Введение к работе
Актуальность работы Сменные детали, узлы металлургического оборудования и инструмент, работающий в условиях промышленного производства, имеют ограниченный эксплуатационный ресурс, обусловленный различными внешними факторами (абразивным изнашиванием, агрессивной средой, температурным воздействием и т.д.). Покрытия со специальными свойствами существенно увеличивают срок службы инструмента и дают большой экономический эффект. Нанесение электрохимических хромовых покрытий является одним из наиболее распространённых способов защиты металлических изделий от коррозии и абразивного изнашивания в процессе эксплуатации. Но при повышенных ударных нагрузках хромирование часто бывает малоэффективно.
Одним из перспективных методов увеличения стойкости электролитического хрома является создание комплексных электрохимических покрытий (КЭП). Технология нанесения комплексных электрохимических покрытий заключается в соосаждении металлической основы и упрочняющих дисперсных частиц второй фазы. Применение в качестве упрочнителей сверхтвёрдых материалов (ультрадисперсный алмаз (УДА) и вюрцитоподобный нитрид бора (g-BN)) позволяет получать комплексные электрохимические покрытия на основе хрома с высокой твёрдостью, износостойкостью и низким коэффициентом трения, что увеличивает срок службы детали. Выявление общих закономерностей формирования комплексных электрохимических покрытий в зависимости от природы внедряющихся частиц и толщины покрытия позволило бы разработать покрытия для наиболее эффективного упрочнения инструментальных и конструкционных материалов, работающих при высоких силовых напряжениях. Кроме того, встаёт вопрос об упрочнении инструмента, работающего в условиях повышенного износа, для которого целесообразно нанесение комплексных электрохимических покрытий толщин более 50 мкм с сохранением высоких эксплуатационных характеристик.
Наряду с созданием комплексных электрохимических покрытий, повышение свойств электролитического хрома возможно за счёт его термической обработки. Термическая обработка может осуществляться высокоэнергетическими концентрированными источниками энергии (электронно-ионные или пучковые технологии), то есть в условиях повышенных скоростей нагрева и охлаждения. При этом повышается адгезионная прочность покрытий и поверхность приобретает высокую износостойкость вследствие образования твёрдых мелкодисперсных карбидов хрома. В технической литературе имеется недостаточно сведений о влиянии повышенных скоростей нагрева и охлаждения на эксплуатационные характеристики серых чугунов, что ставит вопрос об установлении закономерностей структурообразования, изучения фазового состава и влияния этих факторов на изменение свойств данного материала.
Таким образом, исследования покрытий, направленные на повышение ресурса и надёжности промышленного оборудования, являются актуальными.
Цель работы: повышение эксплуатационных свойств инструментов и деталей, работающих в условиях повышенных нагрузок и температур путем нанесения композиционных электрохимических и плазменных диффузионных покрытий на основе хрома.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучить влияние размеров и формы частиц второй фазы на изменения структуры, морфологии поверхности и механические свойства формирующихся комплексных электрохимических покрытий;
2. Исследовать совместное влияние частиц второй фазы различной природы на структуру и свойства поликомпозиционных покрытий (хром-УДА-нитрид бора);
3. Исследовать влияние толщины покрытий на механические свойства. Определить толщину комплексных электрохимических покрытий, обеспечивающую максимальные значения микротвёрдости и износостойкости для каждого вида наполнителя в зависимости от условий эксплуатации;
4. Исследовать износостойкость комплексных электрохимических покрытий при различных условиях изнашивания, приближенных к реальным условиям работы;
5. Изучить закономерности образования структуры диффузионных хромовых покрытий сформированных в условиях интенсивного нагрева и охлаждения в процессе обработки поверхности серого чугуна низкотемпературной плазмой;
6. Оценить возможность применения диффузионных хромовых покрытий для упрочнения чугунных деталей, работающих в условиях повышенного износа;
7. Провести апробирование полученных износостойких хромовых покрытий на инструментах и деталях, используемых в промышленном производстве.
Научная новизна
1. Получены комплексные электрохимические покрытия на основе хрома с добавлением частиц ультрадисперсного алмаза толщиной более 60 мкм, обладающие повышенной износостойкостью, обеспечивающие увеличение срока эксплуатации и надёжности работы использующегося в условиях интенсивного износа инструмента (повышение износостойкости в 2,5 раза, твёрдости – в 1,43 раза).
2. Впервые выявлены преимущества поликомпозиционного покрытия (ПКЭП), содержащего ультрадисперсный алмаз и вюрцитоподобный нитрид бора, по сравнению с монокомпозиционным с теми же наполнителями. Установлено, что у поликомпозиционных покрытий износостойкость повышается в 4 раза по сравнению с покрытием из электролитического хрома без добавок, а относительная износостойкость монокомпозиционных покрытий с добавлением УДА и вюрцитоподобного нитрида бора возрастает 2,46 и 1,43 раза соответственно.
3. Установлено, что при формировании поликомпозиционных комплексных электрохимических покрытий в слои, прилегающие к основе, внедряются преимущественно мелкие частицы (6 - 70 нм), а с увеличением толщины покрытия от 60 до 150 мкм возрастает вероятность внедрения более крупных из имеющихся в суспензии частиц (0,1 – 10 мкм).
4. Определены закономерности структурообразования диффузионных хромовых покрытий и распределение легирующих элементов в диффузионной зоне в условиях интенсивного нагрева и охлаждения. Установлено, что плазменная обработка чугуна с электролитическим хромовым покрытием приводит к повышению микротвёрдости в
3 – 4 раза и образованию на поверхности карбидных фаз (Cr, Fe)7С3 и (Cr, Fe)23С6. При этом содержание хрома в покрытии составляет 20 – 25%.
5. Изучена и установлена взаимосвязь толщины предварительно нанесённого осадка электрохимического хрома со структурой и свойствами формирующегося диффузионного покрытия. Установлено, что при обработке детали плазмой электролитического осадка хрома толщиной от 100 до 300 мкм образуется диффузионный слой толщиной от 3,5 до 4,5 мм.
Практическая значимость и реализация результатов работы
1. Разработаны рекомендации для упрочнения кромок режущих инструментов, эксплуатируемые в условиях повышенных нагрузок и абразивного износа, композиционными электрохимическими хромовыми покрытиями с ультрадисперсным алмазом.
2. Предложена технология восстановления и продления срока службы отработанных двухслойных валков из серого чугуна с отбелённым рабочим слоем, применяющихся при горячей прокатке листовой стали, путём нанесения диффузионных хромовых покрытий, сформированных в условиях повышенных скоростей нагрева и охлаждения.
Результаты работы нашли применение на металлургических предприятиях (ООО «ГЗОЦМ» г. Гай Оренбургской области, ЗАО «Восстановление» г. Липецк). На предприятии ООО «ГЗЦОМ» испытывалась промышленная партия дисковых ножей с нанесением на боковые поверхности хром-алмазных покрытий. Отмечено, что за период испытаний увеличен рабочий ресурс и снижено количество перешлифовок ножей, используемых при резке лент из специальных сплавов, к которым предъявляются повышенные требования к качеству реза. При этом выкрашивания кромок ножей не наблюдалось.
Соответствие диссертации паспорту специальностей научных работников
Диссертационная работа соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.16.01 – «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов»: п. 2., п. 3., п.4., п. 6., п. 8.
Достоверность результатов исследований, основных положений и выводов определяется соответствием теоретических результатов с экспериментальными данными и с общепринятыми представлениями; подтверждается проведением испытаний с использованием известных в материаловедении современных методов и методик, сертифицированной, поверенной и аттестованной аппаратуры, применением современных программных средств обработки полученных результатов.
Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: 4 Международная научно-техническая конференция «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надёжность машин, приборов и оборудования», Вологда, (2008 г.); 15 Всероссийская научная конференция студентов–физиков и молодых учёных, Томск, (2009 г.); 8 международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии», Санкт-Петербург, (2009 г.); Международная молодёжная научная конференция «XVII Туполевские чтения», Казань, (2009 г.), 16 Всероссийская научная конференция студентов–физиков и молодых учёных, Волгоград, (2010 г.), 7 Международная научно-техническая конференция «Современная металлургия начала нового тысячелетия», Липецк, (2010 г.), Областной фестиваль научно-технического творчества молодёжи «НТТМ-2011», Липецк, (2011 г.).
Публикации По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 4 в рецензируемых журналах и изданиях.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов и списка используемой литературы. Общий объем работы составляет
121 страницу, включая 49 рисунков, 15 таблиц. Список литературы содержит
104 наименования.
