Науково-технологічні засади формування зносокорозійностійких покриттів з використанням композиційних насичуючих: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук : 05.02.01 – Матеріалознавство

Abstract

У дисертаційній роботі представлені нові науково-технологічні засади формування захисних дифузійних шарів з використанням композиційних насичуючих середовищ (КНС), які узагальнюють і забезпечують вирішення актуальної науково-технічної проблеми – встановлення закономірностей формування структури і властивостей матеріалів, що дозволяють забезпечувати високий рівень зносо-корозійностійких характеристик деталей, які працюють в умовах комплексного впливу агресивних речовин. Для прогнозування експлуатаційних властивостей матеріалів розроблено новий підхід до моделювання, який базується на комплексній тривимірній реконструкція мікроструктури матеріалу шляхом підсумовування двомірних даних 2D зображень, вокселізації 3D мікроструктури при оцінці пористості, фазового складу, карбідних фаз і розподілу насичуючих елементів. В работі приведена теорія і технологія процесів диффузійного насичення з використанням композиційних насичуючих середовищ: термодинаміка, 39 кинетика, хімічні реакції, закономірності і механізми формування захисних дифузійних шарів з карбідами, боридами и інтерметалідами. Разроблені склади композиційних насичуючих середовищ і технологічні режими процесів, які дозволяють отримувати захисні покриття с заданим комплексом властивостей. Здійснено промислову апробацію технології отримання захисних шарів з використанням КНС на: ПрАТ«Южкокс»,«Полтавському ГЗК», ТОВ «Придніпровський механічний завод» і ТОВ «Верхньодіпровський авторемонтний завод» з очікуваним річним економічним ефектом від впровадження нових технологій 2 060 000 грн. Нові композиційні насичуючі середовища, для зміцнення захищені 4 патентами України.

The dissertation presents new scientific and technological foundations for the formation of protective diffusion layers using composite saturating media (CSM), which generalize and provide a solution to an urgent scientific and technical problem – the determination of specific patterns in the formation of the structure and properties of materials, allowing to ensure a high level of wear and orrosionresistant characteristics of parts working in conditions of complex action of aggressive substances. The developed research methodology is based on the analysis and generalization of the main factors affecting the increase in the operational properties of products under the complex action of aggressive substances. To analyze the microstructure, 2D and 3D modeling were used, which made it possible to correct technological saturation processes with minimal costs. A new comprehensive approach to the study of microhardness using a geometric interpretation in the form of a triangle with isolines of a constant value of the investigated parameter is proposed. The characteristic fields are established, taking into account the ratio of the main saturating components, ECD and GTA. Studies of the distribution of residual stresses over the thickness of the protective coating on structural materials have found that compressive stresses arise on their surface, which are described by a fourth-order polynomial. So, when aluminizing on the surface of steels 20,45 and U8, they are 190, 240, 260 MPa, when covering with vanadium – 250, 310, 400 MPa, with titanium – 220, 340, 380 MPa, with molybdenum – 170, 190, 210 MPa, with boron – 200, 240, 280 MPa, with tungsten – 80, 110, 130 MPa. Factors and dependences of wear resistance during tests under conditions of friction-sliding and shock-dynamic load, which are described by a polynomial of the fifth order, are established. Based on the results of theoretical and experimental studies, triangular diagrams were constructed, characterizing the relative wear resistance Iv. Based on studies of the surface morphology of the samples, it was set up that it has a developed character with areas of elastic deformation of the surface. Analysis of microstructures using 2D and 3D images made it possible to establish a wear mechanism based on the adhesion-deformation theory. The paper presents the theory and technology of diffusion saturation processes using composite saturating media: thermodynamics, kinetics, chemical reactions, patterns and mechanisms of the formation of protective diffusion layers with carbides, borides and intermetallic compounds. Compositions of composite saturating media and technological modes of processes have been developed, which make it possible to obtain coatings with a given set of properties for specific operating conditions. On the basis of theoretical and experimental studies, the relationship between structure formation and the performance properties of structural materials working in the conditions of by-product coke production has been established. Based on theoretical and experimental studies, the dependences of the corrosion resistance of protective coatings obtained in SPS on steel 45 in 20% aqueous solutions of HCl, H2SO4 and HNO3, which are described by a fourth-order polynomial, have been established. For the first time, voltammograms were obtained and the dependences of the corrosion resistance of coatings were established in the study in 20% aqueous solutions of acids. It has been proven that protective coatings inhibit both anodic and cathodic corrosion processes. Industrial testing of the technology for obtaining protective layers using SPS was carried out at: PJSC „Yuzhkoks”, PJSC “Poltavsky GOK”, LLC “Pridneprovsky Mechanical Plant” and LLC “Verkhnedneprovsky Auto Repair Plant” with the expected annual economic effect from the introduction of new technologies, 2 060 000 UAH. New composite saturating media used for surface hardening of structural materials are protected by 4 patents of Ukraine.