Введение к работе
Актуальность работы
Одной из важных и сложных проблем материаловедения в машиностроении является износ и коррозионное разрушение конструкционных материалов. В результате износа экономика России терпит ежегодно многомиллиардные убытки. Потери от коррозии в промышленно развитых странах достигают 3 - 5% национального дохода. В связи с этим современные требования, предъявляемые к прочности, износостойкости и коррозионной стойкости поверхностей столь высоки, что традиционные методы защиты часто неспособны обеспечить требуемое качество изделий.
Применение высоколегированных коррозионностойких сталей в различных конструкциях зачастую экономически нецелесообразно ввиду высокой стоимости получаемых изделий и ограниченным сроком их службы.
Поскольку и коррозионная стойкость, и трибологические свойства материала зависят от состояния поверхности, в последнее время наиболее актуальной проблемой материаловедения является создание поверхностного слоя, модифицированного наноразмерными частицами. Перспективным нанодисперсным материалом композитных покрытий является фуллерен. Молекулы фуллеренов имеют замкнутую гс-оболочку при обилии кратных связей. Они способны легко и обратимо принимать электроны без разрушения структуры.
В ранних исследованиях авторов Баязитова М.И. и Кузеева И.Р. обнаружено повышение коррозионной стойкости стали при диффузионном насыщении металлической поверхности углеродом. Установлено, что обнаруженный эффект обусловлен высокой степенью упорядоченности структуры из атомов углерода, определяемой их гибридизацией.
Закирничной М.М. впервые установлена корреляция между микротвердостью и распределением количества фуллеренов по сечению стальных образцов после цементации, на основании чего можно предположить, что образование фуллеренов придает дополнительную прочность и твердость поверхностной зоне деталей после цементации.
Целью диссертационной работы является получение металлофуллеренового поверхностного слоя при науглероживании углеродистой стали в среде нефтяного пека и карбоната бария и оценка его влияния на коррозионные, механические и трибологические свойства стали.
Для достижения поставленной цели в процессе выполнения диссертационной работы были поставлены и решались следующие основные задачи:
1) исследование механизма диффузионного насыщения поверхности углеродом из
газовой и жидкой фазы с помощью морфологического анализа углеродных форм,
образующихся при науглероживании стали;
-
разработка способов количественной идентификации фуллеренов С6о и С70 в железоуглеродистых сплавах с помощью ИК-Фурье спектрометрии и высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ);
-
определение оптимальных технологических параметров химико-термической обработки стали в средах карбоната бария и нефтяного пека, обеспечивающих максимальное содержание фуллереновых комплексов в науглероженном слое;
-
оценка эксплуатационных свойств образцов из углеродистой стали с металло-фуллереновым поверхностным слоем;
-
установление влияния металлофуллеренового поверхностного слоя на коррозионную стойкость стали 20.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались на конгрессе «Газ. Нефть. Нанотехнологии» (г. Уфа, 23.09.2009г.); 60-й и 61-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых»; 1-ой Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2009г.), на конкурсе молодых ученых, проходящем в рамках международного форума «Роснано» (г. Москва, 2008г.).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе одна статья в журнале, входящем в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, одна монография, один патент.
Научная новизна
1 Впервые при помощи ИК-Фурье спектрометрии и масс-спектрометрии
МАЛДИ обнаружено наличие наряду с полыми фуллеренами в поверхностном науг
лероженном слое стали 20 эндоэдральных металлофуллеренов, образование которых
подтверждает катализирующую роль металлической поверхности на формирование
стабильных углеродных кластеров, имеющих фуллереновую природу.
2 В ходе трибологических испытаний по схеме «диск - колодка» при низких
оборотах вращения диска, и испытаний по четырехшариковой схеме при высоких
оборотах вращения шпинделя впервые установлено, что формирование фуллерено-вых комплексов в поверхностном слое углеродистой стали позволяет существенно снизить ее износ.
З В результате коррозионных исследований впервые установлено, что формирование фуллереновых комплексов при науглероживании стали 20 приводит к значительному уменьшению скорости ее коррозии в кислых средах.
Практическая ценность
Разработан способ количественной идентификации фуллеренов в железоуглеродистых сплавах методом ИК-Фурье спектрометрии, основанный на формировании полярных экзоэдральных бромидов фуллеренов, обладающих высокой интенсивностью поглощения в инфракрасном диапазоне частот, что определяет значительное повышение чувствительности количественного анализа.
По результатам трибологических испытаний и исследований на коррозионную стойкость расширено представление о влиянии фуллеренов, образующихся при диффузионном насыщении металлической поверхности углеродом, на повышение эксплуатационных свойств железоуглеродистых сплавов.
В результате использования комплекса современных высокочувствительных методов исследований углеродных форм в структуре стали, образующихся при ее диффузионном насыщении углеродом из газовой фазы, подтверждена гипотеза фул-лереновой природы «карбидных включений», которые являются переходными структурами, координирующими рост нанотрубок.
Полученные при выполнении диссертационной работы результаты используются в учебном процессе в курсе лекций по дисциплине магистерской подготовки «Основы научных исследований» в ГОУ ВПО Уфимском государственном нефтяном техническом университете.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и основных выводов. Работа изложена на 105 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 14 таблиц, список литературы состоит из 106 наименований.
