Разработка научно-технических основ создания композиционных покрытий типа Fe-Me-B с высокими эксплуатационными свойствами на поверхности легированных сталей

Разработка новых составов защитных покрытий имеет большое фундаментальное и прикладное значение для повышения эксплуатационных свойств поверхностных слоев деталей машин, увеличения долговечности их службы и расширения их функциональных возможностей. В настоящее время для изготовления деталей, работающих в условиях высоких механических и тепловых воздействий, сопровождающихся ударными нагрузками, выбираются легированные и специальные стали. Однако зачастую поверхностные слои нуждаются в дополнительном упрочнении. Таким образом, одной из наиболее важных проблем в машиностроении является разработка методов повышения функциональных свойств поверхностных слоев различными методами упрочнения. Несмотря на многолетнюю историю исследований и большое количество публикаций в научно-технической литературе, проблема поиска эффективных методов упрочнения сохраняет актуальность. Создание композиционных покрытий способствует комплексному повышению прочности, износо- и коррозионной стойкости поверхностных слоев металлических изделий, что постепенно вытесняют чисто металлические соединения в машиностроении. В настоящее время в технологии машиностроения при модификации поверхностных слоев сталей и сплавов можно эффективно использовать многокомпонентную химико-термическую обработку (ХТО), заключающуюся в одновременном или последовательном диффузионном насыщении поверхности несколькими химическими элементами. Такие комплексные методы ХТО как бороалитирование позволяют в значительной мере увеличить сопротивление износу, а также повысить жаростойкость, коррозионную стойкость и ряд других свойств поверхностных слоев деталей машин. Тем не менее, на сегодняшний день задача по разработке теории формирования бороалитированного слоя, обладающим комплексом ценных свойств – высокими изно-, жаро- и коррозионной стойкостью, остается до конца не решенной. Традиционное бороалитирование приводит к формированию слоя, в котором фазы, располагаясь послойно, не позволяют в полной мере проявиться положительным свойствам бороалитированного слоя в комплексе. Широкое применение покрытий на основе карбида бора в машиностроении, обуславливается высокими эксплуатационными свойствами, такими как износостойкость, окалиностойкость, твердость, коррозионная стойкость. Однако, существующие методики создания защитных покрытий как правило предполагает использование в качестве основы недорогие углеродистые конструкционные стали, подвергаемые поверхностной модификации. Тем самым достигается экономический эффект, за счет замены дорогостоящих легированных сталей и сплавов. Однако данный подход имеет некоторые ограничения:1. Покрытия на основе бора, полученные диффузионными методами имеют ряд недостатков: слоистая структура покрытия, высокая хрупкость, резкий перепад свойств при переходе от покрытия к подложке, разнонаправленный характер распределения остаточных напряжений, обусловленные анизотропией теплового расширения боридных фаз и сердцевины. 2. Для изделий, работающих под давлением, в условиях ударных нагрузок и повышенных температур, сохраняется необходимость обеспечения прочности и высоких механических свойств не только на поверхности, но и в объеме изделий. Углеродистые стали зачастую не могут обеспечить данный показатель. В этом отношении особенно перспективным является исследование способов создания композиционных структур на поверхности легированных сталей на основе бора и алюминия таким образом, чтобы и твердые, и пластичные фазы располагались в слое в различных сочетаниях (упорядочено или произвольно). Предполагается, что диффузионное насыщение (ДН) поверхности легированных сталей карбидом бора и алюминием по определенным температурно-временным режимам позволит получить слои с композиционной структурой и развитой переходной зоной. Это обеспечит более плавное распределение микротвердости, благоприятное распределение остаточных напряжений и повышенные адгезионные свойства. Использование ЭЛЛ и ДБА+ЭЛО являются эффективными методом нивелирования высокой хрупкости покрытий на основе бора благодаря формированию покрытий с композиционной структурой. Это достигается за счет фазовой трансформации в результате переплава поверхностных слоев под воздействием электронного пучка. Такой обработкой возможно создание структуры где твердые фазы будут произвольно располагаться в матрице из более пластичных по всей глубине слоя.Новизна проекта состоит в разработке новых научных и методологических подходов создания композиционных покрытий типа Fe-Me-B, формируемых на поверхности легированных сталей, где Me - это алюминий или другой легирующих элемент, входящий в состав стали (для стали 3Х2В8Ф - W,Cr,V; для стали 5ХНМ - Cr,Ni,Mo). Для получения покрытий с повышенными эксплуатационными характеристиками, такими как: твёрдость, пластичность, коррозионная и абразивная стойкость, будут использованы методы химико-термической обработки (ДБА), электронно-лучевое легирование (ЭЛЛ) и комбинированной технологии, включающей диффузионное насыщение с последующей электронно-лучевой обработкой (ДБА+ЭЛО). На основе установления взаимосвязи между методами создания Fe-Me-B-покрытий и их структурно-фазового состояния и свойствами будут разработаны технологические методы получения композиционных покрытий с определением области рационального применения каждой из рассматриваемых технологий в отдельности и в совокупности, в зависимости от требований, предъявляемых к поверхностному слою. Таким образом, цель проекта заключается в разработке научно-технической методики повышения эксплуатационных характеристик изделий из легированных сталей путем рационального выбора технологии воздействия и состава защитных борсодержащих покрытий типа Fe-Me-B. Объектами исследования являются многокомпонентные композиционные слои и покрытия на основе бора и алюминия в легированных сталях, выбирающихся на основе изучения их востребованности для нуждающихся в поверхностном модифицировании изделий машиностроения. Предметом исследований являются способы диффузионного бороалитирования, ЭЛЛ и комбинирования химико-термической обработки с ЭЛО, для получения покрытий, обеспечивающих повышение комплекса теплофизических и механических свойств. Для достижения цели проекта планируется использовать комплекс теоретических и экспериментальных исследований:1. В проекте будут проведены работы по анализу структурно-фазового состояния и свойств покрытий с использованием современных аналитических методов структурных исследований и сертифицированных методик измерений. Изучение эксплуатационных свойств покрытий будет включать определение твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, адгезионной прочности. Помимо традиционных методов исследования структуры и свойств покрытий, планируется выполнить измерение остаточных напряжений в системе подложка-покрытие в зависимости от его структурно-фазового состояния и технологических методов создания покрытий; 2. Для обработки полученных экспериментальных данных в работе планируется использовать математический аппарат искусственных нейронных сетей (ИНС) в целях разработки компьютерной системы по выбору технологии создания покрытия и выбора технологических режимов для достижение требуемых свойств поверхности изделий из легированных сталей;3. Кроме математического аппарата в проекте будут проведены термодинамические расчеты, включающие кинетику формирования слоев, расчет коэффициентов диффузии. Результаты теоретических и экспериментальных исследований создадут предпосылки для разработки методов имитационного компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) системы "подложка-покрытие" с применением CAD/CAE-технологий, а также позволят заложить научные основы формирования композиционных слоев и покрытий на поверхности легированных сталей.