Введение к работе
з
Актуальность темы диссертации. В области упрочняющих технологий и создания новых материалов большое внимание уделяется разработке композиционных металлокерамических покрытий на основе тугоплавких соединений, эксплуатируемых в условиях интенсивного износа, к числу которых относятся торцевые уплотнения, прокатное оборудование и многие другие детали в металлургии и машиностроении. Повышение эксплуатационных свойств покрытий требует изыскания в качестве износостойкой составляющей твердой фазы, не уступающей по твердости и жаростойкости карбидам, но обладающей более высокой температурой плавления. Среди таких соединений особое место занимают бескислородные тугоплавкие соединения переходных металлов FV-VI гр. Периодической системы с углеродом и бором. С точки зрения практического применения, наиболее перспективен в качестве износостойкой составляющей композиционных материалов диборид титана. Данное соединение обладает высокой несущей способностью, т.к. наряду с высокой твердостью и низкими значениями коэффициента термического расширения, не подвергается пластической деформации, способствующей накоплению дефектов кристаллической структуры и последующему по ним разрушению при трибологическом контакте.
Большую роль в формировании структуры и свойств композиционных покрытий играет обоснование выбора материала металлической связки, которая по отношению к тугоплавкой составляющей должна иметь химическую устойчивость и обладать высокой смачиваемостью боридов. Из анализа диаграмм состояния боридных систем следует, что при конструировании композиционных материалов на основе боридов титана с металлической связкой наиболее полно указанному комплексу свойств отвечают металлы группы железа.
Сложилась противоречивая ситуация - практическая значимость боридов титана и композиционных покрытий на их основе и их ограниченное использование в производстве. Это обусловлено, в основном, техническими трудностями при их производстве, а также несовершенством используемых в производстве упрочняющих технологий. С развитием новой техники все большее применение находят технологии упрочнения поверхности металлов и сплавов с использованием концентрированных потоков энергии. Перспективным направлением повышения эксплуатационной стойкости стальных изделий является применение технологии электронно-лучевой наплавки (ЭЛН) в вакууме. Технология многопроходной электронно-лучевой наплавки основана на использовании эффекта концентрации энергии электронного пучка в микрообъеме жидкометал-лической ванны наплавляемого изделия, куда порошковым дозатором подается наплавочный материал. Большая скорость кристаллизации способствует формированию однородной мелкодисперсной структуры наплавленного слоя.
В последние годы большое значение приобретают порошки, полученные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), имеющие композиционную структуру «тугоплавкая составляющая - металлическая связка». Но практически отсутствуют данные об использовании СВС-композиционных порошков системы ТІ-В-Ме для создания упрочняющих покрытий электронно-лучевой наплавкой.
Остается малоизученным вопрос получения композиционных покрытий на основе синтезируемых в процессе электронно-лучевой наплавки боридов титана из термо-реагирующих порошков системы Ti-B-Fe. Использование в работе для наплавки термо-реагирующих порошков (ферросплавов) FeB и FeTi является не только перспективным, но и целесообразным с точки зрения экономической эффективности, т.к. данный ма-
4 термал является дешевым и доступным сырьем. В этой связи актуальной задачей является создание износостойких композиционных покрытий на основе СВС-композита (TiBi+Fe) и смеси термореагирующих порошков FeB - FeTi.
Исходя из вышеизложенного целью работы является разработка и исследование механизмов формирования структуры, фазового состава и свойств износостойких композиционных покрытий системы Ti-B-Fe на основе боридов титана, полученных методом электронно-лучевой наплавки в вакууме. Для достижения намеченной цели в работе поставлены следующие задачи:
провести систематические исследования структур и свойств покрытий, нанесенных электронно-лучевой наплавкой композиционных порошков TiBrFe, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Изучить особенности формирования структуры покрытий в зависимости от химического состава связки, гранулометрического состава и концентрационного соотношения исходных компонентов в наплавляемой смеси;
выявить основные закономерности формирования структуры и свойств композиционных покрытий на основе боридов титана, синтезируемых в процессе электронно-лучевой наплавки термореагирующих порошков FeB и FeTi в зависимости от гранулометрического состава;
создать и исследовать композиционные покрытия со структурами, приближенными к эвтектическому типу;
изучить влияние легирующих добавок на фазо-структурообразование и свойства наплавленных покрытий;
исследовать триботехнические характеристики ЭЛН-покрытий, сравнить с износостойкостью покрытий, полученных разными методами;
показать возможности практического применения композиционных покрытий на основе боридов титана, полученных методом электронно-лучевой наплавки на деталях металлургического оборудования.
Научная новизна. В работе впервые:
разработаны составы высокопрочных и износостойких композиционных покрытий на основе боридов титана, полученных из СВС-комиозиционных и термореагирующих порошков системы Ti-B-Fe в процессе электронно-лучевой наплавки в вакууме;
разработаны новые методы образования композиционных износостойких покрытий на малоуглеродистых сталях на основе боридов титана, синтезируемых в процессе электронно-лучевой наплавки из термореагирующих порошков;
показано влияние гранулометрического состава, концентрационного соотношения исходных компонентов, химического состава материала связки и дополнительного легирования (BilM, ZrCb, Еи203, CaFi) на фазо-структурообразование;
установлена взаимосвязь структуры и свойств композиционных покрытий в зависимости от способа введения боридов титана и от технологий их нанесения.
Практическая значимость:
установлены основные закономерности фазовых и структурных превращений при электронно-лучевой наплавке в вакууме покрытий системы Ti-B-Fe на их триботехнические свойства, которые могут быть использованы на практике;
совмещение процесса электронно-лучевой наплавки в вакууме с синтезом боридов титана при использовании термореагирующих порошков позволяет решать
5 проблему создания композиционных износостойких покрытий на их основе на поверхности металлов и сплавов без использования дорогостоящих композиционных материалов;
разработанная технология электронно-лучевой наплавки композиционных покрытий «диборид титана - металлическая связка» использована на ОАО «Западно-Сибирском металлургическом комбинате» для упрочнения торцевых уплотнений и шайб трайб-аппаратов стана 450-2.
Достоверность результатов определяется применением комплекса современных методов исследования, использованием сертифицированного оборудования, соответствием экспериментальных результатов с данными других авторов.
Вклад автора состоит в совместных с научным руководителем постановке задач диссертации, а также проведении экспериментов, обработке полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации. Положения, выносимые на защиту:
-
Составы покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой СВС-композиционных порошков (TiB2-50%Fe), обладающих высокими характеристиками твердости и износостойкости. Использование для наплавки шихты с соотношением исходных компонентов, отвечающих эвтектическим составам, способствует проведению процесса электронно-лучевой наплавки при более низких температурах, улучшает технологичность процесса и качество покрытий в связи с увеличением жидкотекучести расплава;
-
Совокупность экспериментальных данных, показывающих возможность создания композиционных покрытий на основе боридов титана, синтезируемых в процессе электронно-лучевой наплавки из термореагирующих порошков FeB и FeTi. В зависимости от гранулометрического состава, концентрационного соотношения исходных компонентов в наплавляемой шихте, дополнительного введения легирующих элементов возможно достижение более эффективного повышения твердости и износостойкости покрытий за счет твердорастворного упрочнения металлической связки и создания условий для дополнительного выделения в ней мелкодисперсных упрочняющих соединений;
-
Результаты исследования триботехнических характеристик, показавшие, что как при абразивном изнашивании, так и при износе в парах трения износостойкость зависит от состава, объемной доли тугоплавких соединений в поверхностной зоне покрытия, их морфологии и свойств металлической матрицы;
-
Значительное влияние на фазо-структурообразование и распределение упрочняющих фаз оказывает не только способ ввода боридов титана (СВС-композиты, экзотермические смеси), но и технологии нанесения композиционных покрытий на их основе. Покрытия системы Ti-B-Fe, полученные электронно-лучевой наплавкой, обладают наиболее высокими значениями триботехнических характеристик по сравнению с покрытиями, полученными газопламенным напылением и напылением с последующим оплавлением электронным лучом.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на VII Международной школе-семинаре молодых ученых «Актуальные проблемы физики, технологий и инновационного развития» (Томск, 2005); 3-й Всероссийской конференции молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии» (Томск, 2006); 7-й Международной конференции «Оборудование и тех-
нологии термической обработки металлов и сплавов» (Харьков, Украина 2006); II, III Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск 2006, 2007); 7-й Международной конференции «Взаимодействие излучений с твердым телом» (Минск, Беларусь 2007); 9lh International conference on Modification of materials with particle beams and plasma flows (Tomsk, 2008).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 20 публикациях, из них 5 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения; всего 170 страниц, в том числе 46 рисунков, 23 таблицы и список цитируемой литературы из 157 наименований.
