Введение к работе
Акггуальность темы
Одним из перспективных направлений для повышения надежности, долговечности, износо-, коррозионной и жаростойкости изделий как из литых и штампованных, так и из порошковых материалов (ПМ), является химико-термическая обработка (ХТО) и, в частности, диффузионное хромирование (ДХ), как один пз ее методов. Применительно к порошковым изделиям промышленное использование ХТО нашли лишь цементация, нитро-цементация и парооксидирование. Гораздо реже используется диффузионное хромирование (ДХ), силицирование, борирование, алитирование из состава засыпок. Хотя очевидно, что применение ХТО для ПМ должно быть особенно эффективно, так как благодаря структурным особенностям (большая протяженность и развитость границ зерен, повышенная концентрация вакансий и др.) они обладают большей диффузионной восприимчивостью. Это позволяет несколько интенсифицировать процесс диффузионного насыщения, сократив время обработки. Традиционные методы ХТО порошковых и компактных материалов имеют значительную продолжительность (2 - 12 и более часов). Поэтому в настоящее время стремительно развиваются различные методы интенсификации ХТО, позволяющие значительно (в десятки и сотни раз сократить время насыщения и увеличить глубину диффузионных зон).
Способ ДХ ПМ на основе железа в среде расплавов солей с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) (от внутреннего источника тепла,/ до настоящего времени не рассматривался. Тем не менее, его потенциальные возможности в плане интенсификации ХТО оцениваются достаточно высоко. Это, прежде всего, сокращение в десятки и сотни раз длительности насыщения, улучшение эксплуатационных характеристик полученных материалов, простота технологических операций, исключение доступа кислорода к изделию в процессе насыщения, а также уменьшение энергозатрат.
Произведенная оценка возможностей ХТО ПМ на основе железа в расплаве солей с нагревом ТВЧ обусловили необходимость проведения специальных исследований, которые были осуществлены на кафедрах «Материаловедение и технология материалов» и «Технология машиностроения» ЮРГТУ (НПИ). Работа была выполнена 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 прогр:шмы «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 1994-2000 г.г.
Цель и задачи исследования. Целью работы является интенсификация процесса диффузионного хромирования горячедеформированных порошковых материалов на основе железа в среде расплавов солей за счет применения индукционного нагрева токами высокой частоты.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
-
Определение рационального состава среды, режимов индукционного нагрева, а также оптимальной технологической схемы процесса хромирования.
-
Определение закономерностей формирования диффузионного слоя в процессе ДХ и оптимизация технологических параметров процесса.
-
Определение влияния параметров ДХ на физико-механические свойства диффузионных слоев.
-
Определение эксплуатационных свойств заготовок, прошедших ДХ по различным технологическим схемам, разработка рекомендаций по практическому использованию результатов исследований.
Научная новизна. Впервые теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность интенсификации процесса термодиффузионного хромирования горячедеформированных порошковых материалов на основе железа в среде расплавов хромсодержапшх солей в процессе индукционного нагрева заготовок. Установлено, что интенсификация проис-
ходит за счет: ускоренного нагрева в высокочастотном магнитном поле; концентрации высокотемпературного поля в верхнем слое образца; преодоления барьеров из продуктов реакций вокруг поверхности образца за счет кипения расплава солей; использования облегченных путей диффузии в материале, имеющем мелкозернистую структуру с высокой степенью развитости межзеренных границ и блоков субструктуры. Выявлены фазовый состав и закономерности формирования диффузионных слоев в зависимости от состава среды и параметров нагрева, свойств и состава материала заготовок. Оптимизированы параметры процесса ДХ с применением нагрева ТВЧ.
Практическая ценность. Определены технологические схемы и режимы, обеспечивающие получение хромированных высокоплотных ПМ на основе железа с оптимальным сочетанием характеристик прочности, пластичности, износо- и коррозионной стойкости.
Разработаны рекомендации по выбору скорости нагрева, температуры, времени ДХ с учетом пористости заготовок, содержания углерода, последовательности технологических операций при получении горячедефор-мированиых порошковых материалов (ГДПМ), а также назначения изделий.
Установлены оптимальные режимы высокочастотного нагрева ГДПМ в процессе ДХ, обеспечивающие получение равномерных по толщине диффузионных зон.
Получены материалы и изделия, износостойкость которых находится на уровне стали ШХ15СГ после термообработки, коррозионная стойкость в растворах кислот и щелочей не уступает нержавеющей стали 12Х18Н10Т.
Реализация результатов работы. Результаты, полученные в работе, использованы при разработке технологии термодиффузионного хромирования в расплаве солей с нагревом ТВЧ деталей «втулка», получаемой из шихты на основе железного порошка и искусственного графита, которая апробирована на ОАО «КСЗ;> (г. Новочеркасск), а также пуансона для прошивки отверстий в листовой стали, изготавливаемого из железоуглеро-
дистого порошкового материала на ОАО «ТМЗ» (г. Тихорецк). Экономический эффект составил 24,7 тыс. руб. и 38,5 тыс. руб. (в ценах 2000 года) соответственно.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на:
- XVII -й Российской школе по проблемам проектирования неоднород-
ных конструкций (г. Миасс, 1998г.);
- ежегодных научно-технических конференциях Нопочеркасекого госу-
дарственного технического университета (Новочеркасск, 1998-2000
г.г.). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений и содержит 175 страниц машинописного текста, 57 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 137 наименований.