Помощь студентам в учебе
Самодиффузия железа и алюминия
|
Введение 6
1 Обзор научной и научно-технической литературы и 9 патентов
1.1 Диаграмма состояния Al-Fe 9
1.2 Диффузионные процессы в системе Аl-Fe 9
1.2.1 Самодиффузия железа и алюминия. 1
0
1.2.2 Диффузия алюминия в железо 1
1
1.3 Диаграмма состояния системы железо - алюминий 1
- бор (Fe-Al-B) 4
1.4 Получение интерметаллидов Fe-Al 1
5
1.5 Физико-химические свойства интерметаллидных 2
фаз системы Fe - Al 0
1.6 Диаграмма состояния B-Al 2
2
1.5 Борирование стали 2
6
1.7.1 Безэлектролизное жидкостное борирование 3
3
1.7.2 Жидкостное электролизное борирование 3
4
1.8 Диффузионные процессы системы Fe-B 3
6
1.9 Влияние углерода в стали на механизм 3
формирования боридных слоев 8
1.10 Получение покрытия системы Fe-B-Al методом 4
механического легирования 1
2 Исследование диффузионных процессов 4
трехкомпонентной системе Fe-B-Al 2
2.1 Материалы, используемые в работе
2
2.1.1 Сталь Ст3 4
2
2.1.2 Алюминиевый сплав АД1 4
3
2.2 Режимы борирования 4
5
2.3 Режимы сварки взрывом 4
5
2.4 Методы исследования сталеалюминиевого композита АД1-Ст3 6
2.4.1 Металлографические исследования 4
6
2.4.2 Измерение микротвердости 4
7
2.4.3 Рентгеноструктурный анализ зоны 4
взаимодействия 8
2.5 Приготовление шлифов 5
0
3 Результаты 5
2
Заключение 5
7
Список используемых источников 5
9
1 Обзор научной и научно-технической литературы и 9 патентов
1.1 Диаграмма состояния Al-Fe 9
1.2 Диффузионные процессы в системе Аl-Fe 9
1.2.1 Самодиффузия железа и алюминия. 1
0
1.2.2 Диффузия алюминия в железо 1
1
1.3 Диаграмма состояния системы железо - алюминий 1
- бор (Fe-Al-B) 4
1.4 Получение интерметаллидов Fe-Al 1
5
1.5 Физико-химические свойства интерметаллидных 2
фаз системы Fe - Al 0
1.6 Диаграмма состояния B-Al 2
2
1.5 Борирование стали 2
6
1.7.1 Безэлектролизное жидкостное борирование 3
3
1.7.2 Жидкостное электролизное борирование 3
4
1.8 Диффузионные процессы системы Fe-B 3
6
1.9 Влияние углерода в стали на механизм 3
формирования боридных слоев 8
1.10 Получение покрытия системы Fe-B-Al методом 4
механического легирования 1
2 Исследование диффузионных процессов 4
трехкомпонентной системе Fe-B-Al 2
2.1 Материалы, используемые в работе
2
2.1.1 Сталь Ст3 4
2
2.1.2 Алюминиевый сплав АД1 4
3
2.2 Режимы борирования 4
5
2.3 Режимы сварки взрывом 4
5
2.4 Методы исследования сталеалюминиевого композита АД1-Ст3 6
2.4.1 Металлографические исследования 4
6
2.4.2 Измерение микротвердости 4
7
2.4.3 Рентгеноструктурный анализ зоны 4
взаимодействия 8
2.5 Приготовление шлифов 5
0
3 Результаты 5
2
Заключение 5
7
Список используемых источников 5
9
Повышение качества продукции машиностроения невозможно без создания и широкого внедрения в производство новых ресурсосберегающих технологий и материалов. Исследования в этом направлении многочисленны и в большинстве своем связаны с защитой деталей машин от высокотемпературного окисления, коррозии и износа. Для решения этих проблем в материаловедении за последние десятилетия накоплен разнообразный и нередко успешный экспериментальный опыт, однако анализ внедряемых в производство технологий показывает, что наиболее эффективно поверхностное упрочнение металлов и сплавов.
Одним из методов упрочнения поверхности является нанесение защитных покрытий, что позволяет сочетать высокие прочностные характеристики сплава-основы с повышенными значениями износостойкости, а также коррозионной и жаростойкости поверхности. Применение защитных покрытий различного класса во многих случаях значительно повышает надежность и долговечность выпускаемых машин, оборудования и инструмента. Использование износостойких, коррозионностойких, жаростойких химически стойких, электроизоляционных, теплоизоляционных и других видов покрытий позволяет резко сократить потери металлов, расход ресурсов на их возмещение, а это также является важнейшим резервом роста производительности труда, экономии всех видов ресурсов и основа вынужденного для РФ импортозамещения.
В настоящее время накоплен довольно большой научно-производственный опыт применения защитных покрытий в условиях разгара и интенсивного изнашивания. Например, термодиффузионное борирование может повысить долговечность деталей машин и инструмента в подобных условиях эксплуатации не менее чем в 3 раза, однако, в зависимости от класса сталей и условий их работы, приемлемы различные технологии создания таких покрытий, имеющие разную эффективность.
Известно, что при борировании сталей заметно падает пластичность, но практически не изменяются прочностные
характеристики, чем толще покрытие, тем заметнее падает пластичность. Причем, борированные слои, как правило - хрупкие, деформация в них развивается не равномерно, что и приводит к образованию зоны с повышенной концентрацией напряжений, а значит, и к трещинообразованию. Трещины в покрытиях могут служить своеобразным надрезом и облегчают развитие магистральных трещин в таких местах и сферы применения таких покрытий заметно сужаются.
Анализ литературных данных показал, что большое влияние на сопротивление износу оказывает модификация боридных слоёв такими элементами, как алюминий и магний. Особенно заметно это при больших скоростях скольжения, когда сопротивление износу определяется окислительными реакциями и формировании на поверхности соответствующих окислов. Подобные покрытия заметно повышают сопротивление термокислению и могут применяться в деталях, работающих в агресивных средах на износ.
Поскольку бороалюминидные покрытия обладают преимуществом при циклических испытаниях 20^1000(°С с нагревом в расплавленных металлах, это позволяет использовать их в пресс-формах литья под давлением цветных металлов и гарантирует отсутствие прилипания расплава. Однако, концентрация алюминия в таких покрытиях явно не достаточна для того, чтобы образовать сплошной слой своего окисла или сложного высокотвердого необходимость развития простых, доступных, дешевых и ресурсосберегающих технологий получения покрытий системы Fe-B-Al.
На основании изложенного, целью данной работы являлось определение возможности получения покрытия по комплексной технологии (борирование + сварка взрывом + термообработка) на стальных подложках на основе интерметаллидов системы Fe-B-Al, исследование диффузионных процессов, протекающих в нём при нагревах с изучением структуры и твердости.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1) определить оптимальные технологические режимы сварки взрывом композита Ст.3Ше2В-ЛД1 с высокой прочностью соединения слоёв;
2) изучить кинетику диффузионных процессов на межслойных границах Fe2B-ЛД1;
3) исследовать фазовый и химический состав покрытия, образующегося на всех стадиях его получения.
Одним из методов упрочнения поверхности является нанесение защитных покрытий, что позволяет сочетать высокие прочностные характеристики сплава-основы с повышенными значениями износостойкости, а также коррозионной и жаростойкости поверхности. Применение защитных покрытий различного класса во многих случаях значительно повышает надежность и долговечность выпускаемых машин, оборудования и инструмента. Использование износостойких, коррозионностойких, жаростойких химически стойких, электроизоляционных, теплоизоляционных и других видов покрытий позволяет резко сократить потери металлов, расход ресурсов на их возмещение, а это также является важнейшим резервом роста производительности труда, экономии всех видов ресурсов и основа вынужденного для РФ импортозамещения.
В настоящее время накоплен довольно большой научно-производственный опыт применения защитных покрытий в условиях разгара и интенсивного изнашивания. Например, термодиффузионное борирование может повысить долговечность деталей машин и инструмента в подобных условиях эксплуатации не менее чем в 3 раза, однако, в зависимости от класса сталей и условий их работы, приемлемы различные технологии создания таких покрытий, имеющие разную эффективность.
Известно, что при борировании сталей заметно падает пластичность, но практически не изменяются прочностные
характеристики, чем толще покрытие, тем заметнее падает пластичность. Причем, борированные слои, как правило - хрупкие, деформация в них развивается не равномерно, что и приводит к образованию зоны с повышенной концентрацией напряжений, а значит, и к трещинообразованию. Трещины в покрытиях могут служить своеобразным надрезом и облегчают развитие магистральных трещин в таких местах и сферы применения таких покрытий заметно сужаются.
Анализ литературных данных показал, что большое влияние на сопротивление износу оказывает модификация боридных слоёв такими элементами, как алюминий и магний. Особенно заметно это при больших скоростях скольжения, когда сопротивление износу определяется окислительными реакциями и формировании на поверхности соответствующих окислов. Подобные покрытия заметно повышают сопротивление термокислению и могут применяться в деталях, работающих в агресивных средах на износ.
Поскольку бороалюминидные покрытия обладают преимуществом при циклических испытаниях 20^1000(°С с нагревом в расплавленных металлах, это позволяет использовать их в пресс-формах литья под давлением цветных металлов и гарантирует отсутствие прилипания расплава. Однако, концентрация алюминия в таких покрытиях явно не достаточна для того, чтобы образовать сплошной слой своего окисла или сложного высокотвердого необходимость развития простых, доступных, дешевых и ресурсосберегающих технологий получения покрытий системы Fe-B-Al.
На основании изложенного, целью данной работы являлось определение возможности получения покрытия по комплексной технологии (борирование + сварка взрывом + термообработка) на стальных подложках на основе интерметаллидов системы Fe-B-Al, исследование диффузионных процессов, протекающих в нём при нагревах с изучением структуры и твердости.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1) определить оптимальные технологические режимы сварки взрывом композита Ст.3Ше2В-ЛД1 с высокой прочностью соединения слоёв;
2) изучить кинетику диффузионных процессов на межслойных границах Fe2B-ЛД1;
3) исследовать фазовый и химический состав покрытия, образующегося на всех стадиях его получения.
1) В процессе выполнения работы были освоены основные методики исследований, используемые в металловедении слоистых композиционных материалов:
а) на примере композита Ст.3-Fe2B-АД1 освоена методика расчета оптимальных технологических режимов сварки взрывом с высокой прочностью соединения слоёв;
б) проведен ряд металлографических исследований, направленных на изучение кинетики диффузионных процессов на межслойных границах КМ Ст.3-Fe2B-АД1;
в) с использованием методики рентгеноструктурного анализа исследован фазовый и химический состав диффузионных прослоек, образующихся в процессе термической обработки композита Ст.3-Fe2B-АД1;
2) Проведенный анализ литературных источников, касающихся разработки и применения композиционных материалов системы Fe-B-Al, показал следующее:
а) несмотря на очевидную перспективность создания и применения сталеалюминиевых композиционных материалов, технические разработки в этом направлении практически отсутствуют;
б) информация о создании и исследованиях слоистых композиционных материалов системы Fe-B-Al, в том числе, полученных сваркой взрывом, в опубликованных источниках не выявлена;
в) отсутствие в открытых литературных источниках сведений о свойствах и особенностях интерметаллидных соединений системы Fe-B-Al и возможности их формирования при создании многокомпонентных металло- интерметаллидных покрытий по комплексным технологиям, послужило предпосылкой к углубленному изучению, практически, этого вопроса;
3) По результатам проведенных в работе исследований можно сформулировать следующие выводы:
а) технология сварки взрывом позволяет получать качественный КМ состава Ст.3-Fe2B-АД1 с минимальным уровнем физической и химической микронеоднородности в околошовной зоне;
б) термическая обработка композита с покрытием системы
Ст.3-Fe2B-АД1 при температуре 670 оС сопровождается протеканием диффузионных процессов в околошовной зоне и формированием в результате двух диффузионных прослоек, одна их которых растет в железном слое, а другая, - в алюминиевом;
в) рентгеноструктурный анализ диффузионной зоны позволил установить, что помимо основных металлов в прослойках (Fe, Al), присутствуют и две интерметаллидные фазы - Fe2AlB2 и Fe2Al5 .
а) на примере композита Ст.3-Fe2B-АД1 освоена методика расчета оптимальных технологических режимов сварки взрывом с высокой прочностью соединения слоёв;
б) проведен ряд металлографических исследований, направленных на изучение кинетики диффузионных процессов на межслойных границах КМ Ст.3-Fe2B-АД1;
в) с использованием методики рентгеноструктурного анализа исследован фазовый и химический состав диффузионных прослоек, образующихся в процессе термической обработки композита Ст.3-Fe2B-АД1;
2) Проведенный анализ литературных источников, касающихся разработки и применения композиционных материалов системы Fe-B-Al, показал следующее:
а) несмотря на очевидную перспективность создания и применения сталеалюминиевых композиционных материалов, технические разработки в этом направлении практически отсутствуют;
б) информация о создании и исследованиях слоистых композиционных материалов системы Fe-B-Al, в том числе, полученных сваркой взрывом, в опубликованных источниках не выявлена;
в) отсутствие в открытых литературных источниках сведений о свойствах и особенностях интерметаллидных соединений системы Fe-B-Al и возможности их формирования при создании многокомпонентных металло- интерметаллидных покрытий по комплексным технологиям, послужило предпосылкой к углубленному изучению, практически, этого вопроса;
3) По результатам проведенных в работе исследований можно сформулировать следующие выводы:
а) технология сварки взрывом позволяет получать качественный КМ состава Ст.3-Fe2B-АД1 с минимальным уровнем физической и химической микронеоднородности в околошовной зоне;
б) термическая обработка композита с покрытием системы
Ст.3-Fe2B-АД1 при температуре 670 оС сопровождается протеканием диффузионных процессов в околошовной зоне и формированием в результате двух диффузионных прослоек, одна их которых растет в железном слое, а другая, - в алюминиевом;
в) рентгеноструктурный анализ диффузионной зоны позволил установить, что помимо основных металлов в прослойках (Fe, Al), присутствуют и две интерметаллидные фазы - Fe2AlB2 и Fe2Al5 .