Износостойкие боридные покрытия, полученные на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ИЗНОСОСТОЙКИЕ БОРИДНЫЕ ПОКРЫТИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ НА КОНСТРУКЦИОННЫХ И ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТВЧ-НАГРЕВА

Специальность 05.16.09 - «Материаловедение»

(в машиностроении)

Мишустин Никита Михайлович

Барнаул - 2012

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современном машиностроении для поверхностного упрочнения конструкционных и легированных сталей и деталей машин широко применяют методы создания различных износостойких покрытий из функциональных материалов (порошковые покрытия, керамика и термостойкие полимеры, одно- и многокомпонентные металлические и композиционные гальванические покрытия, твердосплавные покрытия и пр.).

Одним из наиболее эффективных и простых методов поверхностного упрочнения стальных деталей, используемых на заключительных стадиях механической обработки и легко совмещаемых с термической обработкой материала, является химико-термическая обработка (ХТО). Но если такие виды ХТО как цементация, азотирование и карбонитрация, а также их совмещенные варианты, уже прочно вошли в арсенал машиностроительных предприятий, а состав, структура, свойства и технологии получения износостойких покрытий этими методами исследуются материаловедами уже более 100 лет, то процессы насыщения поверхностного слоя конструкционных и легированных сталей бором и получения соответствующих износостойких боридных покрытий все еще недостаточно исследованы. При борировании на поверхности стальной детали, как правило, удается получать протяженные (до 100-200 мкм) слои, однако большинство из известных процессов борирования длительны (4-12 ч), трудоемки и плохо встраиваются в технологические схемы современных производств, а при реализации наиболее освоенного в машиностроении диффузионного борирования образуются хрупкие, двухфазные покрытия с невысокой адгезией к основе. Поэтому интенсификация борирования, получение боридных покрытий устойчивых к скалыванию, исследование их структуры и получение у них заданных свойств является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнялась в рамках проекта, поддержанного грантом РФФИ № 11-08-98016-р_сибирь_а, а также госконтракта № 6-11ф от 03.06.2011, сравнительные испытания стрельчатых лап упрочненных борированием с использованием ТВЧ-нагрева по технологии АГАУ и коммерческих стрельчатых лап производства ОАО «АНИТИМ» и ЗАО «РЗЗ» проводились по хоздоговору № 1/11 от 22.02. 2011 г с ЗАО «Рубцовский завод запасных частей».

Цель работы - разработка технологии получения износостойких боридных покрытий на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева.

Для достижения указанной цели потребовалось решение следующих задач:

- проведение анализа известных методов получения боридных покрытий, исследований их структуры и свойств, интенсификации и управления процессами борирования и обоснование использования ТВЧ-нагрева для осуществления борирования конструкционных и легированных сталей;

- теоретическое и экспериментальное исследование фундаментальных физико-химических процессов, лежащих в основе новой разновидности борирования, процесса получения боридного покрытия на стали с использованием ТВЧ-нагрева за счет протекания топохимической реакции (ТПХР) между материалом, борирующим агентом и другими компонентами, входящими в состав борирующей смеси;

- исследование влияния природы борирующего агента, состава борирующей смеси, состава стали, а также параметров борирования (время, температура и пр.) на состав, структуру и свойства боридных покрытий, получающихся с использованием ТВЧ-нагрева;

- экспериментальное изучение износа основных типов боридных покрытий, полученных на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева и выявление связи между их составом, структурой и износостойкостью;

- проведение оптимизации параметров борирования с использованием ТВЧ-нагрева для стали 65Г, наиболее часто применяемой при изготовлении почвообрабатывающих органов (ПОО) сельхозмашин, методами полнофакторного эксперимента, и на основе полученных моделей разработка основ технологии упрочнения конкретной детали;

- исследование влияния технологических факторов борирования с использованием ТВЧ-нагрева и условий его эксплуатации на износ и работоспособность упрочненных деталей типа ПОО.

Объекты исследования: конструкционные и легированные стали, состав, структура и свойства боридных покрытий, получаемых на сталях с использованием ТВЧ-нагрева, а также свойства упрочненных ПОО.

Предмет исследования - химические и физико-химические процессы, происходящие между борирующими агентами, поверхностью металла и компонентами борирующего состава, термодинамика и кинетика ТПХР процесса борирования, осуществляемого с использованием ТВЧ-нагрева.

Для решения задач и достижения цели исследования использовались методы термодинамики и кинетики, термического анализа, физико-химического и спектрального анализа, металлографии, электронной растровой микроскопии, рентгенофазового и микрорентгеноспектрального анализа, полнофакторного эксперимента, лабораторного и полевого эксперимента.

Научная новизна диссертации:

- доказана возможность борирования с использованием ТВЧ-нагрева сталей Ст3, 45, 50Г, 65Г, 50ХГА за 1-3 мин на глубину до 300-800 мкм из смесей, содержащих В, В₄С в составе плавленого флюса П-0,66 с активаторами;

- выявлено, что насыщение поверхности стали 65Г бором с использованием ТВЧ-нагрева происходит за счёт протекания ТПХР для которой экспериментально получены кинетические параметры процесса: константа скорости (-lnk от 10,35 до 15,05); порядок реакции (n от 2,72 до 4,15); кажущаяся энергия активации (E_а = 365,8 кДж/моль);

- показано, что при использовании аморфного бора в борирующих составах образуются покрытия в виде кристаллов боридов марганца, расположенных в железо-боридной матрице, а при использовании В₄С - покрытия в виде ледобуритоподобной железо-боридной эвтектики, а оптимальное содержание борирующего агента (вне зависимости от его природы) составляет 86-90 % масс;

- установлено оптимальное время и температура борирования с использованием ТВЧ-нагрева, которое для сталей 65Г и 50ХГА составляет 90-120 сек и 1150-1250 ⁰С, соответственно, при проведении борирования в течение указанного времени в износостойком покрытии образуются структуры в виде ледобуритоподобной железо-боридной эвтектики;

- методом полнофакторного эксперимента получено уравнение поверхности отклика целевой функции толщины и износостойкости боридного покрытия, позволившее установить интервалы варьирования: содержание плавленого флюса П-0,66 10-14 масс. % времени нагрева 90-120 с и температуры 1150-1250 ⁰С для оптимизации параметров режима и выявления оптимального режима борирования с использованием ТВЧ-нагрева для разработки основ технологии.

Теоретическая значимость исследования заключается в определении параметров фундаментальных химических и физико-химических процессов, лежащих в основе процесса получения боридных покрытий с использованием ТВЧ-нагрева, доказательстве протекания ТПХР и установлении закономерностей состав-структура-свойство у получаемых боридных покрытий.

Практическая значимость и реализация результатов исследования определяется разработкой новых типов износостойких покрытий и их применения в машиностроении для замены более дорогих твердосплавных покрытий, наносимых на те же детали методом индукционной наплавки. Проведение борирования с использованием ТВЧ-нагрева позволяет увеличить гарантированный ресурс наработки на одну стрельчатую лапу (СЛ) типа 3 с нормированных 25 га/лапу (ОСТ 23.2.164-87) до 79,5 га/лапу и обеспечить эффект самозатачивания в течение всего периода её эксплуатации.

Полученные результаты были внедрены на ведущих предприятиях сельхозмашиностроения Алтайского края ОАО «АНИТИМ» (г. Барнаул), ЗАО «Рубцовский завод запасных частей» (г. Рубцовск) и ОАО «Авторемзавод Леньковский» (ст. Леньки, Благовещенского р-на Алтайского края).

Апробация работы. Результаты и научные положения диссертации докладывались на I-ой Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» (г. Бийск, 2010), Международной инновационно-ориентированной конференции с элементами научной школы для молодежи «Будущее машиностроения России» (г. Москва, 2010), III-ей Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы сельского хозяйства горных территорий» (г. Горно-Алтайск, 2011), VI-ой Международной научно-практической конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству» (г. Барнаул, 2011), XVI-ой и XVII-ой Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2010, 2011).

Разработанные технологии и детали сельхозмашин с боридными покрытиями, полученными с использованием ТВЧ-нагрева, экспонировались на XVI-ой и XVII-ой Международной агропромышленной выставке-ярмарке «Алтайская Нива» (г. Барнаул, 2010, 2011), III-ей Региональной выставке «Ярмарка изобретений. Алтайский край - 2011» (г. Барнаул, 2011), а также на 13-ой Международной специализированной выставке «MASHEX-2010» (г. Москва, ВЦ Крокус-Экспо, 2010), где были отмечены дипломами и медалями конкурсов.

Достоверность полученных результатов подтверждается их соответствием данным, полученным другими исследователями, а также справочными данными, данными литературных источников, использованием аттестованных методов и методик выполнения измерений, сертифицированного и стандартизированного испытательного оборудования, а также проведением статистической обработки экспериментальных данных.

Личный вклад соискателя заключается в формулировании цели и задач работы, выполнении большинства исследований по получению новых материалов, исследованию их структуры и свойств, анализе и обсуждении результатов, испытании упрочнённых деталей машин.

На защиту выносятся:

- комплекс результатов теоретических и экспериментальных исследований, доказывающий, что образование боридных покрытий на исследованных сталях с использованием ТВЧ-нагрева в смесях, содержащих В, В₄С в составе плавленого флюса П_0,66 с активаторами, осуществляется за счет сложного интегрального химического и физико-химического процесса ТПХР - близкого по природе к реакционной наплавке;

- теоретически предсказанные и экспериментально обнаруженные ТПХР между компонентами борирующей смеси, поверхностью стали и оксидами железа, взаимодействие В₄С с CaSi₂ и продуктами его термодиссоциации, взаимодействие компонентов боратного флюса с поверхностью стальной детали и борирующим агентом, взаимодействие CaSi₂ c компонентами боратного флюса и др.;

- обнаруженные закономерности влияния природы борирующего агента, состава и характеристик борирующей смеси (наличие активаторов, доли борирующего агента, размера его частиц и пр.) на типичную структуру боридных покрытий, полученных с использованием ТВЧ-нагрева;

- обнаруженные закономерности влияния состава стали (содержание углерода, вид и содержание легирующих элементов) и параметров борирования с использованием ТВЧ-нагрева на соотношение состав-структура-свойства, образующихся износостойких боридных покрытий;

- математическая модель процесса в виде функции поверхности отклика, полученная методом ПФЭ и позволяющая разрабатывать основы технологии получения износостойких боридных покрытий на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева;

- технология упрочнения ПОО типа СЛ, выполненных из стали 65Г, путем получения на их поверхности по оптимальным режимам износостойких боридных покрытий с использованием ТВЧ-нагрева и результаты конструирования покрытия для увеличения гарантированного ресурса наработки СЛ в 1,6-3,1 раза по сравнению с аналогами и сохранения эффекта самозатачивания в течение всего периода эксплуатации ПОО.

Публикации. Основные результаты и научные положения работы опубликованы в 26 печатных работах. Из них 4 статьи в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций, получен один патент РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Выводов, Списка использованной литературы из 166 источников и Приложений. Работа содержит 182 страниц машинописного текста, включает 32 таблицы и 74 рисунка.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность исследований, сформулирована цель и задачи получения, исследования закономерностей состав-структура-свойство износостойких боридных покрытий, полученных на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева для их дальнейшего применения в сельхозмашиностроении. Приведены основные формальные признаки диссертации: научная новизна, практическая значимость, положения, выносимые на защиту, обоснована достоверность и отражен личный вклад соискателя, приведены результаты апробации работы и публикации ее результатов.

Первая глава содержит критический обзор и информационный анализ доступных источников по теме диссертации, опубликованных за последние 10 лет.

Анализ результатов исследований, опубликованных в ведущих российских и зарубежных журналах, а также содержащихся в базах данных ВИНИТИ, РЖ «Машиностроение», открытых реестрах ФИПС, тем зарегистрированных НИР и НИОКР ЦИТИС, электронной библиотеке «Е-library», Chemical Abstr. и др., позволили установить, что современные исследования боридных покрытий, полученных различными методами, преимущественно проводятся по направлениям интенсификации процессов диффузионного борирования различными способами, разработке «высоких» технологий и способов борирования (борирование в плазме и вакууме, лазерный нагрев, СВС-технологии и пр.), вопросам исследования возможности совмещения борирования с другими процессами упрочнения поверхности, исследованиям термодинамики и кинетики процессов, а также вопросам встраивания ХТО вообще, и борирования, в частности, в современные производственно-технологические процессы, а вопросам применения новых, прогрессивных источников тепла (СВЧ, ТВЧ-нагрев) посвящено лишь незначительное число работ. Указанное обстоятельство позволило обоснованно выбрать цель и задачи настоящей диссертации.

Во второй главе приведено описание используемых в работе материалов, оборудования и установок, а также методик исследования состава, свойств и структуры получаемых боридных покрытий.

В качестве основных объектов исследования в работе были выбраны стали 65Г, 50ХГА, износостойкие боридные покрытия на которых исследовались методами оптической (МИМ-7) и электронной растровой микроскопии (РЭМ Philips SEM 515), рентгенофазового анализа (дифрактометр ДРОН-6, излучение Fe-K_б), металлографии и микротвердометрии (ПМТ-3, нагрузка 50, 100, 200 гр.), микрорентгеноспектрального анализа (РФА-анализатор EDAX ECON IV, U_ускор. 30,0 кВ), атомно-эмиссионного спектрального анализа (анализатор состава сталей FOUNDRY MASTER UV), термического анализа (дериватограф Q-Derivatograph системы F.Paulik, J.Paulik, L.Erdey - на воздухе, термический анализатор Netzsch STA 409 PC/PG - в Ar). Износостойкость боридных покрытий, полученных с использованием ТВЧ-нагрева определялась по ГОСТ 23.208-79, 23.224-86, а в полевых условиях - по оригинальной методике.

В третьей главе приведены результаты термодинамических расчетов и экспериментального исследования фундаментальных химических и физико-химических процессов, приводящих к образованию износостойких боридных покрытий на сталях с использованием ТВЧ-нагрева, исследования влияния природы борирующего агента и состава борирующей смеси на типичную структуру покрытия, исследования влияния состава стали и параметров борирования в режиме реакционной наплавки на структуру и механические свойства боридных покрытий, исследования фазового и химического состава основных компонентов покрытий.

Для реакций, по которым имелись справочные данные, без учета возможных полиморфных превращений веществ в интервале температур 298-1498 К, но с учетом зависимости их термодинамических констант от температуры, были выполнены расчеты термодинамических потенциалов при Т = 298, 1198, 1298 и 1498 К (Н^о_р, S^о_р, G^о_р) для установления возможности их самопроизвольного протекания (см. уравнения 1-8).

Fe₂B + B 2FeB, (1), 2Fe₂O₃ + 8B 4FeB + 2B₂O₃, (2),

Fe₂B Fe + FeB, (3), B_{аморфн.} B_крист. B^*, (4),

B₂O₃ B⁺ + BO₃^-, (5), CaSi₂ Ca + 2Si, (6),

3Ca + B₂O₃ 3CaO + 2B, (7),Ca + 2B₄C CaC₂ + 8B, (8).

Среди этих реакций образуют бориды железа, и являются экзотермическими реакции 1 и 2, причем В, как исходный реагент, может быть введен в систему извне заранее (в составе борирующей смеси - см. таблицу 2), так может образоваться и самопроизвольно по реакциям 5, 7 и 8, у которых изобарно-изотермический потенциал (G^о_р) остаётся отрицательным во всем исследованном интервале температур. После удаления окисной плёнки с поверхности стали, за счёт действия боратного флюса при 838-848 К, бориды железа и цементит могут образовываться уже при взаимодействии простых веществ по уравнениям:

Fe + B FeB, (9), 2Fe + B Fe₂B, (10)

4Fe + B₄C 4FeB + C^*, (11) 3Fe + C Fe₃C, (12)

Проведенный анализ реакций 9-12 показал что, в исследованном интервале температур 298-1498 К, самопроизвольно протекают и термодинамически разрешены все процессы, кроме реакции 9 (рисунок 1). Следовательно, наиболее твердый из боридов железа FeB может образовываться в покрытии с использованием ТВЧ-нагрева, только за счет протекания реакций 1, 3, 11.

Исследование, расшифровка и сопоставление термограмм борирующих и модельных составов, дополнительно содержащих порошок железа марки ПЖВ, снятых в инертной среде и на воздухе вплоть до температуры 1598 К, подтвердили протекание в них реакций 1, 2, 6, 7, 10, а также были зафиксированы конкурирующие экзотермические реакции окисления как железа, так и его боридов, возможные при осуществлении борирования с использованием ТВЧ-нагрева на воздухе, которые замедляют процесс образования износостойкого покрытия.

а. б. в.

Рисунок 1 - Зависимость термодинамических потенциалов (Н^о_р - энтальпия, S^о_р -энтропия, G^о_р - изобарно-изотермический потенциал) реакций борирования с использованием ТВЧ-нагрева (9-12) от температуры: а - энтальпия реакции, б - энтропия реакции, в - изобарно-изотермический потенциал

Была исследована кинетика интегрального процесса борирования с использованием ТВЧ-нагрева при различных температурах в рамках формального подхода, чтобы определить механизм ТПХР, а также рассчитать параметры кинетического уравнения и кажущуюся энергию активации процесса борирования. На рисунке 2а, приведены кинетические кривые борирования стали 65Г при различных температурах. Линейная форма кинетической кривой роста боридного покрытия на стали 65Г с использованием ТВЧ-нагрева при Т = 900 ^оС приведена на рисунке 2б.

а.б.

Рисунок 2 - Кинетические кривые борирования стали 65Г из смеси, содержащей, масс. %: B₄C (84) + флюс П-0,66 (16), при температурах 900, 1000 и 1150 ^оС (а) и линеаризация кинетической кривой при Т = 900 ^оС (h - толщина покрытия, б - степень превращения вещества, t - время)

Для расчёта параметров кинетического уравнения было использовано известное уравнение ТПХР Ерофеева-Колмогорова (13), и проведена линеаризация кинетических кривых в координатах ln[-ln(1-)] = f(t) методом наименьших квадратов:

, (13)

где: б - степень превращения; n = + 3, или в общем случае n = + m (порядок реакции); - число элементарных стадий превращения центра кристаллизации новой фазы (Fe_nB) в растущее ядро; m - число направлений, в которых растут ядра (1, 2, 3); k - константа скорости, с^-n.

Таблица 1 - Кинетические параметры интегрального процесса борирования стали 65Г с использованием ТВЧ-нагрева (n = 5; Р = 0,95)

T, К	Параметры кинетического уравнения	, при m = const	Еа*, кДж/моль
	lnk	n
			1	2	3
1198	-10,350,03	2,720,02	1,72	0,72	-	365,80,2
1298	-12,250,02	3,320,03	2,32	1,32	0,32
1498	-15,050,03	4,150,03	3,15	2,15	1,15

Примечания: Т - температура, lnk - константа скорости, n - порядок реакции, - число элементарных стадий превращения центра кристаллизации новой фазы (Fe_nB) в растущее ядро, Е_а - кажущаяся энергия активации.

Исследованные составы 3, 4-х компонентных борирующих смесей, наносимые на образцы сталей Ст3, 45, 50Г, 65Г, 50ХГА в виде обмазок на жидком стекле, гидролизованном этилсиликате или полимерной основе для осуществления борирования с использованием ТВЧ-нагрева представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Составы обмазок для получения износостойких покрытий с использованием ТВЧ-нагрева

Состав	Компонент 1 /масс.% борирующий агент	Компонент 2 /масс.% компонент основа	Компонент 3 /масс.% компонент активатор	Компонент 4 /масс.% компонент модификатор
1	B4C/92	П-0,66/8	-	-
2	B4C/84	П-0,66/16	-	-
3	B4C/80	П-0,66/20	-	-
4	B4C/84	П-0,66/11	К3[Fe(CN)6]/2,5	-
5	B/92,5	СaF2/5	П-0,66/2,5	-
6	B/90	СaF2/5	П-0,66/5	-
7	В/89	П-0,66/5	NH4Cl/6	-
8	В/84	П-0,66/10	NH4Cl/6	-
9	B/85	СaF2/5	П-0,66/5	К3[Fe(CN)6]/5
10	В/79	П-0,66/10	NH4Cl/6	К3[Fe(CN)6]/5

Были обнаружены 4-е основных типа структур износостойкого боридного покрытия, образующегося с использованием ТВЧ-нагрева (рисунок 3): I - в виде железо-боридной эвтектики с замкнутыми карбидными областями, II - покрытие, состоящее из кристаллов борида марганца, в виде пластин, расположенных в более мягкой матрице из ледебуритоподобной железо-боридной эвтектики, III - структура в виде железо-боридной эвтектики с крупными зёрнами, и IV - покрытие, состоящее из игольчатых кристаллов борида марганца или хрома, расположенных в более мягкой матрице из ледебуритоподобной железо-боридной эвтектики.

При исследовании влияния углерода и легирующих элементов было установлено, что для сталей с низким содержание углерода (Ст3, 45) при температурах осуществления борирования (1050-1100 ⁰С) с использованием ТВЧ-нагрева в течение 2-3 мин. происходит выгорание межзёренного углерода, что подтверждается наличием видманштеттовых структур в основном материале.

Толщина износостойких боридных покрытий на стали 50ХГА оказалась значительно меньше, чем на марганцовистых сталях 50Г, 65Г, что в условиях абразивного износа деталей машин типа ПОО при их эксплуатации является существенным недостатком. В связи с этим все дальнейшие исследования было принято проводить на стали 65Г, так как эта марка более износостойка, более доступна и, к тому же, широко применяется в машиностроении для изготовления ПОО - стрельчатых лап, долотообразных лемехов и пр.

I. II.

III. IV.

Рисунок 3 - Типичные структуры боридных покрытий, получаемых на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева: I - эвтектика Fe - B с замкнутыми карбидными областями; II - пластинчатые кристаллы борида марганца; III - эвтектика Fe - B с крупными зёрнами; и IV - игольчатые кристаллы борида марганца

Для основной структуры боридного покрытия типа I было проведено исследование ее тонкой микроструктуры путём последовательного увеличения изображения рассматриваемой области покрытия в отраженных электронах (рисунок 4).

а. б.

Рисунок 4 - Микроструктура боридного покрытия типа I, полученного на стали 65Г с использованием ТВЧ-нагрева в отраженных электронах

Как видно и рисунка 4, морфология структуры типа I представляет собой две зоны: более мягкую (замкнутая карбидная область), в которой при шлифовании получаются углубления, и более твёрдую (эвтектика Fe - B), в виде выступов. При дальнейшем увеличении в области железо-боридной эвтектики отчётливо проявляется ее пластинчатое строение с характерным рисунком.

В таблице 3 приведены результаты микрорентгеноспектрального анализа боридного покрытия, полученного на сталях 65Г и 50ХГА, показывающие, что в состав основной матричной и упрочняющих фаз покрытия, полученного при ТВЧ-нагреве, помимо железа и бора также входит и углерод, причем его доля колеблется от 13,4 до 28,0 масс. %, что отвечает нестехиометрическим фазам от цементита Fe₃C и карбоборидов FeC_nB_m, близких по структуре к борированному цементиту, до специальных карбидов (Fe, Mn)₃C и карбоборидов Fe, Mn и Cr (рисунок 4).

Таблица 3 - Результаты микрорентгеноспектрального анализа основных фаз в боридном покрытии, полученном на сталях 65Г, 50ХГА с использованием ТВЧ-нагрева

Обозначение фазы, элементы (рисунок 3)	Описание фазы, морфология	Состав, элемент	Химическая формула
		весовой %	атомный %
¦ - Fe, C, B	Матрица - серое поле в ледебурито-подобной эвтектике Fe-B	Fe - 57,25 C - 28,02 B - 14,73	21,72 49,42 28,86	FeC2,3B1,3
¦* - Fe, C, B	То же	Fe - 64,31 C - 22,30 B - 13,38	27,12 43,73 29,15	FeC1,6B1,1
- Fe, C, B	Упрочняющая фаза - светлые замкнутые области эвтектики Fe_B	Fe - 50,63 C - 23,11 B - 26,25	17,24 36,59 46,17	FeC2,1B2,7
- Fe, Mn(Cr), C, B	Упрочняющая фаза - пластинчатые кристаллы или иглы боридов и(или) карбоборидов	Fe - 64,70 Mn(Cr) - 1,21(1,35) C - 23,01 B - 11,08	28,11 0,54(0,62) 46,49 24,87	Fe58MnC96B51 Fe58CrC96B51
* - Fe, C	Упрочняющая фаза - темные замкнутые области эвтектики Fe-B	Fe - 86,60 C - 13,40	58,15 41,85	Fe1,4C

* Данные для аналогичной фазы в покрытии на стали 50ХГА.

На рисунке 5а представлено распределение микротвёрдости по толщине боридного покрытия, полученного, при использовании состава 2 за различное время, из которого видно, что покрытие, полученное за 76 и 106 с, обладает более высокой микротвёрдостью (HV₁₀₀ 13770 МПа) по сравнению с покрытиями, полученными за 120 и 136 с, или, например, с покрытием, полученным из состава 1 при этом же времени борирования. На рисунке 5б представлены результаты испытания износостойкости боридных покрытий, полученных на стали 65Г при использовании ТВЧ-нагрева в составах 1 и 2 в течение разного времени. Увеличение износостойкости упрочнённых слоёв при увеличении времени ТВЧ-нагрева у состава 2 (таблица 2) объясняется уменьшением твёрдости основной упрочняющей фазы. Это позволяет утверждать, что характеристики боридных покрытий, получаемых на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева, изменяются не монотонно, а имеют некий оптимум в своих зависимостях от времени.

а.

б.

Рисунок 5 - Распределение микротвёрдости по толщине (а) и износостойкость боридного покрытия на стали 65Г (б), полученного из составов 1,2 (таблица 2) за разное время

В четвёртой главе представлены результаты оптимизации борирующих составов и параметров борирования сталей с использованием ТВЧ-нагрева, путем построения математических моделей процесса в виде поверхностей отклика целевых функций толщины (h) и износостойкости () боридного покрытия методом полнофакторного эксперимента, по уравнениям вида:

, (14)

, (15)

где: е - относительная износостойкость упрочнённого слоя по ГОСТ 23.208-79 (эталон закалённая и подвергнутая низкому отпуску сталь 65Г); h - толщина упрочнённого слоя, мкм; x₁ - температура нагрева, ⁰С; x₂ - время выдержки при заданной температуре, с; x₃ - скорость нагрева, ⁰С/с.

Графическое отображение поверхности отклика указанной целевой функции от количества флюса П-0,66 и времени ТВЧ-нагрева, при заданной температуре (рисунок 6), позволяет легко определить оптимальные значения параметров для разработки основ технологии упрочнения таких деталей сельхозмашин как ПОО типа СЛ, не в углу куба значений факторов, а в той его области, где целевая функция имеет протяженное плато второго экстремума.

Рисунок 6 - Поверхность отклика целевой функции h = f(t, [П-0,66], %) для боридного покрытия на стали 65Г (h - толщина покрытия, t - время нагрева)

Указанные факторы варьировались в следующих пределах: x₁ от 900 до 1100 ⁰С; x₂ от 30 до 180 секунд; x₃ от 30 до 37 ⁰С/с, а после оценки влияния состава борирующих смесей совместно с технологическими параметрами были получены и новые уравнения рабочих моделей, которые могут служить для предсказания результатов на практике с вероятностью 0,95 и доверительным интервалом ± 5 %, например, для толщины покрытия (h).

В пятой главе описана разработанная на основе ранее полученных экспериментальных данных технология упрочнения деталей машин типа ПОО (СЛ типа 3 по ОСТ 23.2.164-87), путём нанесения на их поверхность оптимально сконструированного износостойкого боридного покрытия, полученного с использованием ТВЧ-нагрева (технология АГАУ), а также результаты полевых испытаний упрочненных СЛ в условиях посевных кампаний в 2010, 2011 г.г.

Разработанная технология упрочнения СЛ состоит из 7-и стадий. Основная стадия упрочнения осуществляется в индукторе треугольной формы, позволяющем одновременно нагревать носок и оба крыла СЛ (рисунок 7).

Готовую деталь после удаления остатков обмазки контролируют по HRC (не менее 64).

Рисунок 7 - Борирование с использованием ТВЧ-нагрева СЛ типа 3, предназначенной для установки на ПК-9,7 «Кузбас»

Перед проведением испытаний боридных покрытий в полевых условиях была установлена корреляция между весовым износом (легко определяется лабораторно) и линейным износом (позволяет прогнозировать ресурс наработки СЛ) для боридных покрытий полученных с использованием ТВЧ-нагрева на стали 65Г из оптимизированного состава и на оптимизированных режимах (рисунок 8).

а. б.

Рисунок 8 - Зависимости линейного и весового износа от пути трения (а) и корреляция между линейным и весовым износом (б), для покрытия, полученного на стали 65Г с использованием ТВЧ-нагрева из состава 2, (IZ_I - линейный износ, IZ_m - весовой износ)

Исходя из характера зависимости, приведенной на рисунке 8б, упрочнённый слой должен состоять как минимум из двух зон, обладающих разными физико-механическими характеристиками, но для данного типа покрытия структура и физико-механические свойства оказались практически одинаковыми по всей толщине (см., также рисунки 4 и 6а).

В качестве основных технологических факторов, влияющих на износ упрочнённых борированием с использованием ТВЧ-нагрева СЛ были исследованы: способ нанесения обмазки на поверхность лапы, предварительная подготовка поверхности, время выдержки в индукторе при оптимальной температуре, последующая термообработка. Параметрами, контролируемыми при износе, являлись: ширина захвата лапы (B), ширина крыла лапы (b), длина крыла лапы (l), площадь перекрытия лапы (S), средний весовой износ (m), а также качественные параметры износа поверхности лап и их отдельных участков (таблица 5).

Таблица 5. - Относительный износ поверхностно-упрочненных СЛ ПК-9,7 «Кузбасс» в посевную кампанию 2010 г. (n = 3; Р = 0,95)

Шифр	Износ по параметру IX, %
	B	b	l	S	m
I-2-БП,О	12,1	17,2	20,7	33,8	28,6
III-1-БП,О	12,3	16,8	20,9	34,9	28,6
V-2-БП,З	9,9	8,8	13,7	23,5	19,1
V-1-П,З	9,3	16,3	13,2	25,2	25,0
I-1-БП,О	8,4	11,1	13,6	23,5	20,2
I-1-БП,З	13,4	13,1	18,9	31,1	22,6
контроль	19,9	43,6	32,5	50,4	40,5

Из таблицы 5 видно, что между износом поверхностно-упрочненных СЛ по отдельным размерным параметрам существует определенная взаимосвязь. Износостойкость и гарантированные параметры СЛ различных производителей (ОАО «АНИТИМ» (1), ЗАО «РЗЗ» (2)) и СЛ, упрочненных по технологии АГАУ (3), следующие: наработка, га/лапу/массовый износ, г (1) 31,5/204, (2) 28,2/362, (3) 41,4/347. Оценка профиля лезвия крыла коммерческих и упрочненных по технологии АГАУ стрельчатых лап показала, что у детали с нанесенным на неё по схеме V износостойким боридным покрытием, наблюдается выраженный эффект самозатачивания в течение всего периода эксплуатации, вплоть до наработки 41,4 или 79,5 га/лапу.

борирование металл нагрев ток

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан новый способ и предложены составы для осуществления борирования с использованием ТВЧ-нагрева, позволяющие получать износостойкие боридные покрытия толщиной до 800 мкм с микротвёрдостью до HV₁₀₀ 30470 МПа, и износостойкостью в 4-7 раз превышающей износостойкость стали 65Г (подвергнутой закалке и низкому отпуску), при трении о не жёстко закреплённый абразив.

2. Определены основные вероятные химические реакции, приводящие к образованию активного бора (В^*) и боридных покрытий на конструкционных и легированных сталях с использованием ТВЧ-нагрева, и проведены расчёты их термодинамических потенциалов при 298, 1198, 1298 и 1498 К (Н^о_р, S^о_р, G^о_р) для установления возможности самопроизвольного протекания процессов и выбора тех реакций образования покрытий, которые разрешены термодинамически.

3. Установлены кинетические параметры интегрального процесса борирования стали 65Г с использованием ТВЧ-нагрева, подтверждающие осуществление борирования по механизму ТПХР (-lnk от 10,35 до 15.05, n от 2,72 до 4,15, кажущаяся энергия активации E_а = 365,8 кДж/моль), что позволяет в 10 - 60 раз ускорить процесс бориования с использованием ТВЧ-нагрева по сравнению с диффузионным борированием.

4. Исследованы составы 3-х и 4-х компонентных борирующих смесей для борирования с использованием ТВЧ-нагрева сталей Ст3, 45, 50Г, 65Г, 50ХГА на основе B₄C, B, плавленого флюса П-0,66 и различных активаторов, и установлены основные типы образующихся структур износостойкого покрытия: I - в виде эвтектики Fe-B с замкнутыми карбидными областями, II - в виде пластинчатых кристаллов борида марганца, расположенных в более мягкой матрице из ледебуритоподобной эвтектики Fe-B, III - в виде крупнозерненной эвтектики Fe-B, и IV - покрытие, состоящее из игольчатых кристаллов борида марганца или хрома, расположенных в более мягкой матрице из ледебуритоподобной эвтектики Fe-B.

5. Определены физико-механические характеристики боридных покрытий, получаемых с использованием ТВЧ-нагрева на сталях 65Г, 50ХГА и выявлена взаимосвязь состав-структура-свойство износостойких покрытий от состава борирующей смеси, состава стали, режимов процесса, а также определена морфология, фазовый и химический состав основных упрочняющих фаз покрытий.

6. Методом ПФЭ получено графическое отображение поверхности отклика целевой функции толщины (h) и износостойкости покрытия (), зависящей от количества флюса П-0,66, температуры и времени ТВЧ-нагрева при заданной температуре, которая позволила определить, что изменение содержания флюса в интервале 10- 14 масс. %, а времени ТВЧ-нагрева - в интервале 90- 120 с при температуре 1150-1250 ^оС, приводит к получению на стали 65Г боридного покрытия с гарантированной толщиной до 300 мкм.

7. Разработана технология упрочнения ПОО типа СЛ, путём нанесения на их поверхность оптимально сконструированного износостойкого боридного покрытия, получаемого с использованием ТВЧ-нагрева (технология АГАУ), и проведены испытания упрочнённых СЛ в реальных условиях, которые показали, поддержание ресурса этих деталей сельскохозяйственных машин на том же уровне, что и твердосплавные покрытия, и превосходство боридных покрытий по отдельным показателям износа, установили факт сохранения стреловидной рабочей формы детали, а также увеличение гарантированного ресурса наработки на одну СЛ до 3-х раз (79,5 га) и получение эффекта самозатачивания в течение всего периода эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Ишков, А.В. Получение износостойких и защитных покрытий на рабочих поверхностях почвообрабатывающих органов сельхозтехники: современное состояние и перспективные направления исследований (обзор) [текст]. / А.В. Ишков, В.В. Иванайский, Н.Т. Кривочуров, Н.М. Мишустин, А.С. Шайхудинов // Научные исследования: информация, анализ, прогноз. - глава LVIII в колл. монографии. - Воронеж: Изд-во ВГПУ, 2011. - C. 185-205.

2. Ишков, А.В. Влияние природы борирующего агента, флюсов и активаторов на характеристики покрытий, полученных при скоростном борировании легированных сталей [Текст] / А. В. Ишков, В. В. Иванайский, Н.Т. Кривочуров, А.А. Максимов, Н.М. Мишустин // Ползуновский вестник. - №3. - 2010. - С. 201-203. (статья ВАК).

3. Ишков, А.В. Износостойкие боридные покрытия для почвообрабатывающих органов сельхозтехники [Текст] / А.В. Ишков, В.В. Иванайский, Н.Т. Кривочуров, А.А. Максимов, Н.М. Мишустин // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - № 9. - 2010. - С. 71 - 75. (статья ВАК).

4. Ишков, А.В. Влияние технологических факторов на износ поверхностно-упрочненных стрельчатых лап [Текст] / А.В. Ишков, В.В. Иванайский, Н.Т. Кривочуров, Н.М. Мишустин, А.А. Максимов // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - № 10. - 2010. - С. 82-86. (статья ВАК).

5. Мишустин, Н.М. Состав, структура и свойства износостойких покрытий, полученных на сталях 65Г и 50ХГА при скоростном ТВЧ-борировании [Текст] / Н.М. Мишустин, В. В. Иванайский, А.В. Ишков // Известия Томского политехнического университета. - Т. 320. - № 2. - 2012. - С. 68-72. (статья ВАК).

6. Ишков, А. В. Структура и свойства износостойких слоев, полученных на стали 65Г высокоскоростным борированием [Комп.]. / А.В. Ишков, Н.М. Мишустин, В.В. Иванайский // Горизонты образования: электронный научный журнал. - Вып.12, - 2010. - режим доступа: http://www.edu.secna.ru/mаin/геviеw/

7. Мишустин, Н.М. Борирование марганцовистых и хромомарганцовистых сталей при ТВЧ-нагреве в среде боратных флюсов [Текст]. / Н.М. Мишустин, А.В. Ишков, В.В. Иванайский, Н.Т. Кривочуров // Новые химические технологии: производство и применение: Сб. статей XII-ой Всеросс. научн.-техн. конф. - Пенза: Изд-во ПДЗ, - 2010. - С. 47-50.

8. Мишустин, Н. М. Функциональные покрытия для рабочих органов сельхозтехники [Текст]. / Н.М. Мишустин, В.В. Иванайский, Н.Т. Кривочуров, А.В. Ишков // Защитные и специальные покрытия, обработка поверхности в машиностроении и приборостроении: Материалы VII-ой Всеросс. научн.-практ. конф. - Пенза: Изд-во ПДЗ, - 2010. - С. 23-26.

9. Ишков, А.В. Износостойкие покрытия, полученные при скоростном борировании легированных сталей [Текст]. / А.В. Ишков, В.В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров, Н.М. Мишустин // Инновации в машиностроении: Материалы I-ой Междунар. научн.-практ. конф. - Бийск: Изд-во АлтГТУ, - 2010. - С. 153-156.

10. Мишустин, Н.М. Повышение качества и ресурса рабочих органов почвообрабатывающего комплекса оптимизацией схемы нанесения упрочняющего покрытия [Текст]. / Н.М. Мишустин, Н.Т. Кривочуров, В.В. Иванайский, А.В. Ишков // Управление качеством образования, продукции и окружающей среды: Сб. матер. 7-ой Всеросс. научн.-практ. конф. - Бийск: Изд-во АлтГТУ, - 2010. - С. 189-191.

11. Мишустин, Н.М. Скоростное борирование сталей 65Г и 50ХГА [Текст]. / Н. М. Мишустин, В.В. Иванайский, А.В. Ишков // Современные проблемы машиностроения: Сб. докладов V-ой Междунар. научн.-техн. конф. - Томск: Изд-во ТПУ, - 2010. - С. 250-254.

12. Мишустин, Н.М. Функциональные боридные покрытия для конструкционных сталей: получение при ТВЧ-нагреве, структура и свойства, применение в сельхозмашиностроении [Текст]. / Н.М. Мишустин, В.В. Иванайский, А.В. Ишков, Н.Т. Кривочуров // Новые материалы и технологии в машиностроении: Сб. материалов XII-ой Междунар. научн.-практ. конф. - Вып. 10. - Брянск: Изд-во БГИТА, - 2010. - С. 57-60.

13. Мишустин, Н.М. Получение боридных покрытий на высокоуглеродистых легированных сталях при ТВЧ-нагреве [Текст]. / Н.М. Мишустин, В.В. Иванайский, Н.Т. Кривочуров, А.В. Ишков // Ползуновский альманах. - 2010. - № 1. - С. 139-143.

14. Мишустин, Н.М. Структура и некоторые свойства боридных покрытий для почвообрабатывающих органов сельхозтехники [Текст]. / Н.М. Мишустин, Н.Т. Кривочуров, В.В. Иванайский, А.В. Ишков // Ползуновский альманах. - 2010. - № 1. - С. 43-46.

15. Мишустин, Н.М. Конструирование упрочняющего покрытия с учетом реального износа детали [Текст]. / Н.М. Мишустин, В.В. Иванайский, Н.Т. Кривочуров, А.В. Ишков // Ползуновский альманах. - 2010. - № 1. - С. 75-80.

16. Ишков, А.В. Физико-химические и инженерные основы создания функциональных боридных покрытий на сталях при ТВЧ-нагреве [Текст]. / А.В. Ишков, Н.М. Мишустин , В.В. Иванайский // Казанская наука. - № 9. - 2010. - С. 92-97.

17. Мишустин, Н.М. Исследование абразивного износа поверхности почвообрабатывающего органа с упрочняющим покрытием [Текст]. / Н.М. Мишустин, В.В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров, А.В. Ишков // Проблемы исследования и проектирования машин: Сб. статей VI-ой Междунар. научн.-техн. конф. - Пенза: ПДЗ, - 2010. - С. 126-128.

18. Ишков, А.В. Разработка технологии поверхностного упрочнения деталей автомобилей при ТВЧ-борировании [Текст]. / А.В. Ишков, Н.М. Мишустин, В. В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров // Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса: Материалы Всеросс. научн.-практ. конф. - Магадан: Изд-во СВГУ, - 2010. - С. 76-78.

19. Мишустин, Н.М. Получение износостойких боридных покрытий на сталях при ТВЧ-нагреве и исследование их свойств [Текст]. / Н.М. Мишустин, А.В. Ишков, В.В. Иванайский // Современные техника и технологии: сборник трудов XVII-ой Междунар. научн.-практ. конф. В 3 т. - Томск: Изд-во ТПУ, - 2011. - Т. 2. - С. 193-194.

20. Мишустин, Н.М. Повышение ресурса почвообрабатывающих органов сельхозтехники путем создания на их поверхности боридных покрытий [Текст] / Н.М. Мишустин, В.В. Иванайский, А.В. Ишков, Н. Т. Кривочуров // Аграрная наука - сельскому хозяйству: сборник материалов VI-ой Междунар. научн.-практ. конф. - Барнаул: Изд-во АГАУ, - 2011. - С. 73-76.

21. Мишустин, Н. М. Физико-химические основы технологии поверхностного упрочнения деталей сельхозтехники при ТВЧ-борировании [Комп.] / Н.М. Мишустин, К.В. Федосеенко, Д.И. Снегирев, А. В. Ишков // Вестник молодых ученых: сборник научных работ. -Горно-Алтайск: РИО ГАГУ, - 2011.

22. Ишков, А. В. Функциональные боридные покрытия для почвообрабатывающих органов сельхозтехники. Часть I: Получение и свойства покрытий [Текст]. / А.В. Ишков, В.В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров, Н.М. Мишустин, А.С. Шайхудинов // Актуальные проблемы сельского хозяйства горных территорий: материалы III-ей Междунар. научн.-практ. конф. - Горно-Алтайск: РИО ГАГУ, - 2011. - С. 318-321.

23. Ишков, А.В. Функциональные боридные покрытия для почвообрабатывающих органов сельхозтехники. Часть II: Износ поверхностно-упрочненных стрельчатых лап [текст]. / А.В. Ишков, В.В. Иванайский, Н.Т. Кривочуров, Н.М. Мишустин, А.С. Шайхудинов // Актуальные проблемы сельского хозяйства горных территорий: материалы III-ей Междунар. научн.-практ. конф. - Горно-Алтайск: РИО ГАГУ, - 2011. - С. 322-327.

25. Ишков, А.В. Способ химико-термической обработки режущей кромки стального рабочего органа почвообрабатывающего орудия [комп.]. / А.В. Ишков, В.В. Иванайский, Н.Т. Кривочуров, Н.М. Мишустин // Патент РФ № 2447194 МПК С23С 26/00 Способ химико-термической обработки режущей кромки стального рабочего органа почвообрабатывающего орудия. - заявл. 03.08.2010. - опубл. 10.04.2012. - Бюл. № 10.

26. Иванайский, В. В. Способ изготовления почвообрабатывающего рабочего органа стрельчатого типа [текст]. / В.В. Иванайский, А.В. Ишков, Н.Т. Кривочуров, Н.М. Мишустин, А.С. Шайхудинов // Заявка на пат. РФ № 2011128457/(042095) от 08.07.2011.

Размещено на Allbest.ru