Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Диффузионные боридные покрытия давно и успешно используются для защиты поверхностей тяжелонагруженных деталей, эксплуатируемых в условиях циклически меняющихся температур и механических нагрузок. В работах Н.Н. Митроховича, В.П. Фетисова, Л.Г. Ворошнина, В.И. Похмурского, Б.Н. Гузанова, В.Е. Панина, С.Ю. Тарасова, А.В. Колубаева. О.В. Сизовой, Я.Б. Чернова, А.И. Анфиногенова, Н.И. Шурова рассмотрены различные методы нанесения таких покрытий и их свойства, что позволяет выбирать оптимальную технологию диффузионного борирования для конкретных деталей. В настоящее время широко известны работы школы физической мезомеханики под руководством академика РАН В.Е. Панина, посвященные самоорганизации структуры деформированного материала, в том числе и боридных покрытий, на разных масштабных уровнях. Анализ литературных данных показал, что практически отсутствуют работы, в которых сформулированы основные положения о влиянии того или иного элемента основы на строение и химический состав отдельных зон диффузионных боридных покрытий, а также на механизмы их разрушения при термомеханическом воздействии. Поэтому является весьма актуальным проведение исследований влияния легирующих элементов стали-основы на химический состав и распределение свойств борированных слоев, а также на характер деградации покрытий при термоциклировании и износе, особенно в условиях гетерогенного режима трения, когда между поверхностями протекают сложные и существенно отличающиеся по физической сущности процессы: окисление, связанное с доступом атмосферного кислорода, влаги и органической смазки на разных этапах отработки трибосопряжения, пластическая деформация отдельных микрообластей шероховатой поверхности, трещинообразование, адгезия, диффузия, схватывание.
Цель работы - установить влияние химического состава стали на строение, химический и фазовый составы, свойства диффузионных боридных покрытий, выбрать параметры неразрушающего контроля толщины покрытий.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Определить фазовый и химический составы и микромеханические свойства отдельных зон диффузионных боридных покрытий на сталях разного химического состава.
2. Изучить влияние толщины диффузионных боридных покрытий на изменение электромагнитных свойств образцов из стали 4Х5МФС.
3. Определить механизмы разрушения диффузионных боридных покрытий на углеродистой и штамповых сталях в условиях термоциклирования.
4. Установить взаимосвязь между составом боридного покрытия и его термостойкостью, износостойкостью, диффузионной стабильностью.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
1. Установлено влияние легирующих элементов исследованных сталей на химический состав всех зон диффузионных боридных покрытий, соотношение слоев боридов МВ и М2В и фазовый состав переходной зоны на границе с основой.
2. Определена растворимость хрома, содержащегося в стали-основе, в боридах железа, образовавшихся в поверхностном слое после диффузионного борирования. Показано, что на сталях, легированных хромом, в покрытии формируются легированные бориды (Бе,Сг)В и (Те,Сг)2В, которые приобретают способность пластически формоизменяться при интенсивном трибологическом нагружении.
3. Показана возможность использования электромагнитных характеристик, а именно коэрцитивной силы, удельного электросопротивления и максимальной магнитной проницаемости, в качестве параметров неразрушающего контроля толщины боридных покрытий.
4. Экспериментально выявлена определяющая роль окислительных процессов на границе «сталь-покрытие» в разрушении боридных покрытий при термоциклировании на воздухе и положительная роль легирования покрытий хромом из стали-основы с точки зрения образования защитной тонкой оксидной пленки Сг2О3.
Теоретическая значимость
Диссертационная работа соискателя вносит вклад в развитие материаловедения, заключающийся в расширении существующих представлений о путях повышения защитных свойств диффузионных боридных покрытий за счет рационального выбора марки стали для деталей штампового и режущего инструмента, а также пар трения. Выполненные в работе исследования показали возможность существенного повышения стойкости диффузионных боридных покрытий в условиях термоциклирования и износа за счет их легирования хромом и кремнием из стали - основы.
Практическая значимость результатов исследований
Результаты работы используются на предприятии АО «Уралтрансмаш» для повышения износостойкости режущего инструмента и упрочнения пар трения. Разработана технологическая инструкция диффузионного борирования ряда деталей, используемых в производственном процессе. Соответствующие документы приложены к диссертационной работе.
Результаты исследований используются при чтении курса лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам «Технология материалов и покрытий» для бакалавров по направлению подготовки 150.100.62 и «Химико-термическая обработка и покрытия» для магистров по направлению подготовки 150.100.68 ФГОУ ВПО УрФУ имени первого президента России Б.Н. Ельцина. Соответствующие документы приложены к диссертационной работе.
Исследования, представленные в диссертационной работе, выполнены в рамках выполнения госбюджетных тем № 01201268984 и 012001375907, программы № 13 фундаментальных исследований Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления “Многоуровневое исследование свойств и поведения перспективных материалов для современных узлов трения”, проекта Президиума УрО РАН № 12-Т-1-1010, при поддержке гранта РФФИ № 13-01-00516 и гранта молодых ученых и аспирантов Президиума УрО РАН № 11-1-НП-388.
Методология и методы исследования
Научные исследования были проведены с привлечением современных методов материаловедения, физико-химического и спектрального анализа, металлографии, электронной растровой микроскопии. Применялись стандартизованные и оригинальные методики для проведения механических испытаний, определения твердости, испытаний износостойкости и термостойкости.
Положения, выносимые на защиту:
1. Химический и фазовый составы диффузионных боридных покрытий, обеспечивающие максимальную стабилизацию свойств поверхности деталей в условиях окисления и износа: содержание хрома в боридах железа должно быть не менее 4 мас. %, в переходной зоне содержание кремния должно составлять не менее 2 мас. % для формирования демпфирующей прослойки кремнистого феррита.
2. Результаты испытаний электромагнитных свойств образцов из стали 4Х5МФС без покрытий и после нанесения диффузионных боридных покрытий разной толщины.
3. Механизмы разрушения диффузионных боридных покрытий на углеродистой и штамповой сталях в условиях термоциклирования под нагрузкой в атмосферах азота, водорода и на воздухе. В воздушной атмосфере преобладает разрушение за счет окисления стали-основы на границе с покрытием, вызывающее отслоение боридов и их выкрашивание. В атмосфере азота выталкивающее действие на бориды железа оказывает увеличение объема стали под покрытием в местах локализации пластической деформации, связанное с поступлением азота. В восстановительной атмосфере разрушение покрытия происходит за счет множественного квазипериодического растрескивания, характер которого определяется пластичностью основы.
4. Механизм деградации боридных покрытий при интенсивном трибологическом нагружении в паре трения «вал-втулка», заключающийся в пластическом формоизменении боридов железа, фрагментации их зерен и выглаживании поверхностей сопряжения.
Достоверность основных научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечена применением апробированных методик и современного оборудования, проверкой полученных результатов альтернативными методами исследования, а также их соответствие данным других исследователей.
Апробация результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих российских и международных конференциях: IV и V Российская научно-техническая конференция «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2009 и 2011); X Международная научно-техническая уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, 2009); XIX Петербургские чтения по проблемам прочности, посвященные 130-летию со дня рождения академика АН УССР Н.Н. Давиденкова (Санкт-Петербург, 2010); VI и VII Всероссийская конференция «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» Екатеринбург, 2010 и 2012); Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2011), V Международная конференция «Деформация и Разрушение Материалов и Наноматериалов» (Москва, 2011); XXI Уральская школа металловедов-термистов (Магнитогорск, 2012); I и II Международные интерактивные научно-практические конференции «Инновации в материаловедении и металлургии» (Екатеринбург, 2012, 2013); XIII Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2012); Научно-практическая конференция «Актуальные вопросы конструкционной прочности и износостойкости деталей машин» (Нижний Тагил, 2014);УШ, IX и X Российские научно-технические конференции «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2014, 2015 и 2016).
Публикации: основное содержание работы отражено в 13 публикациях, в том числе в 4 статьях в рецензируемых научных журналах определенных ВАК России.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 150 наименования. Содержание диссертации изложено на 164 страницах, включая 57 рисунка, 13 таблиц и 4 приложения.
1. Установлено, что легирующие элементы стали - основы определяют кинетику формирования, химический и фазовый состав и свойства диффузионных боридных покрытий. На сталях после борирования формируются градиентные покрытия, состоящие не менее чем из 3-х слоев, отличающихся по составу и свойствам.
2. Показано, что оптимальными свойствами обладают покрытия на сталях, содержащих не менее 5 масс.% хрома, что проявилось в увеличении значений условного показателя пластичности ф, выравнивании значений контактного модуля упругости Е между слоями покрытия, повышении стойкости к окислению за счет формирования пленки Сг2О3 и при формоизменении покрытий во время испытаний износостойкости.
3. Кремний оказывает положительное влияние на защитные свойства покрытий за счет образования демпфирующей прослойки кремнистого феррита на границе между покрытием и сталью-основой.
4. Установлены зависимости электромагнитных характеристик образцов из стали 4Х5МС от толщины боридных покрытий:
- значения удельного электросопротивления образцов повышается при увеличении толщины боридных покрытий, что позволяет использовать этот показатель для контроля толщины упрочненного слоя;
- при нанесении боридного покрытия коэрцитивная сила увеличивается в 6 раз, максимальная магнитная индукция в 1,5 раза, остаточная индукция в 3,5 раза, однако при увеличении толщины покрытий более 100 мкм эти показатели практически не меняются;
- значения максимумов дифференциальной магнитной проницаемости существенно уменьшаются в интервале толщин покрытий 0 - 100 мкм, что позволяет контролировать наличие покрытия толщиной до 100 мкм.
5. Разрушение боридных покрытий при термоциклировании определяются стойкостью стали к высокотемпературному окислению и типом образующегося оксида. Бориды железа в покрытии обладают достаточно высокой жаростойкостью, но игольчатое строение их зерен определяет быстрое проникновение кислорода на границу «сталь - покрытие», где и образуются рыхлые объемные оксиды БеО и Бе2Оз, выталкивающие иглы боридов в покрытии. Такого не наблюдается при образовании оксида СГ2О3 на сталях с содержанием хрома не менее 5 мас.%.
6. При термоциклировании в восстановительной атмосфере стойкость боридных покрытий к растрескиванию определяется характеристиками пластичности стали - основы. На пластичных сталях, таких как Ст3, разрушение покрытия происходит путем квазипериодического прерывистого растрескивания, переходящего в стохастически разветвленное при больших степенях деформации в области шейки (до 98 %). На малопластичных сталях, таких как сталь 4Х5МФС, разрушение покрытия носит характер квазипериодического растрескивания с образованием сплошных трещин по диаметру и вдоль образца (деформация в шейке 21 %).
7. Деградация боридных покрытий при интенсивном трибологическом воздействии в условиях проведенных испытаний происходит не за счет микросколов, а путем пластического формоизменения и фрагментации зерен боридов железа, выглаживания поверхности сопряжения.
8. При выборе сталей для изготовления деталей, эксплуатируемых в условиях интенсивного трибологического нагружения, следует отдавать предпочтение сталям содержащим не более 0,6 мас. % углерода, хрома - не менее 5 мас. %, кремния - не менее 1 мас. %, молибдена, вольфрама, ванадия - не менее 0,5 мас. %. При этом после диффузионного борирования гарантировано формирование гетерофазных градиентных покрытий с содержанием хрома в боридах железа не менее 5 мас. % во внешних зонах и прослойкой кремнистого феррита на границе с основой, содержащей не менее 2 мас. % кремния, с равномерно расположенными дисперсными глобулярными частицами боридов хрома, молибдена, вольфрама и ванадия.
9. Полученные новые сведения о физико - механических свойствах боридов железа в составе диффузионных покрытий позволили расширить область их применения. Если ранее считалось, что диффузионное борирование целесообразно применять для штампового инструмента, эксплуатируемого в условиях трения при термоциклировании, то результаты исследования данной работы обосновывают возможность использования данного способа ХТО для эксплуатации при климатических температурах, например для режущего инструмента или штампов холодного деформирования.
10. Результаты работы используются при чтении курса лекций и проведении
лабораторных работ по дисциплинам «Технология материалов и покрытий» для бакалавров по направлению подготовки 150 100. 62 и «Химико-термическая обработка и покрытия» для магистров по направлению подготовки 150 100. 68 УрФУ им. Первого президента России Б.Н. Ельцина.
11. Разработана технологическая инструкция процесса диффузионного борирования трибологической пары и режущего инструмента для АО «Уральский завод транспортного машиностроения» (г. Екатеринбург). Нанесение боридных покрытий на детали позволили повысить срок эксплуатации не менее чем в 3 раза.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
