Введение к работе
Актуальность работы
Свойства поверхности определяют многие эксплуатационные свойства изделий машиностроения. Как известно, процессы разрушения зарождаются и развиваются на поверхности деталей и машин, тем самым определяя их долговечность. В тоже время, поверхность изделия контактирует со средой и подвергается коррозионному и эрозионному износу. В связи с этим, ведутся интенсивные исследования, направленные на изменение свойств поверхностных слоев. В основном реализуется два подхода: создание покрытий с особыми свойствами и модифицирование поверхностных слоев. В этом направлении проведен большой объем исследований, который изложен в трудах Лазаренко Б.Р., Лазаренко Н.И., Лахтина Ю.М., Когана Я.Д., Ломаевой С.Ф., Минкевича А.Н., Бойко В.И., Козлова Л.Я., Лэнгмюра И., Алесковского В.Б., Койфмана О.И., Свитцова В.И., Решетникова СМ. Банных О.А., Бернса X., Бушера Р., Гаврилюка В.Г., Гойхенберга Ю.Н., Роуэрза Д., Рашева Ц., Терво Ж., Алехина В.П., Панина В.Е., Тушинского Л.И., Смыслова A.M., Мухина B.C. и др.
Модифицирование поверхностных слоев в ряде случаев более технологичный процесс для реализации на объектах с протяженной поверхностью. В связи с этим, необходимо рассмотреть закономерности модифицирования поверхностных слоев на масштабном наноуровне организации конструкционных материалов. На эффективность этого направления указывают исследования Кузеева И.Р., Закирничной М.М., Ткаченко О.И., Годовского Д.А., Поповой СВ. и др., которые показали, что при определенных условиях модифицирования поверхностных слоев сталей и чугунов образуются фуллерены, которые существенно влияют на изменение механических свойств материала.
Известны работы Целуйкина В.Н., Неверной О.Г., Сюгаева А.В., Ломаевой С.Ф., Решетникова СМ., где внедрение фуллеренов приводит к
пассивации поверхности. В исследованиях Кузеева И.Р., Поповой СВ. показано, что формирование пространственной структуры фуллеренов в поверхностных слоях сталей позволяет повысить коррозионную, а также эрозионную стойкость сталей.
Однако остается неясным, какая доля углерода при диффузии извне участвует в формировании фуллеренов.
Таким образом, формирование металлофуллеренового слоя с целью пассивации поверхности углеродистых сталей является актуальной задачей имеющая существенное значение в области управления структурой и свойствами углеродистых сплавов на основе железа.
Научным консультантом диссертационной работы является к.т.н. Попова СВ.
Диссертационная работа выполнялась в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ (Проект №7.8591.2013, тема «Термические и акустические эффекты при разрушении стали с различным содержанием углерода»).
Область исследования соответствует требованиям паспорта специальности 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение в нефтегазовой отрасли):
1 Теоретические и экспериментальные исследования фундаментальных
связей состава и структуры материалов с комплексом физико-механических
и эксплуатационных свойств с целью обеспечения надежности и
долговечности материалов и изделий.
2 Установление закономерностей физико-химических и физико-
механических процессов, происходящих на границах раздела в гетерогенных
структурах.
Целью диссертационной работы является оценка влияния толщины металлофуллеренового слоя на пассивацию поверхности углеродистой стали.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Определить влияние времени науглероживания на толщину металлофуллеренового поверхностного слоя стали 20.
-
Элементный анализ металлофуллеренового слоя с помощью микрорентгеноспектрального анализа;
-
Исследование микротвердости по глубине металлофуллеренового слоя;
-
Количественный анализ фуллеренов в металлофуллереновом слое с помощью ИК-Фурье спектрометра;
-
Оценка влияния металлофуллеренового слоя на пассивность поверхности с помощью потенциодинамических и гравиметрических исследований.
Научная новизна
-
При внедрении углерода из жидкой фазы нефтяного пека в металл при температуре 720 С наблюдается экстремальная зависимость содержания фуллереновых комплексов на основе фуллеренов Сбо и С70, максимальное значение которой с увеличением времени науглероживания поверхностного слоя смещается вглубь по линейному закону. При этом количественное содержание фуллереновых комплексов на основе фуллеренов С6о и С7о в экстремуме снижается.
-
Определено, что при одинаковом времени науглероживания в среде нефтяного пека количественное содержание фуллереновых комплексов на основе фуллеренов С6о и С7о, образующихся в металлофуллереновом поверхностном слое стали 20 на порядок выше, чем при газовой цементации.
-
Доказано, что от 0,38 до 0,45 % углерода, внедренного из среды нефтяного пека в металл, участвует в образовании фуллереновых комплексов на основе фуллеренов Сбо и С70 в зависимости от времени науглероживания, что позволяет улучшить противокоррозионные свойства стали 20.
На защиту выносится
1 Линейный закон, по которому экстремум, где содержание фуллереновых комплексов на основе фуллеренов Сбо и С70 при внедрении
углерода из жидкой фазы нефтяного пека в металл при температуре 720 С максимально, смещается вглубь поверхностного слоя с увеличением времени науглероживания.
2 Анализ металлофуллеренового слоя, который доказывает, что при
науглероживании стали 20 в среде нефтяного пека количество фуллереновых
комплексов на основе фуллеренов Сбо и С7о увеличивается на порядок, в
отличие от результатов, полученных при классической газовой цементации.
3 Результаты потенциодинамических и гравиметрических
исследований, подтверждающие, что 0,38 - 0,45 % углерода, внедренного из
среды нефтяного пека в металл, участвует в образовании фуллереновых
комплексов на основе фуллеренов С6о и С7о в зависимости от времени
науглероживания и позволяет улучшить противокоррозионные свойства
стали 20.
Практическая ценность
Анализ влияния металлофуллеренового слоя позволяет определять оптимальные режимы модифицирования поверхностного слоя углеродистых сталей в среде нефтяного пека с целью создания в материале требуемую степень пассивации.
Результаты, подтверждающие влияние фуллереновых комплексов на основе фуллеренов Сбо и С70 на пассивность поверхностного слоя, полученного в ходе термодиффузионного насыщения стали 20 в среде нефтяного пека, используются при чтении курса лекций по дисциплине «Коррозионная стойкость, прочность и долговечность наноматериалов» магистерской подготовки по направлению 151000 Технологические машины и оборудование.
Апробация результатов работы
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на 62, 63, 64-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2011, 2012, 2013 гг.); XII Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех - 2011»
(Ухта, 2011 г.); XIII Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2012» (Ухта, 2012 г.); III Международном семинаре «Развитие инновационной инфраструктуры университета» (Уфа, 2012 г.); IV Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (Суздаль, 2012 г.); XVIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и Технологии» (Томск, 2012); научно-техническом семинаре «Остаточный ресурс нефтегазового оборудования» (Уфа, 2013 г.); II региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наноматериалы и нанотехнологии» (г. Красноярск, 2013 г.).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.
Объем и структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 105 наименований, содержит 104 страницы машинописного текста, включая 35 рисунков, 4 таблицы.
