Введение к работе
Аісгуальность темы. В настоящее время в машиностроении широко распространены различные методы поверхностного упрочнения деталей. Одним из основных и широко известных способов упрочнения поверхности стальных изделий является химико-термическая обработка (ХТО). Этот вид упрочнения существенно изменяет физико-механические свойства, структуру и напряженное состояние сталей. Химико-термической обработкой можно придать такой комплекс эксплуатационных свойств, достижения которого объемным легированием или невозможно или экономически невыгодно. Знание закономерностей диффузионных процессов ХТО позволит существенно повысить эффективность поиска оптимальной технологии. К наиболее перспективным методам ХТО относится борирование. Борированный слой отличается высокой твердостью и износостойкостью. Совершенно очевидно, что в проблеме борирования остается много нерешенных вопросов. Проведение исследований по изучению тонкой структуры упрочненных поверхностей позволят детально изучить кинетику образования борированного слоя и выявить механизм его формирования, а это даст возможность прогнозировать состав, структуру и толщину, а, следовательно, и свойства диффузионного покрытия. Физико-механические свойства диффузионных покрытий во многом зависят от содержания углерода и легирующих элементов находящегося в насыщаемом металле, от способа упрочнения, от температуры и времени насыщения и других технологических факторов. Знание особенностей процессов структурообразования позволит воздействовать на механизм, управлять кинетикой процесса насыщения и получать поверхностные слои с заданными составом, строением и свойствами, что позволит улучшить эксплуатационные характеристики изделий машиностроительного комплекса.
Цель диссертационной работы. Повышение работоспособности деталей машин и инструмента за счет изучение фазовых изменений, кинетики процесса, физических и механических свойств диффузионных слоев при бо-рировании сталей.
В соответствии с целью исследования были поставлены и решены следующие задачи:
-
Определить состав, толщину и микротвердость диффузионных слоев при борировании сталей в зависимости от различных температурно-временных циклов.
-
Исследовать кинетику формирования диффузионных слоев при комплексном насыщении бором и титаном.
-
Установить зависимости, связывающие физико-механические свойства сталей с технологическими параметрами химико-термической обработки и построить математическую модель процесса, связывающую параметр оптгі^ мизации со значимыми эффектами. ^х)
-
Исследовать фазовый состав и тонкую структуру борированного слоя на поверхности сталей.
-
По результатам проведенных исследований рекомендовать наиболее оптимальные режимы химико-термической обработки и провести производственные испытания упрочненных деталей машин и инструмента.
Научная новизна работы.
Установлена кинетика процесса и механизмы формирования диффузионных слоев при комплексном насыщении бором и титаном. Здесь имеет место распределение диффузионной активности бора и титана по времени, что способствует образованию слоистой структуры.
Определены фазы, наблюдаемые на различных глубинах и изменение фазового состава, определены количественные параметры структуры сталей 45 и 5ХНВ после борирования.
Установлены зависимости в виде математической модели, связывающей физико-механические свойства стали (микротвердость и толщина диффузионного слоя) с технологическими параметрами химико-термической обработки (состав насыщающей смеси, исходное состояние стали, размер зерна, температура и время насыщения, степень предварительной деформации, содержание углерода и легирующих элементов).
Выполнен детальный фазовый и структурный анализ на макро-, мезо- и микроуровнях. Детально изучено зональное строение карбоборированных слоев, полученных при борировании сталей и выявлена физическая причина образования такой структуры. Показано, что независимо от их химического состава структура упрочненной поверхности состоит из 4 слоев:
-первый слой почти полностью состоит из борида железа FeB. В небольших количествах присутствуют бориды Fe2B;
-во втором слое бориды железа не занимают весь объем. Наряду с ними присутствует а-фаза и карбобориды Fe3(C,B) и Fe23(C,B)6;
-третий слой содержит остатки боридов железа. Бор в этом слое расположен, в основном, в карбоборидах;
-четвертый слой сохраняет исходную структуру стали.
Практическая значимость работы состоит в том, что проведенные исследования тонкой структуры борированных сталей дают более полное представление о процессах, происходящих в стали во время диффузионного насыщения бором. Знание закономерностей диффузионных процессов позволит существенно повысить эффективность методов химико-термической обработки, что, в свою очередь, позволит оптимизировать потребительские свойства сталей и увеличить срок службы деталей машин, механизмов и металлообрабатывающего инструмента. В промышленных условиях были опробованы разработанные способы химико-термической обработки сталей. При борировании рабочей поверхности уплотнительного кольца из стали 40ХН2МА микротвердость упрочненного слоя составила 18000-20000 МПа, а стойкость по-
5 высилась в 5-7 раз. При проведении испытаний борированной матрицы штампа для высадки головок болтов из стали 5ХНВ было показано, что их стойкость повысилась в 2,5 раза. Данная технология позволяет повышать износостойкость изделий без применения специального, сложного оборудования.
Достоверность результатов и обоснованность выводов обеспечивается применением современных методов исследования в материаловедении, необходимым и достаточным количеством экспериментального материала для корректной статистической обработки, сопоставлением полученных результатов с данными других авторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Данные, полученные в результате экспериментов, об изменении количественного и качественного состава фаз в диффузионном слое в зависимости от режима насыщения сталей бором.
-
Закономерности структурных изменений, наблюдаемые при формировании диффузионных покрытий на сталях при борировании и боротитанировании.
-
Математическая модель, связывающая параметры диффузионного процесса насыщения (длительность насыщения, температура процесса, состав смеси) с твердостью боридного слоя.
-
Сравнительные результаты оценки износостойкости различных сталей, с диффузионными покрытиями на основе бора.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: IX Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 2006); Международной научной школе конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» (Барнаул, 2007); XVII Петербургских чтениях по проблемам прочности, посвященных 90-летию со дня рождения профессора А.Н. Орлова (Санкт-Петербург, 10-12 апреля 2007); VIII Miedzynarodowa Konferencja naukowa, Czestocowa (Польша, 2007); III международной конференции «Современные материалы и технические решения» (Италия, о.Сицилия, 2007); Международной научной конференции «Перспективы развития вузовской науки» (Сочи, 20-23 сентября 2007); Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур» (Барнаул, 2008); IV-й Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур ПРОСТ-2008» (Москва, МИСиС, 8-10 апреля 2008).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 17 печатных работах, из них две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 126 наименований и приложения, содержит 136 страниц машинописного текста, включая 25 таблиц и 56 рисунков.
