Введение к работе
Актуальность темы. Сложившаяся к настоящему времени ситуация в российском машиностроении (в том числе сельскохозяйственном и тракторном) требует поиска неотложных решений и мер. На фоне резкого снижения технической готовности сельскохозяйственной техники, составляющей не более 60%, резко возрос удельный вес новых запасных частей в общей стоимости приобретённых технических средств. Несмотря на конкуренцию, многие заводы (АОО) даже снизили качество продукции, что привело к увеличению закупок потребителями «малоресурсных» деталей в других странах.
Казалось бы, такое положение должно привести к резкому возрастанию удельного веса восстановленных деталей, учитывая их существенно меньшую стоимость при практически равном, а нередко и большем ресурсе.
Покрытия с заданной износостойкостью деталей - самый быстрый, эффективный и дешёвый путь решения проблемы увеличения ресурса машин.
Широкое распространение получило упрочнение поверхностных слоев изделий, заключающееся в использовании в качестве базового материал недорого и недефицитного сплава с последующей химико-термической обработкой (ХТО) его поверхности. Главные преимущества ХТО связаны с возможностью эффективно изменять свойства поверхностного слоя путем варьирования химического состава, созданием прогнозируемого сочетания свойств поверхности изделия и сердцевины.
Одним из перспективных способов упрочнения является насыщение поверхности изделий бором, а также бором совместно другими легирующими элементами: Сг, La, W, А1, Mo. В результате этого процесса на поверхности обрабатываемого изделия формируются химические соединения - бориды, обладающие высокими износостойкими и коррозионно-стойкими характеристиками. Эти свойства в сочетании с жаростойкостью и жаропрочностью боридных покрытий обеспечивают их широкое применение не только в энергетическом, сельскохозяйственном и транспортном машиностроении, но и в различных отраслях химической и нефтегазовой промышленности.
Большое значение в настоящее время уделяется упрочнению поверхности электрофизическими способами - электроискровому легированию (ЭИЛ) и электроакустическому нанесению покрытия (ЭЛАНП) на различные материалы, однако разрабатываемые направления не исчерпывают многих возможностей получения поверхностных слоев металлов и сплавов с высокими эксплуатационными свойствами.
Для большинства электрофизических покрытий существует про
блема их качества (шероховатость, пористость, значительные внутрен
ние напряжения) и адгезии К металличеСІЩШ ^)^^^^^1 б-
ласть применения таких композитов. МЫИОТККА
ggpat-
Одним из путей повышения качества и свойств электрофизических покрытий является применение лазерной и финишной обработки, приводящих к улучшению структуры и качеству поверхностных слоев вышеуказанных покрытий и в целом композита.
Таким образом, тема работы на наш взгляд актуальна, а поставленные в ней задачи имеют научную новизну.
Тема входит в координационный план научно-исследовательских работ по «Реализации региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного района».
Целью диссертационного исследования является разработка на научной основе технологических принципов создания боридных, электроискровых и электроакустических покрытий, управления их структурой и свойствами для упрочнения и восстановления деталей машин. В работе поставлены и решены следующие задачи:
На основании собственных исследований, обобщения и систематизирования литературных данных проведение анализа физико-химических процессов различных стадий формирования боридных покрытий.
Разработка теоретического обоснования термодинамики механизма реакций при электролизном борировании. Изучение кинетики формирования боридных покрытий.
Выявление главных структурных факторов и установление закономерностей формирования структуры боридных покрытий, определяющих их адгезионную прочность и износостойкость.
Оптимизация технологических режимов ХТО и разработка основных принципов управления структурными факторами получения борсодержащих покрытий.
Выбор и обоснование состава электродных материалов для электроискровой обработки конструкционных материалов на основе железа и никеля. Оптимизация режимов ЭИЛ по ряду характеристик. Исследование структуры, фазового состава и физико-механических свойств электроискровых и электроакустических покрытий, установление закономерности формирования структуры от технологических режимов ЭИЛ. Изучение влияния финишной обработки (выглаживания и лазерной обработки) на качество поверхности, уровень остаточных напряжений и другие эксплуатационные свойства.
Проведение промышленного апробирования процессов химико-термической и электроискровой обработок и внедрение результатов на реальных объектах машиностроительного и сельскохозяйственного производства.
Методы исследования. Исследование свойств боридных и электрофизических покрытий проводили в лабораторных и производственных условиях. В работе использовался современный комплекс металле -физических методов исследований: оптическая, электронная и растровая микроскопия, рентгеноструктурныи и микрорештеноспектральный анализы, внутреннего трения. Механические испытания проводились по
стандартным и оригинальным методикам. Численная реализация расчетов выполнялась на ПЭВМ с помощью пакета прикладных программ. Научные положения, выносимые на защиту:
Результаты исследований боридных, электроискровых и электроакустических покрытий на сложнолегированных сталях и сложнолегиро-ванных сплавах с никельхромовой матрицей оптическими, электронно-микроскопическими, рентгеновскими, внутреннего трения и другими методами в зависимости от технологических параметров борирования и электроискровой обработки.
Установленные закономерности влияния структуры покрытий на их физико-механические свойства.
Закономерности изменения износостойкости и других эксплуатационных характеристик в зависимости от структуры покрытий.
Научно обоснованные технологические процессы борирования, электроискровой и финишной обработки, обеспечивающие получение структуры покрытий, придающей деталям максимальную износостойкость и другие повышенные эксплуатационные свойства.
Научная новизна работы заключается в:
Экспериментальном и научном развитии фундаментальных представлений о формировании и строении боридных и электроискровых покрытий.
Установлении закономерностей формирования структуры и основных структурных факторов, определяющих адгезионную прочность, твердость и износостойкость упрочненных и восстановленных деталей.
Разработке основных принципов управления структурными факторами изучаемых покрытий, определяющими высокий уровень износостойкости и других эксплуатационных характеристик сталей и сплавов с покрытиями.
Развитии принципов выбора химического состава электродных материалов при электроискровой обработке.
Научном обосновании технологических процессов борирования, электроискрового и электроакустического нанесения покрытий, отвечающим максимальной износостойкости и другим повышенным эксплуатационным характеристикам.
Практическая значимость.
Получены покрытия, обладающие высокой твёрдостью, хорошей адгезией к подложке с прогнозируемыми эксплутационными характеристиками деталей сельскохозяйственных машин (молотки зернодробилок) и инструмента для штамповой оснастки.
Выработаны практически рекомендации и разработаны технологические схемы получения износостойких покрытий, полученных, химико-термической и электрофизической обработками.
Результаты работы внедрены на предприятиях АО О АГ-РОМАШ и АОО ГЕОМАШ.
Достоверность основных положений и выводов диссертационной работы определяются согласованностью полученных результатов с об-
щепринятыми представлениями теории и практики ХТО, электроискровой обработки и отсутствием противоречий с результатами работ российских и зарубежных ученых, работающих в этих направлениях. Достоверность результатов исследований основывается на комплексном использовании взаимодополняющих высокочувствительных металло-физических методов исследований, применения их в соответствии с действующими государственными стандартами и с учетом особенностей изучаемых объектов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждены: VI межд. научн.-техн. конф. «Медико-экологические информационные технологии - 2003» (Курск, 2003); X юбилейной Российской научн.-техн. конф. с межд. участием, посвященной 40-летию Курского ГТУ. «Материалы и упрочняющие технологии - 2003» (Курск, 2003); XLII отчетной научной конференции за 2003 год Воронежской государственной технологической академии; XVII межвузовской научно-практической конференции в Брянской государственной сельскохозяйственной академии в 2004 г.; II международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2004); V межд. конф. «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении» - Воронеж, 2004; XI Российская научн.-техн. конф. с межд. участием «Материалы и упрочняющие технологии - 2004» (Курск, 2004); на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Курской государственной сельскохозяйственной академии им. проф. И.И.Иванова в 2002-2004 г., работа рассматривалась на научно-технических семинарах кафедр «Технология металлов и ремонт машин» в Курской государственной сельскохозяйственной академии в 2004 г. и кафедре «Оборудование и технология сварочного производства» в Курском государственном техническом университете в 2004 году.
Публикации. Самостоятельно и в соавторстве по теме диссертации опубликовано 23 печатные работы. Личный вклад автора:
теоретические и экспериментальные исследования образования боридных фаз при электролизном борировании, борохромировании и лантаноборировании; комплексные металлофизические исследования электроискровых покрытий на различных подложках;
оптимизации технологических процессов и планирования эксперимента;
в совершенствование методик исследований и их анализе.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 159 наименований. Основная часть работы изложена на /S% странице, содержит,./? рисунков и ij таблиц.
