываемую поверхность железосодержащих материалов является реакция типа

МерС!г + Ие = РеС1к + Ме. (5)

Анализ результатов расчетов показывает, что уменьшение вероятности протекания этой реакции может быть представлено следующим рядом: . А1, П, В, Мп, Сг, Си, N1, Ъх, V/, V. Для последних трех элементов в данных условиях вероятность ничтожно мала, так как для них ДО° >0, 1 пКр < 0 (рис. 1).

Для расширения возможностей использования элементов, входящих в состав КТО, и интенсификации процесса ТДУ было решено применить металлотермию - металлургический процесс восстановления элемгнтов из их соединений более активным элементом. Предполагалось использовать металлотермию одновременно с ТДУ - так называемый совмещенный способ как более предпочтительный по сравнении с раздельным способом. В процессе разработки методики в качестве основного восстановителя был выбран алюминий как наиболее удобный, относительно дешевый, недефицитный, восстанавливающий большинство элементов.

Количество алюминия, необходимого для полного восстановления элемента из оксида, рассчитывалось по формуле

МепОп, + 2/ЗтА1 -> пМе + 1/Зт А1203 (6)

При восстановлении большинства оксидов эта реакция является экзотермической с тепловым эффектом 200-600 кдж/моль 02. В работе приводятся формулы для расчетов количества I епла и температуры экзотермических реакций восстановления различных оксидов с достаточной для практических целей точностью (2-12%). Для повышения степени извлечения трудновосстановимых элементов разработаны специальные условия процесса, сдвигающие вправо равновесие реакции (6). используются добавки флюсов или соСчтвенных соединений КТО (СаО, МцО и т.п.).

Зависимость и 1лКр реакций образования от температурь,

при взаимодействии хлоридов с железом

Рис.1

Глава 3. Содержит методику и результаты исследований влияния КТО и некоторых других факторов на процесс ТДУ, свойства диффузионных покрытий и технологических смесей.

Исследовалось влияние на глубину и свойства диффузионных покрытий следующих факторов: состава насыщающих смесей, марки и гранулометриче-кого состава упрочняющих элементов, вида наполнителя и его зернистости, вида активатора, типа контейнера, формы, размеров и марки материала образцов.

На нервом предварительном этапе исследований были определены 20 основных вариантов экспериментов, и которых предполагалось оценить КТО не только как наполнитель, но и в качестве насыщающего компонента технологических смесей. Для сравнительной оценки влияния процесса ТДУ на структуру п свойства различных инструментальных и конструкционных материалов были выбраны: твердые сплавы, быстрорежущие, легированные и углеродистые инструментальные стали, конструкционные стали и армко-железо (как модельный материал).

Приводятся методики: выбора и подготовки материалов, проведения ТДУ, комплексных исследовании свойств образцов и технологических смесей, металлографических исследований, химического, спектрального и мнкрорен-тгеноспектрального анализов, исследований физико-механических свойств.

Исследование химического состава технологических смесей до и после ТДУ показало, что он изменяется незначительно и практически не зависит от типа контейнера; смеси можно использовать 4-5 раз без добавок свежих насыщающих элементов..

Исследование технологических свойств смесей показало, что увеличение дисперсности частиц компонентов ухудшает текучесть, заполняемость, повышает пылеобразованне, спекаемосгь, пригар, одновременно повышает однородность и снижает расслаиваемость смеси из компонентов разной плотности и т.п. Применение различных активаторов практически не сказывается на технологических свойствах смесей.

Использование КТО в качестве огнеупорного наполнителя для ТДУ показало, что определенные фракции порошков (0,063 мм) обеспечивают необходимые'технологические свойства.-а применение более мелких или более крупных фракций увеличивает пригар и повышает прочность смесей после ТДУ. При использовании КТО происходит ускорение диффузионных процессов и увеличние легированного слоя на образцах из различных материалов в 2-3 раза. Использование больших количеств КТО приводи I1 к образованию пористого слоя пониженной мнкрошердосш. .-

Для оптимизации технологического процесса и составов насыщающих смесей с использованием КТО были проведены дополнительные серии экспериментов с помощью матриц планирования. Проведенные на первом этапе исследования показали, чго процесс ТДУ с составами, содержащими КТО, характеризуется большим числом взаимосвязанных контролируемых и неконтролируемых факторов, не поддающихся строгому описанию, поэтому проблема разработки технологии очень сложна, а процесс получения. диффузионного покрытия относится к разряду многофакторных. В этих условиях для нахождения математической модели ТДУ и определения области оптимальных значений исследуемых параметров при минимальном количестве опытов было проведено планирование многофакторного эксперимента.

На основании предварительных исследований проводился теоретический и экспериментальный анализы факторов с целью определения основного уровня, рациональных интервалов варьирования, верхнего и нижнего уровней. На первой стадии исследований для процесса ТДУ с КТО была принята линейная модель процесса.

С целью сокращения числа опытов и получения более достоверных данных о влиянии КТО на процесс ТДУ с участием алюминия и углерода все опыты были разбиты на три блока, в которых реализована линейная модель дробного факторного эксперимента (полуреплика 23"1 с определяющим контрастом у = х(, х2, х3 ), а условия проведения экспериментов сведены в матрицы планирования. Величина интервала варьирования, значения факторов на нижнем и верхнем уровнях подбирались таким образом, чтобы кодовые значения факторов соответствовали +1 и -1. Коэффициент регрессии считался значимым, если абсолютная величина его была больше доверительного интервала. Для каждого блока экспериментов были получены уравнения регрессии, по которым проводился анализ результатов статистической значимости коэффициентов.

Анализ показал, что в первом блоке экспериментов по влиянию КТО только изменение температуры процесса оказывает существенное влияние на толщину диффузионного слоя, микротвердость и износостойкость. Эго объясняется относительно низкой активностью КТО в отсутствии сильных восстановителей в необходимом количестве.

Во втором блоке экспериментов при совместном применении КТО у алюминия все свойства диффузионных покрытий в значительной степени зависят от температуры и продолжительности процесса ТДУ. •

В третьем блоке экспериментов при совместном применении КТО и углерода такие свойства покрытий как толщина, микротвердость и

жаростойкость диффузионного слоя в значительной степени зависят от продолжительности процесса ТДУ и содержания КТО, а износостойкоегь слоя - от содержания углерода.

Три блока оптимизирующих экспериментов показали, что все исследованные составы насыщающих смесей обладают необходимыми технологическими свойствами и могут применяться для процессов ТДУ.

Сравнительные исследования массы образцов до и после ТДУ показали, что наибольшее приращение массы имели образцы второго блока оптимизирующих экспериментов с использованием в смеси КТО и алюминия при температуре 1150°С и выдержке 6 ч. Это объясняется высокой интенсивностью диффузионного насыщения, возрастанием температуры в процессе алюмо-термического восстановления оксидов КТО и наличием восстановительной среды. У образцов третьего блока экспериментов при добавке в штатную смесь углерода произошло уменьшение массы после ТДУ, что объясняется образованием высокоуглеродистых карбидов хрома и железа, обладающих большой хрупкостью и малой адгезией к поверхности материала, которые удаляются в виде чешуек при охлаждении и очистке образцов. При совмест -ном применении углерода и КТО масса образцов.после ТДУ тоже уменьшается, но в меньшей степени, что объясняется образованием меньше! о количества высокоуглеродистых карбидов, так как часть углерода расходуется на восстановление оксидов и других соединений КТО.

Микрорентгеноспектральный анализ диффузионных покрытий показал, что содержание железа в упрочненном слое на всех образцах составляет 15-30%; добавка КТО в смесь приводит к неравномерному распределению железа в покрытии.

При наличии в смеси КТО и алюминия происходит восстановление оксидов и диффузия восстановленных элементов в подложку, активизируется диффузия хрома, на что указывает его повышенное содержание во внешнем карбидном слое и на большой глубине во внутреннем переходном слое, состоящем из твердого раствора хрома в железе и железа в хроме, на образцах отмечается значительное увеличение толщины карбидного слоя и переходной зоны..

Содержание алюминия в составе дг |)фузнонпы.\ слоев нракшчсскн не изменяется, за исключением образцов, обработав лих н смесях с углеродом, в которых глубина проникновения алюминия еосташнич 5-10 мкм. Аналогичная карпша наблюдается и но содержанию кремния в дпфф> шонны.х слоях: только па образцах, обработанных в смесях с КТО и \ч леродом. пай поласн'я увеличение кр< мини на I ранние карбидной) сл.ш п переходном юны.

. f 4.

Также практически не изменяется в диффузионном слое содержание марганца, кроме незначительного увеличения его в переходной зоне образцов, обработанных п смесях с КТО и алюминием.

Наличие в смеси КТО и углерода (алюминия) приводит к повышению содержания меди в диффузионном слое до 1-2%, коицен грация которой резко надает по мере удаления от поверхности.

Металлографические и< следования показали, что у образцов, обработанных в штатной смеси, диффузионный слой состоит пз карбидов хрома и железа, а также переходной зоны твердого раствора хрома в железе без видимой границы раздела между ними. 3 штатной смеси с углеродом толщина карбидного слоя не изменяется, но значительно сокращается переходная зона. В штатной смеси с КТО несколько уменьшается толщина карбидного слоя и значительно увеличивается переходная зона с четкой фиксацией границы между ними. Введение в смесь с КТО углерода приводит к резкому уменьшению переходной зоны. Максимальная толщина карбидного слоя достигается при обработке образцов в смесях с применением одновременно КТО и алюминия, при этом четко Прослеживается граница между карбидным слоем и переходной зоной (рис. 2).

Влияние температуры и продолжительности процесса ГДУ на глубину диффузионных покрытий инструментальных и конструкционных сталей различных марок приведено на рис. 3 и 4.

Микротвердость диффузионных карбидных слоев этих же сталей находится в пределах 17-20 ГПа (рис.5), что соответствует микротвсрдости сложных карбидов (Cr.Fe^C^ . Штатная смесь с КТО несколько повышает микротвердость карбидного слоя и незначительно снижает микоотвердость переходной зоны. Штатная смесь „с углеродом повышает микротвердость поверхностного карбидного слоя и практически не влияет на микиотвердость переходной зоны. При совместном применении КТО н углерода микротвердость карбидного слоя практически не изменяется, по значительно снижается микротвердость переходной зоны, покрытие имеет более резкий градиент мнкрогвердости. Замена в такой технологической смеси углерода на алюминий приводит к некоторому снижению микротвердости карбидного июя, переходной зоны и градиента твердости.

Исследования износостойкости показали, что более высокую ее величи-iy имеют образцы, обработанные при температуре 950°С, без существенной разницы между образцами, полученными в различных составах. Диффузионные покрытия, полученные при температуре 1150°С в смеси с добавкой

Сталь Р6М5 после ТДУ (КТО+Л1, Т-1000ч:, т-чч;

х2(Х

V 'А-

•V- 1 - , ' '

•-■■V... лЧ.

■-.■■Ый- ■

Сталь 45 после ТДУ (КТО+А1, Т=900°С,т=2ч)

{¿У«*"4* -^Чг/р)"'' 'Vй*'

-.4 $№Ж. . «ер

Рис . 2

Влиянис температуры про: -есса ТДУ (КТО + А1,4 ч) на глубину диффузионного покрытия для инсгрументыльных сталей различных марок

Ь,мкм

200

0 800 900 1000 т,

1 - Р6М5; 2 - 7ХГ2ВМФ; 3 - Х12М; 4 -У8А; 5 - сталь 45. ,

Рис.3

Влияние продолжительности процесса ТДУ (КТО + А!, 950°С) на глубину диффузионного покрытия для сталей различных марок

Ь, мкм 200

150

100

г

о *

' Ч1

к—— -г

2

8

1 - Р6М5: 2 - 7ХГ2ВМФ: 3 - Х12М: 4 - У8А; 5 - сталь 45.

Рис.4

-Г

Микротвердость упрочненного слоя инструментальны;: сталей различных марок после ГДУ (1000°С, 4

1 - Р6М5: 7 - 7ХГ2ВМФ; а - у¡5л; - а а;.., 4:.

углерода имеют износостойкост ь в 2 раза выше, чем остальные (при той же температуре). Установлено, что возможна частичная до 50% замена оксида алюминия в составах на КТО без снижения износостойкости, а совместное использование КТО с углеродом позволяет повысить износостойкость материалов и снизить температуру процесса ТДУ. Износостойкость различных материалов после ТДУ возрастает в 2-3 раза по сравнению с традиционной термической обработкой (рис. 6):

Исследования по жаростойкости показали, что наибольшую ее величину имеют образцы, обработанные в штатной смеси и с углеродом, при температуре ТДУ равной 1150°С. Низкотемпературный режим ТДУ в штатной смеси не дает такого значительного различия по сравнению с друг ими смесями. Введение в состав большого количества КТО приводит к снижению жаростойкости, что объясняется наличием пор в диффузионном слое. Добавка алюминия или углерода совместно с КТО повышает жаростойкость, но ниже уровня штатной смеси.

Глава__4. Посвящена: разработке, исследованию и интенсификации

технологических процессов ТДУ для изделий из инструментальных и конструкционных материалов с применением различного минеральною сырья; пссл( .ованию рабоюспособност упрочненных меюдом ТДУ

0 40 80 120 п-103, об-

1 - Р6М5; 2 - 7ХГ2ВМФ; 3 - X12М; 4 - У8Л; 5 - сталь 45.

Рис. 6

инструментальных материалов, влияния легирующих элементов, режимов ТДУ и состава диффузионных покрытий на работоспособность режущего инструмента из быстрорежущих сталей (БС) и твердых сплавов (ТС). Приводятся практические результаты проведенных исследований и даны-рекомендации по реализации их в промышленности.

Исследования работоспособности БС и ТС инструмента выполнялись но методикам, разработанным в Комсомольском-на -Амуре государственном-техническом университете.

Стойкостные испытания проводились на токарно-винторезном станке модели 16К20 и на фрезерном станке модели 6А12 при различных условиях резания.

С целью интенсификации процесса-ТДУ, повышения градиента поверхностной твердости и износостойкости изделий был разработан комбиниро-бннированнын способ упрочнения с предварительной лазерной термической* обработкой поверхности материала лучем импульсного лазера. Последующий процесс ТДУ обработанных лазером изделий можно осуществлять как в штатных, гак и в любых других разработанных составах. Результаты исследований показали, что с использованием ипанюш сосиша Iдубина уп-

рочненного слоя возрастает в 3 раза по сравнению с чистым хромированием, структура сплава не имеет характерной для обычной лазерной обработки или обычного ТДУ слоистости, что способствует повышению работоспособности инструмента и конструкционных материалов (а.с. № 1675381). При лазерной обработке происходит значительное измельчение структуры, что положительно сказывается на последующей стадии ТДУ, особено-в присутствии КТО и алюминия. Всё это приводит к активизации диффузионных процессов, снижению карбндообразования в поверхностных слоях, следствием чего является более равномерное распределение молибдена, ванадия и других легирующих элементов в диффузионном слое. При этом повышается стабильность физико-механических и эксплуатационных свойств, в результате стойкость инструмента из быстрорежущих сталей возрастает в 2-3 раза.

Для повышения хрупкой прочности диффузионного слоя и износостойкости твердосплавного инструмента на операциях прерывистого резания и фрезерования был разработан состав для комплексного ТДУ (патент РФ № 2044107) на основе'оксндов титана, ниобия, алюминия, содержащий дополнительно 10-25 мас.% циркониевого концентрата (ОСТ 48-84-72) и-3-5 мас.% углерода (сажи).

С целью повышения стабильности физико-химических и эксплуатационных свойств инструментов из малолегированных инструментальных сталей за счет (у>лее равномерного распределения легирующих карбидооб-разующих элементов в упрочненном слое, был разработан состав для ТДУ (патент РФ № 2041971) на основе феррованадия и ферромолибдена, содержащий дополнительно 20-30 мас.% КТО.

Для адюмоцирконосшшцирования инструментальных и конструкционных материалов был разработан состав (патент *РФ № 2048604), обладающий повышенной насыщающей способностью за счет введения циркониевого концентрата (ОСТ 48-84-72) в количест ве 40-70 мас.% и изменения тем самым фазового состава насыщающей среды.

Разработан состав для ТДУ инструментальных и конструкционных материалов (патент РФ № 2048605). в который дополнительно введен вольфрамовый концентрат марки ППВЗ-З (ГОСТ 48-141-82) в количестве 10-30 мас.%, что позволяет существенно енпшть температуру и сократить продолжительность процесса ТДУ при сохранении высоких значений микротвердости и работоспособности упрочненного материала.

Разработан состав для ТДУ инструментальных и конструкционных материалов (а. с. № 1759954), позволяющий существенно повысить рабочие \урактернстнки упрочненных изделий: глубину диффузионного слоя в 4-6 раз. поверхностную твердость па 2-5 ГПа, причем можно значительно снизить температуру (до 800 - 90()"С) и продолжительность (до 2-3 ч) процесса, для этого в состав вводится КТО в количестве 66-78 мае." ".

Для повышения жаро- и термостойкости диффу тонных покрытий, ta счет снижения их иорнаосги. был pa ipaooian способ по.и отовкн насыщаю-

щих составов, содержащих КТО (патент РФ № 2051216), который заключается и предварительной прокалке КТО при температуре 750-1200°С в окислительной атмосфере. При этом изменяется минералогический состав КТО за счет разложения минералов и образования из них оксидов, а также частичного удаления продуктов распада в газообразном и парообразном виде.

Повышение эксплуатационной стойкости режущего инструмента, оснащенного неперетачиваемыми пластинами из твердого сплава Т15К6, в 4 раза после 2'ДУ отмечено при испытаниях в ПО "Амурмаш" (г. Амурск)(рис. 7).

• ;(зисимость износа :з,от племени резания Т при точении стали 45 а скопос "< v'=25íí м/мин, S=Q.25 мм/об. 1=2мм.

1 - TI5K6: 2-TI5K6+TÍN: 3 - TI5K6V^y(ïi,Cr,Ni,Zr)CN+UK

Рис. 7

Промышленная апробация результатов, проведенная « АО "Амурский судосз роитсльный завод" (г. Комсомольск-на-Амуре) показала, что пуансоны из инструментальной IJ(' стали Р6М5 после ТДУ в процессе штамповки державок для резцов при температуре 1200"С имели эксплуатационную стон-кос. п. в 4-5 раз большую, чем изготовленные по обычной технологии.

'Эксплуатационные испытания в УМ-4 ТССМ-2 (г. Комсомольск-ил« Ам\ре) легален шдронасосов (поршней и г идрораспреде.л игольных шайб) и i cía in 40Х после ТДУ показали увеличение стойкости в 2-3 раза по сравнению с италя.мп изго'мжненпыми по обычной технологии.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОД!»

1. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования по использованию многокомпонентного минерального сырья горнообогатительного производства в качестве ингредиентов насыщающих составов для ТДУ инструментальных и конструкционных материалов.

2. Исследованы физико-химические свойства минерального сырья н отходов обогатительного производства. Разрабогана технология предварительной подготовки минерального сырья для ТДУ (патент РФ №205121(>).

3. На основании термодинамического анализа показано, что оора-зование хлоридов из оксидов происходит легче, чем из чистых элементов, поэтому применение оксидов для ТДУ более выгодно. Применение метал лотермии совместно с процессом ТДУ позволяет получать многокомпонентные композиционные покрытия на инструментальных и конструкционных материалах из различного минерального сырь/

4. Разработана математическая модель процесса ТДУ, что позволило объяснить механизм влияния различных факторов на процесс ТДУ и свойства диффузионных покрытий

5. Установлено, что введение в насыщающий состав КТО позволяет увеличивать глубину (в 2-3 раза) и микротвердость диффузионных покрытии, уменьшить обезуглероженную зону под покрытием. Совместное введение к насыщающие составы КТО, углерода и алюминия.еше больше увеличивает глубину покрытий, которые при этом имеют четко выраженное двухслойное строение: наружный карбидный или карбонитридный слой и внутренний слой, состоящий из твердого раствора легирующих элементов в матрице.

6. Проведен комплекс экспериментальных исследований по определению работоспособности инструментальных материалов с диффузионными покрытиями и их влиянию на процесс разрушения. Показано, что повышение износостойкости режущего и штамнового инструмент!! с такими покрытиями связано с большей энергопоглощаемостью, хорошей адгезией покрытия с основой и высокой пластичностью микрообьемок

7. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований определены оптимальные технологические параметры процесса ТДУ и насыщающие составы для различных инструментальных и конструкционных материалов.

8. Предложены пути интенсификации процесса ТДУ как последовательным использованием комбинаций методов воздействия на обрабатываемую поверхность материалов, так и введением в насыщающие состав!,! компонентов, ускоряющих реакционные процессы.

9. Разработан комбинированный дюсоб интенсификации процесса ТДУ, повышения градиента твердости и изт состопкостп изделии и-инструментальных и конструкционных материалов (а.с. № 167538),

10. Разработаны составы, позволяющие значительно чтененфици-ровать процесс ТДУ инструментальных и конструкционных материалов (а с. №1759954, патенты Г*Ф №№ 2041971, 2044107, 204X604. 2048(>чм

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях

1. Повышение стойкости прессформ из среднеуглеродистой стали (в соавторстве) / Информ. листок № 114-87, ЦНТИ, Хабаровск, 1987.

2. Особенности структуры поверхностного слоя конструкционной стали после диффузионного хромирования (в соавторстве) / В сб. "Структура и свойства материалов", Новокузнецк. 1988.

3. Влияние диффузионног о поверхностного упрочнения на механические свойства стальных отливок (в соавторстве) / В сб. "Совершенствование технологических процессов и оборудования в литейном производстве", ХПИ-КнАПИ, Хабаровск, ¡989.

4. Применение способов диффузионного поверхностного упрочнения инструментальных материалов (в соавторстве) / В сб. "Повышение эффективности использования методов порошковой металлургии и упрочняющих покрытий на предприятиях Дальнего Востока". Комсомольск-на-Амуре, 1989.

5. Применение концентратов местного минерального сырья для диффузионного упрочнения литого штампового инструмента (в соавторстве) / В сб. "Развитие методов и процессов образования литейных форм и отливок", ДВГУ - КнАПИ, Владивосток - Комсомольск-на-Амуре, 1990.

6. Способ хромирования стальных изделий (в соавторстве) / А. с. № 1675381, от 07.09.91.

7. Влияние комплексной обработки на поверхностные свойства железоуглеродистых сплавов (в соавторстве) / В сб. "Технология получения и применение новых материалов в порошковой металлургии и машиностроении", Владивосток, ДВО РАН, 1992.

8. Технология повышения износостойкости деталей гидронасосов (в соавторстве) / Информ. листок № 158-92, ЦНТИ, Хабаровск, 1992.

9. Состав для диффузионного насыщения железоуглеродистых сплавов (в соавторстве) / А. с. № 1759954, от 07.09.92.

) 0. Состав для диффузионного упрочнения инструментов(в соавторстве) / Патент РФ № 2041971, от 20.08.95.

11. Состав для комплексной химико-термической обработки твердосплавного инструмента (в соавторстве) / Патент РФ № 2044107, от 20. 09.95.

12. Состав для алюмоцирконосилицирования стали и сплавов (в , соавторстве) / Патент РФ № 2048 604, от 20.11.95.

13. Состав для диффузионного упрочнения железоуглеродистых сплавов (в соавторстве) / Патент РФ № 2048605, от 20.11.95.

14. Способ подготовки смесей для диффузионого хромирования, содержащих отходы производства оловянных руд (в соавторстве) / Патент РФ № 2051216, от 20.12.95.