Введение к работе
Актуальность темы. Внедрение методов порошковой металлургии для изготовления деталей различного назначения происходит в жесткой конкурентной борьбе с традиционными технологиями механической обработки компактных материалов, точной штамповки, литья. Для повышения надежности, долговечности, износо- и коррозионностойкости изделий из литых материалов разработаны и широко используются различные способы поверхностного упрочнения: нанесение покрытий, химико-термическая обработка (ХТО), поверхностно- пластическая деформация и др. Это увеличивает конкурентоспособность деталей данного класса. Применительно же к порошковым изделиям использование поверхностного упрочнения ограничено. В частности, из всех видов ХТО промышленное применение нашли лишь цементация, нитроцементация и парооксидирование. В отдельных случаях используется диффузионное хромирование (ДХ), силицирова-ние, борироваїше, алитирование из состава засыпок. Однако говорить о широком их применении нельзя.
Метод ДХ электролизом ионных расплавов солей применительно к порошковым материалам до настоящего времеші не использовался, хотя он заключает в себе некоторые потенциальные возможности сокращения длительности насыщения, а следовательно и энергоемкости всего процесса.
Недостаточность сведений, касающихся влияния особенностей протекания процесса ДХ электролизом иогагых расплавов солей на величину, структуру и свойства формирующегося при этом поверхностного слоя го-рячедеформированных порошковых материалов (ГДПМ) обусловило необходимость проведения специальных исследований, которые были выполнены в соответствии с заданиями межвузовской инновационной научно-технической программы Российской Федерации "Исследования в области порошковой технологии" (темы 94/16Т и 95/5И), межвузовской научно-технической программы "Перспективные материалы" (тема 95/17Ф) и госбюджетной темы 49.94 "Фундаментальные исследования в области формирования структуры и свойств порошковых материалов, а также их формирования при горячей обработке давлением" на 1994-98 г.г.
Цель и задачи исследования. Целью работы являлось изучение процесса диффузионного хромирования электролизом ионных расплавов солей, структуры, фазового состава диффузионного слоя и свойств материа-
-2-ла, полученного горячей штамповкой (ГШ) из железного порошка и желе зоуглеродистых композиций.
Для выполнения поставленной цели в работе предусматривалось ре шить следующие задачи:
исследовать влияние технологических параметров (исходной порис тоста, продолжительности и температуры насыщения, плотности тока особенностей геометрии поверхностного слоя изделий) на кинетику ДХ;
изучить структуру, фазовый состав диффузионного слоя и свойств; материалов после ДХ;
определить влияние последовательности проведения технологиче ских операций при получении ГДПМ с хромированным поверхностью слоем на структуру и свойства изделий, установить оптимальные парамет ры процесса;
разработать рекомендации для практической реализации результа тов исследований.
Научная новизна. Установлены кинетические особенности термо диффузионного хромирования порошковых материалов на основе железг электролизом ионных расплавов солей. Процесс включает электрохимичс ское осаждение хрома на поверхность порошковой подложки, эффективна! площадь которой возрастает с увеличением доли открытых пор. Осажденш происходит из жидкой и газовой фаз. На последующей стадии хром диф фундирует в матрицу материала, образуя твердый раствор с железом и кар биды в результате взаимодействия с углеродом порошковой стали. Зако номерности его распределения в поверхностном слое порошковых сталсі после термодиффузионного насыщения обусловлены процессами взаимноі диффузии углерода, хрома и железа.
Установлен фазовый состав диффузионного слоя порошковых сталеі и его зависимость от содержания углерода, пористости заготовок, скоростг охлаждения при проведении последующей термообработки.
Высокая диффузионная подвижность углерода и значительно мень шая хрома вызывают обезуглероживание зоны материала, прилежащей і поверхностному слою и образование орторомбического карбида хрома і прішоверхностньїх слоях. Между этими зонами располагаются сложны) карбиды, в которых содержание хрома уменьшается по мере удаления о: поверхности к сердцевине, а также легированный хромом остаточный ау стеннт.
Выявлен механизм электрохимической очистки заготовок, осуществляемой путем смены полярности в ионных расплавах солей, в процессе которой происходит уменьшите содержания кислорода при его замещении хлором в оксидных пленках с последующим разложением образовавшихся хлоридов, а также увеличение поверхностной пористости за счет распюре-ния мелких частиц порошка. В результате значительно интенсифицируется последующее насыщение хромом.
Установлены особенности структуры поверхностного слоя образцов, подвергшихся хромированию до горячей деформации. Они заключаются в наличии участков, в которых глубина диффузионного слоя значительно превышает среднюю, что связано с затеканием расплава в поры и обуславливает повышение прочности адгезионной связи с подложкой.
Практическая ценность. Определены технологические схемы и режимы, обеспечивающие получение беспористых порошковых материалов с оптимальным сочетанием характеристик прочности, пластичности, износо-и коррозионной стойкости. Показана возможность диффузионного хромирования порошковых материалов на основе железа электролизом ионного расплава солей.
Разработаны рекомендации по проведению диффузионного насыщения хромом с учетом температуры, времени процесса, плотности тока, пористости заготовок, содержания углерода, последовательности технологических операций при получении ГДПМ, а также назначения изделий.
Установлена целесообразность и возможность электрохимической очистки (ЭХО) поверхности и открытых пор как холоднопрессоватіьіх, так и горячедеформированных заготовок в ионных расплавах солей при смене полярности за счет эффекта анодного растворения.
Получены материалы и изделия, износостойкость которых находится на уровне стали ШХ15СГ после термообработки, а сопротивляемость коррозии в растворах кислот и щелочей не уступает стали 12Х18Н10Т; определены соответствующие параметры технологии.
Реализация результатов работы. Результаты, полученные в работе, использованы при разработке технологии термодиффузионного хромирования электролизом ионных расплавов "втулки специальной", получаемой из шихты на основе железного порошка и искусственного графита, которая принята ко внедрению на ОАО "Армалит" (г. Санкт-Петербург) с экономическим эффектом 37,67 млн. руб. (в ценах 1997 года), а также ролика авто-
-4-мата сброса копны и ролика подборщика, изготавливаемых из железоупн родистого порошкового материала на ОАО "Ростсельмаш". В последнеї случае повышен в 10 раз срок службы изделий.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работ] доложены и обсуждены на:
Международной научно-технической конференции "Надежность мг шин и технологического оборудования" (г. Ростов-на-Дону, 1994г.);
XVI -й Российской школе по проблемам проектирования неоднорол
ных конструкций (г. Миасс, 1997г.);
- ежегодных научно-технических конференциях Новочеркасского гос)
дарственного технического университета(Новочеркасск, 1994-97 г.г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатны
работ, в том числе один патент.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит и введения, пяти глав, общих выводов и приложешій и содержит 177 страниі машинописного текста, 63 рисунка, 9 таблиц и список литературы из 13 наименований.