МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЛУЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Чорна Галина Олексіївна

УДК 621.9.048.7: 621.793

ФОРМУВАННЯ ЗНОСОСТІЙКИХ МЕТАЛОКАРБІДНИХ ПОКРИТЬ 3 ВИКОРИСТАННЯМ ЕКЗОТЕРМІЧНИХ СУМІШЕЙ

Спеціальність 05.02.01 - Матеріалознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ЛУЦЬК-2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Вінницькому державному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор Савуляк Валерій

Іванович, Вінницький державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри автомобілів та автомобільного господарства

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Завгородній Петро Федорович, Рівненський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, зав. кафедри

доктор технічних наук, професор Голубець Володимир Михайлович, Український державний лісотехнічний університет Міністерства освіти і науки України, зав. кафедри

Провідна установа: Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України, м. Київ

Захист відбудеться 30 червня 2001 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 32.075.01 при Луцькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки за адресою: 43018, м.Луцьк, вул. Львівська, 75

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Луцького державного технічного університету Міністерства освіти і науки за адресою: 43018, м.Луцьк, вул. Львівська, 75.

Автореферат розісланий 25 травня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Федосов А.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Прогрес у техніці, підвищення вимог до на-дійності та ефективності машин і механізмів, нові, жорсткіші режими їх функціонування вимагають поліпшення експлуатаційних характеристик деталей та матеріалів, з яких їх виготовляють. Важливе місце серед таких характеристик займає стійкість матеріалів проти зношування.

Забезпечення необхідної зносостійкості деталей потребує створення поверхонь з комплексом відповідних вла-стивостей. Ефективним методом розв’язання цього питання є нанесення покрить, створених з карбідів тугоплавких металів з металевою матрицею. Але формування на поверхні деталей твердосплавних покрить тра-диційними методами вимагає організації спеціального виробництва по-рошків карбідів та енергоємного обладнання для їх нанесення і закріплення. Найбільш поширеними серед них є методи наплавлення. Ці методи мають суттєві недоліки: призводять до нагріву поверхні деталі (підкладки) до високих температур і погіршення її структури, розбавлення поверхневого наплавленого шару металом підкладки, появи інших дефектів зварювання.

Перспективними є технології формування на деталях зносостійких металокарбідних покрить з використанням екзотер-мічних порошкових сумі-шей. Такі технології дозволяють сумістити в одному процесі синтез карбідів та утворення покриття з заданими експлуатаційними характе-ристиками. Локальне тепловиділення в реакційній зоні забезпечує міцне зчеплення покриття з металом підкладки, дозволяє проводити процес формування покриття з меншими енерговитратами.

При розробці технології формування покрить з використанням екзо-термічних сумішей необхідно врахувати взаємозалежність між параметрами технологічного процесу, структурою та зносостійкістю, вплив фізико-хімічних характеристик компонентів та оточуючого середовища. Існуючі методики не дозволяють проводити коректні розрахунки, що викликає необхідність у розробці нових методів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилась в межах науково-технічної програми “Нові конструкційні матеріали та високоефективні технології їх виробництва” при виконанні проекту “Наукові основи нових технологій одержання на виливках і деталях шарів типу “метал-карбід” на основі СВС-процесу та контактного плавлення”, номер держреєстрації 01970012583 та проекту 4.4/213 “Розвиток хімічної термодинаміки та термохімії процесів формування сплавів” номер держреєстрації 0127U019171.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка енергозберіга-ючого та ресурсозберігаючого способу формування на деталях, що піддаються зношуванню, металокарбідних покрить із заданими фізико – механічними властивостями, прогнозованою структурою та зносостійкістю, основаного на використанні екзотермічних порошкових та порошково - волокнистих сумішей.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- вивчення механізму та основних факторів впливу на процеси синтезу металокарбідних матеріалів;

- розробка методик розрахунку складу сумішей та технологічних параметрів процесів синтезу металокарбідних матеріалів та покрить;

- визначення оптимального складу сумішей та технологій формування зносостійких покрить на деталі та ріжучі інструменти;

- провести апробацію розроблених методик та рекомендацій на ре-альному технологічному процесі.

Методи дослідження: - експериментальне дослідження процесу син-тезу металокарбідних матеріалів в порошкових сумішах методом терміч-ного аналізу;

- експериментальне дослідження процесу формування металокарбід-них покрить на дослідних зразках деталей з використанням пічного, елект-роконтактного нагріву та з допомогою СВЧ;

- експериментальне дослідження структури, хімічного і фазового складу та твердості покрить металографічним, рентгенофазовим, атомно-абсорбційно спектрофотометричним, а також дюрометричним методами;

- проведення розрахунків складу сумішей та термодинамічного аналізу процесів синтезу з використанням пакету MathCad 8,0, Exel 97 та розроблених програм на мові Pascal 7.0.

Наукова новизна одержаних результатів:

1.Запропоновано та обгрунтовано модель синтезу металокарбідних матеріалів в порошкових сумішах, яка враховує вид нагріву, участь газового середовища та фізико-хімічні характеристики інгредієнтів.

2.Встановлено закономірності формування металокарбідних покрить на залізовуглецевій підкладці з використанням порошкових та порошково-волокнистих сумішей, показана залежність механізму процесу формуван-ня покрить від способу нанесення на деталь окремих компонентів сумішей.

3.Запропоновано методику розрахунку складу сумішей та температури підігріву для ініціювання процесу синтезу покриття.

4.Визначено умови утворення евтектичних покрить, вплив легувальних елементів в сумішах на базі хрому на пара-метри евтектичних перетворень.

5.Створено математичну модель, яка дозволяє визначати технологічні параметри процесу формування покрить для одержання поверхонь з високою зносостійкістю.

Практичне значення отриманих результатів: В результаті проведеної роботи створено методи формування зносостійких металокарбідних шарів на залізовуглецевій підкладці, які можуть використовуватись не тільки в крупносерійному, але і в ремонтному виробництві, майстернях, не потребують спеціалізованого термічного обладнання та застосування захисних газів або вакууму, забезпечують економію матеріалів та енергії.

Розроблені технологічні процеси, методики і рекомендації апробовані для нанесення зносостійких покрить на землеобробну техніку, при формуванні леза металорізального інструменту (різець), відновлення та зміцнення деталей газорозподільного механізму ДВЗ.

Особистий внесок здобувача: Автором досліджено механізм та закономірності процесів синтезу металокарбідних матеріалів та покрить в екзотермічних сумішах систем Ме-С (Ме: Cr, V, Mo, W). Визначено вплив складу суміші, фізико-хімічних характеристик компонентів, способу змішування та укладки шарів суміші і температурного режиму на формування структури матеріалів та покрить на залізовуглецевій підкладці. Досліджено умови протікання в системах процесів евтектичного плавлення. Запропоновано методику розрахунків складу екзотермічних сумішей та технологію нанесення покрить з евтектичною структурою.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації пройшли апробацію у вигляді доповідей на конференціях Вінницького державного технічного університету (1998, 1999, 2000,2001). Основні положення роботи і її окремі результати доповідались на 7 Міжнародній науково-технічній конференції “Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів” (м. Запоріжжя, 1998), на Третьому Міжнародному конгресі по матеріалознавству (Румунія, м.Яси, 2000), а також на Міжнародній конференції "Матеріали та покриття в екстремальних умовах" (Крим, c.Кацивелі, 2000).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 13 праць.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, 5 розділів, висновків, переліку найменувань використаних джерел та 6 додатків, що загалом займає 199 сторінок. У тому числі робота містить 56 рисунків, 23 таблиці та 126 посилань на літературні джерела.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі сформульована тема роботи, обгрунтована її актуальність, відповідність державним науковим програмам, наведена наукова новизна і практична значимість дисертації, подано мету і задачі дослідження.

В першому розділі проаналізовано стан справ і охарактеризовано досягнення у розв'язанні проблеми підвищення довговічності деталей в умовах інтенсивного абразивного зношування шляхом нанесення металокарбідних покрить.

Використання для одержання композиційних матеріалів екзотермічних сумішей дозволяє проводити технологічний процес з меншими енерговитратами, скорочувати час та технологічний цикл формування покриття з визначеними властивостями. Розглянуто основи фізико-хімічних процесів взаємодії в шихті та структуроутворення при формуванні сплавів-продуктів синтезу, відомі методи їх теоретичного та експериментального дослідження, можливість одержання сплавів з евтектичною структурою, які характеризуються високою зносостійкістю. Проаналізовано існуючі моделі і методики розрахунку параметрів екзотермічних процесів, та показано їх непридатність для вирішення поставленої проблеми. Сформульовано задачі дослідження.

У другому розділі запропоновано і систематизовано основні підходи до визначення складу екзотермічних сумішей та розрахунків термодинамічних параметрів процесів синтезу металокарбідних покрить, який раціонально виконувати послідовно в п’ять етапів.

На першому етапі проводиться оцінка термічності базових сумішей з тугоплавких карбідостворюючих металів та вуглецю з метою визначення доцільності і перспективності їх використання для синтезу металокарбідних сплавів для покрить. Суміш в процесі синтезу на цьому етапі розглядається як система, повністю термічно і хімічно ізольована.

Припускається, що реакції синтезу ідуть практично до повного перетворення компонентів, після чого в системі встановлюється рівновага між всіма фазовими складовими. В основу методики розрахунків покладено складання рівнянь вагового (1) та теплового (2) балансу.

, де Z, (1)

Z – фаза продукту синтезу; k - кількість компонентів Х суміші ; р - кількість фаз у продукті синтезу; n, m - мольні частки відповідно кожного компонента та фаз у продукті синтезу.

, (2)

де H, H - ентальпії продуктів реакції та компонентів суміші, - тепловий ефект реакції синтезу при адіабатичній температурі.

Метою синтезу є одержання зносостійкого металокарбідного сплаву з заданим хімічним та фазовим складом, який може працювати в реальних умовах експлуатації та може бути одержаний без використання спеціального термічного обладнання. Тому на цьому етапі в якості основного критерію перспективності використання суміші обиралась температура синтезу T та необхідна температура зовнішнього підігріву T. Шляхом постійного підводу тепла і після досягнення T балансується тепловідвід з системи, що дозволяє вести розмову про систему як квазізакриту. Для одержання евтектичних сплавів необхідна температура підігріву може визначатись з рівняння теплового балансу за умови, що T=T:

, (3)

де - теплоємність продуктів реакції; - теплоємність вихідних речовин; То – початкова температура, Т - адіабатична температура процесу, T - необхідна мінімальна температура підігріву, L - теплота плавлення евтектики; - маса рідкої фази, Н - тепловий ефект реакції синтезу (утворення Z) при адіабатичній температурі, Н- ентальпія фазових перетворень.

На першому етапі термодинамічний аналіз систем Ме-С на основі тугоплавких металів і вуглецевих матеріалів показав, що для систем Сr-С, V-С, Мо-С, W-С мінімальні температури підігріву сумішей для одержання евтектичних сплавів у повністю закритих системах складають відповідно 1040, 1230, 2180 та 2400°С. Це дає можливість оцінити реалізовність процесу в конкретних умовах виробництва.

На другому етапі вивчалась можливість зменшення необхідної температури зовнішнього підігріву суміші шляхом варіювання її хімічним складом, дисперсністю порошків, їх попередньою активацією, введенням легувальних домішок. В даній роботі враховувалась питома поверхнева енергія дисперсних компонентів, яка визначалась за формулою Кельвіна:

, (4)

де -коефіцієнт форми; -коефіцієнт поверхневого натягу; n -кількість атомів у структурному фрагменті; NA - число Авогадро; v - атомний об’єм.

На рис.1-2 показані залежності необхідної температури підігріву сумішей від складу компонентів.

Розрахунок складу багатокомпонентних сумішей для отримання евтектичних сплавів ведеться за методикою, основаною на використанні рівняння М. Хіллерта. Рівняння дозволяє визначити зміну термодинамічної активності а елемента X бінарного сплаву, при введенні в цю систему третього легувального компонента Y, до аі побудувати тальвег в потрійній системі Z-Х-Y за координатами, отриманими з системи рівнянь (5), що відповідають двом гілкам ліквідусу евтектичної області:

ln(а)-ln(а)= -,

ln(а)- ln(а)= -, (5)

де - тангенс кута нахилу відповідної коноди в ізотермічному перерізі двофазної області.

Для проведення розрахунків створено базу даних про активність вуглецю в сплавах хрому. За рівнянням Д.Чіпмана і Д.Елліота розраховано положення ліній ізоактивності вуглецю на діаграмі Сr-С. Активність вуглецю у карбідах визначалась за методикою Р.А.Андрієвського. Результатом завершення другого етапу розрахунків є встановлення співвідношення між компонентами суміші, які дають відповідну багатокомпонентну евтектику.

На прикладі системи Cr-C-Ni показано, що при проведенні процесу синтезу при мінімальних температурах зовнішнього підігріву необхідно встановити співвідношення між основними компонентами базової бінарної системи Сг-С, що відповідає подвійній евтектиці (див. рис.2).

На третьому етапі розрахунків суміш розглядається як хімічно відкрита підсистема системи "суміш – підкладка - газова фаза”. На цьому етапі розраховується зміна вільної енергії при проходженні в системі всіх можливих реакцій. Першочергово проходять реакції, які забезпечують мінімізацію вільної енергії системи. В системі Cr-Fe-C можливі слідуючі основні реакції:

1) 2С + О = 2 CO , 2) С + О = СО, 3) 4Сr + 3 О = 2 СrО,

4)3Fe + 2О = FеО, 5)2CO = [C]+ СО, 6)Cr+ +COCrCy+2CО.

В системі конкурують окислювальні та відновлювальні процеси, а також навуглецьовування порошку суміші та металу підкладки.

Аналіз термодинамічної вірогідності цих реакцій за величиною вільної енергії Гіббса показав, що при t >1000°C превалюють відновлювальні процеси. Зі збільшенням вуглецевого потенціалу газової фази в системі утворюються вищі карбіди хрому, зростає концентрація вуглецю в підкладці з утворенням заевтектоїдної сталі. В роботі визначено умови, при яких відповідає активності вуглецю у конденсованих фазах, що необхідно для протікання процесу утворення металокарбідного покриття. Процес їх формування може бути представленим з етапів:

1. Утворення оксидів вуглецю. Реакція екзотермічна і вносить значний вклад теплоти в загальний тепловий баланс. Величина цього вкладу для до-сліджених сумішей може бути сумірною з екзотермічним ефектом карбі-доутворення. В системах на основі хрому та ванадію для реальних умов мо-жливе евтектичне плавлення при підігріві вже до температур 1050-1100°С.

2. Дифузія вуглецю в метал порошків та їх карбідизація з розігрівом поверхневого шару за рахунок екзотермічного ефекту до температури плавлення евтектики.

3. Плавлення евтектики з утворенням рідкої фази.

4. Розчинення в утвореному розплаві металевих частинок і легувальних домішок. Ті домішки, які знижують температуру плавлення евтектики, підтримують деякий час утворений шар в рідкому стані, що сприяє поліпшенню умов кристалізації.

Паралельно з етапами 2-4 проходить навуглецьовування металу підкладки і сплавляння його з покриттям.

5. Кристалізація металокарбідного покриття.

При температурах T >1150C інтенсивно іде процес евтектичного плавлення в системі “метал підкладки – вуглець”, що є ендотермічною реакцією. Тому інтервал карбідоутворення в системі Cr-Fe-C доцільно вибирати в межах T=1000-1150°С.

На четвертому етапі розраховуються тепловтрати в оточуюче середовище та в підкладку.

На останньому етапі оцінюється відповідність температури підігріву сумішей температурному інтервалу карбідоутворення. Оптимізуються хімічний склад та характеристики суміші, параметри процесу з точки зору технологічної та економічної доцільності.

В результаті проведення аналізу та розрахунків процесів синтезу металокарбідних матеріалів та покрить з використанням сумішей на основі металів Сг, W, Мо, V та вуглецю встановлено:

1. Ці суміші в реакціях карбідизації характеризуються тепловиділенням, яке недостатнє для здійснення в них процесів синтезу за рахунок їх власних енергетичних ресурсів і при використанні для одержання покрить потребують зовнішнього підігріву.

2. Використання порошків з високою дисперсністю (менше 10мкм) підвищує термічність сумішей на 10% і більше.

3. Введення до складу сумішей на основі хрому легувальних елементів нікелю, заліза, бору знижує температуру плавлення евтектики, причому бор підвищує термічність суміші.

В третьому розділі подано методику та результати експериментальних досліджень, проведених з метою перевірки та оцінки адекватності розроблених модельних уявлень. Задачі:

- дослідження процесів синтезу композиційних матеріалів в екзотермічних сумішах систем Ме-С (Me: Cr, W, V, Мо) та відповідності реального температурного вікна розрахунковому;

- експериментальна перевірка прогнозованих умов протікання в досліджуваних системах процесів евтектичного плавлення;

- дослідження процесів формування покрить на залізовуглецевій підкладці при різних схемах нанесення екзотермічних сумішей;

- дослідження характеру і ступеню впливу характеристик вхідних інгредієнтів, складу суміші, її щільності, температури зовнішнього підігріву та кінетики процесу на структуру покрить.

Методами кількісної металографії проведено гранулометричний аналіз порошків, виявлено їх структуру, морфологію, визначено питому поверхню для розрахунку внеску їх поверхневої енергії в загальну ентальпію сумішей.

Для перевірки адекватності запропонованих методик визначення величини екзотермічного ефекту проведено термічний аналіз зразків порошкових сумішей системи Сг-С. Суміш запресовувалась в стальну оболонку зусиллям 100-50010 Н та піддавалась нагріву шляхом пропускання по оболонці струму, температура вимірювалась привареною до оболонки термопарою і записувалася на термограмі. Суміш нагрівалась зі швидкістю до 240С/хв. до заданої температури підігріву T. При цій температурі струм через оболонку підтримувався постійним (баланс теплопідвід тепловіддача у системі). Підвищення температури на термопарі під час підігріву з постійною інтенсивністю свідчить про протікання процесів, що супроводжуються екзотермічним ефектом. Найбільший екзотермічний ефект спостерігався при використанні активованого вугілля як джерела вуглецю. Синтезовані на протязі 10-30 хвилин металокарбідні матеріали на основі системи Cr-C мали пористу структуру, яка утворилась з розплаву, в якому залишились частинки порошку, що не прореагували. Підвищення температури залежить від складу суміші, її щільності і досягало 400 град. Вуглецевий потенціал газової фази за таких умов знаходиться в межах 0,2 – 0,6.

При щільності суміші 0,4 - 0,6 кількість кисню складає від 9 до 13% загального об’єму реакційної зони. Збільшення кількості кисню за рахунок зменшення щільності суміші призводить до підвищення швидкості процесу та максимальної температури.

Вміст вуглецю варіювався від 5 до 20 мас. %. Збільшення тепловиділення в процесі спостерігається для сумішей, в яких витримане оптимальне співвідношення між масою вуглецю та кисню. Максимальне підвищення температури (до 300-400°С) одержано при 20 мас.% вуглецю та 13 – 14% об’ємного вмісту кисню.

При температурах підігріву до T< 1000°С ( з ізотермічними витрим-ками в тому числі) відбувалося окислення порошків хрому та стальної під-кладки, що повністю відповідає прогнозу за розрахунками вільної енергії.

Експериментальні дослідження процесу формування металокарбідних покрить на підкладці з сталі Ст.3 виконувались з пічним та електронагрівом без підводу захисних газів або використання вакууму.

В таблиці 1 для сумішей складу, розрахованих за запропонованою в розділі 2методикою, подано прогноз структури покриття при підігріві до 1100-1150С.

Таблиця 1

Систе-ма | Частка вуглецю | Діаметр частинок , мм | Прогнозовані структури покрить

Cr-C | 0,14-0,16 | 0,05 - 0,2 | Покриття з евтектичною структурою на основі карбідів хрому

V-C | 0.13-0.15 | 0,1- 0,3 | Частка евтектики визначається режимом підігріву

W-C | 0.25-0.27 | 0, 0005 - 0,001 | Карбіди твердофазного синтезу та лита матриця за участю металу підкладки

Mo-C | 0,16-0,18 | 0,1- 0,2

Покриття евтектичного типу одержано на основі карбідів хрому (Cr7C3 i Cr3C2) та ванадію (V2C). Їх структура складається з тонкодисперсної евтектики і крупніших евтектичних колоній з карбідами розмірами до 8 мкм. Покриття на основі вольфраму та молібдену містять структурновільну карбідну фазу та литу матрицю на основі металу підкладки. Експериментальні дослідження підтвердили коректність прийнятих положень і моделей.

Показано, що на хід процесу формування покриття і кінцеву структуру металокарбідного шару в значній мірі впливає порядок чергування шарів композиції. При безпосередньому контакті вуглецевого матеріалу з підкладкою покриття формується в умовах, при яких відбувається контактне плавлення “залізо-вуглець” і в розплаві розчиняються компоненти суміші. Такі покриття містять дендрити твердого розчину металів компонентів суміші та підкладки. Дендрити орієнтовані вертикально по глибині покриття, починаючи від зони сплавлення (рис. 3).

а) за схемою укладки шарів №1; б) за схемою укладки шарів №2

(“деталь-порошок металу-вуглець”) (“деталь-вуглець-порошок металу”)

Рис.3 Мікроструктури покрить системи Сr-С, одержані при пічному підігріві до температури 1100-1150°С 100

Перехідна зона характеризується плавним переходом по мікротвердості від покриття до поверхневого шару підкладки, який навуглецьовується до заевтектоїдної сталі. При схемі укладки шарів суміші "деталь - порошок карбідостворюючого металу - вуглець" переважно відбувається екзотермічна реакція карбідизації. Такі покриття утворюють однорідну структуру, але їх перехідна зона характеризується значним градієнтом мікротвердості.

Таблиця 2

Мікротвердість та твердість металокарбідних покрить

Склад | V - С |

Сr -С |

W- С |

Мо - С

карбід-

на фаза | матри-

ця |

карбід-

на фаза | матри-ця | карбід-на фаза | мат-риця | карбідна фаза | матриця

Н100,ГПа | 10,0-6,0 | 4,0-6,0 | 8,0-15,5 | 4,0-5,0 | 10-15,0 | 6,0 | 9,0-5.0 | 4,5-7,0

HRC |

66-69 |

64 - 68 |

68-70 |

63 - 66

Експерименти підтвердили, що швидкість і екзотермічний ефект карбідоутворення залежить від вуглецевого потенціалу. Підтверджено справедливість прогнозу оптимальних температурних інтервалів для сумішей системи Cr-C між 1050 та 1150С. При нижчих температурах порошки та підкладка окислюються, при більших - ведучою реакцією стає контактне плавлення залізо-вуглець, погіршується структура сталі підкладки.

Сформовані покриття, структура яких залежить від складу сумішей, дисперсності порошків, типу вуглецевих матеріалів та способу укладки окремих шарів. Евтектичні структури одержано при нанесенні сумішей на основі хрому. З деякою часткою евтектичної складової покриття одержано з суміші на основі ванадію. Металокарбідні шари з евтектичними структурами на основі молібдену та вольфраму сформувати не вдалося.

В четвертому розділі описано методику та результати визначення зносостійкості зразків зі сформованими покриттями. Для її оцінки використовували експериментальну установку для випробовувань робочих поверхонь на зношування по абразивному прошарку. Еталонні зразки для визначення відносної зносостійкості виготовлялись з сталі 40ХН (термообробка: загартування з 820С, охолодження в маслі, відпуск при 300-350С). Твердість - HRC 53-56. Умови випробовувань: зусилля на зразок - 150 Н; частота обертання вала с закріпленими зразками – 1,0 с-1; шлях тертя зразка за один дослід - 100 м; розміри поверхні тертя - 5 х 15 мм, питомий тиск -2 МПа.

Зносостійкість карбідохромових покрить по відношенню до еталону ви-явилася вищою у 1,8 - 2,6 разів і визначається кількістю та величиною кар-бідів, мікротвердістю матриці і особливо підвищується при наявності евтектики. Знижує зносостійкість наявність дендритів твердого розчину, які мають порівняно низьку мікротвердість. Збільшення розмірів карбідів дещо зменшує зносостійкість.

Для визначення впливу технологічних факторів формування покрить на зносостійкість деталей було проведено дослідження з використанням методів планування багатофакторного експерименту. В якості параметру оптимізації (Y) вибрано зношування покриття за масою. До факторів, вплив яких на параметр оптимізації досліджувався, віднесені: температура підігріву (X1:1100-1300С), тривалість витримки для структуроутворення (X2:20-60 хв.), частка у суміші вуглецевого матеріалу (X3:10-20%)). За результатами проведених досліджень отримано рівняння регресії:

Y=0.63-0.028X1-0.047X2-0.055X3+0.022X1X2++0.03X1X2X3. (6)

Аналіз математичної моделі (6) показав, що всі обрані фактори при рості в межах дослідженого інтервалу збільшують зносостійкість покрить. Вплив витримки на структуроутворення покриття та вмісту вуглецю більш значний, ніж температури підігріву.

Дослідження показали, що на зносостійкість покрить впливають розмір карбідної фази, її вміст у покритті, середня мікротвердість матриці. Зносо-стійкість є функцією всіх 3-х факторів, до того ж на неї впливає ступінь однорідності покрить, наявність евтектичної складової, дендритів твердих розчинів, їх розташування та розміри. Тому покриття, які мають більший вміст карбідної фази, але і різко неоднорідну матрицю, піддаються зношуванню більше, ніж покриття з однорідною евтектичною структурою.

В п’ятому розділі подано технологічну схему і наведено приклади практичного застосування екзотермічних сумішей для нанесення покрить на деталі машин та ріжучий інструмент.

Розробку технологічного маршруту формування покрить пропонується вести в такій послідовності:

1. Вибір складу суміші та необхідної структури покриття (проводиться на основі даних про призначення покриття). Для нанесення зносостійких покрить на деталі сільгоспмашин пропонуються суміші системи Сг-С з додатками бору, що забезпечує евтектичну структуру та наявність зміцнюючих фаз; для стійких проти агресивних середовищ – системи Сr-Ni-C, для металорізального та деревообробного інструменту - покриття системи W-C.

2. Вибір схеми нанесення і закріплення на поверхні заготовки шихтових матеріалів проводиться з врахуванням профілю поверхні, структури покриття та, особливо, вимог до перехідної зони до підкладки. Для деталей складного профілю рекомендується обирати схему “деталь - металевий порошок – вуглець”.

3. Вибір способу підігріву проводиться з врахуванням наявного технологічного обладнання, матеріалу заготовки, умов експлуатації.

Визначено склади сумішей на основі системи Сr-С, які пропонується наносити на деталі сільгоспмашин. Узагальнені дані для схем 1 та 2 нанесення шарів при використанні вуглецевого матеріалу УУТ-2 і пічному підігріві наведено в таблиці 3.

Таблиця 3

Склад суміші та параметри пічного підігріву

Схема нанесен-ня шарів | Частка вуглецю | Шар мета-левого поро-шку, мм | Маса метале-вого порошку, г/см поверхні | Температура підігріву, 0С | Тривалість підігріву, хв.

1 | 0.15- 0,2 | 0,6-1,0 | 1,9-3,5 | 1050-1100 | 20-40

2 | 0.15-0,18 | 0,5-0,9 | 1,8- 2,8 | 1050-1100 | 20-40

Розроблено та досліджено спосіб формування робочих поверхонь металорізального інструменту нанесенням покрить з екзотермічних сумішей з використанням електроконтактного підігріву. Покриття наносили на державки різця з сталі 45 на машині для електроконтактного зварювання МТПУ-300. Різці після заточування пройшли випробовування на зносостійкість за методом торцевої обробки на токарному верстаті 1Е60ІМ без охолодження. Оброблявся торець заготовки із сталі 50, діаметром 170 мм. Глибина різання - 0,5 мм, подача 0,11 мм/об, частота обертання при першому проході - 100 об/хв., при другому проході - 200 об/хв. Різці показали стійкість на рівні або вищу за стійкість різців з швидкорізальної сталі.

Таблиця 4

Результати випробовувань різця з металокарбідним покриттям |

Склад суміші, % | Глибина по- | Твердість | Стійкість

вуглець | Вольфрам | криття, мм | покриття, HRC | різця,хв

1 | 5 | 95 | 3,2 | 62 -65 | 57

2 | 10 | 90 | 3,4 | 65-66 | 59

3 | 20 | 80 | 3,5 | 67-70 | 63

4 | 35 | 65 | 3,5 | 66-68 | 61

5 | 50 | 50 | 3,6 | 61-62 | 55

Різець з швидкорізальної сталі | 55

Розроблені методи формування зносостійких покрить можуть бути використані як в серійному виробництві, так і на невеликих підприємствах та в ремонтних майстернях при наявності універсального термічного обладнання, що може забезпечити підігрів до температури 1150C.

ВИСНОВКИ

У дисертації зроблено теоретичне узагальнення і практичне розв’язання наукової задачі - розробки ефективної ресурсозберігаючої технології підвищення зносостійкості та збільшення ресурсу роботи деталей, які піддаються інтенсивному абразивному зношуванню (деталі землеобробної техніки, дерево- та металорізальний інструмент). В даній роботі ви-рішення цієї проблеми пропонується шляхом впроваджен-ня процесу нанесення на деталі із залізовуглецевих сплавів металокарбідних покрить з використанням низькоекзотермічних порош-кових та порошково-волокнистих сумішей.

1.

2. Показано, що на базі систем Сг-С, V-С, W-C можуть бути створе-ні екзотермічні суміші для синтезу металокарбідних матеріалів,.

3. Розроблено методику розрахунку складу екзотермічних сумішей та термодинамічних параметрів процесів синтезу металокарбідних покрить. Ця методика дозволяє визначати необхідну і достатню температуру ініціювання таких процесів з прогнозованою структурою утворених сплавів.

4. Проведено розрахунки складу екзотермічних сумішей на базі систем Сг-C, V-С, W-С, Мо-С. Показано, що для утворення карбідохромового та карбідованадієвого сплаву з евтектичною структурою суміш необхідно підігріти до температури 1050 - 1100°С. Для сумішей на основі вольфраму та молібдену можливе утворення структур з карбідами твердофазного синтезу та литою матрицею на основі металу підкладки.

5.Запропоновано фізичну модель процесів синтезу мета-локарбідних матеріалів в досліджених сумішах за участю складових повітря. Модель враховує фізико-хімічні умови утворення в реакційній зоні навуглецьовуючої атмосфе-ри, яка захищає металеві компоненти від окислення та карбідизує їх, підвищуючи температуру в реакційній зоні. Модель дозволяє розраховувати параметри утворення карбідних евтектик.

6. Розроблено методику розрахунків складу багатокомпонентних екзотермічних сумішей для одержання евтектичних покрить. Методику апробовано на прикладі системи Сг-С.

7. Показано, що механізм процесів формування металокарбідних покрить на залізовуглецевій підкладці залежить від складу сумішей, фізико-механічних характеристик компонентів, їх попередньої механічної активації, щіль-ності суміші, температури зовнішнього підігріву та способу укладки шарів порошково-волокнистих сумішей.

8. Показано, що для порошково-волокнистих екзотермічних сумішей структура покриття і характер зони сплавлення з металом підкладки залежать від схеми укладки шарів шихти. Для формування покриття з перехідною зоною, яка має плавний перехід по мікротвердості від покриття до підкладки, рекомендується використовувати схему укладки шарів “підкладка – вуглецевий матеріал – металеві порошки”. Покриття з більш високою інтегральною твердістю формуються при укладці шарів за схемою “підкладка – металеві порошки– вуглецевий матеріал”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Жуков А.А., Черная Г.А, Деревянко Л.И., Деревянко В.И. Исследование СВС-системы: сплав карбидообразующего элемента - метастабильный карбид. // Тезисы докладов Первого Всесоюзного симпозиума по макроскопической кинетике и химической газодинамике. Алма-Ата, 1984, с.103-104.

2. А.с. №1327565. СССР. МКИ В 22 F 7/00 . Порошковая смесь для поверхностного упрочнения железоуглеродистых деталей / А.А.Жуков, А.Г.Мержанов, В.Т.Панин, Г.А.Черная и др.(СССР). Заявлено 12.06.1984; опубликовано 1.04.1987, Бюл. изобр. №28. 1987. - С.257.

3. Жуков А.А., Шилина Е.П., Черная Г.А. Применение термореагирующих порошков для упрочнения стальных и чугунных деталей// Порошковая металлургия.- 1988.- № 1.- С.15-17.

4. Новый способ поверхностного легирования отливок/ А.А.Жуков, А.Г.Мержанов, В.А.Новохацкий , А.Н.Семенов, Г.А.Черная// Технология и организация производства. –1987.- №1. -С.36-37.

5. Семенов А.Н., Корнийчук Я.И., Черная Г.А. Упрочнение стальных отливок с использованием процесса высокотемпературного синтеза // Сборник научных трудов ВПИ "Повышение зффективности и надежности машин и процессов". –Киев, 1989.- С.23-25.

6. Заріч-ний А.М., Чорна Г.О., Долженков Г. А, Пригоцький В.М. Нанесення евтектичних зміцнюючих покриттів на стальні деталі із застосуванням борних та вуглецевих волокнистих матеріалів // Вісник ВПІ, №2(3), 1994. С.45 – 47.

7. Zhukov A.A., Chernaya G.A. Use of SHS in superficial in-mould alloying of castings // Foundry. – 1994.- №.5. - P.17-20.

8. Жуков АА., Савуляк В.И, Черная Г.А., Осадчук А.Ю. Цементация и поверхностное легирование литой стали // Литейное производство. 1999. №1. -С.23-25.

9. Савуляк В.І, Чорна Г.О. Структуроутворення при нанесенні на деталі зміцнюючих шарів "метал-карбід" з використанням СВС-технологій. Матеріали 7 Міжнародної науково-технічної конференції “Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів”. Запоріжжя, 1998. –С.220.

10. Савуляк В.І. Жуков А.0., Чорна Г.0. Побудова та аналіз моделей металевих сплавів. Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 1999. 200 с.

11.Zhukov A.A., Savulуak V.I., Chernaya G.A. Use of self-propagating high-temperature synthesis (SHS) in superficial alloying of metals //TSTM4- Romanian Academy.-1999.-P.176-180.

12. Savulуak V.I., Chernaya G.A. Formation process of wear resistant coatings with using of exotermal mixtures//BULETINUL INSTITUTULUI POLITEHNIC DIN IASI.- T. XLVI(L), F.3-4. – 2000. – P.107-112.

13. Савуляк В.И. Черная Г.А. Получение материалов и покрытий на основе карбидов хрома с использованием экзотермических смесей// Тез. докл. Междунар. конф. “Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий”: - Кацивели (Крым), 2000.- С.57.

АНОТАЦІЇ

Чорна Г.О. Формування зносостійких металокарбідних покрить з використанням екзотермічних сумішей. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – Матеріалознавство. – Луцький державний технічний університет, Луцьк, 2001.

Розроблено та досліджено метод формування на деталях металокарбідних зносостійких покрить, який грунтується на використанні екзотермічних сумішей та дозволяє економити матеріальні ресурси.

Наводяться результати дослідження механізму процесів синтезу матеріалів і покрить в сумішах з тугоплавких карбідостворюючих металів (Cr, V, Mo, W) та вуглецю. Показано, що для реалізації таких процесів необхідно здійснювати підігрів сумішей і запропоновано методику розрахунку цієї температури. Склад суміші розраховується на підставі рівнянь балансу мас і умов рівноваги фаз. Визначено умови одержання матеріалів і покрить з евтектичною структурою.

Запропоновано фізичну модель процесів синтезу мета-локарбідних ма-теріалів у відкритій системі “деталь-суміш-газова фаза”. Показано, що ниж-ньою межею температурного інтервалу процесів формування металокар-бідних покрить є температура протікання в системі процесів відновлення і карбідизації. Верхня межа вибирається в залежності від екзотермічності суміші, необхідних експлуатаційних характеристик деталі з покриттям.

Розроблено методики та запропоновано технологічні схеми нанесення покрить на деталі, які працюють в різних умовах. Проведено випробовування покрить на зносостійкість і обрано технологічні параметри формування металокарбідних покрить з високою зносостійкістю.

Ключові слова: екзотермічна суміш, синтез, підігрів, евтектичне плавлення, металокарбідне покриття, матриця, зносостійкість.

G.A.Chernaya. Formation metal-carbide wear-resistant coatings with using exothermal mixtures. Manuscript. Thesis for awarding candidate degree (Eng.) on speciality 05.02.01.– Material science.– The Luzk State Technical University, Luzk, 2001.

Mechanism of processes of synthesizing materials and coatings in mixtures consisting from refractory carbide-forming metals and carbides has been investi-gated and the results are presented. It is shown, that for realization of such procеsses mixture heating is required and the temperature calculation procedure is proposed.

Mixture composition is calculated on the basis of mass balance equation and phases balance conditions. Conditions for obtaining materials and coatings with eutectic structure have been determined.

Physical model of metal-carbide materials synthesis in the open scheme “part – mixture - gas phase” is proposed. It is shown that the lower temperature range limit in the process of forming metal-carbide coatings is the temperature of carbidisation and reduction processes taking place in the system. Upper temperature limit is chosen depending on the exothermicity of mixture and required operating characteristics of the component being coated.

Procedures and technological flow charts of coating formation on components operating lender different conditions are developed. Coatings were tested for wear resistance and technological parameters of forming highly resistant metal-carbide coatings have been chosen.

Key-words: exothermal mixture, synthesis, heating, eutectic melting, metal-carbide coating, matrix, war-resistance.

Черная Г.А. Формирование износостойких металлокарбидных покрытий с использованием экзотермических смесей. Рукопись. Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 – Материаловедение. – Луцкий государственный технический университет, Луцк, 2001.

Повышение износостойкости деталей является одним из важ-нейших звеньев решения проблемы сбережения материальных ресурсов, по-вышения надежности и долговечности техники. Наиболее часто применяются наплавочные методы. Однако полученные на деталях наплавленные слои подвержены сварочным дефек-там, нерегулярны по структуре и разбавлены металлом подкладки.

Предлагаемый метод нанесения на детали данной группы износостой-ких покрытий лишен этих недостатков. Он основан на применении экзо-термических порошковых и порошково-волокнистых смесей из тугоплавких металлов (Сг, V, W) и углеродных материалов, для получения металлокар-бидных покрытий на деталях из железоуглеродистых сплавов. Сущность метода состоит в том, что на поверхность детали наносят слои компо-нентов, закрепляют и подогревают до температур 1000-1150С. Исследованы варианты нагрева: печ-ной, электроконтактный и ТВЧ. Предложена ме-тодика расчета состава сме-сей с целью образования металлокарбидного по-крытия с определенной структурой при минимально необходимом подо-греве. Реализация метода не требует применения защитных атмосфер или вакуума, так как предложен-ные составы смеси и технологические параметры процесса формирования покрытия обеспечивают создание в реакционной зоне защитной и науглероживающей газовой фазы. В процессе формирования покрытия происходит вза-имная диффузия элементов шихты и металла подкладки. За счет экзотермической реакции карбидообразования температура в форми-рующемся слое поднимается и достигает температуры образования карбид-ной эвтектики. Для смесей на основе хроме и ванадия такой механизм реализуется уже при 1050-1150С. Для смесей на основе вольфрама и молибдена необходимая температура подогрева значительно выше.

Толщина покрытий достигает 1,0-2,5 мм при печном нагреве и 2-З мм при электроконтактном и ТВЧ. Структура полученных металлокарбидных покрытий зависит от состава смесей, дисперсности порошков и других физико-химических характеристик компонентов, пористости смесей, а также от способа укладки слоев шихты. Последний фактор особенно влияет на степень участия металла подкладки в процессе синтеза ме-таллокарбидного слоя, характер переходной зоны, твердость покрытия.

Для практического осуществления процесса выполнен комплекс работ по разработке экспериментальных методик для изуче-ния закономерностей процессов синтеза металлокарбидных покрытий, инженерных методик расчета состава шихты и параметров технологического процесса формирования таких слоев на железоуглеродистой подкладке без защитных атмосфер и вакуума, изучены состав, структура, твердость и триботехнические характеристики покрытий.

Разработанные методики и рекомендации опробованы в ремонтном производстве для нанесения износостойких покрытий, при формировании режущего лезвия металлорежущего инструмента (резец).

В сравнении с методом индукционной наплавки предлагаемый метод (электроконтактный нагрев) обеспечивает большую производительность (в 2,5 - 3 раза), меньший расход электроэнергии, (на 10-30 %), меньшие потери массы исходной шихты (в 2-4 раза). В сравнении с ме-тодами напекания готовых твердосплавных смесей - позволяет отказать-ся от использования защитных атмосфер, использования дефицитных кобальтосодержащих сплавов и энергоемкого оборудования.

Ключевые слова: Экзотермическая смесь, синтез, подогрев, эвтектическое плавление, металлокарбидное покрытие, матрица, износостойкость.