Керування властивостями поверхонь стальних деталей електроіскровим легуванням у спеціальних технологічних середовищах: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук : 05.02.01 – Матеріалознавство

Abstract

У дисертаційній роботі наведені науково обґрунтовані результати, що узагальнюють та забезпечують вирішення актуального науково-технічного завдання – підвищення довговічності деталей динамічного обладнання шляхом керування структурою та властивостями стальних поверхонь за рахунок комплексного впливу електроіскровим легуванням (ЕІЛ) із застосуванням спеціального технологічного середовища (СТС). На основі досліджень розроблена низка технологій насичення поверхні одним або одночасно кількома елементами СТС, що наноситься на оброблювану поверхню, з подальшим ЕІЛ, що дозволяє забезпечити комплекс властивостей і отриманням покриттів високої якості. Узагальнені закономірності впливу чинників (склад електродних матеріалів та СТС, енергетичні та технологічні параметри обробки методом ЕІЛ) на структурний стан обробленої поверхні дозволяє обґрунтовано запропонувати матеріали та склад СТС для забезпечення необхідних властивостей поверхні найбільш економічним способом. Проведений аналіз особливостей структуро- та фазоутворення однокомпонентних та багатокомпонентних шарів, отриманих методом ЕІЛ із застосуванням СТС. Показано, за рахунок використання СТС, можливо збільшити глибину дифузійного шару (цементація), забезпечити зниження мікротвердості поверхні (сульфідування), зміцнити поверхневий шар (цементація, азотування, алітування), забезпечити підвищення жаростійкості (алітування). Згідно пропонованого способу цементації методом ЕІЛ (ЦЕІЛ) з використанням СТС вдалося збільшити зміцнений шар до 230 мкм і досягти твердості до 10796 МПа при 100 % суцільності легованого шару. Отримані сульфідні покриття товщиною до 75 мкм. Досліджений новий спосіб азотування методом ЕІЛ з використанням СТС. Отримані покриття мають високу мікротвердість (до 9160 МПа) і товщину шару (до 50 мкм). Рентгенографічні дослідження показали, що у сульфоалітованих покриттях у поверхневому шарі утворюються інтерметаліди FeAl і FeAl2. За рахунок введення аморфного бору у СТС вдалося збільшити твердість покриття до 12350 МПа на сталі 40. Результати рентгеноструктурного аналізу Al-C-B покриттів свідчать про те, що вони характеризуються наявністю, крім твердих розчинів ОЦК і ГЦК зі збільшеними параметрами кристалічної ґратки, інтерметалідів Fe4Al13 та легованого цементиту Fe3(CB). Металографічні та дюрометричні дослідження показали, що сульфомолібденові покриття складаються з чотирьох зон: верхнього пухкого шару з мікротвердістю Нμ = 1 112–2 040 МПа, «білого» зміцненого шару з Нμ = 5 147–5 474 МПа для Wр = 0,13 Дж і Нμ = 10 596–10 731 МПа для Wр = 3,4 Дж, дифузійної зони і основного металу. Рентгеноструктурний аналіз отриманих покриттів свідчить про те, що в покритті сталі 20 дисульфід молібдену утворюється вже за енергії розряду Wр = 0,55 Дж (3,77 %), а за Wр = 3,4 Дж його близько 8 % на поверхні й близько 5 % на глибині до 15 мкм. Покриття, сформовані в послідовності ЦЕІЛ →→ ЕІЛ Al → ЕІЛ Т15К6, мають найбільшу зону підвищеної твердості (320–360 мкм) і найменшу шорсткість поверхні (7,5 мкм). Завдяки утворенню 62 % (мас.) TiC та інтерметалідів забезпечується максимальна мікротвердість поверхневого шару (більша ніж 11 500 МПа). На підставі експериментальних досліджень запропоновані математичні моделі (рівняння товщини, мікротвердості, шорсткості й суцільності поверхневого шару), що дають можливість прогнозувати за енергетичними параметрами основні показники якості сформованого шару: приріст, мікротвердість, шорсткість і суцільність, а отже, установлювати структуру подальшого технологічного впливу іншими методами (ППД, БУФО та ін.) для забезпечення необхідних властивостей поверхні. Проведений статистичний та кінетичний аналізи процесу конденсації речовини під час ЕІЛ з використанням СТС, способом побудови фазових портретів, що дозволяє описати експериментальні дані, згідно з результатами яких, зі збільшенням потужності розряду збільшується товщина і мікротвердість зон покриття. Розроблені наукові принципи практичної реалізації енергоефективних та екологічно безпечних технологій одержання функціональних покриттів, заснованих на методі ЕІЛ з використанням СТС, захищені 34-ма патентами та впроваджені у виробництво із загальним економічним ефектом 1 млн 171 тис. грн.

The dissertation work presents scientifically substantiated results that generalize and provide a solution to an urgent scientific and technical problem – increasing the durability of dynamic equipment parts by controlling the structure and properties of steel surfaces due to the complex effect of electrospark alloying (ESA) using a special technological environment (STE). Based on the research, new methods of obtaining single-component and multicomponent coatings by the ESA method with the use of STE have been developed. These methods include the application of STE to the treated surface, then ESA. It is allows providing a complex of properties and obtaining high quality coatings. Generalized regularities of the influence of factors (composition of electrode materials and STE, energy and technological parameters of ESA) on the structural state of the treated surface allow to reasonably proposing materials and composition of STE to ensure the required surface properties in the most economical way. The analysis of structure and phase formation of one-component and multicomponent layers obtained by the ESA method with the use of STE is carried out. It is shown, due to the use of STE, it is possible to increase the depth of the diffusion layer (cementation), to reduce the microhardness of the surface (sulfidation), to strengthen the surface layer (cementation, nitriding, aluminizing), to increase heat resistance (aluminizing). According to the proposed method of cementation by the method of ESA (CESA) using STE managed to increase the hardened layer to 230 μm and achieve a hardness of 10 796 MPa at 100 % continuity of the doped layer. The sulfide coatings obtained to 75 μm. A new method of nitriding by ESA using STE was investigated. The obtained coatings have a high microhardness (up to 9 160 MPa) and a layer thickness (up to 50 μm). New approaches to the theoretical assessment of the quality of coatings obtained by the ESA method have been developed. The mathematical model has been developed for predicting the quality parameters of surface layers obtained by the ESA method using STE, which makes it possible to predict the structure and main parameters of the coating. Based on the analysis of experimental data according to the proposed model, the main indicators of the model are calculated, which allow predicting the thickness of the coating, its microhardness, continuity, and roughness for a given pair of electrode materials